下一次去哪？金星、木衞一，還是海衞一？_風聞

本文轉自微信公眾號“科學大院” 

近日，NASA公佈了下一屆“發現”級項目（Discovery Program）的四個候選任務[1]。

（圖片來源：NASA）

説到NASA的“發現”級項目（Discovery項目），可能大家並不陌生。許多我們熟知的太空探測任務，都出自Discovery項目。

（圖片來源：NASA）

發射於2018年，如今正在火星上探測火震、艱難打洞的**“洞察號”火星着陸器，**是當選於2012年的Discovery項目任務。（戳：NASA洞察號發射升空：火星探地黑科技太陽系的時光機、有驚無險成功着陸火星！你好呀，洞察號！）

洞察號在火星上的工作示意圖（圖片來源：NASA） 

發射於2007和2009年，但幾乎同時在2018年底結束任務的黎明號（Dawn）小行星帶探測器和開普勒號（Kepler)系外行星探測器，是2001年當選的Discovery項目（詳見：NASA黎明號結束任務：再見，小行星帶的窮遊博主！、再見開普勒，感謝你告訴我們不孤獨）。

黎明號（左）和開普勒號（右）探測器示意圖

（圖片來源：NASA）

計劃於2021和2022年發射的小行星探測任務露西號（Lucy）和靈神號（Psyche）探測器，則是最近一屆（2017年）剛剛當選的Discovery項目[2]。

第一艘即將探索木星特洛伊小行星的露西號（左）和第一艘即將探索金屬小行星（靈神星）的靈神號（右）假想圖（圖片來源：Credits: SwRI and SSL/Peter Rubin）

Discovery項目，是如今的NASA按照規模大小來劃分的一類深空探測項目，屬於三大梯隊之一：

大型：“旗艦”級項目（Flagship Program）

中型：“新疆界”級項目（New Frontiers Program）

小型：“發現”級項目（Discovery Program）

三者各自有着不同的官方指定目標和側重，具體説起來好像很複雜的樣子。

但是！其實，簡單來説就是預算的不同……

只需要記得Discovery項目最窮就完事兒了。PS：旗艦級除了深空探測項目之外，還有天文等其他領域的探測任務，但新疆界和發現級任務都只有深空探測項目（圖片來源：作者自制）

是的，**Discovery項目主打成本低、週期短、見效快的小型項目，**目前通常每個任務的預算不超過4.5億美元（不包括髮射和發射後的運營費用），設計壽命不超過36個月，探測目標精簡明確。通俗來説就是：更快、更好、更便宜，有生之年還能再看幾十個。

也正因為這樣的指導方針，開始於1992年的Discovery項目至今已獲批14個深空探測任務，其中11個任務成功開展，以極低的成本、極高的效率，大大增進了我們對太陽系內和系外諸多方面的認識。

目前所有獲批的Discovery項目任務 整理：haibaraemily、編輯：尞祡

而近日NASA公佈的下一屆Discovery項目的四個候選任務，包括**海衞一探測任務TRIDENT、木衞一探測任務IVO和兩個金星探測任務DAVINCI+和VERITAS。**通常我們以小行星帶為界把太陽系一分為二，內部的是內太陽系，外部的是外太陽系，這次的四個候選名單也很平均：兩個外太陽系任務+兩個內太陽系任務。

海衞一：猶抱琵琶半遮面

1846年10月10日，僅僅在德國天文學家約翰·伽勒（Johann Galle）發現海王星的17天后，英國天文學家威廉·拉塞爾（William Lassell）發現了海王星最大的衞星——直徑2700公里的海衞一（Triton）。

在太陽系的所有大衞星裏，海衞一其實挺特別的。

海衞一的軌道面不在海王星的赤道面上，兩者夾角高達23度，而且，海衞一還是逆行的！也就是説，它的公轉方向和海王星的自轉方向相反——這些都讓天文學家們懷疑，海衞一併不是海王星親生的，而是**從柯伊伯帶天體裏捕獲來的[3]。**然而，正如我們曾經介紹過的木星和土星衞星那樣，通常只有個頭很小的不規則衞星才會這樣，但海衞一又完全不是——它個頭很大，直徑大約是地球的五分之一，比冥王星還大一點。也就是説，如果海衞一真的來自柯伊伯帶，那它不僅可能保留着柯伊伯帶天體化學成分，還可能體現了被海王星的潮汐加熱所塑造的地質特徵，還可能是太陽系裏最大的一顆捕獲衞星。

海衞一相對於海王星的軌道。（圖片來源：維基）

然而，直到1989年8月25日，人類才第一次近距離看到了這顆衞星表面的樣子。這一天，跋涉了12年的旅行者2號探測器，終於迎來了和海王星短暫的擦肩而過——旅行者2號飛掠了海王星，也飛掠了海衞一。

但**這短暫的擦肩而過，只讓旅行者2號看到了海衞一的半面。**由於海衞一的自轉很慢（近6天才能自轉一週），而旅行者號是飛掠任務，無法停留，所以無奈錯過了海衞一當時處於夜半球的那半面（北半球的大部分區域）。

海衞一地質圖（左）和全球地圖（右），北半球大部分是空白的（圖片來源：Antonio Ciccolella和LPI）

但僅僅半面之緣，海衞一的活躍已經讓人印象深刻。在海衞一這顆距離太陽如此遙遠的冰衞星上，旅行者2號短暫的一瞥就發現了至少4處間歇泉一般的噴發，噴出的暗色物質羽流（plume）高達8公里[5]——海衞一和我們所熟知的木衞二、土衞二這樣的衞星上一樣，可能有地下次表層海洋，可能產生有機物，也就是説，它可能具備孕育生命的條件。

海衞一上的暗色物質噴發（plume箭頭處）（圖片來源：NASA）

然而旅行者2號之後又過去了三十多年，人類再也沒有派探測器前往過天王星和海王星。於是直到現在，我們依然不知道海衞一神秘的另外半面長什麼樣，也不知道海衞一的表面到底有多麼活躍，地下到底有沒有海洋。

這些正是三叉戟任務TRIDENT的目標（trident是希臘和羅馬神話中海神波塞冬/尼普頓的武器三叉戟），它計劃於2026年發射，通過地球、金星、地球、地球、木星的多次引力助推之後，最終於2038年**飛掠海王星和海衞一，**帶着更先進的科學儀器，繼續30多年前旅行者2號未完成的探測。

不過，願望雖然美好，現實也不可忽略。目前看來，三叉戟任務TRIDENT不管是任務的複雜度、所需的探測週期還是預算，都似乎超過了Discovery項目的能力範疇，但如果強行壓縮開支、精簡探測內容來讓這個項目上馬，最後僅僅是飛掠一次，似乎也對不起途中十幾年的跋涉和等待。經費和探測內容之間的取捨權衡，還要看NASA的判斷了。

但不管TRIDENT任務是否獲批這次Discovery項目，海衞一這樣一顆星球，絕對值得一個環繞甚至着陸任務來長期探測，也值得“新疆界”級甚至更高等級的投入。

木衞一：噴湧的火山世界

木衞一也是太陽系的眾多衞星裏獨一無二的一顆。

木星的四顆最大的衞星：木衞一Io、木衞二Europa、木衞三Ganymede、木衞四Callisto，如今也被稱為“伽利略衞星”。它們與木星的距離沒有按照比例（圖片來源：維基）

它身在外太陽系，個頭也不算小（直徑3600公里，比月球略大），但它卻沒有像木衞二三四、土衞一二三四那樣成為一顆被冰層覆蓋的冰衞星，因為它離巨無霸木星太近了。

木星引力不斷地”揉捏“着這顆衞星，永無止盡的劇烈摩擦產生的潮汐加熱作用讓這顆衞星內部獲得了大量的熱量——不管是冰層還是地下海洋，都無法存在。

四顆伽利略衞星之中，距離木星最近的木衞一Io受到了最劇烈的木星引力“揉捏”，也在內部產生了最多的熱量。（圖片來源：Professor Kenneth R. Lang, Tufts University）

於是，它成了外太陽系中最像類地行星的一顆星球。它有着富硅酸鹽的殼幔和富金屬的內核，平均密度和月球相當。

木衞一的表面（圖片來源：NASA）

然而，它又有着連類地行星都無法企及的活躍——它是太陽系中最活躍的一顆星球。

遍佈全球的400多個活火山持續噴發，富硫的羽流可以噴出地表高達500公里，奔湧而出的熔岩不僅塑造了木衞一硫黃色的外觀，更一遍又一遍地刷新着木衞一的地表，以至於木衞一的表面甚至看不到一個撞擊坑的遺蹟——一切都被火山活動抹去了。

新視野號拍攝到的一次木衞一火山噴發（圖片來源：NASA）

對外太陽系天體來説，木衞一的探測任務不能算少。先驅者10號、11號，旅行者1號、2號都曾在飛掠木星的同時飛掠過木衞一，環繞木星探測多年的伽利略號、朱諾號探測器，也會捎帶着探測一下木衞一，順路經過木星的新視野號，也會瞄幾眼木衞一——但至今為止，還沒有一顆為木衞一而生的探測器來仔細探索這顆星球。

木衞一火山觀測任務IVO計劃在2026-2028年發射，通過火星和地球的引力助推，於2031年抵達木星，進入環木星軌道，然後在接下來的4年裏擇機近距離飛掠9次木衞一。IVO任務的目標是深入瞭解木衞一的火山活動，研究木星的潮汐力是如何塑造這顆衞星，內部的岩漿又是如何產生和噴出的……這些不僅可以加深我們對內太陽系巖質星球形成和演化的理解，也同時可以加深我們對外太陽系冰衞星的認識。

從各個層面上來説，對木星衞星的探測都會是NASA和歐空局下一個十年的重點目標，如果IVO計劃當選了下屆Discovery項目，這將意味着下一個5-10年裏，NASA會有IVO任務去往木衞一，Europa Clipper任務去往木衞二，歐空局會有JUICE任務去探索木衞二三四尤其是木衞三……

下一個十年，我們很可能會重新認識木星的衞星們。

金星：你會來到我身邊，還是再次陪跑？

金星，曾經是人類寄予厚望的一顆星球，大小和位置與地球差不多的它一度被認為是地球的“姊妹星”。

然而，金星也絕對算得上是人類深空探索的傷心之地。

從1961年到1984年，蘇聯憑着一不怕死二不怕死的精神，發射了30多顆金星探測器，其中10次成功着陸金星表面。

然而，也正是這些近距離接觸告訴我們，金星的環境實在太惡劣了！

高温高壓，稠密的酸性大氣還有毒——這裏不僅不可能孕育任何生命，也很難讓探測器能夠安全地探測。事實上，即使是所有成功着陸金星的探測器，也頂多是隨便測了幾下就迅速壞掉了，享年幾個小時………

1982年3月1日，蘇聯的Venera 13號着陸火星拍攝的黑白和合成彩色照片。這顆頑強的探測器着陸後存活了2個小時7分鐘，拍攝了14張照片（圖片來源：蘇聯）

這性價比，嚇得後來各國都不敢着陸金星了。

相比而言，美國就謹慎多了，從1962年到1989年，一共只發射了7顆金星探測任務，而且以飛掠器軌道器為主，只有Pioneer Venus 2是着陸任務。

這也完全可以理解。既然着陸金星太過危險、性價比也低，那飛掠或者環繞金星做遙感探測自然也就成了較為安全的方案。然而，遙感能夠探測的也非常有限。

在極度的温室效應下，金星被稠密的大氣所覆蓋，可以説，軌道器在可見光波段是幾乎啥都看不見的。

1974年，NASA的水手10號探測器飛掠金星時拍攝（圖片來源：NASA）

所以僅有的比較可行的遙感探測又分成了兩條路：1、通過雷達探測金星表面地形，也就是當年蘇聯的Venera 15、16號和NASA的麥哲倫號走的路子；2、通過磁力計等儀器探測金星的電磁環境和通過紅外和紫外波段探測金星的大氣，這是歐空局的金星快車號和至今仍在工作的日本JAXA曉號（Akatsuki）走的路子。

如今的我們能夠大致知道金星表面的形貌，全靠幾十年前這僅有的幾次雷達探測任務。

通過雷達數據還原的火星表面形貌

（圖片來源：維基）

NASA對探索金星的態度是一以貫之的謹慎——上一顆NASA的金星探測任務，還是1990-1994年的麥哲倫號，這已經是26年前的事了。

本次入選Discovery項目的四個候選任務裏，金星任務佔了兩個：探測金星深層大氣的DAVINCI+任務和探測金星表面地形和地質的VERITAS任務。

看起來似乎贏面很大的樣子，但是……其實這兩個任務已經是Discovery項目的老面孔了。

在上一屆進入Discovery項目終選的5個候選任務裏：2個金星任務、2個小行星任務、1個近地小天體任務。結果2個金星任務都落選了，露西號和靈神號2個小行星任務全部當選（真的是不給金星活路）[6]，這2個落選的金星任務就是DAVINCI和VERITAS……

四年多過去了，這倆任務改進了一番，又來競選了，連名字都幾乎沒變。

DAVINCI是個勇於打破目前現狀的探測任務，目標是扎進金星大氣層中，一直落到表面，利用在大氣層中降落的63分鐘裏，打開光譜儀和相機一通狂測，近身肉搏探索金星的深層大氣。

着陸之後呢？

着陸之後呢？唉，別想那麼多，先只管活過63分鐘就可以了。

DAVINCI任務工作假想圖（圖片來源：NASA）

這樣的探測形式走的是1978年NASA的Pioneer Venus 2任務的路子，但如今的NASA顯然很不樂意。DAVINCI任務的落選一定程度上還是很符合NASA謹慎又摳門的態度的：我們都這麼窮了，為什麼還要為了你一小時的工作花掉幾個億啊？！

那現在，如今改進之後的**DAVINCI+**又是加了啥呢？**加了一個軌道器來繪製金星表面的岩石類型……算是提高了任務整體的性價比吧。**這次NASA會買賬麼？

相比而言，另一個候選任務VERITAS就比較符合NASA的風格了。這是一個金星環繞任務，中規中矩地延續了NASA麥哲倫號任務的路子，計劃花2年時間，通過合成孔徑雷達和輻射探測儀來繪製金星表面的高分辨率地形圖、探測金星的地質成分和熱輻射狀況，幫助我們瞭解金星的地質演化歷史和金星為什麼會變成現在這個鬼樣子。這次NASA會給機會麼？

VERITAS任務的工作假想圖（圖片來源：NASA）

有人認為，金星或許是地球的將來，是地球走上失控的温室之路後的歸宿。

然而，金星也是如今的類地行星裏，我們瞭解最少的一顆。一顆和地球先天條件如此相似的星球，最終為什麼會變成生命的噩夢？瞭解這些，或許可以幫助我們瞭解地球自身，瞭解地球的未來。

對於金星這個想了解又不敢冒進的目標，本次競選的2個任務是會終獲青睞，還是會再次陪跑？我們只能靜待結果的揭曉了。

這四個選中的任務將各獲得300萬美元來進一步完善任務規劃，角逐下一輪終選。最終會有**最多兩個探測計劃當選，**結果將在2021年公佈。

這將決定我們下一個5-10年可以看到去往哪顆星球的探測器發射。

PS：説到底，為什麼不能都去？

唉，還不是因為NASA也沒那麼多錢了嘛……

（底圖來源於新浪微博，作者有改動）

參考文獻:

[1] NASA | NASA Selects Four Possible Missions to Study the Secrets of the Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-four-possible-missions-to-study-the-secrets-of-the-solar-system

[2] NASA | NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-two-missions-to-explore-the-early-solar-system

NASA | Planetary Missions Program Office

[3] Agnor, Craig B., and Douglas P. Hamilton. “Neptune’s capture of its moon Triton in a binary–planet gravitational encounter.” Nature 441.7090 (2006): 192-194.

[4] NASA | Voyager Map Details Neptune’s Strange Moon Triton

https://www.nasa.gov/jpl/voyager/triton-20140821

[5] Soderblom, L. A., Kieffer, S. W., Becker, T. L., Brown, R. H., Cook, A. F., Hansen, C. J., … & Shoemaker, E. M. (1990). Triton’s geyser-like plumes: Discovery and basic characterization. Science, 250(4979), 410-415.

[6] NASA | NASA Selects Investigations for Future Key Planetary Mission

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-investigations-for-future-key-planetary-mission