《NASA 9大太空任務》:下一趟火星任務、下個世代的太空天文台

《NASA 9大太空任務》:下一趟火星任務、下個世代的太空天文台
藝術家概念創作,描繪韋伯太空望遠鏡在太空中的景象|Photo Credit: 聯經出版提供
我們想讓你知道的是

讓我們看看好幾項即將來臨的新任務,全都是非常獨特又令人振奮的機器人宇宙探索,包含「貼近研究木星:朱諾號」、「火星生物學探測計畫」、「下個世代的太空天文台:詹姆斯.韋伯太空望遠鏡」等。

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文:南西・阿特金森(Nancy Atkinson)

前瞻未來:值得關注的任務和發現

貼近研究木星:朱諾號
發射:2011年8月
抵達:2016年7月
任務結束:2018年2月(延長至2021年7月)

木星是我們這個太陽系的最大質量行星,它還有五花八門的衛星,以及一片碩大磁場,這處獨一無二的世界,就像個迷你太陽系。科學家曾表示,認識木星並了解它如何形成,可以幫忙解答許多問題,而且不只是關於這顆巨行星,還包括整個太陽系是如何匯聚成形。

一趟新的木星任務從2016年7月開始,那就是朱諾號(Juno)太空船抵達的時期。朱諾號正逐步破解這顆巨行星的謎團,它採行一條罕見的創新軌道,以一組七項科學儀器,投入調查木星的起源,它的內部結構,以及它的大氣和磁層。此外,它還另有一架相機,名字就叫做朱諾相機(JunoCam),往後會交由學生和一般大眾來使用,負責拍攝這顆氣體巨星的照片,包括歷來頭一批木星極區影像。

「朱諾號結合了好幾項創新科學和任務設計概念,」朱諾號計畫經理,噴射推進實驗室的里克.尼巴肯(Rick Nybakken)說,「這是我所曾參與的任務當中,設計最好、最優雅的一項。」

尼巴肯說明,閱讀任務企劃案時,他只覺得美好得令人屏息。從史無前例的貼近調查木星,到太陽能板的創新使用方式,這艘不斷自轉的太空船,攜帶了滿船的儀器酬載,採行前所未見的手法,來研究這顆氣體巨星。

朱諾號工程師的設計成果,讓這項任務得以使用太陽能板,在朱諾號之前,還從來沒有哪艘這般遠離太陽的太空船,動用了太陽能板。朱諾號環繞木星運轉時,太陽能板始終朝向太陽,而且它從來不進入行星後面。朱諾號的軌道設計,不只讓這趟歷史性太陽能任務得以成真,還確立了朱諾號的特有科學軌道。

「朱諾號的軌道呈橢圓形,引領它來到木星的輻射帶內緣與行星之間,而且約只高出雲頂5,000公里。」尼巴肯說,「這麼靠近木星可說史無前例,也從來沒有其他任務,在這麼靠近木星的地方執行它們的科學任務。我們可以說就是待在木星的正上方。」

為什麼這麼接近一顆以嚴酷輻射著稱的行星?「為實現朱諾號的突破性科學測量,我們必須在比先前任何任務都更貼近木星的地方運作。」尼巴肯說道,「儘管在陌生領域運作有其風險,我們花了許多時間思考那是哪些風險,還有如何把它們降到最低。」

朱諾號要花14地球日才能完整環繞木星一周,而任務規劃員設計的軌道,可以使太空船承受的輻射量減至最少,起碼在任務早期是這樣。此外,太空船的電子組件絕大部分都安置保護在一個特製的鈦輻射艙裡面。

「使用輻射艙來保護我們的電子組件,大大降低了重新設計的需求,而就一般來講,在木星劇烈輻射環境下運作,這都是必要的。」尼巴肯說明,「較輕微的重新設計,釋出了更多資金來投入朱諾號的強大科學酬載。我認為朱諾號是一項科學精心傑作,在這裡面納入了眾多創新概念,合併形成一項具有科學突破,卻也非常有凝聚性的任務。」

特殊儀器投入研究木星的輻射帶和磁層、內部結構和動盪大氣,同時提供壯麗特寫影像來呈現行星景象。

「朱諾號確實是一項以取得資料為原動力的任務,」史蒂夫.萊文(Steve Levin)說明,他是朱諾號計畫科學家,同樣在噴射推進實驗室服務。「它的驅動力量是要趁我們還能辦到,及時取得資料。」

朱諾號約只能繞行木星20個月(大約繞軌37圈),這是由於輻射環境最終會讓太空船無法運作。

「談到善待儀器這方面,木星帶來了許多麻煩。」萊文說道,「不過那是依我們期望來進行測量的代價。」

萊文預想的資料,大半是關於木星的全球水豐度值。若只根據僅有的另一項環繞木星任務,從1995年到2003 年待在木星的伽利略號探測器(Galileo spacecraft),則這項資料仍是個未解謎團。那項任務產生了許多新發現,不過它也留下了一些未解疑點。那項任務包含一架降入土星大氣的探測器。

「探測器幾乎找不到絲毫水分,」萊文說明,「而那是等待解決的一項謎團,因為知道木星有多少水,是了解那顆行星如何形成的關鍵。有可能那枚探測器是去了一處沒有水的地方。所以朱諾號不會只測量一處或少數地方,它還會使用一款能測量整個大氣含水量的微波儀器。這確實有很大的好處。」

其他儀器還會研究磁場、行星內部和更多事項。萊文說明,他期盼能見到前所未見的事物:木星的兩極。

「若能知道兩極是什麼模樣,那就太好了,」他說明,「而且我很興奮,我們用可見光相機能拍出這樣的成績。我們盡我們所能,讓朱諾相機成為屬於民眾的儀器。我們會徵求民眾協助,挑出該看哪裡,並盡快發表拍得的影像。」任務影像可以從這個網址取得。

任務預計在2018年2月結束(編注:2018年6月7日,NASA 公布朱諾號主要科學任務將延長至2021 年7 月),到時朱諾號就會脫離軌道,墜入木星,以免意外汙染木衛二,因為我們認為木星的那顆衛星可能有適居環境。就如卡西尼任務,執行受控脫離軌道是航太總署行星保護指導方針的要件。

下一趟火星任務:火星生物學探測計畫(EXOMARS)
發射:2016 年3 月
抵達火星:2016 年10 月

火星生物學探測計畫(ExoMars)2016 年任務是歐洲太空總署和俄羅斯的俄羅斯航太(Roscosmos)的一項協同任務,計畫要派遣一雙歐洲建造的

太空船前往研究火星:火星微量氣體探測軌道器(Trace Gas Orbiter)和斯基亞帕雷利號登陸器(Schiaparelli),登陸器部分是個進入、下降和登陸器模組。軌道器負責掃描甲烷氣訊跡,甲烷是生命的一種可能徵兆,也可能只代表如今發生在火星上的非生物地質歷程。架設在地球上以及好奇號漫遊車上的望遠鏡業已偵測到神祕的甲烷成分,這趟任務期望能提供更多資料,洞察火星上為什麼似乎一直生成這種快速衰變的氣體。軌道器還會研究火星的環境,尋找水的訊跡,也研究該行星地表。

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Photo Credit: 聯經出版提供
藝術家概念創作,描繪火星生物學探測計畫/火星微量氣體探測軌道器任務執行情況。

登陸器是在火星上登陸大型酬載的一項試驗,也打算以一件鑽子採集樣本,測試其他性能,以供歐洲太空總署未來任務參考。

這趟任務原本是歐洲太空總署和航太總署協力從事的大膽任務,後來美國以預算為由,在2012年退出計畫。

現有計畫是在2018年延續這項任務,使用俄羅斯航太建造的登陸器(火星生物學探測計畫2018年地面平台),運送歐洲太空總署建造的火星生物學漫遊車(ExoMars Rover)前往研究火星地表。

下個世代的太空天文台:詹姆斯.韋伯太空望遠鏡
發射: 2018年10月(改期至2020年5月)
任務期間:5到10年
位置:和地球相隔150萬公里

韋伯太空望遠鏡是眾所矚目且期盼已久的下一代望遠鏡。這架太空望遠鏡預計在2018年10月發射(編注:因項目超支等原因,延至2020年5月),也一直獲稱譽為哈伯太空望遠鏡的接班人。有了這台望遠鏡,天文學家期盼能回顧時間,追溯至宇宙才剛兩億歲時的情景,見識到最早期的恆星和星系。

韋伯太空望遠鏡是一架大型紅外線望遠鏡,而且它有一面6.5公尺鍍金主鏡(黃金是反射紅外線的絕佳材料,至於哈伯太空望遠鏡鏡面則是鍍了鋁)。這是一趟國際性任務,望遠鏡預計由亞利安五號火箭搭載,從法屬蓋亞那發射升空。韋伯太空望遠鏡會成為往後十年期間的首要天文台,為全世界好幾千位天文學家提供服務。它會研究我們這處宇宙的每個歷史階段,從大霹靂後最早綻放的光輝,到能夠支持類似地球這種行星上生命的太陽系,乃至於我們這個太陽系的演化經歷。韋伯太空望遠鏡會成為一處通用型天文台,意思是天文學家能使用它來研究隨時冒出來的「熱門課題」,

而這點和哈伯非常相像。事實上,天文學家可以申請韋伯太空望遠鏡的使用時間,就這點來看,它的運作方式和哈伯是沒有兩樣的。

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詹姆斯.韋伯太空望遠鏡的主鏡,在航太總署馬里蘭州綠帶城戈達德太空飛行中心無塵室內高高聳立,幽幽閃現金黃微光。公認它是歷來所曾發射的尺寸最大、性能也最強的太空望遠鏡。

韋伯預計設置在距離地球150萬公里遠處,稱為第二拉格朗日點(second Lagrange point, L2) 的位置,那個定點超過了月球,而且地球、月球和太陽的重力,在那裡形成了一處安定的盤桓位置。然而那也就表示,韋伯不像哈伯那樣能夠進行維修。韋伯太空望遠鏡約得花一個月才能抵達它的軌道,接著約六個月內,應該就能達到全面運作程度。

好幾項創新技術都是為了韋伯太空望遠鏡所而開發完成,包括一面以18片折疊組件拼接起來,而且在升空之後才會展開並調節成形的主鏡,還有一片網球場大小的五層式遮陽罩,用來隔熱並阻擋過度光照,此外還有用來偵測極微弱遙遠信號的四件儀器——包含相機和光譜儀。

韋伯太空望遠鏡已經讓大家等待良久。最早是在1990年代早期提出,這項任務起初在1996年核准。就像哈伯,它也因為特殊組件和系統建造問題導致延誤和超支情況。預定發射日期從2007年延遲至2011和2013年,目前應該會在2018年確定發射。鏡片在2016年早期完全組裝完畢。建造韋伯太空望遠鏡的總成本從起初估計的約十億美元,累增至約80億美元。

由於它並不是哈伯類型的光學望遠鏡,韋伯望遠鏡產生的影像會有點不同。不過大家對於這架望遠鏡能告訴我們的宇宙相關事項,都抱持高度期望。

再訪火星:火星2020探測車任務
預計發射和抵達年分:2020年

這趟任務是以非常成功的(2012年登陸火星的)好奇號漫遊車為基礎。它沿用好奇號的同款車身底盤,不過科學儀器是新的,科研目標也重新擬定。這趟任務原本打算和歐洲太空總署合作,並納入火星生物學探測計畫,如今航太總署決定退出並自行前往火星(不過仍會有西班牙、法國和挪威的跨國參與)。

依火星2020探測車任務的計畫,它是要辨認並選定一批岩石和土壤樣本並儲藏起來,有機會時由未來任務送回地球,目的是搜尋過往生命跡象,並測試未來人類探險家可以使用火星上哪些資源來「靠土地過活」。其中包括認識火星塵埃帶來的風險,驗證從大氣取得二氧化碳,處理生成氧氣以供生產燃料的種種技術。探測車預定安裝好幾架更新版相機、升級版硬體和新儀器,來針對探測車登陸點進行地質評估,判斷該環境的潛在適居性,並直接搜尋古代火星生命的跡象。

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Photo Credit: 聯經出版提供

火星2020探測車任務科學系統工程師莎拉. 米爾科維奇(Sarah Milkovich)表示,這趟任務預備作業的一項目標是讓探測車很容易操作。「我們對這輛探測車,抱持非常遠大的目標,」她說明,「所以我們希望能自動化的程序全都自動化,讓探測車做更多決定,也讓操作團隊專注投入唯有人類才有辦法做的決策。」

相關書摘 ▶《NASA 9大太空任務》:從灶神星和穀神星看到的太陽系簡史

書籍介紹

本文摘錄自《NASA 9大太空任務:一窺宇宙最真實探索實錄》,聯經出版
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作者:南西・阿特金森(Nancy Atkinson)
譯者:蔡承志

《NASA 9大太空任務:一窺宇宙最真實探索實錄》將帶領讀者,跟隨35位美國太空總署的科學家和工程師,完成九項太空任務,其中包括:

  1. 新視野號帶你破解冥王星之祕
  2. 跟著好奇號漫遊火星
  3. 透過哈伯太空望遠鏡窺見宇宙深處
  4. 飛越兩個世界的曙光號
  5. 克卜勒任務展開獵星行動
  6. 揭開土星環祕密的卡西尼——惠更斯號
  7. 太陽動力學天文台24小時監看太陽
  8. 獨行已逾十年的火星偵察軌道器
  9. 月球勘測軌道飛行器掃描月球零死角

南西・阿特金森是一位擅長報導太空科技的專業記者,也是美國太空總署JPL太陽系大使。她拜訪多位科學家和工程師,揭示各個太空任務背後的故事和發現,也分享他們的想法,以美麗的太空圖片與圖表輔佐說明。讀者宛如置身太空船與專家一起完成任務,加深對太陽系的知識。

《NASA 9大太空任務》揭露的科學發現與宇宙景觀,令人驚嘆。結合驚險的發現之旅,讓讀者深刻體會到真正的探索與發現的精神:

我們到底是為了什麼探測太空?回顧早年探索事蹟,當麥哲倫、達伽馬,甚至皮西亞斯等人啟程踏上旅途的時候,許多人無疑都認為,冒著生命危險,花了那麼多錢,來查探地平線外有什麼東西,根本是種愚行。然而那群探險家並沒有找到他們預期的事項,但他們的探索事蹟到頭來卻改變了世界。相同道理,機器人太空任務和望遠鏡,以及地基望遠鏡,也協助我們探索遙遠處所,而且促成了那麼多未知的——也未料到的——宇宙相關事項的發現。

驅動我們投身探索與發現的部分起因是無形的:拓展我們的地平線、滿足我們的好奇心、尋找所有非我們所能逆料之事項,並嘗試解答先前所討論的深刻問題:好比宇宙是怎麼開創的?生命是如何開展的?我們是不是孤單的?

探索也有實質的效益,好比科學、醫藥、通訊、運輸等種種技術的開發與進步。探索精神激勵我們創造發明,於是我們才能投身探索,並可能由此而改變世界。如今我們還不能清楚知道,倘若人類真能前往火星、木衛二或更遙遠的地方,我們會找到什麼事項,不過假使我們只待在我們的地球「搖籃」裡面,那麼我們就永遠都不會知道。

NASA9大太空任務
Photo Credit: 聯經出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航

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