◎本报记者 宗诗涵
在太阳系中，天王星和海王星是典型的冰巨星。为推动我国冰巨星探测任务取得实质性进展，力争实现国际引领，主题为“冰巨星探测前沿科学问题和关键技术”的香山科学会议第767次学术讨论会日前在北京召开。
“我们将积极推动形成海王星环绕探测计划，力争早日实现人类对海王星的首次环绕探测。”中国科学院院士、中国空间技术研究院研究员杨孟飞说。
尚未实现环绕探测
太阳系八大行星分为两类，其中水星、金星、火星和地球类似，被称为类地行星；而木星、土星、天王星和海王星体积巨大，主要由氢和氦等气体组成，被称为气态巨行星。在4颗气态巨行星中，天王星、海王星由于内部结构中有大量“冰”，被称为冰巨星。冰巨星中的“冰”由原始行星盘中的低折射率物质，如水、甲烷、氨气等冷凝而成。
迄今为止，国内外对水星、金星、火星、木星、土星等行星已实施110余次探测活动。“目前对于太阳系的探测活动主要集中于地球邻近的行星和内日球层，对远离太阳的行星则鲜有探测。”杨孟飞说，八大行星中只有冰巨星无专属探测任务，尚未实现环绕探测。
“作为最接近太阳系边缘的行星，冰巨星保留了大量太阳系形成初期的气体，并承载着原恒星云的状态条件和行星形成位置的关键信息，是揭示太阳系起源和生命起源的宝贵样本，蕴含着巨大科学价值。”杨孟飞说。
尽管地面和空间的大口径望远镜遥感观测已极大增强了人类对冰巨星系统的理解，但冰巨星及其多样化的卫星系统仍有许多未解之谜。
中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤进一步介绍，这些科学难题包括：冰巨星的内部结构和形成机制对现有行星形成理论的挑战、海王星大气中剧烈风暴的成因，以及海王星卫星海卫一是否隐藏着地下海洋和存在地外生命的可能性等。
这些问题均有待进一步探测与研究来揭晓答案。
海王星为首选目标
对冰巨星及其卫星的探索，一直是深空探测和空间科学研究的前沿问题。
2021年，欧洲航天局发布的空间科学中长期发展规划“远航2050”，将冰巨星探测作为中型（M级）任务。2022年，美国国家科学院发布《起源、世界和生命：2023—2032年行星科学和天体生物学十年战略》，提出12个优先科学问题。其中多个问题与冰巨星有关。2024年，中国首个国家空间科学规划《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050年）》将“宜居行星”主题列为我国有望取得突破的五大科学主题之一，其中包括“冰卫星和冰巨星宜居环境与生命信号探测”。
尽管冰巨星探测已被多国、国际组织纳入科研计划，但具体探测策略仍是科学界面临的重大挑战。
基于对冰巨星系统特性的深入分析与探测趋势的综合考量，王赤认为，海王星及其卫星海卫一探测是冰巨星探测任务的首选。他概括了未来冰巨星探测的三大科学主题：探索地外海洋和生命、认知柯伊伯带天体、探索冰巨星系统。
“观测研究发现，与海王星类似的冰巨星天体在银河系中极为普遍。探究太阳系冰巨星和系外亚海王星间的联系，将是行星科学未来的重要目标之一。”王赤说。
海王星拥有多颗大小、轨道和物理特性各异的卫星，其空间环境极为独特、复杂。“特别是海王星强大的磁场与自转轴间的较大夹角，导致海王星磁层持续围绕自转轴‘翻转’，为科学家提供了一个研究此类独特磁层结构的天然‘实验室’。”王赤介绍。
海卫一是目前海王星已知的最大卫星，科学家推测其可能诞生于柯伊伯带，后被海王星引力捕获，被认为是在太阳系所有大卫星中独一无二的一颗。旅行者2号太空探测器发现，海卫一拥有年轻的地质表面，其活跃的间歇泉不断从结冰地壳中喷出由水冰、氮气、甲烷及二氧化碳构成的物质。这一发现意味着海卫一最有可能成为太阳系中存在微生物活动的地外天体之一。对海卫一的进一步探测有助于提升对柯伊伯带天体的理解，同时也有助于揭示太阳系早期演化的奥秘。
“对海王星的探测不仅能够填补全球在这一领域的空白，而且一次海王星探测任务可以实现多个探测目标。通过近距离观测海卫一和柯伊伯带，可以获得更多科学数据、更高科学价值。”杨孟飞建议，应将海王星作为我国冰巨星探测优先重大任务的首选目标。
能源通信面临挑战
“开展冰巨星环绕探测，具有飞行距离远、任务周期长、探测目标多样、任务环境未知的特点。”北京空间飞行器总体设计部研究员高峰说，探测任务在探测器先进载荷、轨道设计、能源供应、测控数传、自主导航、自主管理、高效推进、大气辅助变轨等方面面临巨大挑战。
其中，能源问题是冰巨星探测器面临的关键难题之一。在中国工程院院士、中国核工业集团有限公司总工程师罗琦看来，传统的太阳能电池阵无法满足冰巨星探测器的动力需求，而空间核电源不依赖环境、能量密度高、稳定性好，可全天候、全天时和全天域应用，是深空探测的理想能源选择。他进一步提出基于同位素和反应堆技术的谱系化空间核电源总体方案，旨在解决冰巨星探测任务对能源设备长寿命、小型化、轻量化的迫切需求，并建议通过空间核电源专项推动、动力先行、协同发展的策略，加速相关技术的研发与应用。
超远距离测控通信技术也是冰巨星探测任务的关键核心技术之一。西安空间无线电技术研究所研究员吉欣介绍，为确保深空探测器的成功运行，各国已建立了大量地面测控站设施，并在探测器上装备了高性能的测控通信系统。然而，深空探测通信面临着与地面通信截然不同的挑战，包括传输时延巨大、信号衰减严重、通信误码率高、通信链路易中断等问题。此外，上行和下行通信链路的不对称性，以及长时间、长距离运行对硬件资源的限制，进一步增加了通信设备和系统设计的难度。
针对这些挑战，吉欣认为，需要深入研究高灵敏度深空信号处理、大尺寸通信天线、高效微波功率放大器、高稳定度频率源以及深空激光通信等关键技术。
“1天文单位（AU）等于地球和太阳之间的平均距离，大约为1.5亿公里。海王星距离太阳约30AU。如此遥远的距离使得探测任务极具挑战性，需要科学家共同努力，携手抵达。”高峰说，相信通过持续的技术创新，人类将不断突破深空探测的边界，揭开冰巨星乃至宇宙的神秘面纱。
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