核动力无人机“蜻蜓号”将于本世纪30年代造访土星最大的卫星

​想象一下我们可以回到过去,回到地球上生命刚刚出现的时候。生命是如何产生并控制我们这个世界的,这些确切的细节如今已被时间所湮没,被我们这个超过40亿年的历史的不断变化的星球所湮没。然而,可以确定的是,生命在地球上起源的秘密将是在宇宙其他地方寻找生命的宝贵指南。最幸运的是,我们拥有一个相当于行星规模的时间机器和生命起源化学实验室。

在遥远的火星和木星之外,在我们太阳系寒冷的深处,是土卫六,土星最大的卫星。这个外星世界是唯一一个环绕太阳的行星体,它有着和我们一样富含氮和碳的稠密大气层。神秘的相似之处并不仅限于泰坦的大气。风吹的沙丘在它的表面翻滚,群山、丘陵和峡谷纵横交错。雨水从天而降,形成蜿蜒的河流和小溪,滋养着湖泊和海洋。在那里,有机化合物可以经历复杂的化学反应,形成可能在许多方面类似于地球生命最初起源的“原始汤”。一缕缕水汽从陆地上升到天空,形成新的云团和新的阵雨,形成一个与地球相同的循环。

即便如此,这颗卫星仍然很陌生。泰坦的“河流”由碳氢化合物组成——液态甲烷和乙烷。它的“沙丘”也是由碳氢化合物构成的——同样的挥发性化合物赋予樟脑丸独特的气味,除了泰坦的低温冰冻固体。它的外壳更为常见——由水冰构成,尽管在深度冻结中会像岩石一样坚硬。地壳所隐藏的东西也是如此:与地球相似的液态海洋。专家们预计,这个没有阳光的地下水库的水温将与太平洋浅水区相同。

​在土卫六上,卡尔·萨根曾经写道:“在过去的40亿年里,像甘露一样从天而降的分子可能还在那里,基本上没有改变,处于冰冻状态,等待着地球上的化学家。”“我们还将派遣化学家——至少是机器人。

美国国家航空和宇宙航行局(NASA)宣布了一项名为“蜻蜓”(Dragonfly)的新任务,计划于2026年发射。美国宇航局局长吉姆·布里登斯汀在一份记录在案的声明中说:“就在几年前,这一革命性的任务还是不可想象的。”一个伟大的国家做伟大的事情。我们将发射蜻蜓号,探索人类知识的前沿,造福全人类。”

到2034年蜻蜓号到达土卫六时,距离土星的卫星上一次被一艘宇宙飞船造访已经过去了近30年:2005年1月,“哈代惠更斯”号探测器在这颗冰冷的卫星上运行了几个小时。蜻蜓的科学家说,等待是值得的。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的行星科学家和蜻蜓研究小组成员凯文·汉德说:“美国宇航局选择了真正大胆的事情,并严格追求在这个美丽而奇异的海洋世界上寻找生命。”

在NASA令人垂涎的新前沿选择项目中,蜻蜓计划的最后一个竞争对手是一项名为凯撒的提案,该提案设想了一次样本返回彗星的任务。

​千万年来,泰坦一直处于有机化学的掌控之中,混合着复杂分子的混合物,这些分子很可能,至少是真正外星生物的前体——我们所不知道的生命。对于在那里等待我们的是什么,目前还缺乏确定性,但这并没有阻止狂热的天体生物学家们的猜测。“我们知道泰坦拥有生命所需的所有成分。在一个所有成分都存在的环境中,化学能走多远?“蜻蜓号”的首席研究员、约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的行星科学家伊丽莎白说。“泰坦已经做了数亿年的化学实验,如果不是数十亿年的话。我们想做的就是去拿那些实验的结果。”

首先,这一非常规的外太阳系任务使用了现代无人机技术。蜻蜓得名于它的名字——一种灵活的飞行昆虫,可以飞翔,盘旋,并执行精确的着陆。这艘飞船将同时是一架无人机和一个着陆器,旨在利用泰坦类似地球的重力场和空气动力学,最大限度地提高其探索能力。无论出于何种目的,蜻蜓号上的仪器与美国宇航局的“好奇号”火星探测器上的仪器并没有太大的不同。然而,蜻蜓被计划拥有寻找生命存在的直接化学证据的能力,即所谓的生物特征——不管生命是基于水和碳,还是更奇特的化学物质。和“好奇号”一样,“蜻蜓号”也是核动力的,携带一个放射性同位素热电发生器。在土星外,太阳光线太微弱,无法可靠地为飞行中的无人机提供动力——即使它们足够强大,土卫六的大气层也太厚,无法让足够的光线穿透。

从技术上讲,蜻蜓号将是一架双四旋翼飞机,或称“八旋翼飞机”,拥有两套四个旋翼,可以把它运送到土星卫星上不同的地质区域——尽管,当然,该任务计划的架次目前还不清楚。配备了一套旨在检测复杂有机物和生物特征的科学仪器,蜻蜓还将带来测量土卫六表面以下地震活动的能力——为进入其隐藏的、多水的海洋提供一扇窗户。

​2034年看起来像土星的遥远神秘的泰坦本身,在很大程度上由泰坦在实验室里重新创建的部分。这是特别具有挑战性,考虑到极冷的温度下表面和下面的海洋咸施加巨大的压力,泰坦的冰冷的外壳。在芝加哥伊利诺斯大学,生物地球化学家Fabien Kenig和他的同事们开发了一项独一无二的实验,旨在通过一系列乒乓球大小的孵化室来复制泰坦海洋的压力和温度。

每个孵化室都将播种微生物,这些微生物在高压的陆地环境中茁壮成长。研究小组计划将这些生物的增量慢慢地暴露在越来越高的压力和越来越低的温度下,测试地球生物进化和适应的能力。最终,研究人员希望制造出能够模拟泰坦地下水域中存在的任何微生物种群。最后一步将是把任何有生命的生物体置于更为严酷的泰坦环境中,以测试它们繁殖和生长的能力。凯尼格说:“了解这些类型的适应性非常有用,因此我们可以更好地瞄准我们在泰坦上发现的分子类型。”“即使它非常非常慢——当它是一个被冰覆盖的环境,在数百万、数十亿年的时间里保持稳定时,慢是无关紧要的。”

凯尼格的泰坦实验室并不是唯一一个试图模拟数十亿年超时空进化的实验室——其他的以某种形式存在于喷气推进实验室和APL实验室,而更多的将不可避免地出现在为‘蜻蜓’做准备的实验室中。每个实验室的设计和方法都不同,但它们都解决了同一个基本问题:在泰坦上的生命可能是什么样的?

新的方式,新的世界

​泰坦做的这类实验在实验室里做太长时间了,这就是为什么,尽管听起来有些牵强,但“简单”地将一架核动力无人机“发射”到太阳系10多亿公里外进行直接调查是更可行的。

尽管土卫六与地球的相似之处在某种程度上使人类更容易在那里进行探索,但泰坦的奇特仍然带来了独特的障碍和机遇。寻找我们从未见过的东西存在着内在的挑战。重要的是要认识到,虽然蜻蜓有寻找可居住环境和生物特征的关键具体目标,但我们还将了解很多其他可怕的事情。

泰坦上可能存在的任何形式的生命,都应该像地球上最极端但又能生存的环境中的生命一样,寻找维持、生长和繁殖的能源——至少‘蜻蜓’是这样设想的。我们的宜居世界有很多不同的环境可以支持生命,因此,能够从更广泛的角度看待这个问题非常重要。

​现在蜻蜓号已经获得了前往泰坦的‘官方机票’,它似乎注定要彻底改变我们对这个遥远世界的理解,也改变我们对行星科学任务的理解。在两年的计划任务中,它可以穿越相当于整个加州的距离,在诱人的目标上空盘旋,每16个地球日(或一个土卫六日)移动到另一个遥远的地方,同时收集数据。

尽管我们可以看到各种各样的行星体和卫星,但太阳系中没有其他世界可以为地球的形成时代提供背景,因为泰坦可以,因此任务变得更加紧迫。生命是什么,它是如何到来的。几十年来,我们在实验室和一些地球上最古老的岩石中找到了这些答案。但也许,只是也许,我们现在已经开始认真地采取更好的方式:飞往外太阳系,那里有一个原始数十亿年的原始实验。这是一个完全陌生和完全熟悉的地方,因为我们拥有的这些材料与我们在地球上熟悉的材料完全不同,经历相同的过程。

‘蜻蜓’可能是我们一生中最大胆,最具变革性的太空任务之一。有一个全新的世界需要探索,在很多方面看起来非常像我们自己,但却异常不同。对这个外星人的任务就像踏入一个时间机器一样,为了我们自己的起点,这个时间机器必将深入过去。它提供了一个超越地球地质视野的机会,寻找生物学的宇宙基础:什么是生命?它是如何开始的?如果其他世界有生命,它会是什么样子?我们现在距离回答这个问题还有一小步,为即将到来的时空飞跃开辟了道路。

土卫六上发生了什么?是时候去看看了。

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