在太陽系中，天王星和海王星是典型的冰巨星。為推動我國冰巨星探測任務取得實質性進展，力爭實現國際引領，主題為“冰巨星探測前沿科學問題和關鍵技術”的香山科學會議第767次學術討論會日前在北京召開。

“我們將積極推動形成海王星環繞探測計劃，力爭早日實現人類對海王星的首次環繞探測。”中國科學院院士、中國空間技術研究院研究員楊孟飛說。

尚未實現環繞探測

太陽系八大行星分為兩類，其中水星、金星、火星和地球類似，被稱為類地行星﹔而木星、土星、天王星和海王星體積巨大，主要由氫和氦等氣體組成，被稱為氣態巨行星。在4顆氣態巨行星中，天王星、海王星由於內部結構中有大量“冰”，被稱為冰巨星。冰巨星中的“冰”由原始行星盤中的低折射率物質，如水、甲烷、氨氣等冷凝而成。

迄今為止，國內外對水星、金星、火星、木星、土星等行星已實施110余次探測活動。“目前對於太陽系的探測活動主要集中於地球鄰近的行星和內日球層，對遠離太陽的行星則鮮有探測。”楊孟飛說，八大行星中隻有冰巨星無專屬探測任務，尚未實現環繞探測。

“作為最接近太陽系邊緣的行星，冰巨星保留了大量太陽系形成初期的氣體，並承載著原恆星雲的狀態條件和行星形成位置的關鍵信息，是揭示太陽系起源和生命起源的寶貴樣本，蘊含著巨大科學價值。”楊孟飛說。

盡管地面和空間的大口徑望遠鏡遙感觀測已極大增強了人類對冰巨星系統的理解，但冰巨星及其多樣化的衛星系統仍有許多未解之謎。

中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任王赤進一步介紹，這些科學難題包括：冰巨星的內部結構和形成機制對現有行星形成理論的挑戰、海王星大氣中劇烈風暴的成因，以及海王星衛星海衛一是否隱藏著地下海洋和存在地外生命的可能性等。

這些問題均有待進一步探測與研究來揭曉答案。

海王星為首選目標

對冰巨星及其衛星的探索，一直是深空探測和空間科學研究的前沿問題。

2021年，歐洲航天局發布的空間科學中長期發展規劃“遠航2050”，將冰巨星探測作為中型（M級）任務。2022年，美國國家科學院發布《起源、世界和生命：2023—2032年行星科學和天體生物學十年戰略》，提出12個優先科學問題。其中多個問題與冰巨星有關。2024年，中國首個國家空間科學規劃《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》將“宜居行星”主題列為我國有望取得突破的五大科學主題之一，其中包括“冰衛星和冰巨星宜居環境與生命信號探測”。

盡管冰巨星探測已被多國、國際組織納入科研計劃，但具體探測策略仍是科學界面臨的重大挑戰。

基於對冰巨星系統特性的深入分析與探測趨勢的綜合考量，王赤認為，海王星及其衛星海衛一探測是冰巨星探測任務的首選。他概括了未來冰巨星探測的三大科學主題：探索地外海洋和生命、認知柯伊伯帶天體、探索冰巨星系統。

“觀測研究發現，與海王星類似的冰巨星天體在銀河系中極為普遍。探究太陽系冰巨星和系外亞海王星間的聯系，將是行星科學未來的重要目標之一。”王赤說。

海王星擁有多顆大小、軌道和物理特性各異的衛星，其空間環境極為獨特、復雜。“特別是海王星強大的磁場與自轉軸間的較大夾角，導致海王星磁層持續圍繞自轉軸‘翻轉’，為科學家提供了一個研究此類獨特磁層結構的天然‘實驗室’。”王赤介紹。

海衛一是目前海王星已知的最大衛星，科學家推測其可能誕生於柯伊伯帶，后被海王星引力捕獲，被認為是在太陽系所有大衛星中獨一無二的一顆。旅行者2號太空探測器發現，海衛一擁有年輕的地質表面，其活躍的間歇泉不斷從結冰地殼中噴出由水冰、氮氣、甲烷及二氧化碳構成的物質。這一發現意味著海衛一最有可能成為太陽系中存在微生物活動的地外天體之一。對海衛一的進一步探測有助於提升對柯伊伯帶天體的理解，同時也有助於揭示太陽系早期演化的奧秘。

“對海王星的探測不僅能夠填補全球在這一領域的空白，而且一次海王星探測任務可以實現多個探測目標。通過近距離觀測海衛一和柯伊伯帶，可以獲得更多科學數據、更高科學價值。”楊孟飛建議，應將海王星作為我國冰巨星探測優先重大任務的首選目標。

能源通信面臨挑戰

“開展冰巨星環繞探測，具有飛行距離遠、任務周期長、探測目標多樣、任務環境未知的特點。”北京空間飛行器總體設計部研究員高峰說，探測任務在探測器先進載荷、軌道設計、能源供應、測控數傳、自主導航、自主管理、高效推進、大氣輔助變軌等方面面臨巨大挑戰。

其中，能源問題是冰巨星探測器面臨的關鍵難題之一。在中國工程院院士、中國核工業集團有限公司總工程師羅琦看來，傳統的太陽能電池陣無法滿足冰巨星探測器的動力需求，而空間核電源不依賴環境、能量密度高、穩定性好，可全天候、全天時和全天域應用，是深空探測的理想能源選擇。他進一步提出基於同位素和反應堆技術的譜系化空間核電源總體方案，旨在解決冰巨星探測任務對能源設備長壽命、小型化、輕量化的迫切需求，並建議通過空間核電源專項推動、動力先行、協同發展的策略，加速相關技術的研發與應用。

超遠距離測控通信技術也是冰巨星探測任務的關鍵核心技術之一。西安空間無線電技術研究所研究員吉欣介紹，為確保深空探測器的成功運行，各國已建立了大量地面測控站設施，並在探測器上裝備了高性能的測控通信系統。然而，深空探測通信面臨著與地面通信截然不同的挑戰，包括傳輸時延巨大、信號衰減嚴重、通信誤碼率高、通信鏈路易中斷等問題。此外，上行和下行通信鏈路的不對稱性，以及長時間、長距離運行對硬件資源的限制，進一步增加了通信設備和系統設計的難度。

針對這些挑戰，吉欣認為，需要深入研究高靈敏度深空信號處理、大尺寸通信天線、高效微波功率放大器、高穩定度頻率源以及深空激光通信等關鍵技術。

“1天文單位（AU）等於地球和太陽之間的平均距離，大約為1.5億公裡。海王星距離太陽約30AU。如此遙遠的距離使得探測任務極具挑戰性，需要科學家共同努力，攜手抵達。”高峰說，相信通過持續的技術創新，人類將不斷突破深空探測的邊界，揭開冰巨星乃至宇宙的神秘面紗。

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