飞吧，蜻蜓！

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 视频天象|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

编译：向昕妍

校对：周学云 金振坤 崔玉静

编排：黄卓尔

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳

飞吧！蜻蜓

土星最大的卫星泰坦（即土卫六）是一个令人惊奇的地方。泰坦星不仅是太阳系中唯一一个除地球以外大气层中富含氮气的天体，而且它的表面还有甲烷湖，大气中有甲烷云。这说明在泰坦星上甲烷能从液体转化成气体，然后再转化回液体，这种现象和地球的水循环非常相似。因此，泰坦星的天气系统与地球很像，只不过降雨是由甲烷而不是水组成的。你一定想问，泰坦星上是否也存在生命呢？

泰坦星真彩色图像，其拥有稠密的大气，由卡西尼号拍摄。图源：NASA

令人激动的是，NASA的蜻蜓号任务（Dragonfly Mission）将于2027年左右发射一架可移动的旋翼航空器，预计本世纪30年代中期到达泰坦星表面。

艺术家绘制的蜻蜓号着陆过程概念图。图源：Johns Hopkins/APL

在筹备蜻蜓号任务的同时，团队的专家们在今年7月19日于《行星科学杂志》发布了一篇有关蜻蜓号的任务与目标的论文（参考资料[5]）。论文的主要作者是蜻蜓号首席研究员、爱达荷大学物理学教授Jason Barnes。阅读这篇论文，你就会发现蜻蜓号虽然不大，只有约450千克重，但是它野心不小，任务繁重！

小小的身躯，大大的能力——蜻蜓号

由于泰坦星的大气非常稠密（约是地球大气密度的四倍），再加上其表面重力小（约为地球表面重力的七分之一），飞行器在泰坦星飞行比在地球飞行还容易得多。蜻蜓号是一架可移动、可着陆的双四旋翼飞行器（或称八旋翼飞行器），其最大载荷为1000磅（约453.6千克）。蜻蜓号几乎所有的时间都会留在地面上做科学研究和数据上传。每两个泰坦日（32个地球日），它就会花费半个小时飞到一个新的地点，继续探索（多么勤劳的蜻蜓啊！）。

蜻蜓号样图，它有四对双层旋翼 。图源：Johns Hopkins/APL

多亏了卡西尼号的任务和它提供的所有数据，科学家们为蜻蜓号选择了一个很棒的着陆点 （译者注：卡西尼携带的的惠更斯号探测器于2005年1月进入泰坦星大气，是否软着陆成功目前仍存疑）。

2005年1月14日，惠更斯号在泰坦星降落的过程，着陆后可能发生了损坏，很快便失去了信号。

蜻蜓号的首次任务将在泰坦星的北半球冬季开展。它将降落在赤道附近的香格里拉沙丘区域（Shangri-La Dune Fields）（见下图），距离惠更斯号着陆点往北700千米，这里的环境类似地球上的纳米比亚沙丘地区。然后蜻蜓号将通过一系列短途飞行（单次最大飞行距离8公里）对这些区域进行探索，并在飞行途中寻找适合采集样本的地方，它的最终目的地为塞尔克撞击坑（Selk Impact Crater）。

香格里拉沙丘在泰坦星的位置。图源：NASA Science

香格里拉沙丘区域的流沙。该图像由卡西尼号的合成孔径雷达拍摄（想念卡西尼号！）

图源：NASA/JPL-Caltech/ASI/Université Paris-Diderot

泰坦星上的塞尔克撞击坑。该图像由卡西尼号航天器上的视觉成像和绘图光谱仪（VIMS，Visual Imaging and Mapping Spectrometer）合成。图源：NASA/JPL/UA

塞尔克撞击坑也是一个有趣的探索地点。那里有液态水和有机化学物质曾经存在过的证据，再加上能量，这些都是生命赖以生存的基础。

蜻蜓号由哪些神奇的部件构成？

蜻蜓号样图。图源：Johns Hopkins/APL

蜻蜓质谱仪

DraMS ，Dragonfly Mass Spectrometer

DraMS的设计基于好奇号的火星样本分析仪（SAM）和ExoMARs计划的有机分子分析仪（MOMA）。DraMS是一个线性离子阱质谱仪，可在三种模式（激光解吸、气相色谱分析析、大气富集）下工作。它可以测量泰坦星表面和大气样品中相对质量高达2000的分子。（译者注：1单位的相对原子质量约为1.661×10-24克。）

蜻蜓伽马射线和中子光谱仪

DraGNS，Dragonfly Gamma-Ray and Neutron Spectrometer

DraGNS将使用脉冲中子发生器来确定泰坦星表面和空气样品的成分。它会在着陆器2m范围内工作，测量浅层地下的生物常量元素占比。它主要测量的元素有C、H、N、O、Na、Mg、P、S、Cl、K（碳、氢、氮、氧、钠、镁、磷、硫、氯、钾）。

蜻蜓地质物理和气象学工具包

DraGMet， Dragonfly Geophysics and Meteorology Package

DraGMet是一套多功能的仪器，能够测量11种不同的特性，分别是大气温度、压强、风速、风向、甲烷湿度、氢分压、地壳地震活动、电场、表面介电特性、地表温度、环境声。

蜻蜓摄相机套件

DragonCam，Dragonfly Camera Suite

蜻蜓号携带八台科学摄像机：两台连接在高增益天线上用于指向的全景摄像机、两台固定的前视摄像机、两台工作区下视广角摄像机（这两台摄像机分别对准了采集点的左边和右边），以及两台60微米像素的显微摄像机（该摄像机聚焦于待摄取的样本）。

复合有机物钻探采取

DrACO, Drill for Acquisition of Complex Organics

虽然从技术上讲，DrACO不是一种科学仪器，但它帮助我们获得样本。它会钻入泰坦星的表面，用真空吸尘器收集泰坦星表面物质的样本，并在低温下将样本送入DraMS。

展翅高飞，蜻蜓少年

——任务与目标

有了以上这些设备，蜻蜓号便能在泰坦星大展身手，帮助我们探索很多东西。在7月份发表的论文中，蜻蜓号研究团队阐述了蜻蜓号的三大任务，分别是：（1）探索目前在泰坦星大气层和表面发生的前生命化学演化；（2）调查该星球甲烷如何活跃循环；（3）寻找生物化学标志。

1

前生命化学

泰坦星是一个富含碳和氮的天然实验室，对于研究前生命化学堪称完美。在地球上，我们无法通过实验来重现地球生命形成之前的自然环境，更无法准确确定形成生命所需的必要条件。然而，泰坦星给了我们这样的机会。

泰坦星的表面上富含CxHyNz分子（碳氢氮构成的分子），这类分子对地球生命的产生至关重要。当这些分子溶解在溶剂中时，可能会发生进一步的化学演化。然而，目前还不知道有机合成到底有多复杂，也不清楚非生物过程是否产生了可能被生物体利用的化学成分。惠更斯号最初是作为大气探测器设计的，它无法对泰坦表面的有机物进行全面的清查。蜻蜓号将在泰坦表面工作，帮助我们鉴定不同的有机物，包括与生物学最相关的有机物。它将记录泰坦表面有机物的复杂度，以研究富碳环境中前生命化学的演化。

2

甲烷循环

甲烷在泰坦上的作用类似于地球上的水，正如地球上有水循环，泰坦上有甲烷循环。科学家认为这两种循环非常类似，我们也将有机会学习对比这两种循环。

在泰坦星上，甲烷既是碳源又是溶剂。赤道地区存在充足的有机固体（如沙丘），尽管降雨很少，科学家们认为表土可能在近地下充当液态甲烷储层。液态甲烷的持久性、有机固体的引入速率及其蒸发后浓度，以及在地表、地表附近或地表以下将有机物与液态水混合的可能性，都决定了生物化学可以运作的时间尺度和丰度，这都确定了泰坦星的宜居性。

蜻蜓号将记录赤道地区的大气和浅层地下条件。这些记录将帮助我们学习泰坦的甲烷循环和进一步确定泰坦的宜居性，也能帮助我们将泰坦大气环流和大气甲烷的历史联系起来。

根据卡西尼号雷达成像绘制的泰坦星北部甲烷和乙烷等烃类物质的“海洋”地图。图源：NASA/JPL/USGS.

3

寻找生物化学标志

泰坦上是否存在碳基生物的化学特征？尽管生命的概念仍然难以定义，但地球上的生命表现出共同的化学特征。陆地生物，或我们所知的生命，依赖于特定的分子，如氨基酸、脂类和核酸。其他生物可能使用不同的功能分子。对多种生物化学信号的广泛搜索，可以最大限度地减少我们的假设。

蜻蜓将进行广泛的、多方面的化学特征搜索，这将揭示泰坦上过去或现存的生物过程。这种地毯式搜索，可以帮助我们识别出潜在的生物化学标志，因为任何孤立的观测都不能视作决定性证据。

蜻蜓号要到2034年左右才能到达泰坦。虽然还要等很久，但等待是值得的。这是我们这个时代最令人期待的任务之一。亲爱的读者，让我们相约2034，一起期待蜻蜓号的发现吧！

参考资料 (翻译来源)

[1]https://www.universetoday.com/137490/scientists-find-evidence-extreme-methane-storms-titan/

[2]https://news.cornell.edu/stories/2021/08/dragonfly-mission-titan-announces-big-science-goals

[3]https://www.sciencetimes.com/articles/32782/20210811/nasa-dragonfly-mission-releases-science-goals-objectives-saturns-moon-titan.htm

[4]https://www.universetoday.com/142680/nasa-is-going-back-to-saturns-moon-titan-this-time-with-a-nuclear-battery-powered-quadcopter/

[5]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/PSJ/abfdcf/meta

责任编辑：周学云

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

牧夫天文论坛创始人解仁江8月12日-13日夜晚拍摄的英仙座流星雨照片

来源：牧夫天文论坛

谢谢阅读