陳藍：外太陽系探索列入航天白皮書，中國將成新玩家

【文/觀察者網專欄作者 陳藍】

本月28日，國務院新聞辦公室發佈《2021中國的航天》白皮書。這份五年一度的白皮書介紹了2016年以來中國航天的進展和未來五年主要任務。其中談到，中國將繼續實施行星探測工程，發射小行星探測器、完成近地小行星採樣和主帶彗星探測，完成火星採樣返回、木星系探測等關鍵技術攻關。論證太陽系邊際探測等實施方案。

很多人可能還不知道，中國早已開始了外太陽系（火星軌道外）探測的預研。白皮書談到的木星系和太陽系邊際探測將是我國最先實施的兩個外太陽系任務。從科學角度看，它們將比月球和火星探測更激動人心。

更早一點，本月6日，著名的專業科普雜誌《科學美國人》網站刊出一篇文章，題為《中美科學家建議大膽的太陽系外任務》，介紹了計劃中的美國“星際探測器”和中國“星際快車”日球層探測任務。它們將飛出180億公里外的的太陽日球層邊界，進入星際空間，將成為有史以來飛得最遠的人類探測器。

《科學美國人》文章。來源：科學美國人

這樣的文章在上世紀，甚至一二十年前都是無法想象的。那時美國的航天事業如日中天，深空探索遙遙領先，外太陽系（即火星軌道外）探測幾乎是美國獨家包辦。美國的太陽系探索成果徹底改寫了教科書。比如旅行者二號，它通過引力加速接連訪問木星、土星、天王星和海王星，然後飛往太陽系外，幾十年來不斷髮回令人震撼的照片和科學數據，幾乎是神話般的存在。我們唯有仰望。突然看到美國人在報道人類最前沿、最先進的宇宙探索計劃時將中美並列，一時竟有點不適應。回過神來，才意識到今天中國是真的強大了！

迄今為止，人類只執行過八次外太陽系探測任務。按時間次序，它們分別為：

1. 先驅者10號：1972年發射，木星飛掠

2. 先驅者11號：1973年發射，木星、土星飛掠

3. 旅行者1號：1977年發射，木星、土星飛掠

4. 旅行者2號：1977年發射，木星、土星、天王星、海王星飛掠

5. 伽利略號：1989年發射，木星軌道器

6. 卡西尼/惠更斯號：1997年發射，木星飛掠，土星軌道器，土衞六軟着陸

7. 新地平線號：2006年發射，木星、冥王星、柯伊伯帶天體飛掠

8. 朱諾號：2011年發射，木星軌道器

這裏，只有卡西尼號攜帶的惠更斯號土衞六登陸器是歐洲研製的，其餘均為美國製造，充分顯示了美國在外太陽系的壟斷地位。

旅行者2號。來源：NASA

未來十年，美國將繼續發揮它在外太陽系的統治力。但歐洲和中國將對此發起挑戰。

NASA計劃的兩個外太陽系探測任務已經正式立項。一個是“歐羅巴快帆”木星軌道器，屬於約十年一次、預算超10億美元的旗艦級任務。它將多次近距離飛掠木衞二（歐羅巴），重點探測其冰下海洋的生命跡象。它預期2024年發射，2030年到達。另一個是計劃於2027年發射的“蜻蜓”土衞六（泰坦）着陸器/直升機。它屬於約5年一次、預算5-10億美元的新疆界級任務。這個項目非常驚豔。這架三米長的核動力四軸直升機計劃在兩年半中飛行20次，航程達180公里。更遠期，NASA還有一個木衞二登陸器計劃，很有希望成為下一個旗艦級任務。土衞六和木衞二是科學家認為太陽系內最有可能存在生命的星球。這幾個任務的目的都是尋找生命。

歐羅巴快帆。來源：NASA

土衞六直升機。來源：NASA

和美國一樣，計劃於明年發射、歐洲第一個獨立的外太陽系任務——“木星冰月探測器”（JUICE）目標也是尋找生命。它將先進入木星軌道，然後近距離飛掠木衞二、木衞三和木衞四，最終進入圍繞木衞三的軌道。木衞三是太陽系中最大的衞星，也是唯一擁有磁場的衞星。它的冰蓋下有一片海洋。

這使得它也具備了生命存在的必要條件。如果成功，它不僅將打破美國在外太陽系的壟斷，其風頭很可能會蓋過稍後到達木星的美國“歐羅巴快帆”，因為木星冰月探測器將會是太陽系內第一個圍繞地外衞星運轉的人類探測器。

木星冰月探測器。來源：ESA

而中國的木星探測任務發射時間稍晚，預計在2029年左右。按照最新論文，中國木星探測器有兩個可選方案：第一方案是木衞四環繞器（JCO, Jupiter Callisto Orbiter）將進入木衞四軌道並投放着陸器；第二方案是木星系觀測器（JSO, Jupiter System Observer）將先靠近木衞一，觀察其火山和地質活動，最終將停留在木日拉格朗日點長期觀測木星系統。探測器的最終方案尚未選定，但肯定會採用核能供電和電推系統。這個探測器的技術難度和技術水平和美歐探測器在同一級別。中國有機會成為第一個軟着陸木衞的國家。如果成功，我們可以自信地説，我們已經趕上了美國。

如果説歐洲是率先打破美國壟斷，那麼未來超越美國恐怕只有中國能夠擔當。中國計劃中的海王星探測項目或將使美國黯然失色。這個探測器將在2030年由長征五號以及遠征一號發射，2033年，木星引力加速，途中探測主帶小行星和半人馬小行星各一顆（將釋放兩顆納衞星就近探測）。2040年，進入海王星軌道並釋放兩顆微衞星探測海王星和海衞一大氣層，然後持續工作15年。它將成為將有史以來最遠的地外行星軌道器，將採用的200千瓦熱功率熱管冷卻快堆、10千瓦電功率温差發電、外行星深空全程電推（總推力320毫牛），全都是世界第一。

中國海王星探測器。來源：ESA

旅行者2號1989年飛掠海王星是人類對它僅有的一次近距離探測，但已經令人驚歎不已了。海王星和天王星是太陽系內已知僅有的兩顆所謂的“冰行星”，其實它的表面是水、氨和甲烷混合的流體，只是温度低至約零下200度，才冠以冰一詞。海衞一表面温度低達零下235度，卻沒撞擊坑的痕跡。旅行者2號發現了它的表面物質噴發，顯示了活躍的地質活動或冰下海洋活動。在遠離太陽、幾乎沒有外部能量輸入的地方，它的能量從何而來？它的大部分表面覆蓋了一層薄薄的水冰和氮冰，有氮（重要生命物質）構成的極為稀薄的大氣。它的冰下是否存在液體海洋？那裏是否存在生命？這些謎團都有待揭開。

海王星探測器目前是國家航天局資助預研項目，中國最重要的北京上海兩大航天器研製單位、中國原子能科學研究院、中國工程物理研究院、中科院空間科學中心、北大、北航、蘭大這些重磅單位都參與了海王星探測器項目。事實上，中國近年成功的月球和火星探測經驗，已經為外太陽系任務奠定了堅實的技術基礎，現在中國不斷增強的經濟實力，也是大科學項目實施的重要保證。換句話説，海王星探測器項目雖然還沒立項，技術難度和挑戰也極大，但很有希望。

美國本來也有一個海王星探測項目，是一個近距飛掠海衞一的“三叉戟”探測器，但不知什麼緣故，去年六月它在NASA的低成本“發現”系列深空探測項目中落選。中標的兩個金星探測項目雖然有一定科學意義，但在探索的深度廣度以及挑戰工程極限方面和中國海王星探測器相比則略遜不止一籌。

讓我們回到文首提到的太陽日球層任務，日球層是太陽風能夠到達的空間區域，可類比地球大氣層。它和星際介質之間存在一個邊界，即日球層頂，此處太陽風和星際介質壓力平衡。一旦越過日球層頂，周圍就全是以氫原子為主組成的極其稀薄的的星際介質了。也有些天文學家並不認為這就是太陽系的邊緣，因為外面還有一個受太陽引力影響、由大約1000億顆彗星組成、半徑約一光年的奧爾特雲，也應該屬於太陽系。太陽系正在移動，它正在穿越一個30光年大小的星際雲，即本星際雲。而本星際雲外面是更大更稀薄、約1000光年大小的巨大空泡——本地泡。

插播一下，請看一下地球在宇宙中的簡化版“地址”，就能感覺到宇宙有多大了：宇宙、KBC空洞、雙魚鯨魚座超星系團複合體、拉尼亞凱亞超星系團、室女座超星系團、本星系羣、銀河系、獵户臂、本地泡、本星際雲、太陽系、地球。

旅行者2號已經告訴我們，它所穿越的日球層頂距地球120天文單位（180億公里）。但日球層的形狀和不同方向的日球層頂距離仍然是一個謎團。科學家們非常迫切地想知道日球層的形狀是怎樣的，它在各個方向的尺度是多少。有人猜測它是羊角麪包狀的，也有人猜測是蝌蚪狀的。有人認為它拉得很長，也有人認為它近圓形，弄清這些問題不僅能擴展我們的知識，也能對地球未來將面對的宇宙射線變化做出長期預測。

日球層和旅行者探測器當前位置示意圖（圖中heliopause意為日球層頂）。來源：NASA/JPL

人類已經發射的探測器中，有五架已經飛出或將要飛出日球層。但迄今為止，只有兩架旅行者號在穿越日球層頂時還在工作，飛出太陽系後還能繼續發回科學數據。然而，它們都不是為日球層探測而設計的，能夠獲取的日球層和星際空間的探測數據非常有限。中美的這兩個計劃則是專門為日球層探測設計的。

美國的“星際探測器”由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研製。它重860公斤，初步計劃於2036年發射。它將以每小時6萬公里的創紀錄高速度離開地球，所以能在短短15年後到達旅行者1號花了35年才到達的日球層頂。本世紀末，它將超越旅行者號成為飛得最遠的人類探測器。它的設計壽命是50年，屆時將到達離開地球300天文單位（450億公里）的地方。這是一個前所未有需要跨代規劃的項目。

星際探測器。來源：NASA/APL

中國的“星際快車”由三個探測器組成。原定後年發射的第一和第二次任務採用兩個小型探測器。它們飛行方向相反，將分別從鼻部（太陽前進方向）和尾部（太陽前進相反方向）飛出日球層。按計劃，它們將藉助地球、木星、海王星和柯伊伯帶天體進行多次引力加速，並將在2049年建國100週年之際到達距地球約100天文單位（150億公里）的日球層頂附近。探測器有化學推進和電推兩種方案，可能的運載工具是長三乙或長五。不過，由於疫情影響，發射時間已相應推遲。

星際快車1、2號探測器。來源：中國科學

星際快車3號探測器。來源：中國科學

中國的第三個“星際快車”探測器計劃在2030年左右發射。它是一個採用核反應堆動力的大型探測器。它的軌道則類似美國星際探測器，將垂直於太陽軌道平面，從太陽前進方向的側面飛出日球層。我們需要突破一系列新技術，才能發展海王星軌道器採用相同的核動力航天器平台。

為了拍攝日球層的形狀，中美的探測器都配備了“高能中性原子成像儀”。美國的星際探測器將從太陽前進方向的側面飛出日球層並進行拍攝。而中國的星際快車將從前、後、側面進行拍攝。這些不同角度的圖像將幫助我們最終解開日球層形狀之謎。這也將是歷史上首次飛出太陽系後從外部回望我們的家園全貌，具有非凡的歷史性意義，非常值得期待！

不管今後的世界發生什麼變化，一個無法改變的事實是，中國正在崛起成為太陽系中的新玩家。太陽系的力量對比正在悄然發生變化。旅行者、伽利略、卡西尼孤獨求敗的時代已經翻篇了。不過，我們需要的耐心等待，因為外太陽系深空探索動輒以十年為單位。

在中美對峙愈演愈烈的今天，《科學美國人》文章的發表尤為難得，美國科學界展現的勇氣值得肯定。其實，無論是日球層探測，還是木衞登陸、土衞直升機，或是海王星環繞，對科學家來説都同樣激動人心，因為這是人類的共同進步，符合人類的共同利益。

飛出太陽日球層後回望，太陽已經變成星空中一顆點狀的亮星，而地球用肉眼已經完全看不到。在這個位置上，地球上人類的恩怨和衝突已經徹底失去了意義。我們是同一個物種，要走向星辰大海，唯一的選擇是精誠合作。

本文系觀察者網獨家稿件，文章內容純屬作者個人觀點，不代表平台觀點，未經授權，不得轉載，否則將追究法律責任。關注觀察者網微信guanchacn，每日閲讀趣味文章。