​NASA“三叉戟”任务将访问海卫一

海卫一(Triton)的这幅彩色图像由旅行者2号(Voyager 2)探测器于1989年飞越海王星系统时拍摄。
图片来源:美国国家航空航天局(NASA)/NASA喷气推进实验室-加州理工学院(JPL-Caltech NASA)/喷气推进实验室(JPL)/美国地质调查局(USGS)。

三十年前,当NASA的旅行者2号探测器飞越海卫一时,书写了扣人心弦的行星科学篇章。

旅行者2号是有史以来唯一一艘飞越海王星的航天器,它留下了许多悬而未决的问题。旅行者2号曾揭示了海卫一表面喷射出的巨的深色羽状物质,这些景色既令人惊叹又令人费解。为什么会这样呢?图像显示,海卫一的冰封地表相对比较年轻,并已被喷出的新物质一遍又一遍地覆盖重塑。这些物质究竟是什么,又是来自哪里呢?

这样一颗距离太阳木星还要远6倍的古老卫星怎么可能现在还仍旧活跃呢?它的内部是否有什么物质温度足够高以至于能够驱动这项地质活动?

NASA发现计划(Discovery Program)下的一项新任务旨在解开这些谜团。这项名为“三叉戟”(Trident,希腊神话中海神波塞冬的武器)的任务,是NASA为了开展新任务的概念研究而选出的4个任务提案之一。2021年夏天,将选出其中1至2个任务,全面开展各项工作,并于2030年代后期发射

研究海卫一如何随时间而变化,将使科学家们更好地了解太阳系天体是如何演化和运作的。

​NASA“三叉戟”任务将访问海卫一

发现计划下的一个新任务提案中,“三叉戟”任务将探索海王星最大的卫星:海卫一。海卫一的表层冰壳下可能存在液态海洋世界。“三叉戟”任务旨在解答上方插图中所概述的问题。
图片来源:NASA/JPL-Caltech

海卫一的奇特之处不胜枚举:海卫一绕海王星公转的轨道方向与海王星的自转方向相反,是太阳系中唯一一颗具有逆行轨道的卫星。海卫一的轨道还处于极端倾斜状态,其轨道面与海王星赤道面的夹角高达23度。海卫一的直径大约是月球的四分之三。此外,科学家认为海卫一很有可能并不是海王星本身所形成的卫星,而可能是从柯伊伯带(Kuiper Belt)迁移过来的。柯伊伯带是太阳系在海王星轨道之外黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域,柯伊伯带天体被认为是太阳系形成过程中遗留下来的残骸。

海卫一的大气层也不同寻常:它的电离层比太阳系其他任何一颗卫星电离层的活跃度都还要高10倍。

更有趣的是,电离层的能量来源主要是太阳能。但海王星和海卫一距离太阳非常遥远:它们距离太阳的距离大约是日地距离的30倍,所以一定是有其他能量来源存在。(海王星绕太阳公转一圈需要165个地球年。)

海卫一的气候并非一成不变而是不断发生动态变化,有机物质(极有可能是氮)源源不断地被喷射到海卫一表面。

月球和行星研究所(Lunar and Planetary Institute)/大学空间研究协会(Universities Space Research Association)主任路易丝·普罗克特(Louise Prockter)表示:“海卫一一直是太阳系中最令人兴奋且耐人寻味的天体之一。”她将作为首席研究员领导新提议的“三叉戟”任务,位于南加州的NASA喷气推进实验室将负责管理此任务。路易丝·普罗克特补充道:“我一直很喜欢旅行者2号探测器拍摄的照片,以及对这个有待进一步了解的奇怪、疯狂的卫星的惊鸿一瞥。”

一石三鸟

旅行者2号在海卫一上发现的那些神秘羽状喷射物非常耐人寻味。土卫二上发现的羽状喷射物,以及可能存在于木卫二上的羽流,均被认为是由来自星球内部的水透过厚厚的表面冰层喷发而出所导致。如果海卫一上的羽状物来源于海洋,这一发现则将为科学家们提供关于海卫一内部海洋形成的新线索。与其他已知的海洋世界不同,海卫一内部的潜在海洋很可能是在被海王星的引力捕获后形成的。

这也将扩大科学家们对我们在哪里可以找到水的理解。而“三叉戟”任务的三个主要目标之一正是要弄清楚是什么因素导致太阳系天体具有适宜居住的必要条件(包括水)。探测器将携带一台仪器用于探测海卫一的磁场,以确定海卫一内部是否存在海洋,而其他仪器将研究活跃的电离层、富含有机物的大气层和奇怪的地貌特征。

“三叉戟”任务的第二个主要目标是探索海卫一在我们视线之外的广阔表面。海卫一面向柯伊伯带的这一侧是太阳系中未被探索的最大的固体表面。我们对海卫一的大部分了解来自旅行者2号探测器的数据,但我们只看到了其表面的40%。“三叉戟”任务将绘制其余大部分表面的地图。

“三叉戟”任务将使用它的全画幅成像相机来捕捉旅行者2号探测器拍摄到的同样富含羽状喷射物的区域,并将于太阳的反射光照亮海卫一的阴暗面时,利用反射光进行拍摄。这样一来,科学家们就可以观察到自从上次飞越以来海卫一的变化,并更好地了解海卫一究竟有多活跃。

三叉戟的第三个主要目标是了解海卫一神秘的表面是如何不断自我更新的。从地质学上讲,海卫一的表面非常年轻(在拥有46亿年历史的太阳系中,可能只有1000万年历史),且很少有可见的陨石坑。还有一个问题是,为什么海卫一看起来与其他冰冷的卫星如此不同,并拥有不寻常的地貌特征,比如凹陷的“哈密瓜地形”和凸出的“围墙平原”?这些问题的答案可能会有助于阐明其他冰冷天体上的地貌是如何演化的。

来自JPL的“三叉戟”项目科学家卡尔·米切尔(KarlMitchel)表示:“海卫一是挺奇怪,但也很并非那么奇怪,因为我们可以在海卫一上做科学研究。我们知道海卫一表面有这些我们未曾见过的特征,这激发了我们的好奇心,使我们想了解海卫一上的世界是如何运作的。”

“就像我们在任务提案中对NASA说的那样,海卫一不仅仅是太阳系科学的关键,它还是一个完整的钥匙环:由捕获的柯伊伯带天体演化而成,拥有活跃羽流的潜在海洋世界,充满活力的电离层和年轻而独特的表面。”

如上所示,海卫一的该交互模型基于现有的图像,并不十分完整。若想看海卫一与月球相比较的情况,请放大并旋转卫星,或者使用底部的搜索功能了解更多信息。或者,您也可以在在Eyes on the Solar System上进行完整的互动体验。
来源:NASA/JPL-Caltech

若最终能够成功入选,“三叉戟”任务将于2025年10月启动(以2026年10月为备用日期)。此时,恰逢地球与木星对齐的“13年一次的窗口期”,这样航天器就可以利用木星的引力作为弹弓,直接飞向海卫一,并于2038年飞掠海卫一,进行为期13天的“长时间邂逅”。

来自JPL的“三叉戟”项目系统工程师威廉·弗雷泽(William Frazier)表示:“任务设计者和导航员在这方面做得非常出色。在太阳系飞行了13年之后,我们可以从容自信地掠过海卫一大气层的顶端—这相当令人难以置信。”

海王星位于太阳系外围,公转周期长,在那里时间似乎流逝得很慢。不过,这一点恰好对探测海卫一来带来了限制。如果“三叉戟”探测器于2040年之前到达海卫一,就能够对羽流活动的驱动力进行观察和测试。若错过了这个时间,晚些时候到达,太阳就会太过偏北,再过100年才能进行测试。

来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/proposed-nasa-mission-would-visit-neptunes-curious-moon-triton

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忠洋 张

希望早日听到来自海卫一的新消息!