三次前往金星的任务如何解开金星最大的谜团

重新关注我们的行星邻居可能有助于回答有关其大气层和地质的主要问题。

　　

           

科学家们新批准的三项金星任务将探测金星的大气和地质。

经过多年的等待，一支宇宙飞船舰队正向金星进发。本月早些时候，美国宇航局批准了两项对我们最近的行星邻居的新任务，这让美国科学家们激动不已。现在，欧洲也纷纷效仿，批准了自己的任务。这些探索提出了这样一种前景，即关于这颗行星的主要问题——从它是否曾经有海洋因而适宜居住，到它是否仍然有活火山——最终可能得到解答。

6月2日，美国国家航空航天局(NASA)宣布将在10年内向金星发射两艘航天器:VERITAS和DAVINCI+。VERITAS是一个绘制金星表面图的轨道飞行器，而DAVINCI+则包括一个潜入金星大气层的探测器。6月10日，欧洲航天局(ESA)宣布了自己的轨道飞行器EnVision，它将在21世纪30年代初发射，以拍摄火星表面的高分辨率雷达图像。

“我们很高兴我们所有的努力都得到了回报，”英国牛津大学的行星科学家科林·威尔逊说，他是昂科威副首席科学家之一。

这对航天器将是美国宇航局自1989年发射麦哲伦轨道飞行器以来首次探测金星;昂科威是欧洲航天局自2005年金星快车以来的第一个项目。目前只有一个探测器围绕火星运行:日本的赤月号(Akatsuki)航天器，它于2015年抵达火星，目前正在研究火星的大气层。“金星已经被遗忘太久了，”金星快车的前项目科学家，欧洲航天局的H?kan Svedhem说。

就在行星科学界庆祝这一批准的同时，《自然》杂志探索了科学家们希望这些任务能够解答的问题。

为什么金星和地球如此不同?

金星的一个主要问题是为什么,尽管是一个类似地球大小和类似的来自太阳的距离,这是一个地狱般的语言环境有毒的大气主要由二氧化碳组成,热得足以融化铅表面温度,而不是一个令人愉快的绿洲。

“为什么金星是我们的兄弟行星，而不是孪生行星?”北卡罗来纳州立大学的行星科学家Paul Byrne说。“你怎么可能拥有一个和地球功能相同的世界，却有着截然不同的历史?”

为了找到答案，科学家们将利用这些任务来探索火星的地质历史，看看它是如何进化的。VERITAS和EnVision在实现这一目标方面都至关重要——它们都将通过雷达仪器成像地球表面来研究地球的地质记录。

与此同时，“达芬奇+”任务将包括一个使用紫外线和红外光拍摄火星图像的轨道飞行器。它还将向大气中投掷一个小型球形探测器。这将对大气进行取样，包括寻找不活泼的惰性气体，如氦气和氙，它们会存在很长一段时间。“它们是地球早期形成和演化的线索，”威尔逊说。“它们来自内部的岩浆吗?它们是形成的吗?还是彗星带来的?”

金星曾经有海洋吗?

弄清楚金星表面是否曾经有过液态水对于理解金星和地球为何不同至关重要。天文学家可以看到火星大气层中曾经有水的迹象，但尚不清楚这些水是来自火星表面的古代海洋，而这些海洋随着地球变暖而消失，还是水在火星历史早期仅以水蒸气的形式存在。前者认为，这颗行星曾像地球一样适宜居住。 

DAVINCI+在研究这颗行星的大气时，将有助于回答这个问题。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的首席科学家、DAVINCI+的任务负责人詹姆斯·加文说，它的探测器将下降大约一个小时，在较低的高度每100米采集一次大气样本，并进行高精度测量，以揭示哪些气体存在。这将超过前苏联的“金星探测器”在20世纪60、70和80年代所获得的有关金星大气层的数据。

“这些化学特征将告诉我们过去海洋的历史、持久性和性质，”他说。“这些将为每个人提供边界条件。然后我们可以定制大型气候模型，并通过VERITAS和EnVision等其他任务提出问题，并绘制全球地图。”

金星有大陆吗?

金星约7%的区域被称为“天坛”(tesserae)的高地所覆盖，这些高地从周围的表面上升起。这些“可能相当于地球上的大陆”，Byrne说。

为了找出答案，VERITAS将研究tesserae的成分，包括将其火山岩玄武岩的含量与海拔较低的地区进行比较。“在地球上，当大陆形成时，海洋地壳中的大量玄武岩在水的存在下融化，”苏珊娜·斯姆雷卡尔(Suzanne Smrekar)说，她是VERITAS在加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的任务负责人。“如果我们能验证这个假设，我们就能证明这些巨大的高原实际上是水存在时期的指纹，”tesserae是曾经被水包围的大陆块。

“达芬奇+”探测器也将降落在一个名为“阿尔法区域”的tessera上，当它降落到表面时，将拍摄多达500张照片。尽管宇宙飞船最终会被摧毁，但在被强烈的压力和温度抹去之前，它仍有可能在火星表面存活几分钟。这些tessera的照片可能会有启发。“我们最终的图像应该有几十厘米的分辨率，”加文说。

           

这是一幅艺术家对欧洲航天局愿景任务的印象，该任务将拍摄金星表面的高分辨率雷达图像。ESA / VR2Planets / DamiaBouic

金星的火山活动还活跃吗?

早期的探测表明金星上有火山，但不清楚是否有火山在过去的几千年里有过活跃的地质活动，或者它们今天是否仍然活跃。VERITAS和EnVision都将通过映射表面来帮助回答这个问题。特别是昂科威的高分辨率图像，预计将揭示以前从未见过的地表特征。

测绘将包括寻找火山特征，如熔岩流，他们所遇到的风化量可以揭示它们爆发的时间。“新鲜的熔岩流可能看起来特别暗或黑色，”威尔逊说。

赤月号宇宙飞船观察到金星大气吸收的紫外线量最近发生了变化，这可能是近期火山活动的一个指标。“金星(今天)不断变化的气候可能取决于火山活动，”日本相模原空间与航天科学研究所的中村正人(Masato Nakamura)说，他是赤月的项目经理。

金星上有膦吗?

去年，科学家宣布他们在金星上发现了磷化氢——一种磷的化合物，可能是生命的标志。目前还不清楚它是如何产生的，但很有可能是由大气中的微生物产生的。

从那时起，这个结果就受到了质疑，而磷化氢的存在也引起了激烈的争论。这个争论可能最终会被搁置在DAVINCI+上，因为它可以在对大气采样时探测到磷化氢。

“如果有一吨的磷化氢，我们将能够测量它，”加文说。

金星上有“雪”吗?

这个星球上2.6公里以上的山顶看起来奇怪地反射，就像地球上的那些一样，“在一定高度以上有雪和霜沉积，”威尔逊说。但金星太热了，不可能有水存在，这让科学家们怀疑反射区域可能是其他东西。

一种可能性是一种被称为半导体雪的物质——一种混合了铋、碲和硫等外来金属的物质，它们可以在这些更高的海拔高度凝结，而且已知都是由火山活动产生的。DAVINCI+可能在大气中探测到这些物质，而VERITAS和EnVision将在任何火山口附近寻找沉积物。

也许有一天，研究人员将用着陆器直接对这些山顶进行取样。“这在技术上当然是可能的，”威尔逊说。