得克萨斯大学地球物理研究所开发的一种新的
【菜科解读】
阿里埃勒是天王星的第四大卫星,被认为是由相等的岩石和冰组成的。
得克萨斯大学地球物理研究所开发的一种新的计算机模型可用于探测Ariel冰面下的液态水海洋。
来源:uux.cn美国国家航空航天局/喷气推进实验室

(神秘的地球uux.cn)据得克萨斯大学奥斯汀分校:1986年,当美国国家航空航天局的旅行者2号飞越天王星时,它拍摄到了被冰层覆盖的大型卫星的颗粒状照片。
近40年后的今天,美国国家航空航天局计划向天王星发射另一艘宇宙飞船,这次是为了探测这些冰冷的卫星是否隐藏着液态水海洋。
该任务仍处于早期规划阶段。
但德克萨斯大学地球物理研究所(UTIG)的研究人员正在为此做准备,他们正在构建一个新的计算机模型,该模型可以仅使用航天器的相机来探测冰层下的海洋。
这项研究很重要,因为科学家们不知道哪种海洋探测方法对天王星最有效。
科学家们想知道那里是否有液态水,因为它是生命的关键成分。
新的计算机模型通过分析月球绕母行星旋转时的小振荡或摆动来工作。
从那里,它可以计算出里面有多少水、冰和岩石。
摆动较小意味着月球大部分是固体,而摆动较大意味着冰面漂浮在液态水海洋上。
当与重力数据结合时,该模型可以计算海洋的深度以及上覆冰的厚度。
天王星和海王星属于一类被称为冰巨星的行星。
天文学家在太阳系外探测到的冰巨星比任何其他类型的系外行星都多。
UTIG行星科学家Doug Hemingway开发了该模型,他说,如果发现天王星的卫星有内部海洋,这可能意味着整个星系中存在大量潜在的生命世界。

他说:“在天王星的卫星内发现液态水海洋将改变我们对生命可能存在的可能性范围的思考。
”。
UTIG的研究发表在《地球物理研究快报》杂志上,将帮助任务科学家和工程师提高探测海洋的机会。
UTIG是德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院的一个研究单位。
太阳系中的所有大卫星,包括天王星,都被潮汐锁定。
这意味着引力与它们的自转相匹配,因此在它们绕轨道运行时,同一侧总是面向它们的母行星。
然而,这并不意味着它们的自转是完全固定的,所有被潮汐锁定的卫星在绕轨道运行的过程中都会来回振荡。
确定摆动的程度将是了解天王星的卫星是否包含海洋的关键,如果是这样,它们可能有多大。
内部有液态水海洋的月球会比那些一直是固体的月球摆动得更多。
然而,即使是最大的海洋也只会产生轻微的摆动:月球在轨道上运行时,自转可能只会偏离几百英尺。
这仍然足以让经过的航天器探测到。
事实上,这项技术以前曾被用来证实土星的卫星土卫二有一个内部全球海洋。
为了弄清楚同样的技术是否适用于天王星,海明威对天王星的五颗卫星进行了理论计算,并提出了一系列合理的方案。
例如,如果天王星的卫星Ariel摆动300英尺,那么它很可能有一个100英里深的海洋,周围环绕着20英里厚的冰壳。

探测较小的海洋意味着航天器将不得不靠近或携带更强大的相机。
但UTIG研究副教授Krista Soderlund表示,该模型为任务设计者提供了一个计算尺,让他们知道什么有效。
“这可能是发现海洋或发现我们到达时没有这种能力之间的区别,”没有参与当前研究的Soderlund说。
Soderlund曾与美国国家航空航天局合作研究天王星任务概念。
她也是美国国家航空航天局欧罗巴快船任务科学团队的一员,该任务最近发射并携带了UTIG开发的冰穿透雷达成像仪。
海明威说,下一步是将模型扩展到包括其他仪器的测量,以了解它们如何改善卫星内部的图像。
这篇期刊文章由加州大学圣克鲁斯分校的弗朗西斯·尼莫合著。
前面四颗属于类地行星,体积小、密度大、呈固态,而后面四颗属于类木行星,体积大、密度小,呈气态。
按照最远的海王星轨道半径来算,这八大行星以及太阳都分布在一个半径大约为30个天文单位的近圆形范围内。
我们今天就来简单了解一下,这八大行星各自的主要特征吧。
水星 水星是距离太阳最近的一颗行星,它的平均轨道半径约为0.4个天文单位(一个天文单位的长度为地球到太阳的平均距离),其体型也比地球要小,半径为2440千米,质量只有地球的5.5%(你没有看错),因此水星表面的引力只有地球的40%。
水星的自转周期与公转周期只比为3:2,也就是自转三圈时,就会围绕太阳公转两圈。
金星 金星与我们的地球在质量、体积、密度上非常相似,首先金星的半径为6000千米左右(地球半径为6371公里),金星的质量约为5亿亿亿千克(相当于地球质量的85%),因此金星的平均密度为5200千克每立方米(地球平均密度为5500)。
然而金星的自转方向却是八大行星中最为特殊的(第二特殊的是天王星),其自转方向与公转方向相反,并且其自转周期为243天,而公转周期为224.7天,也就是自转比公转还要慢。
除此之外,金星的表面环境也非常严酷,浓厚且富含温室气体的大气使得金星的温室效应异常强烈,表面温度将近500摄氏度。
地球 这是人类生存的星球,各项属性在其它行星的介绍中会出现,因此就不多做介绍了。
火星 火星的半径为3400千米,质量是地球的11%,虽然在体积和质量上比不上地球,但火星在数十亿年,也曾拥有过地球现在的气候环境,也许在那个时候火星上就已经存在生命了吧。
但是由于火星内核温度不断下降,导致磁场逐渐消失,使得太阳风可以肆无忌惮的侵扰,再加上本身引力不够强,导致火星表面的液态水以及大气都逐步的消失殆尽,最后才有了今天的荒凉模样,但假如未来有一天人类要到外星球建立殖民地,八大行星中,火星仍旧是第一选择。
木星 木星是八大行星中最大的一颗,按照体积来算,一颗木星需要1400颗地球才能填满,而木星的质量则是其它七大行星质量总和的2.5倍(但仍远小于太阳,仅为太阳质量的千分之一)。
木星的自转也非常特别,因为木星没有固态表面,因此我们判断木星自转的方式之内通过其表面大气的运转来确定,而木星不同纬度的大气运转并不一致,呈现出一种被称为“较差自转”的方式(太阳自转也是如此),赤道上的自转为9小时50分,而高纬度自转为9小时55分。
土星 土星的质量是地球的95倍,半径是地球的9倍多,它的自转方式与木星一样,也属于较差自转。
不过对于大众来讲,认识土星往往是从它的环开始,土星环是由什么东西组成的呢? 很多人会认为构成土星环的物质应该是类似于小行星的固态物质,比方说大块大块的“石头”,但实际上构成土星环的却是“冰块”,并且这些冰块的体积并不大,基本上都是毫米级到米级之间的,而且土星环的厚度也就几十米而已,不过其分布范围相当之广,直径足足有20万公里。
天王星和海王星 这是处于八大行星最外边的两颗类木行星,它们的质量与体积都非常接近,天王星的半径是地球的四倍,而海王星的半径是地球的3.9倍,天王星的质量约为地球的14倍,海王星质量为地球的17倍。
其中天王星的自转得说一下,它的自转轴非常接近黄道面,也就是天王星几乎是在躺着自转。
至于海王星,值得说的是它被称为笔尖下发现的行星,当初人们在利用牛顿的万有引力定律去计算天王星轨道时,发现理论计算与实际观测有不少出入,因此就猜测是不是还存在一颗行星在影响着天王星,并且还计算出了这颗未知行星的轨道位置,这就是海王星。
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其中最引人瞩目的是土星卫星——土卫二“恩克拉多斯”和木星卫星——木卫二“欧罗巴”,据信这两颗卫星的地下海洋都可能与岩心接触,从而使各种复杂的化学反应得以发生。
许多科学家相信,在木卫二和土卫二黑暗、寒冷的海洋内,可能有微型生物在其中游弋,他们也希望派机器人前往这些卫星的地下海洋,搜寻生命的“蛛丝马迹”。
美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)行星保护工程师艾米莉·科洛尼克接受太空网采访时表示:“这是‘逐水而行’剧情的高潮。
”前往“欧罗巴”拜访木卫二的“欧罗巴快帆”任务目前正有条不紊地进行中,拟于20年代中期发射。
到达木星轨道后,将数十次飞越木卫二,绘制其海洋特征图谱,详细研究其冰面,并执行其他任务。
此外,欧洲空间局(ESA)的“木星冰月探测器”(JUICE)也将研究木卫二、木卫三和木星本身。
JUICE是木星轨道器,计划2022年发射。
“欧罗巴快帆”这一任务将为未来的木卫二着陆器铺平道路,美国国会已指示NASA开发木卫二着陆器,目前还处于概念研究阶段。
它将深入木卫二表面之下10厘米的地方,寻找生命。
NASA官员说,在这样的深度下,任何生物分子都会在其上方冰层的保护下免受辐射危害。
科学家指出,木卫二上的大多数生物分子最终可能都源于其宽阔的海洋,海洋拥有的水量约为地球所有海洋总水量的两倍。
因此,科洛尼克等人希望派遣一个寻找生命的机器人前往,机器人可能是一只会游泳的“乌贼”,也可能是一个可以沿着海洋冰层滚动的机器人。
钻探系统很关键但是,木卫二的冰壳厚达15—25公里,因此探险任务必须携带一台功能强大的钻机。
NASA正尝试通过“欧罗巴科学探索地下访问机制”(SESAME)计划来促进这一先进技术。
SESAME的终极目标是研制出一种由核动力驱动的“钻探系统”,能在运行3年内下降约15公里。
该“钻探系统”不超过200公斤,届时将由着陆器运送到木卫二表面,此外,着陆器还将为钻探设备和地球之间的通信提供中继。
目前,JPL、乔治亚理工学院、约翰·霍普金斯大学、“石头航空航天”公司和“蜜蜂机器人”公司等都在研究这一大型系统的各个方面,而且均获得了SESAME的资助。
约翰·霍普金斯大学专注于研究钻探器与着陆器之间如何通讯;
“蜜蜂机器人”公司正在开发一种混合钻探系统——使用水下加热的生命搜寻系统(SLUSH),该系统同时使用热方法和机械方法凿开冰层。
“蜜蜂机器人”公司主管克里斯·扎克尼表示:“最大的问题是热,如果不以某种方式散热,钻头会变得过热。
”当然,还有其他潜在的困难。
一旦钻具钻探得够深,钻具与着陆器之间的通信可能很难通过系绳进行。
JPL的汤姆·克维克指出,有鉴于此,研究人员正在研究当钻头下降时在其后面部署圆盘状调制解调器的可能性。
此外,对钻探器和海洋探测机器人消毒也至关重要,这可以最大程度地减少地球微生物对木卫二上环境的污染。
但鉴于硬件非常复杂,这种灭菌将很难实现。
SESAME联合研究员萨姆·霍维尔表示,钻探器所需的大多数技术可能要花10—15年才能准备就绪。
如果从现在开始研制,可能到本世纪30年代后期才能前往木卫二探测其海洋,“木卫二远征任务的确存在风险,但值得冒风险”。
远征土卫二土卫二的海洋可能比木卫二的更“和蔼可亲”,但远征木卫二使用的一些策略也可以在土卫二上使用。
土卫二南极地区有许多巨大的“虎纹”裂口,这数十个间歇泉将水冰、有机分子和其他物质从这些裂缝喷入太空,这些间歇泉创造出的羽流组成了土星的E环。
间歇泉的物质很可能来自土卫二的海洋,所以,这些虎纹裂口可能是探测器进入的入口,如此以来,就省去了钻探冰层进入海洋的麻烦,一些科学家和工程师正在开发利用此便利裂口的技术。
JPL的一个小组正研制“外星生物现存生命勘探者”(EELS)装置——一个4米长的蛇状机器人,它将沿虎纹裂缝向下盘旋直至到达液态水内。
研究人员解释说,一条长绳会让EELS与地面上的着陆器相连,为海洋“探险家”提供动力。
EELS和一个着陆器是土卫二总体探测任务的一部分,该任务还将包括一个融解探测器和一个轨道飞行器,轨道飞行器可以将数据传回地球。
JPL的贾森·霍夫加特纳及其同事表示:“这一‘旗舰’任务将在土卫二表面、冰壳内和地下海洋深处寻找生命,这可能是未来十年内天体生物学领域最好的机会。
”“旗舰”任务是NASA“身价”最高的一类任务,如“好奇号”火星探测器、“卡西尼”号土星探测器都属于“旗舰”类项目,这些项目的投资一般都超过10亿美元。
即便NASA最终没有批准这一任务,科学家们也在研究间接取样海洋的方法。
此前,“卡西尼”号曾多次飞越土卫二的羽流,未来寻找生命的探测器也可以做到这一点。
“卡西尼”号任务已于2017年9月结束。
目前,已经有几个研究小组提交了土卫二羽流采样任务的设计思路,但NASA仍未敲定一项开展深入研发。
这两颗表面高冷的冰冻星月会给人类带来什么惊喜呢?我们拭目以待。