外太阳系正在等待我们——但到达那里可能并不像我们想象的那么容易

新的十年即将到来，随之而来的是一系列全新的 NASA 任务构想，有些任务近在咫尺——比如火星——而有些则遥远无比。非常遥远。事实上，有些人希望机器人能够探索不仅数百万英里，而且数十亿英里之外的世界。其中包括天王星和海王星（我们分别于 1986 年和 1989 年访问过的行星）以及位于柯伊伯带附近的数百个冰冻天体。

柯伊伯带是冥王星和数千颗其他大小不一的行星的所在地。那里的大多数天体都是由我们太阳系的构造块构成的，这些构造块早已被隔离在遥远的冷藏室中。探访柯伊伯带可以揭开关于我们的星球及其邻居如何形成、为什么这里的水如此丰富以及其他谜团的线索。

天王星和海王星本身也相当神秘。随着我们对其他行星系统的了解越来越多，我们发现大多数行星既不像木星那么大，也不像地球那么小——它们中很多都与天王星和海王星差不多大小，它们被称为“冰巨星”，因为它们的云层深处存在奇异的水冰状态。探索天王星和海王星不仅有助于我们了解太阳系的行星，还可以帮助我们理解围绕附近外星恒星运行的行星。

但许多此类任务都与时间有关。NASA 即将开展的十年调查（该机构将为 2020 年代和 2030 年代发射航天器定下基调）可能会决定这些遥远的探索计划的成败。

十年调查如何进行

从 2020 年开始，美国国家科学院的一个小组（由太空界的几位利益相关者组成）将聚集在一起，列出优先探索的目标清单。科学家们通过撰写建议书（即所谓的“白皮书”）来参与其中。

根据这些建议，大家对最高优先级目标应该是什么达成了普遍共识。这些目标可作为中级新前沿任务的提案指南（新视野号和朱诺号木星探测器都属于这一类）。NASA 首先发出任务提案征集，然后逐步缩小范围，最终选定一两个候选者。一旦候选者获得批准，其背后的团队就可以开始规划和建设——这通常需要数年时间。

这可能使得在撞击柯伊伯带天体的同时，很难及时准备好探索天王星或海王星所需的实际窗口。这就是为什么时机如此危险。

拜访冰巨人

一个特别的团队一直在为天王星/海王星双任务做准备。他们最近的一次迭代是飞越天王星并发射轨道器探测海王星。该团队由马克·霍夫施塔特和艾米·西蒙领导，目标是窥视天王星不同于 1986 年旅行者 2 号所见的另一面，并研究海王星及其最大的卫星海卫一。海卫一的轨道是逆向的，这可能是因为它曾是最大的柯伊伯带天体——在海王星将海卫一拉入其怀抱之前，海卫一被拉出，迫使该行星的许多原始卫星脱离。

西蒙表示，任务需要在 15 年的生命周期内完成，包括运输时间和探索时间。这是因为这些部件在太空中可以相对确定地持续多久。虽然航天器的使用寿命确实会超过保质期，但 15 年是确保任务能够以大致满负荷状态完成其科学目标的最低限度。但如何防止旅程占用太多实际探索阶段的时间呢？加速航天器的一种方法是利用行星的引力来提高速度。

“通常情况下，你需要在不到 12 年的时间内飞越行星才能到达那里，我们通常包括飞越地球和金星，”西蒙说。在这些情况下，你会陷入行星的引力井中，希望产生弹弓效应，在使用最少燃料的情况下进一步加速你的飞船。“最好的情况也是使用木星，因为它质量最大，可以真正加速航天器。”

例如，新视野号借助木星的助力飞向冥王星。卡西尼号从地球发射后，先后四次飞越土星，两次借助金星的助力，再次飞越地球，加速飞行，最后借助木星的助力。

西蒙说，要想有足够的时间到达天王星，可以借助土星飞掠，这必须在 2024 年至 2028 年之间发生，以便在 29 年的轨道上找到这颗气态巨星的正确位置。按照 NASA 的标准，这需要相当快速的思考——任务通常在发射前要经过十年的规划，尽管有些任务（包括新视野号）从规划到建造再到发射只用了五年时间——所以我们可能会瞄准下一个窗口，即 2029 年至 2032 年之间的木星飞掠，这也将为海王星任务提供最佳弹弓。下一次机会要等到十多年后了。

西蒙表示，天王星任务可以使用传统燃料和交通工具快速到达弹弓——无论是 Atlas V 型火箭还是 Delta IV 重型火箭。但由于海王星距离我们太远，而且两者的精确轨道也不太理想，因此前往该星球的任务将更多地依赖于太空发射系统，即 NASA 的下一代重型运载火箭（目前还未试飞）。如果该系统不能及时准备就绪，我们将不得不依靠另一种下一代技术：太阳能电力推进，它利用太阳能点燃电离气体来加速交通工具。到目前为止，它只在灶神星和谷神星的黎明号航天器以及两个小型小行星任务中使用过。

“即使在太阳能发电的情况下，你仍然需要化学发动机，既用于太阳能不再充足的时候，也用于刹车和进入轨道，”西蒙说。

所以时间有点紧张。但如果我们执行得足够快，这两项任务都可以达到另一个目的：探索尚未探索的柯伊伯带世界。

巨大的未知数

另一篇论文由新视野号团队的三名成员牵头，探讨了在成功飞抵冥王星后重返柯伊伯带的可能性。“我们看到了那里有多么有趣，我们想知道那里还有什么，”西南研究所 (SWRI) 首席工程师、论文合著者蒂芙尼·芬利 (Tiffany Finley) 表示，这篇论文将发表在《航天器与火箭杂志》上。

柯伊伯带包含太阳系形成时留下的冰遗迹，其中的物体由各种不同的物质构成。例如，冥王星比厄里斯（以取代前行星的地位而闻名）略大。但冥王星主要由冰构成，因此质量要小得多。厄里斯有大量岩石，因此密度更大。那里的一些星球似乎含有大量甲烷，而另一些星球则含有大量氨。这有点像矮行星的车库拍卖，里面有我们早期历史的碎片和小玩意，它们是了解我们的行星如何形成的关键——以及其他行星系统可能与我们自己的行星相似或不相似。

该团队采用了严格的限制：他们给这些任务设定了 25 年的保质期，并调查了 45 个最亮的柯伊伯带天体，将它们与各种行星飞越场景进行了比较。木星不出所料地打开了名单上的大部分目标。但木星窗口每 12 年出现一次，因此它仍然与时间有关。土星的简单飞越也能产生一份相当不错的柯伊伯带目标清单。

但是当你将这些世界与天王星或海王星配对时，你就有机会一举发现有关我们神秘的最外层行星和一些相当理想的外层矮行星的新事物。

到达这些星球需要​​弹弓效应，首先是木星，然后是另一颗行星。每颗行星都会在 2030 年代的一个狭窄窗口内与木星对齐，并整齐地划分为该十年的某些部分。例如，要查看海王星路径上的星球列表，您需要在 2030 年代初到达木星，而通过天王星到达柯伊伯带则需要 2030 年代中期的时间范围。木星和土星恰好在 2030 年代末对齐到柯伊伯带。

目标列表创造了诱人的机会。瓦鲁那是一个长方形的世界，由于快速旋转而变长，是木星-天王星飞越的完美目的地。如前所述，海王星为厄里斯带来了机会。木星-土星任务可以访问塞德娜，这是一颗遥远的矮行星，其轨道可能指向未被发现的第十颗行星。木星-土星可以在最令人兴奋的矮行星之一：鸟神星上短暂停留。

与瓦鲁那一样，鸟神星比大多数大型柯伊伯带矮行星更像蛋形或椭圆形，后者往往是圆形的。但鸟神星之所以如此，可能是因为一次古老的碰撞让它拥有了两颗卫星、一个环系统和拖曳的碎片痕迹。当所有小行星看起来都具有相同的成分时，它们被称为“碰撞家族”。鸟神星是柯伊伯带中唯一已知的碰撞家族。

“毫无疑问，鸟神星是最酷的，”赞加里说道。“每个人都想去鸟神星。”

但无论我们最终去哪里，时间可能都有限。所以，如果我们想看到鸟神星的光环，甚至是塞德娜的红色外星色调，就需要尽快开始工作。这些星球，这些太阳系的组成部分，是如此之小，以至于只有一种方法可以深入了解它们：我们需要真正去那里。