探索外星海洋 NASA飞往天王星卫星的大胆任务

在旅行者2号（Voyager 2）旅行近40年之后，美国国家航空航天局（NASA）计划再次访问天王星（Uranus），利用一个新的计算机模型探索其卫星，寻找隐藏的液态水海洋。该模型通过分析卫星的自转摆动来推断地表下海洋的存在和大小。 这些发现可能会极大地影响我们对银河系中生命潜力的理解，因为冰巨行星及其卫星可能是普遍存在的栖息地。

美国国家航空航天局（NASA）利用先进的模型探测自转摆动，试图发现天王星卫星上隐藏的海洋，从而有可能扩大银河系中可能存在生命的已知环境。 图片来源：Doug Hemingway

1986 年，美国国家航空航天局（NASA）的旅行者 2 号飞越天王星，捕捉到了天王星冰雪覆盖的大型卫星的清晰图像。 将近 40 年后，NASA 正在计划对这颗遥远的行星进行一次新的任务，这次任务的目的是确定这些冰卫星的表面下是否隐藏着液态水海洋。

虽然这项任务仍处于早期规划阶段，但得克萨斯大学地球物理研究所（UTIG）的研究人员已经在开发一个计算机模型，旨在仅利用航天器的摄像头探测这些隐藏的海洋。

这项研究至关重要，因为科学家们还不确定哪种技术对寻找天王星上的海洋最有效。 确认液态水的存在是当务之急，因为它是生命的基本要素。

新的计算机模型通过分析卫星绕其母行星旋转时的微小摆动（或称摇摆）来工作。 由此可以计算出卫星内部有多少水、冰和岩石。 摆动幅度小意味着月球大部分是固体，而摆动幅度大则意味着冰面漂浮在液态水海洋上。 结合重力数据，该模型可以计算出海洋的深度以及上覆冰层的厚度。

天王星，1986 年由美国宇航局的旅行者 2 号宇宙飞船拍摄。 天王星及其卫星预计将成为美国宇航局下一次外太阳系重大任务的目标。 资料来源：NASA/JPL-加州理工学院

天王星与海王星同属于被称为冰巨行星的一类行星。 天文学家在太阳系外探测到的冰巨型天体比任何其他类型的系外行星都要多。 UTIG的行星科学家道格-海明威（Doug Hemingway）说，如果天王星的卫星被发现有内部海洋，那就意味着整个银河系有大量可能孕育生命的世界。

他说："在天王星的卫星内部发现液态水海洋将改变我们对生命存在可能性范围的看法。"

UTIG的研究成果发表在《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）杂志上，将帮助任务科学家和工程师提高探测到海洋的几率。 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。

天王星的第四大卫星阿里尔被认为是由岩石和冰组成的。 德克萨斯大学地球物理研究所开发的一个新计算机模型可用于探测阿丽埃尔冰面下的液态水海洋。 图片来源：NASA/JPL

太阳系中的所有大卫星，包括天王星的卫星，都是潮汐锁定的。 这意味着引力与它们的自旋相匹配，使它们在运行时总是同一面朝向母行星。 不过，这并不意味着它们的自旋完全固定，所有潮汐锁定的卫星在运行过程中都会来回摆动。 要想知道天王星的卫星是否含有海洋，以及如果有的话，海洋的规模有多大，确定摆动的程度将是关键。

内部有液态水海洋晃动的卫星，晃动的幅度会比那些一直都是固体的卫星大。 不过，即使是最大的海洋也只会产生轻微的晃动： 月球在其轨道上运行时，自转可能只偏离几百英尺。这仍然足以让路过的航天器探测到。 事实上，这项技术以前曾被用来证实土星的卫星恩克拉多斯（Enceladus）有一个全球内部海洋。

动画演示了天王星的卫星阿里埃尔（Ariel）如何在内部海洋（右图）与直达核心的固体（左图）之间摇摆。 动画中的摆动被夸大了。 UTIG开发的计算机模型可以通过分析摆动并结合其他测量数据，计算出海洋和上覆冰（浅色层）的厚度。 资料来源：Doug Hemingway拓展海洋探测技术

为了弄清同样的技术是否能在天王星上发挥作用，海明威对天王星的五颗卫星进行了理论计算，得出了一系列合理的方案。 例如，如果天王星的卫星阿里埃尔摆动 300 英尺，那么它很可能有一个 100 英里深的海洋，周围是 20 英里厚的冰壳。

要探测到更小的海洋，就意味着航天器必须离得更近，或者配备更强大的相机。 UTIG研究副教授克里斯塔-索德伦德（Krista Soderlund）说，但是这个模型给任务设计者提供了一个滑动规则，让他们知道什么是可行的。

索德伦德说："这可能是发现海洋或发现我们到达时不具备这种能力的区别。"她没有参与目前的研究。

索德伦曾与美国国家航空航天局合作研究天王星任务概念。 她还是美国国家航空航天局Europa Clipper任务科学团队的成员，该任务最近发射升空，搭载了UTIG开发的冰穿透雷达成像仪。

海明威说，下一步是扩展模型，将其他仪器的测量结果纳入其中，看看它们如何改善卫星内部的图景。

编译自/ScitechDaily