行星探索的選擇困難症：下一步探索天王星還是海王星？

今年是人類探測火星的一個高峰期，中國、美國、歐洲各自的火星探測器將奔赴火星，我國在計劃表上開展木星探測在2030年左右，更遠的深空探測在本世紀中葉；俄羅斯繼承蘇聯遺產，但是在深空探測的高失敗率和經濟實力，難以支持這樣的大科學項目，歐洲日本則熱衷於抱NASA大腿合作，或是開展靠近地球的小行星探測；

旅行者2號拍攝的海王星

科學界之間已經達成共識，在2025年探測木星衛星的大科學項目歐羅巴快船完成之後，NASA的下一個旗艦級昂貴任務必須瞄準金星、天王星或海王星；有朋友可能會好奇火星項目不算嗎？這裡需要注意的是探火項目是獨立的系統項目，美國目前喊得最歡的重返月球阿耳忒彌斯計劃也是在為下一步登火做鋪墊，開發月面，在環月軌道部署一個深空之門空間站做中轉站。而探索金星的項目已定，計劃在2023年製造完成LLISSE金星表面探測器並展開測試。除了阿爾忒彌斯計劃在國會不斷的朝令夕改，親兒子波音的各種拖延症，深空探測項目均在有序進行中；2015年應美國國會的要求，美國宇航局NASA開始研究從2030年左右開始向天王星和海王星發射探測器的可能性。不幸的是，技術上沒有多少問題，唯一的問題時選擇困難症，經費是有限的，不可能全都要，那麼是選擇天王星還是海王星呢？

天王星與海王星

大科學項目都是十分昂貴的，且無法帶來直接的經濟收益，所以大科學項目只能靠國家財政支持，所以各國航天部門永遠是甲方，而民營航天只能從火箭發射入手，承擔低成本的發射任務，大科學項目是民營航天沒能力也沒動力做的事情。雖然發展航天技術是為了人類未來，但是各國的最高優先級還是身邊遇見的問題，所以在航天投入上，在沒有美蘇爭霸那種歷史背景下，經費往往是很有限的。

旅行者發射任務時的行星位置

現在已經不是旅行者號發射的那個時代，特殊的多星位置已經過去，而現在用一個探測器訪問兩個以上行星不僅昂貴，而且複雜得多，幾乎不可能用一艘飛船執行兩個行星的飛越任務。而且科學界需要的是一個軌道飛行器，也就是一個圍繞行星飛行，進入環繞軌道進行詳細研究的探測器，人們已經對探測器飛掠行星短暫一瞥已經不滿足了，所以開始二選一吧！

NASA設計的海王星探測器草案

在分別於1986年和1989年掠過天王星和海王星的旅行者2號之後，人們認為天王星比海王星更"無聊"，因此直到幾年前幾乎所有的飛行計劃都計劃研究這個離地球更遠的海王星；通過哈勃太空望遠鏡的觀察表明，天王星的大氣非常活躍。此外，天王星衛星構成了整個太陽系中已知最差的衛星系統。作為一個"多餘"的星球，天王星比海王星要近得多，因此，執行天王星任務的飛行時間通常少於到達海王星所需的時間，所以執行天王星任務時具有相當大的運力優勢，科學家可以添加更多的探測設備，飛掠木星時做引力彈弓加速時有更好的防護，風險也更低。

幾年前的大多數任務都指出了研究兩個冰巨星的重要性。然而，冥王星在2015年被"新視野"號探測飛越，揭示了這個矮行星的巨大複雜性，激發了人們對研究柯伊伯帶其他行星的興趣。準確地說，海王星最大的衛星海衛一特里同（Triton），它是被捕獲的柯伊伯帶天體。根據理論模型，海衛一可能有一個地下海洋（或者說是水幔），因為海衛一的存在，海王星的探索在科學上比天王星優先級更高。而且天王星的最佳發射窗口將於2029年關閉，按照NASA的計劃表，如果不加快項目速度則趕不上最佳發射窗口。

利用海王星大氣做大氣減速

今年年初，冰巨星系統Icy Giants Systems 2020年研討會在倫敦舉行，來自世界各地的行星科學家在倫敦皇家學會舉行為期三天的研討會討論天王星和海王星系統的未來探索。決定兩個系統的優先級。為此，至關重要的是要考慮系外行星的觀點。冰巨星是太陽系外最豐富的行星，因此探索它們的興趣不僅限於更好地瞭解太陽系，而且能更好理解周圍大多數行星系，最合理的事情就是研究"標準"冰巨星。但是天王星和海王星哪一個是在宇宙這個維度上標準的冰巨星？答案是：我們不知道。儘管它們看起來很相似，但即使不考慮它們的衛星，這兩個世界也有很大不同，天王星是巨大的行星，其內部產生的熱量較少，而海王星則是內部熱量的最大來源。

大氣內探測器

天王星的這種特殊性可能是由於太陽系形成過程中與原行星的殘酷碰撞所引起的，這種震動也可以用來解釋行星自轉軸和衛星所呈現的98º傾角。如果真是這樣，海王星將成為宇宙範圍內的標準冰巨星，天王星將成為特殊的那部分；但是，科學家不確定這種推斷是否正確。

那麼科學家們到底決定了沒探測哪一顆呢？沒有！他們還陷入在選擇困難症中。

不過無論是選擇誰為目的地，探測器都必須配備一個大氣探測器，因為科學界認為測量某些元素（尤其是稀有氣體）的同位素比例以重構這些行星的演變歷史是當務之急，並且測定冰巨星的大氣壓力和溫度的垂直分佈，建立區分行星形成的不同模型。根據探測器和發射器的質量，2024年進入最佳發射窗口後，天王星任務的飛行時間為6到12年，而海王星任務的飛行時間為8到13年。

約翰·埃利奧特的計劃提案

噴氣推進實驗室的約翰·埃利奧特在2020冰巨星系統大會上發起的一項提案包括兩個探測器，兩個探測器將於2031年2月由NASA的鴿王SLS火箭發射，這兩個探測器在2032年分開各自利用木星引力彈弓加速，一顆探測器2044年9月到達海王星，另一顆通過電推變軌在2042年4月到達天王星，歐空局（ESA）對參加製造科學儀器和著陸器。

由一個SLS火箭發射的兩個探測器的任務建議得到了學會兩派科學家的共同支持。不過NASA尚未決定對天王星和海王星的旗艦級飛行任務採用該方案。雖然的確可行，但一旦確定將是人類有史以來最為昂貴的深空探測項目，最保守項目預算也在40億美元以上。

旅行者2號在1986年1月25日拍攝的天王星

而在國外航天論壇中，歐洲也有不少人士期待與我國合作，因為一家的力量是有限的，目前在美國國會的干預下，NASA與我國的航天合作仍然前途未知，在這種背景下，不少人也希望中國航天能與國外達成一種默契，劃分工作範圍，各自探測不同目標，以便達成研究結果的互補。而冰巨星探測任務後，太陽系還有很多引人入勝的目標等待探索：金星，土衛二，土衛六等；本世紀仍然是人類文明在太陽系內成長的一個世紀。