跨学科合作有望揭开天王星系统的秘密。
天王星和海王星通常被称作“冰巨星”，因为与气态巨行星木星和土星相比，它们的组成中重元素占比更大。到目前为止，唯一访问过天王星和海王星的航天器是在1986年和1989年先后短暂飞掠这两颗行星的旅行者2号——那已经是30多年前的事了。那次邂逅向世人展示了这两个外太阳系行星的迷人景象，但产生的问题也远比此前人们想象的多。美国国家科学院、工程院和医学院最近实施的一项调查确定，天王星轨道器和探测器（UOP）是美国宇航局下一阶段大型任务中行星科学领域的首要课题。UOP将探索天王星是如何形成的，形成后迁移了多少，行星的内部结构、大气、磁层、环系，以及天王星卫星上是否存在或曾经存在地下液态水海洋。这一任务将揭开外太阳系形成之初的历史和奥秘，从而激励和教育几代人。
每十年，美国宇航局都会要求美国国家科学院对行星科学领域进行一次“十年调查”，以确定未来10年的优先事项。美国宇航局和美国国会视这些调查为美国空间科学优先研究方向的正式声明。这些调查的执行成本高达数百万美元，其中包括独立评估的项目概念研究。如此巨大的投入对确保最后推荐的项目技术上可行、成本上符合实际至关重要。同时，调查结果也是一份共识报告，代表了执行调查并为白皮书打下基础的这一群体的声音。如果没有调查过程，这个群体在与美国宇航局沟通交流未来最重要的优先科学方向时，就不会产生多大影响力。
哈勃空间望远镜拍摄的天王星影像
2022年发布的行星科学十年调查名为《起源、世界和生命》（Origins，Worlds，and Life?）。这份调查是迄今为止最不寻常的报告之一，因为执行调查是在新冠疫情期间。虽然在疫情大背景下许多参与调查的志愿者都做出了巨大牺牲，但他们都决心不论付出多大代价都必须达成真正的共识。在长达一年的时间里，调查小组成员举行了176次会议，仔细审查了500多份白皮书，深入研究了组外发言人在公开会议上发表的300多篇讲话报告以寻求更多建议。这份调查的基础是由12个优先科学问题构成的基本框架，其中每个问题都由单独的章节概述。通过这些章节的介绍，“对冰巨星了解的匮乏”被确定为未来十年中最应该优先解决的问题。
UOP就是解决这个问题的第一步。由于全系统科学的重要性，它也被推荐为行星科学领域的下一个旗舰任务，或者说大型任务。同时，这一建议也是过去20多年任务概念研究成果的集中体现。2003—2013年的十年调查《太阳系新前沿》（New Frontiers in the Solar System）中首次确定UOP为高优先级。2013—2023年的十年调查《远景与远航》（Visions and Voyages）将它列为第三高优先级，仅次于取回火星样本和欧罗巴快船——这两个任务现在已经取得了很大的进展。《起源、世界和生命》重申了《远景与远航》中体现的群体共识，也即UOP应该就是行星科学领域的下一个大项目。全系统科学的目标是，大到整个太阳系的起源和演化，小到只在某颗神秘行星中存在的过程，我们都应有全面、充分的认识，最起码要能以此为依据回答关于已知最常见类型系外行星（存在于太阳系之外的行星）的基本问题。而UOP就有助于实现这个目标。
了解巨行星形成以及形成后迁移的过程，对于许多行星科学问题都有非常普遍的意义，例如：解释太阳系小天体的分布，水和其他生命必需元素如何通过这些小天体向内太阳系输送。有些问题甚至还可以延伸到太阳系之外，比如系外行星的形成及其系统架构。通过联系、比较当前观测结果和原太阳星云（由气体、尘埃和冰组成的盘状天体，太阳系正是由其演化而来）的各项条件，就能估测太阳系的形成和演化过程。因此，研究四颗太阳系巨行星（天王星、海王星、木星和土星）对重构太阳系历史至关重要。
巨行星是通过聚集原太阳星云的气体和固体物质形成的，形成后逐渐迁移到了当前位置，接着通过冰质星子和岩石星子的撞击收集更多固体物质。计算机模型预言了多种巨行星形成和迁移模式，至于其中哪个才是最准确的，需要测量各个行星大气中的同位素比和稀有气体丰度，这就需要大气探测器发挥作用了。
氮同位素比14N/15N是比较重要的同位素测量对象之一，因为它揭示了地球氮的来源。就目前来说，在4颗巨行星中，我们只能测得木星的氮同位素比，结果与太阳相似。这意味着，木星获取氮的方式要么是通过加热原太阳星云中的冰得到富含氮气的原太阳星云气体，要么是通过极低温条件下形成的含氮物质。土星对流层中氮同位素比测量结果的下限表明那里的氮起源与木星类似，但还需要大气探测器才能确认土星大气其余部分的氮同位素比也有这么高。目前，我们还从未测量冰巨星的氮同位素比。
较重的稀有气体则为我们研究巨行星的形成和演化提供了另一个窗口。比较巨行星大气中稀有气体的丰度与原太阳星云中相应固体物质（也即如今的彗星和球粒陨石）的丰度，可以得到岩石物质和冰物质对巨行星形成的相对贡献，并揭示这些固体物质在原太阳星云中的分布。与同位素比一样，目前我们也只能测得木星大气中的稀有气体丰度。结果表明，木星大气中稀有气体的来源也是富含相应气体的原太阳星云气体，或是在极低温条件下形成的固体物质。毫无疑问，土星和冰巨星也需要类似的测量。为此，UOP任务在设计阶段就包括了一个可以测量天王星稀有气体丰度和氮同位素比的探测器。
此外，UOP还包括了一个为全系统科学设计的轨道器。天王星是一个包含诸多环和卫星的特别有趣的系统，它在形成之初可能经历了一次巨大碰撞，以致自转倾角高达98°，几乎可以说“躺倒在地”。这么大的自转倾角导致公转周期84地球年的天王星大气季节变化相当极端，但从地球上观测它的雾霾和云得到的信息不足以解释它的大气环流和风型。为此，UOP携带的探测器将在某个地点测量天王星的风和温度，而轨道器则会对天王星展开全球观测，以确定这种各部位差别如此之大的大气是如何运作的。
夏季，无论是在天王星的南半球还是北半球，都只能看到卫星的一半，原因也是它极大的自转倾角。例如，旅行者2号只能拍摄到天王星卫星的南半球，但观测到的景象出人意料。原本，我们认为天王星五颗最大的卫星都是冰冷、死寂的世界，但在旅行者2号拍摄的图像中都出现了近期地表重塑的迹象，这表明上述卫星上仍有地质活动。甚至，这些卫星中的一个或多个在冰壳下可能存在适宜生命生存的液态水海洋，使它们成为“海洋世界”。天卫一“艾瑞尔”是地表重塑程度最深的天王星卫星，它与天王星最大的两颗卫星“泰坦尼娅”和“奥伯龙”一样都很有可能拥有海洋。UOP将测量上述天王星卫星的整个地表并成像，以寻找正在进行的地质活动，同时测量它们内部的磁场是否因为液态水的存在而不断变化。
天王星的环
拟议中的天王星轨道器和探测器将有助于确定天王星的形成过程、形成后的迁移过程——整个天王星系统包括它的内部结构、大气、磁层和环系——以及天王星卫星是否存在适宜生命生存的液态水海洋。
天王星有九个密度非常高的窄环，它们必须与一群充当“牧羊犬”的卫星产生共振，才能避免迅速向外扩散并失去锐利的边缘。虽然旅行者2号发现了这些环与小卫星科迪莉亚、奥菲莉亚和克雷西达的共振，但尚不足以解释所有的环特征。要么存在大量因为太小而无法被旅行者2号探测到的小卫星，要么是天王星的内部结构也引发了共振。此外，天王星那几个暗得出奇的环中的粒子，成分尚不清楚，但可以肯定与天王星卫星的表面组成明显不同。为此，UOP将寻找那些牧羊犬卫星，监测环粒子的运动并测量它们的组成。
天王星的磁层也很不寻常。它的磁场方向不仅与自转轴呈60°角，而且也偏离行星中心。目前还不清楚这样与众不同的磁场是如何产生的，但磁场因素加上极端自转倾角导致的巨大季节和昼夜变化很可能会对天王星的大气层和卫星产生影响。UOP将在任务期间监测天王星磁层，按照十年调查《起源、世界和生命》的建议，持续时间至少为5年。
天王星的内部结构也是一个巨大的谜。另外，科学家发现，木星和土星这两颗巨行星的核心并不是具有清晰边界的固态，而是呈弥散状态且会与大气交换物质。这一发现更是令天王星的内部结构之谜更加引人注目。木星、土星核心部分的现状可能是行星形成时留下的结果——在行星形成过程中，核心部分达到临界质量、蒸发，并产生成分梯度——也可能是核心侵蚀的结果，也即重元素在行星形成后溶解并侵蚀到大气中。确定天王星的核心是固态还是弥散态，以及它主要由岩石构成还是冰构成，不仅对认识冰巨行星很重要，而且对认识类似大小的系外行星的起源和内部结构也很重要。为此，UOP将通过大气探测器和轨道引力测量来确定天王星的内部结构。
理想情况下，UOP的下一步应该建立在过去的研究基础上，特别是《起源、世界和生命》中提到的那些。这份十年调查建议，在2032年发射UOP，以便让它利用木星的巨大引力获得朝天王星飞行的额外速度。同时，这也能保证UOP在2050年天王星北半球秋分之前到达，以确保能观测到完整的天王星卫星。此外，还有一个额外的好处，按照《起源、世界和生命》中推荐的轨道，UOP将弹射到黄道上方，从而获得太阳的极地视角——这是太阳物理学界钟爱的视角，获取此类视角后，便可以通过测量更好地了解天王星两极和赤道之间的太阳风差异。如果在2032年后发射，那么UOP的轨道无法利用木星引力但仍然可能在天王星北半球秋分之前抵达。然而，这意味着要么航天器尺寸、负载变小——也就是少带些仪器——要么路上花费更多时间。《起源、世界和生命》撰写小组的时间有限，无法对数百万条备选轨道详细评估，因此有必要借助美国宇航局提供的备选发射年份缩小备选轨道范围，从而加以完善并确定具体的航天器质量限制。于是，UOP在设计时就能根据十年调查限定的质量和仪器作优化。评估UOP其他方面的贡献也非常重要。欧洲空间局已经针对冰巨星任务展开了几项研究，并组建了一支准备好作出必要科学、技术贡献的科学家团队。
UOP的准备工作已经开始，重要的是要认识到，虽然海王星也是一颗冰巨星，但它的系统与天王星差异很大，有很多问题是UOP无法回答的。海王星的卫星系统由海卫一“特里同”主导。而特里同本来是一个柯伊伯带天体，被海王星的引力捕获后才重构了整个海王星卫星系统。此外，海王星和天王星的热平衡差异也达到了一个数量级，意味着这两颗冰巨星的内部结构可能有实质性差异。由于海王星距太阳更远，所以更难前往，探测难度更高。在这个十年中，探索海王星的技术开发和重点任务研究也应该启动，为近距离观察这个同样有趣的行星做好准备。空间科学界为冰巨星探索任务已经等待了30多年，这个大项目必然会使未来几代人受益。
资料来源 Science
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本文作者凯斯琳·曼特（Kathleen Mandt）是一位行星科学家，是上一个十年调查《远景与远航》中的冰巨星科学定义小组成员，也是这一个十年调查《起源、世界和生命》中的巨行星小组成员。