三项探测任务或揭开金星最大谜团

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三项探测任务或揭开金星最大谜团

原创 Nature Portfolio Nature Portfolio 2021-09-04

原文作者：Jonathan O'Callaghan

对这颗临近地球的行星进行新一轮探测，或有助于解答关于金星大气和地质的重大问题。

历经多年等待，一批航天器将奔赴金星。6月上旬，美国国家航空航天局（NASA）批准了新的金星探测任务，此次同时批准两项任务，令美国科学家激动万分。金星是距离地球最近的行星。目前，欧洲也紧随其后，批准了自己的金星探测任务。金星上是否有过海洋？如果有，是否说明金星曾宜居过？现在金星上还有活火山吗？多项金星探测任务的开展，有望揭开这些重大问题的答案。

在新近获批的三项金星探测任务中，科学家将对金星大气层和地质地貌展开研究。图片来源：JSC/NASA

6月2日，NASA宣布，未来十年内将向金星发射两个航天器：一为轨道飞行器VERITAS，用于绘制金星表面；一为DAVINCI+，将进入金星大气层开展探测。6月10日，欧洲航天局（ESA）宣布，将于本世纪30年代初向金星发射自己的轨道飞行器EnVision，用于采集金星表面的高分辨率雷达图像。

“我们很欣慰，所有的艰苦努力都有了回报，”英国牛津大学行星科学家、EnVision任务副首席科学家之一Colin Wilson表示。

NASA计划发射的两个探测器，将是继1989年麦哲伦轨道飞行器后首度发射的金星探测器。EnVision将是ESA继2005年“金星快车”（Venus Express）后发射的首个金星探测器。目前，日本的“破晓号”（Akatsuki）是唯一在轨的金星轨道飞行器。“破晓号”于2015年抵达金星，目前正在探测金星大气层。“金星被遗忘得太久了，”ESA前“金星快车”项目科学家Håkan Svedhem说。

在行星科学界欢庆金星探测任务获批之际，《自然》杂志探讨了科学家期待探测任务回答的那些问题。

金星与地球为何如此不同？

金星与地球大小相仿，与太阳的距离也和地日距离相近，但金星并非宜居的生命绿洲，反而宛如地狱，有毒大气层主要成分是二氧化碳，表面温度高得足以将铅熔化。为什么会这样？这是关于金星的重大问题之一。

“我们的姐妹星球——金星，为什么与我们并不相同？”美国北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University in Raleigh）行星科学家 Paul Byrne问道。“为什么一个星球功能上与地球相近，却历史迥异？”

为找到答案，科学界将通过金星探测任务探究金星的地质史，从而研究其演化历程。VERITAS和EnVision对实现目标至关重要——两者都将运用雷达设备，绘制金星表面图像，以研究金星的地质记录。

与此同时，DAVINCI+任务将发射一个运用紫外线和红外线绘制金星图像的轨道飞行器，还将向金星大气层内投放一个球型小探测仪。该探测仪将采集金星大气样本，包括寻找氦、氙等不活泼的惰性气体，这些气体可以长期稳定存在。“这些气体可以为了解早期金星形成和演化提供线索”，Wilson表示。“它们源自地壳内部的熔岩吗？它们在金星形成时就存在吗？还是说，它们是被彗星带来的？”

金星上有过海洋吗？

弄清金星表面是否曾有液态水，对了解金星为何与地球不同至关重要。在金星大气层中，天文学家发现了曾经存在水的线索。但是，目前尚不清楚是金星上曾有远古海洋，后随温度升高而蒸发殆尽？还是水仅以气态形式在早期金星上存在？如果是前者，则说明金星曾一度宜居过，就像地球这样。

DAVINCI+对金星大气层的研究将有助于回答这一问题。据NASA戈达德太空飞行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）首席科学家、DAVINCI+任务负责人James Garvin介绍，其发射的大气探测仪将进行约1小时下降探测，下降期间采样频率最高可达每100米一次，并对大气样本进行高精度测量，识别气体成分。由此得到的金星大气层数据，将比20世纪60、70、80年代间前苏联Venera探测器的数据质量更高。

“我们可以通过化学特征了解过去海洋的历史、稳定性和性质，”Garvin表示，“这将为所有人提供研究的边界条件。接着，我们可以有针对性地建立大气候模型，并与VERITAS和EnVision等其它探测任务一道，结合其金星全图绘制工作，提出新的问题。”

金星上有大陆吗？

金星表面的7%是高原地区，被称为“镶嵌地块”（tesserae），这些高原高于四周的地表。Byrne说，这些高地“可能类似地球上的大陆”。

为弄清这一问题，VERITAS将研究镶嵌地块的成分，将其中的火山玄武岩成分与较低的地区对比。“地球上的大陆形成时，大洋地壳中的大量玄武岩在有水的环境中熔化，”NASA喷气推进实验室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）的VERITAS任务领导Suzanne Smrekar介绍道。“如果能验证这一假说，则能说明，这些巨型高地是金星曾存在液态水的有力证据，”因为它们曾经是四面环水的大陆地块。

DAVINCI+的探测器还会在一处名为“阿尔法区”（Alpha Regio）的镶嵌地块上空降落，在到达地表的过程中采集约500张图片。虽然探测仪最终会彻底毁坏，但仍存在微弱的可能，探测器在彻底毁于高压高温之前，能在金星表面停留数分钟。这些高地图像将很有启发性。“我们的最终成品图分辨率将达到几十厘米，”Garvin说。

对ESA金星探测任务EnVision的艺术设想图。EnVision将采集金星表面的高分辨率雷达图像。图片来源：ESA/VR2Planets/DamiaBouic

金星的火山活动还活跃吗？

早期研究已显示金星上存在火山，但尚不清楚近数千年来其中是否有地质活跃的火山——换句话说，不知道目前这些火山是否仍然活跃。VERITAS和EnVision都将通过绘制地表图，帮助解答这一问题。尤其是EnVision，预计其高精度图像将揭示金星表面前所未见的特征。

本次绘图任务中，将寻找熔岩流等火山活动的迹象，通过这些迹象的风化程度，可以推断出火山爆发的时间。“新鲜熔岩流的颜色特别暗、特别黑，”Wilson说。

“破晓号”发现，近日金星大气吸收的紫外线总量出现了变化，这可能是近日有火山活动的信号。“[现今]金星气候变化可能取决于火山活动，”“破晓号”项目负责人、日本宇宙航空研究开发机构（Institute of Space and Astronautical Science）的中村正人（Masato Nakamura）表示。

金星上有磷化氢吗？

去年，科学家宣布，在金星上探测到了磷化氢。磷化氢是一种磷化合物，是生命可能存在的迹象。目前尚不清楚金星上的磷化氢是如何产生的，但有一种可能性引人遐想：也许是大气中的微生物生命体产生的。

此后这一发现受到质疑，金星上是否存在磷化氢的争议非常激烈。DAVINCI+将在大气采样中探测磷化氢成分，或能平息争议。

“如果有大量磷化氢，我们就有能力测量，”Garvin表示。

金星上有“雪”吗？

金星上高度超过2600米的山顶，反光异常强烈，和地球上“高于一定海拔的积雪、积霜之处”反光强烈的现象一样，Wilson说。然而，金星温度极高，不可能存在水。因此，科学家猜测，这些反光区域可能是其它物质。

一种说法是，这是一种称为“半导体雪”的稀有金属混合物，如碲化铋和硫磺的混合物。这些物质会在高处凝结，且均已知为火山运动的产物。DAVINCI+将在金星大气中探测这些物质，VERITAS和EnVision则将在各火山口附近搜寻沉积物。

或许有朝一日，研究人员能够运用着陆器，直接对山顶进行采样。“这在技术上当然是可能的”，Wilson说。

原文以How three missions to Venus could solve the planet’s biggest mysteries标题发表在2021年6月17日的《自然》的NEWS EXPLAINER版块上