去金星　不畏难

2018-01-30吴青

大自然探索 2018年12期

吴青

金星气球定居点（想象图）。

地球附近的一颗行星或许能解释太阳系生命起源。这颗星很可能曾经被汪洋覆盖。在几十亿年时间里，它可能曾具备生命生存条件。一些天文学家渴望让飞船登陆这颗星。这颗诱人之星不是火星，而是金星。

尽管金星有这么大的吸引力，它却是太阳系中最令人费解的天体之一。部分原因是今天的金星如同地狱，温度高得能熔化铅，还有令人窒息的硫酸云。1974年，苏联“金星9”和“金星10”登陆器向地球发回金星表面令人失望的照片后，苏联航天控制中心一位高官这样说道：“如果你想以最可怕方式处决一个十恶不赦的罪犯，就把他丢到金星上。”

今天即便在美国宇航局内部，也有人认为让登陆器探测金星难度太大。但雄心勃勃的金星探索者们说，他们已经掌握一些应对金星严苛环境的技术，并且在积极研发更多应对金星环境的技术。不过，因为缺乏资金，探测金星的新任务迟迟不能付诸实施。

2017年，包括发射金星绘图轨道器、金星大气穿越探测器、金星登陆器（它的设计理念包括用激光轰击金星岩石）等在内的5个金星探测计划均被美国宇航局否决。但这些项目所需的技术都被认为基本可行，激光团队最终获得了对技术研发的资金支持。美国宇航局指出：该局的探测任务选择过程极具竞争性;地球的所谓“孪生姊妹”——金星的确是一个绝妙的天体，有重要的科学探索意义，热衷于金星探测的科学家们依然需要继续争取未来的探测机会。

“金星9”（上图）和它发回地球的金星表面照（下三图）。

造訪金星

远远看去，金星和地球颇有几分相似。因此，人们或许会以为金星像地球一样存在生命。的确，金星和地球的大小、质量相仿，而且金星更靠近太阳周围的可居地带（这里的温度支持行星表面液态水的存在）。科学家需要了解：是什么让金星走上了通往地狱之路，而让地球踏上了生命旅途？

在过去10年中，一些轨道器已经对金星进行过探测，其中包括任务期从2006年到2014年的欧空局“金星快车”和在2015年进入环绕金星轨道的日本“破晓”轨道器。美国宇航局“麦哲伦”飞船1994年坠入金星大气层焚毁。过去差不多30年来，美国宇航局内部的金星探测任务建议不下几十个，但没有一个获准。1985年至今，没有任何飞行器在金星表面着陆。

金星探测任务的一大障碍，是金星浓密的大气层。在“破晓”最近拍摄的图像中，被大气层遮蔽的金星看上去就像是一个光滑的奶白色大理石球。金星大气中96.5%是二氧化碳，它几乎阻挡了科学家的视线。因此直到2011年，科学家都以为在轨道中运用光谱学（即把来自一个天体的光线分成不同波长以了解该天体构成的技术）是无法揭示金星表面构成的。

但实际上，金星大气层对光的至少5个波长是透明的，这有助于辨别不同矿物质。“金星快车”证明这行得通：通过观测其中一个红外波长，就能让科学家看到可能是活跃火山活动迹象的热点地区。当然，轨道器利用其他4个波长，还可能取得更多发现。

欧空局“金星快车”探测金星（想象图）。

金星表面的多座火山（雷达成像）。

金星地表

要真正了解金星地表，就必须进行实地考察。但金星登陆器不仅要与金星的不透明大气抗争，而且必须找到安全着陆点。迄今为止，金星表面的最佳地图（依据来自“麦哲伦”的雷达数据绘制）的像素也很低，根本不能显示可能让登陆器发生侧翻的岩石或斜坡。

科学家正在测试一种计算机视觉技术，它可能将有助于登陆器在金星大气层里的下降过程中绘制登陆地点地图。随着登陆器下降，对它从不同角度拍摄的金星表面静止地貌图像进行快速分析，就可能创建金星地面的立体地图。

科学家最近利用直升机在美国马里兰州一家采石场上空试验了这种技术，其结果表明可标绘直径不到半米的圆石，最终得到很漂亮的地貌地图。科学家相信，虽然金星大气层如此模糊，登陆器在下降过程中的绘图任务看似行不通，但其实该任务行得通。科学家将在这方面进行深入试验。

一旦登陆器在金星表面着陆，它就面临下一个挑战：活下来。第一批金星登陆器是苏联在20世纪七八十年代发射的“金星”系列登陆器，它们大都只存活了大约1小时。其中最长命的是1982年登陆金星的“金星13”，它活了2小时7分钟。金星表面温度高达大约460℃，大气压是地球海平面的大约90倍，因此登陆器在金星表面撑不了多久就会被烧化、压扁或被酸性大气腐蚀。一些科学家认为，不能指望今天的金星着陆器会比前辈好很多。

美国宇航局金星环境模拟装置。

经过21.7天测试后。处于金星模拟条件（460℃、地球大气压的90倍）下的电子器件虽然焦黄。但仍然可运作。

美国宇航局克利夫兰格里恩研究中心的一个团队，正在设计一艘任务寿命可持续数月的金星登陆器。这种被称为“长命现场太阳系探测器”（简称LLISSE）、尚处于设计理念中的登陆器不会使用吸热或通过降温反制高热的技术，而是利用由碳化硅（俗称金刚砂，能耐受金星高温）制成的简单元器件来组装。

该团队已经在一个金星模拟舱（“格里恩极端环境装置”）中测试了LLISSE的電路。这个模拟舱的外形就像一只巨大的汤罐，罐壁厚度为6厘米。在舱中模拟的金星大气中呆了21.7天后，这些电路依然正常运作。由于测试期限已到，试验停止。但很明显的是，这些电路还能运作更长时间。最终，该团队希望能研制出能运作60天的金星登陆器。在金星上，运作时间这么长的登陆器完全可以发挥一座气象站的职能，监测金星大气随时间的改变情况。而这样的工作，之前还从未被尝试过。

解读岩石

在能够监测金星大气之后，又出现一大挑战：科学家必须解读探测数据在讲述什么。金星岩石与金星大气的交互，不同于地球岩石与地球大气的交互，也不同于火星岩石与火星大气的交互。科学家基于岩石反射和发射的光来识别岩石，但因为矿物质晶体结构的不同，高温高压会以不同方式导致光的频变。就算科学家获得了金星岩石数据，对这些数据的解读也很棘手。科学家承认，他们甚至不知道该寻找什么。

在金星模拟舱进行的试验有助于设定底线。科学家可以让岩石和其他矿物质在模拟舱里连续呆数月，看它们会发生什么。在德国柏林的行星研究院，科学家利用高温舱进行与金星模拟舱类似的试验。科学家尝试了解金星表面物理学原理，是为了对未来探索做更好的准备。

被美国宇航局否决的两项金星任务设想采用的是不同的策略。“金星现场大气及地质化学探索者”（简称VISAGE）提出者的理念是：把金星岩石粉末送进登陆器内部一个维持地球环境条件的舱室，在那里测量这些粉末。“金星现场组成调查”（简称VICI）提出者的理念是：用激光照射金星岩石，分析产生的尘雾。美国宇航局“好奇”火星车采用了这种技术，但金星大气层可能会导致对检测结果的理解难度加大。VICI理念的提出者正在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室金星模拟舱中试验该技术。该团队确信该技术行得通，但他们还需要更多研究才能让更多人接受他们的观点。

如果金星探索者们的雄心不是太大，那么希望就更近了。美国宇航局2017年提出了一个叫作“金星桥”的计划，希望以2000万美元以内的成本推进金星探测任务。这个数字与最近提出的金星探测建议任务的预算相比还不到一半，甚至远远不及一半。有科学家认为，预算少反而能推动创新，况且最近的技术进步意味着现在有办法探索10年前连想都不敢想的东西。总之，有了预算限制，伟大的目标更可能实现。

但也有人指出，花那么少的钱想取得大的科学进步不太可能。显然，热衷于金星探索的科学家群体中已出现分歧，但通过多次较小规模任务去了解金星总比任务迟迟不能实施好得多。虽然美国宇航局至今未批准新的金星探测任务，但科学家表示绝不放弃这方面努力。

美俄合作

另一方面，美国可能正在无形中帮助俄罗斯的下一次金星探测任务。2017年，一个由美国宇航局资助的团队在俄罗斯航天研究院与俄方科学家会晤，双方决定继续合作推动俄罗斯的“金星D”（意为“永恒金星”）任务。

“金星D”任务计划是，在让一艘登陆器着陆金星表面的同时部署环绕金星的轨道器。该任务的科学目标主要是探索有关金星大气以及它与金星表面如何交互的重要问题。登陆器将在金星表面运作好几个小时，这是可行的，毕竟苏联金星登陆器已经在金星表面创下过存活几小时的纪录。

俄罗斯“金星D”探测金星（想象图）。

俄罗斯金星任务团队表示，地球全球科学家都对地球的演化趋势感兴趣。换句话说，研究金星可能有助于科学家搞清楚：地球是否也会像金星那样踏上“不归路”？“金星D”任务尚未被确认，就算发射也要等到2025年之后。如果进展顺利，“金星D”可能将有助于把金星推至行星探测的前列。

金星生命

在超过46亿年的演化历程中，温室效应最终把金星变成了比距离太阳最近的水星还高热的行星。虽然新的金星登陆器尚未被列入美国宇航局议事日程，但这并不妨碍该局科学家对未来金星探测做大胆猜想。该局一个科学团队2017年提出一个叫作“高高度金星运作架构”（简称HAVOC）的理念，也就是把一个膨胀式实验室放到金星云层之上。

根据该理念，一枚搭载膨胀式载人实验室的火箭从地球发射抵达金星附近后，实验室与火箭分离，然后通过降落伞让实验室下降到距离金星表面更近的地方。实验室将飘浮于金星酸性云层上方50千米，科学家在这个实验室里分析金星及其云层。

美国宇航局在一份声明中说，按照HAVOC理念，一艘比空气还轻的运载工具（比如太空帆）可能把一组探测仪器或一个居住舱及搭载两名宇航员的上升飞船送到金星附近，从事为期一个月的探索。完成一次这样的任务所需时间比一次载人火星任务还短。

当然，目前这样的理念还处于纯属假想阶段，因为要实现这样的理念还面临一系列技术挑战。美国宇航局在声明中说，如此金星之旅的重要技术挑战包括在金星和在地球的大气俘获操作、在金星附近插入飞艇实验室和让实验室膨胀、保护太阳能电池板及实验室架构不受金星大气层中硫酸破坏等。声明还说，随着技术进展和这类金星探索理念的进一步细化，金星大气层任务可能拓宽人类探索太空的未来愿景。