11000年只有一次機會!探測太陽系最遙遠的行星,不能再等了

2020年是火星探測大年,這一年全世界有3個國家發射了火星探測器。

之所以大家都選擇這一年來探測火星,是因為由于人類航太技術的限制,必須要在狹窄的視窗期內進行發射,才能最節省燃料和時間。對于火星來說,這個視窗期每隔26個月才會打開一次。所以,沒來得及在去年發射火星探測器的國家或機構,只能等到2年後的2022年9月了。

越靠近太陽的天體,探測的窗口期就越短。反之,越遙遠的太陽系天體,這個視窗期就越長。那麼,對于最遙遠的太陽系天體,這個視窗期有多長呢?

目前人類發現的最遙遠的太陽系自然天體,是一顆小行星,其編號為90377,英文名叫做Sedna,中文譯作塞德娜。這顆小行星發現于2003年,屬于外海王星天體之一。根據目前的觀測,塞德娜的直徑是995±80千米,和太陽系最小的矮行星——穀神星差不多大,因此塞德娜也被認為是矮行星的候選者之一。

塞德娜到底有多遠呢?根據天文學家的觀測,即使在近日點,它和太陽的距離也有76.36個天文單位(1個天文單位是1個日地距離,即大約1.5億公里),也就是大約114億公里,這是太陽系最遠的行星——海王星的2.5倍!塞德娜的軌道偏心率非常高,也就是說,它的遠日點非常非常遠,竟然達到了937個天文單位,也就是大約1400億公里!

(圖片說明:塞德娜藝術圖)

由于距離太過遙遠,塞德娜的公轉週期也長得驚人,達到了11390年!換句話說,上一次塞德娜運行到現在這個位置時,猛獁象都還沒有滅絕,人類還不會種地……別說一輩子,按照目前人類的壽命,就算活100輩子,都活不到人家一個公轉週期。

然而,我們這一輩的人真的是太幸運了,這種一萬年一遇的事就讓我們趕上了,因為塞德娜即將來到它的近日點了!

在2003年被發現的時候,塞德娜距離地球就只有差不多100個天文單位。目前,它距離我們已經不足90個天文單位。根據天文學家的計算,在2076年的時候,它將會來到近日點。這不僅是人類利用望遠鏡觀測的絕佳時機,也是發射探測器前去探索的唯一機會。一旦錯過,就要再等一萬年……

(圖片說明:哈勃望遠鏡拍攝的塞德娜)

目前,世界各國都還沒有制定探測塞德娜的航太任務,但是天文學家們已經提出這個想法了。他們還表示:如果我們真的要抓住這個極其罕見的機會,那麼真的要儘快動手了,因為時間真的太短了!

雖然塞德娜在2076年才會到達近日點,但這不意味著我們等到五十年後再發射探測器就可以。為了更好地節約能源和時間,我們需要抓住塞德娜的探測視窗期,這樣的視窗期距離我們已經非常近了,而且並不長,那就是2029年到2034年之間。

換句話說,如果我們真的要把握機會去探測它,那麼留給人類準備的時間最多不超過12年了!

即便是在視窗期利用最短的路程去探測塞德娜,也不是一件容易的事。迄今為止,人類也只有屈指可數的幾個探測器到達過如此遙遠的位置,那就是20世紀70年代的兩個旅行者號探測器以及兩個先驅者號探測器(這兩個已經失聯,只是理論上到達了這個位置),它們都花了幾十年的時間才飛行了這麼遠。

如果我們要去探測塞德娜,就要好好規劃飛行的路線。

俄羅斯科學院空間研究所的Vladislav Zubko和他的團隊在研究之後指出:如果在2029年發射探測器,那麼它不會是直接朝著塞德娜飛行的,而是首先反向飛行,來到更靠近太陽的地方,借助金星來進行加速,然後繞回來再利用地球加速,隨後借助木星的引力彈弓效應,最快可以在24.48年的時間裡就抵達塞德娜。

最快未必是最好,要達到最快的速度,航天器在飛掠木星時要更靠近它,這會導致航天器的一些科學載荷受到木星磁場的輻射而減少壽命。為了確保研究時長,天文學家認為,距離木星稍微遠一點,航行時間30年是最好的選擇。

如果是按30年的航行時間,那就要在2034年發射。在這種情況下,探測器飛掠木星時距離這顆氣體巨星大約60萬公里,遠遠大于前一個方案中的4.2萬公里,可以更好地保護探測器。

而且,飛得慢一點還有另外一個好處,那就是航天器飛掠塞德娜的時候速度不會太快,從而獲得更長的觀測時間。根據研究人員的推測,按照這個方案,探測器在到達塞德娜時的相對速度約為每秒13.70公里,這就和2015年時新地平線號探測器飛掠冥王星時差不多了。

另外,該團隊還計算了其他年份發射探測器的可行性,除了2031年之外,其他諸如2033甚至最遠到2045年的發射時間,都遠不如前面兩個方案。

我們知道,根據目前的理論,太陽系最內側有八大行星,其中海王星最靠外。海王星以外的區域叫做柯伊伯帶,分佈著大量的小天體,並且天文學家已經發現了很多。柯伊伯帶以外,就是太陽系最外層的結構——奧爾特雲。

由于距離太遠,迄今為止,天文學家從沒有真正觀測到奧爾特雲及其天體,它仍然停留在理論層面上。塞德娜的遠日點如此遙遠,因此是唯一被認為可能是奧爾特雲天體的小行星。所以,它的研究價值非常高,也是我們理解奧爾特雲的關鍵,對它的探測非常吸引天文學家。

如果我們真的能夠前去探測塞德娜,那麼不論是對于這顆小天體本身的性質、環境、起源等問題,還是對于外海王星天體的運行規律甚至對可能的第九大行星、奧爾特雲有更多的了解。這些問題不僅僅困擾著天文學家,也是許多天文愛好者最關心的問題。

不過,目前世界上還沒有團隊真的要展開這樣的探測。考慮到這樣的機會一萬多年才有一次,相信天文學家們會慎重考慮,並且提高其優先順序的。不過話說回來,考慮到探測器的研發和建造過程如此複雜,如果真的要探測塞德娜,天文學家真的要趕快動手了。

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