为什么探测金星,为什么不向金星发射探测器

从太空窥探金星表面的派克太阳探测器 本文编译自《Parker

本文自《Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus》开始整理。在天文观测中,自古以来就有很多关于金星的记载。自20世纪60年代以来,苏联、美国国家航空航天局、欧洲航天局和日本发射探测器执行不同类型的太空任务,希望更多地了解金星。

2020年,美国宇航局的帕克太阳探测器(简称“帕克”)首次在太空中用可见光拍摄了金星表面,并在2021年2月再次拍摄了一系列可见光照片后,公开了他们的分析结果。

本文将介绍金星探测的历史,Pike的探测方法,可见光照片的分析结果,以及金星探测的未来前景。现在,让我们从头开始了解这位闪耀的邻居吧!

始于科学革命的金星之旅

对于地球上的我们来说,月亮是夜空中最亮的天体,但是你知道哪颗“行星”最亮吗?那就是本文的主角,——金星!金星的平均星等,即肉眼看到的平均恒星亮度约为-4.14,仅次于月球的-12.74和太阳的-26.74(数字越小越亮)[1]。金星不仅是地球夜空中最亮的行星,也是太阳系中第三亮的恒星。

天上挂着这么炫酷的东西,科学家绝对不会轻易放过!在科学革命期间(1543-1687),天文学领域突飞猛进。——哥白尼倡导日心说,牛顿发现万有引力,开普勒推导行星运动定律等等。与此同时,还有著名科学家伽利略。他改进了望远镜。通过观察金星的相位(图1),即金星表面的光线变化,他得知金星并没有绕地球运行,进而推翻了当时盛行的地心说。

图1:伽利略通过望远镜发现金星和月亮有相同的变化。图片的上半部分是土星、木星和火星。图//NASA此后,许多业余天文爱好者和天文学家蜂拥而至,用望远镜观测金星。很多人声称在背光一侧看到了微弱的灰白光,并称之为“灰光”。

有人认为灰光是金星上的闪电,也有人认为是紫外线穿透金星大气层时氧离子发出的深绿色光(类似于地球上的极光现象),但实际上没有人能拍下照片并记录下来,所以当时普遍认为灰光只是一种视错觉。到目前为止,这些假设都没有确切的科学依据。[2]

00-1010年来到60年代。1962年水手2号经过金星后,金星4号于1967年进入金星大气层进行分析。结果表明,金星大气中含有约90-93%的二氧化碳,7%的氮气,以及少量的氧气和水蒸气。[3]紧接着在1975年,金星9号测量到表面温度约为485C,云层厚度约为30-40公里。此外,它还拍摄了金星表面的180度全景照片(图2),这是历史上第一个将金星照片发回地球的探测器。[4]

图2:1975年10月22日,Venera 9拍摄了第一张金星表面的照片。图//NASA金星大气覆盖着厚厚的硫酸云,不仅反射了约75%的太阳光,还阻挡了金星表面的大部分可见光。因此,科学家们决定使用雷达仪器绘制金星表面的地图。20世纪90年代,麦哲伦利用雷达对金星表面的火山、陨石坑等地貌进行了多次测绘。其清晰度堪比可见光测绘,可以说是目前最详细的金星地图(图3)。[5]

图3:基于麦哲伦数据的金星视图。图//NASA此后,科学家们进一步利用近红外(NIR)来观测金星的背光表面,因为近红外(波长0.751.5 m)有利于弱光环境下图像的生成,而这个波段恰好是大气透明度最高的范围,因此可以更清晰地看到金星表面。1998年,Cassini在0.85微米米的波长上观测到了金星,遗憾的是,这种方法在技术上很难突破,因为辐射强度会随着波长的变短而迅速降低。直到2020年,帕克才最终捕捉到金星表面波长更短的辐射。

不断演进的金星探测技术

2018年8月,长枪发射,飞向太阳(图4)。为了在这段漫长的旅程中节省燃料,派克总共要进行7次重力辅助飞越(VGA),并利用金星的重力来逐步修正飞行轨道。最终在2025年到达距离太阳中心10个太阳半径(约690万公里)的地方,执行日冕和太阳风的测量任务。

七次重力辅助飞越(VGA)的时间历程如下[6]:

VGA1:201

8 年 10 月 3 日

  • VGA2:2019 年 12 月 26 日
  • VGA3:2020 年 7 月 11 日
  • VGA4:2021 年 2 月 20 日
  • VGA5:2021 年 10 月 16 日
  • VGA6:2023 年 8 月 21 日
  • VGA7:2024 年 11 月 6 日
  • 图四:準备发射升空的派克号。图/NASA

    截至目前(2022 年 3 月),派克号顺利完成了前 5 次 VGA。在 VGA1 和 VGA2 期间,派克号都没有任何动作。

    后来,科学家认为可以利用其搭载的 WISPR 望远镜(Wide-Field Imager for Parker Solar Probe)观测金星云层。WISPR 可说是派克号的灵魂之窗,但它并不只是一座望远镜,而是两座宽频光学望远镜—— WISPR-I(Inner)和 WISPR-O(Outer),两者配备的滤光片都只能让可见光(波长 0.5–0.8 μm)通过。

    于是,在 VGA3 和 VGA4 期间,科学家突发奇想,让 WISPR 对準金星的向光面和背光面,分别拍下照片,想藉此测量云的速度。没想到 WISPR 竟然直接穿透了厚重的云层,以可见光拍摄到明暗不一的表面,同时达成「以光学望远镜观测金星表面」和「从太空拍摄金星表面的可见光照片」两项创举。

    这时候,问题来了!WISPR 的最短曝光时间是 2 秒,但金星的向光面太亮了,拍出来的照片张张过曝、过饱和,还产生假影,使得原图和电脑重组照片有所误差。为了避免这样的问题,科学家只好放弃拍摄向光面,改以背光面的照片作为研究材料。

    WISPR 拍摄的可见光照片

    VGA3 期间拍摄的照片只有两张可以用,其中一张如下(图五,黑白部分)。在这张照片长达 18.4 秒的曝光期间,派克号不断被宇宙尘埃(漂浮在太空中的小颗粒)撞击,造成隔热罩上的材料烧毁,留下许多水平方向的刮痕。若是忽略刮痕,可以清楚看到明暗不一致的区域,而造成颜色深浅不一的主要原因就是金星的地形特徵。

    藉由比对 WISPR 照片与麦哲伦的雷达地形图(图五,彩色部分),科学家得以了解温度如何随高度变化。图中黑色(红色)部分是金星最大的高地区域,位于阿芙萝黛蒂高地(Aphrodite Terra)西边的奥瓦达区(Ovda Regio)——越接近白色的区块越热,是低海拔地形;越接近黑色的区块则越冷,是高海拔地形。

    图五:VGA3 观测到的金星可见光影像(黑白)与麦哲伦雷达地形图(彩色)的对比。图/NASA

    有了 VGA3 的失败经验后,VGA4 的照片就没有出现刮痕了,而且还从不同的角度拍到了金星表面(图六)。在 VGA3 期间,派克号是从金星后方飞越,因此 WISPR 拍到的是金星的东侧边缘;在 VGA4 期间,派克号则是从金星前方飞越,因此 WISPR 拍到的是金星的西侧边缘——这让科学家能够更细微、更全面地观察金星的背光面。

    图六:VGA4 观测到的金星可见光影像(黑白)与麦哲伦雷达地形图(彩色)的对比。图/NASA

    金星探测的未来展望

    虽然金星、地球和火星都是在同一时间形成,现在却大不相同——火星的大气层非常稀薄,而金星的大气层非常厚重。为了解开这个谜团,NASA 和 ESA 在 2021 年 6 月宣布了 3 项全新的金星探测任务,分别是 VERITAS[7]、DAVINCI[8] 和 EnVision[9]。这些任务将进一步探测金星的大气、地质和其他条件,了解这颗星球是否曾经宜居,又是如何演变成现在的样貌。

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