互动科普

太空时代的５大要务

撰文 乔治·马瑟（Geogre Musser）

翻译 谢懿

在太空时代的孩子眼中，1957年前，人类关于太阳系的描述模糊得惊人——那个时候的人类知道得很少！他们不知道火星上有足以让珠穆朗玛峰和美国大峡谷相形见绌的火山和峡谷；他们推测，金星的云层下是一片雾气笼罩的丛林、贫瘠的沙漠、碳酸水的海洋或者是一个沥青湖——这是当时人们所能想像的全部，但真正的金星其实是一片布满火山的不毛之地，到处流淌着熔岩；当时对土星两条模糊光环的描述也很不准确，今天我们能看到土星光环数十万条的细环；对土星卫星的认识更是肤浅，今天我们知道那里有甲烷湖泊和尘埃喷口。

1957年前，人们认为行星只是弹丸之地，不过是天空中的几个亮点，而地球要比它们大且重要得多。其实，地球也是一颗行星，从太空看去，就像是黑色天鹅绒上镶嵌的蓝色大理石，表面覆盖着水和空气——但在当时，没有人看到过这种景象。人们不知道月球诞生于一次天体间的碰撞，不知道或许恐龙也灭绝于一次天体撞击，也没人完全意识到人类具有改变整个地球环境的力量。无论太空时代给我们带来了什么，毫无疑问，它丰富了我们对自然界的认识，为我们展现了一幅真实的太空画卷。

自第一颗人造卫星发射以来，行星探测经历了大起大落。对于月球探测而言，20世纪80年代犹如漫漫长夜。现在行星探测的情况则好得多，全世界多个空间计划的探测器遍布于从水星到冥王星的整个太阳系。然而，预算削减、成本超支和目标不一致使美国国家航空航天局（NASA）笼罩在阴影中。目前，NASA正处于自35年前尼克松停止“阿波罗”登月计划以来最动荡的转型期。

“NASA总是不断地和自己较劲，”美国西北太平洋国家实验室研究员、美国国家研究委员会（NRC）NASA地球观测计划评估小组成员安东尼·杰尼特斯（Anthony Janetos）说，“NASA对自己的发展方向十分困惑，究竟把开展空间探测、发展载人航天技术、进行科学研究、探测外部宇宙、探索太阳系、修建航天飞机和空间站、认识地球这几项任务之中的哪项作为自己的主要发展方向，至今还没有共识。”

总的来说，NASA的转型是一件好事。探测器可以在太阳系中遨游，载人计划也不再遥遥无期。2004年，美国总统布什制定了一个明确的目标：要让人类的足迹再次踏上月球，并前往火星。尽管这一目标饱受争议，却让NASA找到了方向。但这一规划很快就失去了资金支持，迫使NASA打破了长期以来避免科学研究和载人航天计划预算超支的“防火墙”。“NASA没有足够的资金完成任务已经不是什么新闻了，” NASA研究与分析部主任比尔·克莱伯（Bill Claybaugh）说。其他国家的行星探测计划也同样存在资金匮乏的问题。

NRC的评估小组会定期回顾工作，并评估世界上的行星探测计划按计划运行的情况。下面的5大要务，就是他们觉得应该优先发展的。

1 观测地球气候

人类为能一窥其他星球的秘密而兴奋不已，有时我们会忽略对地球的关心。实际上，地球正发生着一系列变化，这都是与人类的切身利益密切相关的。

行动计划

◆未来10年，为美国国家研究委员会的17颗新卫星计划提供资金（预计每年耗资5亿美元）

◆建立一个主管气候观测的部门

在为能够环绕火星、剥开金星浓密的大气而兴奋时，人们通常认为对地球只需要进行常规观测就可以了，但地球的状况是需要我们密切关注的。

NASA与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）对地球的观测漫不经心。2005年，杰尼特斯的NRC评估小组警告“环境卫星系统有可能绝迹”，而情况还在继续恶化。NASA在5年间从地球科学的经费中抽走了6亿美元，用于航天飞机和空间站的研制。同时，美国国家极轨运行环境卫星系统（NPOESS）的建造也因为严重超支而不得不缩小规模，剥离了一些很重要的、测量全球变暖的仪器设备，包括用于测量入射太阳辐射和出射红外辐射的设备。

因此，在接任者上天之前，地球观测系统的20多颗卫星必须超寿命运行。科学家和工程师们认为他们可以让这些卫星继续工作，但时间非常有限。“我们可以坚持，但一个新的卫星计划才能解决根本问题，不能等到卫星失灵了才开始行动，”NASA戈达德航天中心气候和辐射部门的主管罗伯特·卡哈兰（Robert Cahalan）如是说。

如果地球观测系统的卫星在接任者上任前就停止工作，数据采集就会出现断层，难以发现观测对象的变化趋势。举例来说，如果一个新的仪器发现太阳比先前观测到的更亮，究竟是太阳真的变亮了，还是仪器没有校准造成的？除非前后两颗卫星在时间上互有重叠，否则科学家就无法弄明白到底是什么原因。1972年服役的观测地球表面的Landsat系列卫星，已经带故障运行多年，美国农业部不得不购买印度的卫星观测数据来监控农业生产。另外一些特定的数据，则是其他国家不能提供的。

NRC的评估小组希望获得资金来支持未来10年间17个新项目的运转，其中包括预测气候变化及效应的冰层和二氧化碳浓度监测项目。但观测气候到底是NASA附带的科研任务，还是该由NOAA专门负责呢？“没有人专门负责监测气候是最基本的问题，”NASA戈达德空间研究所的气候学家德鲁·辛戴尔（Drew Shindell）说。他和其他人已经建议，将美国政府分散的气候研究项目归到一个统一部门，由这个部门专门负责解决所有的问题。

2 防御小行星撞击

地球面临着遭受小行星撞击的危险，这样的撞击将给人类带来毁灭性的灾害。观测可能发生的小行星撞击，并有效地阻止它们，成为了太空探索的一项重要任务。

行动计划

◆使用专门的空间红外望远镜把小行星搜索范围拓展到更小的天体

◆在实验中尝试以可控制的方式让小行星转向

◆建立评估小行星撞击潜在危险的官方系统

与气候监测一样，防御小行星撞击的项目发展也陷于困境之中。NASA和欧洲空间局（ESA）都没有建立小行星撞击防御系统的计划。现在与天体防御联系最紧密的是NASA的空间防御巡天计划，这是一项每年耗资400万美元的望远镜观测计划，用于搜寻地球附近直径几千米的小天体。这个尺寸的小天体的撞击，足以造成全球性灾难。然而，对那些能给地球造成局部破坏的小天体，还没有进行过系统搜寻。这类小天体的数量在两万个左右，但目前，还没有专门的机构评估相关风险，在危急时刻拉响红色警报。当技术成熟时，建立一个小天体撞击防御系统需要15年甚至更长的时间，而现在的技术还远未成熟。“目前美国还没有这方面的全面计划，”NASA艾姆斯研究中心的航天工程师拉里·莱姆克（Larry Lemke）说。

今年3月，在美国国会的要求下，NASA递交了一份报告，这或许是小天体防御计划的起点。报告分析表明，搜寻直径为100米～1,000米小天体的工作，很大程度上可以由大口径全景巡天望远镜（LSST）来完成。这种望远镜目前用于搜寻天空中任何会移动变化的天体。LSST在9月发布的一份报告估计，目前设计的LSST可以在2014年—2024年的10年间，发现80%的移动天体。如果另外有1亿美元用于设备调整，90%的移动天体都能被观察到。

不过，和其他的地面设备一样，LSST也有两个缺陷。第一，它有盲区。正好位于地球轨道前面或后面的小天体，只能在黄昏或者黎明时被观测到，它们很容易在太阳的光辉里失去踪影——这类小行星恰恰是最危险的；第二，LSST只能间接根据小行星的亮度估算它们的质量。仅仅根据可见光数据，小行星的估算质量误差可达两倍。一颗质量大但暗弱的小行星会被误认为是一颗质量小而明亮的小行星。“这样的误差会极大地影响人们对事态轻重缓急的评估，”NASA的克莱伯说。

为了弥补缺陷，NASA计划建造一架耗资5亿美元的红外空间望远镜，并且把它放到环绕太阳公转的轨道上。它有能力发现任何一个对地球具有潜在威胁的小天体，还能对小天体进行多波段观测，对它们的质量判断的误差不超过20%。“想做到这一点，就必须在太空中进行红外波段观测，”美国喷气推进实验室的行星科学家、报告的共同作者之一唐纳德·约曼斯（Donald Yeomans）说。

当观测到一颗小行星处于撞击地球的轨道上时，我们该怎么办？为了让小行星偏转至少1个地球半径，避免与地球直接相撞，我们必须提前10年使用撞击、核爆、推动或引力牵引等各种办法，稍稍改变它的速度（改变幅度不小于1毫米/秒）。2004年，ESA的近地天体计划顾问小组建议进行一次试验。这个耗资4亿美元的计划被称为“堂吉诃德小行星防卫任务”（Don Quijote），将用一个重达400千克的弹头轰击一颗小行星，看看结果会怎么样。

通过所谓的火箭效应，撞击抛射出的碎片会向小行星施加一个外力，不过没人知道这个力的强度会有多大。“堂吉诃德小行星防卫任务”的目的就是测量这个外力的强度。“通过这项实验，我们就能知道运动撞击策略是否奏效，”德国航天中心的阿兰·哈里斯（Alan Harris）说。科学家们会选择一个距离较远的天体做实验，以免将它推入和地球相撞的轨道。

今年春季，ESA已经完成了一系列可行性研究，但由于资金短缺，很快又将它束之高阁了。如果能获得NASA或日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的支持，或者三方共同合作，这一计划将有可能实施。

3 寻找外星生命

探寻宇宙中各种生命形式，不仅仅是为了寻找我们在宇宙中的同伴，更是为了了解地球生命的起源，更好地了解人类自己。

行动计划

◆开展实施采集火星样本的计划

◆加速实施木卫二和土卫六的探测计划

在第一颗人造卫星上天之前，科学家们认为太阳系也许是一个美丽的伊甸园。但事实却令人失望：地球以外的其他行星环境极其恶劣。火星探测发现火星表面像月球那样坑坑洼洼地遍布陨石坑，“海盗”号着陆器在火星上也没有发现任何有机分子。但最近随着火星上可能存在生命的地方不断涌现，在火星上寻找生命似乎又有了希望。巨行星的卫星，尤其是木卫二（Europa）和土卫二（Enceladus），可能拥有巨大的地下海洋和大量的生命原始物质。金星也可能曾经拥有过海洋。

对于火星，NASA采取了“跟踪水源”的策略：不直接寻找有机物本身，而是寻找过去或者现在生命可栖息环境的踪迹。2007年8月份发射的“凤凰”号火星探测器，将于明年年中在火星从未被探测过的北极地区着陆。“凤凰”号是一架固定式着陆器，它的机械臂可以向下挖掘几厘米，用于研究浅层冰质沉积物。NASA的下一步计划是修建耗资 15亿美元的火星科学实验室（MSL），计划于2009年底发射，1年后抵达火星。

然而，科学家们还是希望能直接找到外星生命或者它们的残骸。2013年，ESA将发射ExoMars火星车，它将配备类似于“海盗”号探测器的生物实验室和钻探平台。钻探平台可以深入地下两米——在这样的深度，有机物或许能够躲过火星表面的有毒物质生存下来。

然而，这一尝试不久便遭到冷遇。绝大多数行星学家的“最高理想”是将一些外星球的岩石和土壤带回实验室分析，这不仅仅是为了寻找生命，更是为了纵览整个太阳系。就像“阿波罗”从月球采集岩石和土壤一样，即使一丁点的样本也可以帮助我们揭开火星漫长的历史画卷。NASA的预算危机使得耗资几十亿美元的火星取样计划至少推迟到了2024年。不过今年夏天事情出现了转机，NASA开始考虑修改MSL计划，储存采集到的样本，以便将来能够采样返回。

科学家们想发射一个环绕木卫二的轨道飞行器，测量它的形状和引力场如何应对木星的引力潮汐作用。如果存在海洋，它的表面就会周期性地升降30米；如果没有，升降的幅度就只有1米。磁强计和探地雷达也可以探测海洋，同时照相设备会绘制木卫二的表面，为将来的着陆探测做准备。

对于土卫六泰坦，后续的探测项目将沿用目前“卡西尼”计划的模式，即轨道飞行器加表面着陆器。土卫六与地球类似的大气还提供了另外一种可能的探测方式——热气球，它可以沉入土卫六大气的底层，抓取地面的岩石和土壤。美国亚利桑那大学的乔纳森·卢宁（Jonathan Lunine）说，探测土卫六的目的是“分析表面的有机物，确定是否存在自组织系统出现的趋势，这是人们认为的地球上最原始的生命形成方式”。

2007年1月，NASA终于开始认真研究这些计划。明年他们将在木卫二和土卫六计划之间作出选择，10年后，一个价值20亿美元的探测器将飞向它们中的一颗。

也许最终我们会失望地发现，外星球并没有生命存在，但这并不意味着所有的努力都白费了。“我认为天体生物学并不仅仅只是为了寻找外星生命体，它具有更深远的意义，”美国科罗拉多大学天体生物学中心主任布鲁斯·贾科斯基（Bruce Jakosky）说。天体生物学的目的，还在于探寻各种生命形式及其存在的先决条件，探索40亿年前地球如何从无生命的状态演化出生命。因此，这些搜寻并不是单纯地寻找我们宇宙中的伙伴，而是更深入地了解人类自身的起源。

4 探索行星的起源

行星是如何形成的，现在还没有定论。对彗核及月球的采样分析，有助于探索行星的起源，进而帮助我们探寻外星生命体。

行动计划

◆从彗核、月球及金星采样返回地球

和生命的起源一样，行星的起源也是一个复杂的过程。木星在太阳系中第一个形成，影响着其他天体的形成。它是像其他行星一样逐渐形成的，还是像一颗小型恒星那样，在引力作用下一蹴而就的呢？木星反常的重元素含量是否暗示它形成时距离太阳较远，然后才向内迁移的？如果是，在这个过程中木星会散射掉许多比它小得多的天体。NASA计划于2011年发射的Juno木星轨道飞行器也许能找到解答这些问题的线索。

那些关心行星形成的人同样关注“星尘”计划的结果，该计划已经从一颗彗星的彗核周围采集了尘埃样本，并送回地球。“我们触及的只是冰山一角，”星尘小组负责人、美国华盛顿大学的唐纳德·布朗利（Donald Brownlee）说，“星尘计划的结果证明，彗星从整个太阳星云中搜罗了大量的早期太阳系物质。这些物质被包在冰中，储存了几十亿年。星尘计划发现了许多来自太阳系内外，甚至是碎裂的类冥王星天体的物质，但是样本的数量有限。”

月球是宇宙考古学的另一个研究目标。环形山数量可以推算出月面的相对年龄，而“阿波罗”计划和苏联Luna计划采回的月岩样品可以计算出月面的绝对年龄，相对年龄和绝对年龄关联在一起，就让月球成为了解早期太阳系撞击历史的“罗塞塔石碑”（Rosetta Stone）。但20世纪60年代的着陆器，只造访了有限的几个地方。目前还没有探测器到达过月球背面的艾肯（Aitken）盆地——这座巨型环形山的年龄也许可以揭示行星的形成过程到底结束于何时。NASA正在考虑使用机器人从那里带回样本，这项计划预计耗资大约5亿美元。

太阳系的另一个奇特之处在于，主小行星带中的小行星似乎早于火星形成，而火星又早于地球形成，这似乎暗示着，太阳系的行星形成过程是由外而内的，也许整个过程都是木星引发的。但金星的形成也符合这一模式吗？“对此我们没有线索，”美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的行星形成专家林潮（Doug Lin）说。在酸云、高压和烤箱般高温的环境下，金星不是一个适合着陆器探测的地方。2002年NRC的一个评估小组建议发射一个气球探测器，它可以着陆一段时间采集样本，然后上升到一个温度较低的高度对样本进行分析，或者把将样本送回地球。

研究行星的起源，很大程度上与研究生命的起源联系在一起。贾科斯基说：“金星处于可栖息地带的内边界，火星处于可栖息地带的外边界，而地球恰好处于两者之间。了解这些行星的差异，是探究太阳系外生命的前提。”

5 冲出太阳系

太空探索并不局限于太阳系内，还有更广阔的星际空间等待人类去探索发现，加紧研发星际探测器技术，是我们冲出太阳系必须迈出的一步。

行动计划

◆着手研发、测试星际探测器技术

两年前，历史悠久的“旅行者”号空间探测器遭遇了一次财政危机。资金匮乏的NASA表示可能会关闭“旅行者”号，最终是来自民众的强烈抗议使它得以继续工作。“旅行者”1号是迄今为止航行距离最远的航天器：目前它距离地球103个天文单位（即日地距离的103倍），而且每年还会增加3.6个天文单位。在2002年或2004年（科学界对此尚有分歧），“旅行者”1号进入了太阳系的神秘边界，来自太阳的外流粒子和来自星际气体的内流粒子在那里相互碰撞。

然而，“旅行者”号的设计初衷是研究外太阳系行星，并不是考察星际空间，它的钚电池也即将用完。长期以来，NASA一直想发射一个专门的星际空间探测器。2004年NRC的一份关于太阳物理的报告也指出，NASA应该朝着这个目标迈进。

这个探测器的任务将包括：测量星际粒子中氨基酸的含量，以便计算出太阳系中的复杂有机物中，有多少是来自于太阳系外；搜寻来自微型黑洞或暗物质的反物质粒子；搞清楚边界层如何筛选物质，其中包括会影响地球气候的宇宙射线；探测附近的星际空间是否存在磁场，因为磁场在恒星形成中扮演了关键的角色。这个探测器就像是一架小型的空间望远镜，可以在不受太阳系尘埃的干扰下进行宇宙学观测。它或许还可以帮助研究所谓的“先驱者”号的异常现象——有一个无法解释的力作用在“先驱者”10号和11号上，使得这两个同样位于太阳系偏远地带的探测器运动情况偏离理论预期。探测器或许还能精确地找到太阳把遥远恒星的光线汇聚到一点的地方，以此验证爱因斯坦的广义相对论。另外，尽管要花上几万年的时间才能到达，科学家们还是可以把探测器对准一颗附近的恒星，例如波江ε。

想在一个人有限的一生内，到达距离我们几千个天文单位以外的地方，就需要以每年15个天文单位的速度飞行。对于大、中、小三种不同的探测器而言，可以分别使用由核反应驱动的离子引擎、由钚发生器驱动的离子引擎和太阳帆驱动。

2005年，美国密歇根大学的托马斯·祖布琴（Thomas Zurbuchen）领导的小组提出了一个大型星际探测方案（探测器重3.6吨），美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）领导的小组提出了一个中型方案（探测器重1吨）。但是小型项目成功的可能性更大。ESA的宇宙视野（Cosmic Vision）计划目前正考虑德国基尔大学的罗伯特·维默尔-施韦因格鲁伯（Robert Wimmer-Schweingruber）领导的国际科学家小组提出的一个方案。

在这个方案中，一个200米宽的太阳帆将用来推动一个质量为500千克的航天器。发射后，探测器会先飞向太阳，深入到水星轨道内侧尽可能靠近太阳，以便利用强烈的太阳光推动自己飞向外太阳系。太阳帆就像一个帆板，可以通过向一侧或另一侧倾斜来掌控方向。在即将穿越木星轨道之际，探测器会丢弃太阳帆，独自向外滑行。为此，工程师们需要设计一个非常轻巧的帆，还要先在一些小型计划中进行试验。

“不管是由ESA还是由NASA领导，这样一个计划将是我们空间探测发展的必经之路，”维默尔-施韦因格鲁伯说，“毕竟，除了我们周围的太阳系空间以外，还有更广阔的星际空间有待探测。”如果把30年的项目运营经费也算上的话，该计划的成本预计大约为20亿美元。研究其他行星帮助我们摆正了地球在太阳系中的地位，而研究星际环境同样也会帮助我们摆正太阳系在银河系中的地位。