曾經(jīng)水靈靈的伊甸園，現(xiàn)如今地獄般的金星也許可以揭示如何在遙遠的恒星周圍尋找宜居的家園。

直升機像石頭一樣下墜。它在馬里蘭州上空急降超過1500米，在迅速接近地面的過程中發(fā)生些許扭曲變形。雖然這個過程完全是按計劃進行的，但依然令James Garvin心驚膽戰(zhàn)。當(dāng)他突然意識到自己的安全帶還沒有完全系上的那一刻，心率直線上升。

Jasiek Krzysztofiak提供的金星效果圖。

隨后，在距離地面只有6米的地方發(fā)生了更加瘋狂的事情，飛行員將直升機迅速拉高并直沖云霄，而這么做的目的是為了再次俯沖地面。直升機當(dāng)天一共陡降了十次。每一次，Garvin都會通過敞開的艙門拍攝地面，試圖測量地面一處采石場的地形，拍攝對象從巨石到沙地應(yīng)有盡有。如此折騰，可不是為了地球上的事情。

Garvin是美國宇航局戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center， NASA)的首席科學(xué)家，他正在領(lǐng)導(dǎo)一項金星探索任務(wù)，計劃投放一臺探測器進入金星大氣。這就是為什么他在2016年8月聘請了兩名飛行員進行直升機陡降操作，測試金星探測器可能會拍攝到什么樣的場景。這一段驚心動魄的航程帶來了回報：研究人員希望得到像這次航拍一樣高清的金星照片，到時候他們處理起來就得心應(yīng)手了。“那時候看金星的照片就好像你降落在自家后院一樣。”他說。

Garvin并不唯一一個有如此雄心壯志的科學(xué)家。目前，全球幾乎所有航天局都在謀劃一個探索方案，目標(biāo)是我們那長期沒有存在感的鄰居——金星(參見下圖“金星的十年”)。印度空間研究組織(ISRO，Indian Space Research Organisation)計劃在2023年首開紀(jì)錄，向金星發(fā)射一顆軌道飛行器。美國可能緊隨其后。Garvin及其同事是若干即將向NASA提交探索任務(wù)提案的團體之一，如果有幸被選中，他們的探測器將于2025年升空。歐洲航天局(ESA，European Space Agency)目前也在考慮在2032年向金星發(fā)送一顆軌道飛行器。另外，俄羅斯航天局(Roscosmos)正在與美國合作，計劃在2026年至2033年間執(zhí)行一項大膽的金星探索任務(wù)，計劃中包括一個軌道飛行器，一個可以發(fā)回短期讀數(shù)的著陸器和一個可以長期工作的觀測站。

金星表面：NASA/JPL

這股探金風(fēng)潮與各國長期以來忽視金星，重視火星、小行星和其他行星的事實形成了鮮明對比。例如，過去65年來，NASA已向火星發(fā)射了11個軌道飛行器和8個登陸器，但僅向金星發(fā)射了2個軌道飛行器，而且都是在1994年以前。這種窘境并不是因為人們對金星缺乏科學(xué)上的興趣。實際上，自20世紀(jì)90年代中期以來，僅美國科學(xué)家就向NASA提交了近30份金星探索提案，然而無一獲批。

但是人們探索金星的熱情正在逐漸高漲，部分原因是科學(xué)家們認(rèn)為探索金星有助于理解一顆行星之所以宜居的原因。金星曾經(jīng)就像地球的一個雙胞胎一樣，但是如今卻是一個表面溫度超過400°C的地獄般的所在;大氣壓強非常大，足以擊碎重型機械;硫酸云肆虐天空。如果研究人員能夠破解為什么金星的環(huán)境變得如此惡劣，就能幫助他們評估已知的銀河系中上千個巖石星球上是否可能存在生命。

隨著探索金星的科學(xué)論證逐漸完善，行星科學(xué)家們正在想方設(shè)法來研究金星，實驗室也在驗證新的技術(shù)，以應(yīng)對金星表面的惡劣條件。在印度帶頭發(fā)射探測器之后，可能很快就會有一系列探測器向距離太陽第二近的行星——金星——進發(fā)。

“這或?qū)㈤_啟探索金星的一個新時代。”巴黎天文臺的行星科學(xué)家Thomas Widemann說道。

雙重麻煩

人類在最初走向太空時，就開始了對金星的探索。我們的鄰居金星是第一次成功的行星際探測的目標(biāo)(美國，1962年);也是探測器任務(wù)失敗墜毀到的第一顆行星(前蘇聯(lián)，1965年);以及探測器成功著陸的第一個外星世界(前蘇聯(lián)，1970年)。正是在這場關(guān)于金星的太空競賽中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個炎熱而劇毒的世界(參見“歷史上的金星任務(wù)”)。這就解釋了為什么人們探索金星的興趣后來逐漸減退。科學(xué)家們很快意識到，這個星球不會是未來人類星際探索的家園，也不是尋找外星生命的出路。另外，即使在很短的時間內(nèi)探測金星也是難上加難的。

然而，在很多方面，比如尺寸、密度和化學(xué)成分上，金星是地球的翻版。最近的研究甚至表明在過去三十億年的時間里，金星和地球可能很相似，都擁有生命的搖籃—— 廣闊的海洋。“這就是我對金星遐想連篇的原因，”美國曼荷蓮學(xué)院(Mount Holyoke College)的行星科學(xué)家Darby Dyar說，“如果是那樣的話，就有充足的時間讓生命開始演化。”

這可能意味著金星(有點令人驚訝地)是太陽系中第一個可能存在生命的行星—— 這個地方與地球一樣可能形成生命。僅此一點就足以驅(qū)使我們?nèi)グ菰L這一前海洋世界。“為什么我們投入這么多時間去尋找火星上的生命，而它上面的液態(tài)水只存在了四億年?”Dyar問道，“金星上的水存在了三十億年，反而沒有人愛她。”

然而毫無疑問的是，金星發(fā)生了某種嚴(yán)重的問題。雖然地球和金星起點類似，但是兩者卻沿著截然不同的演化路徑走下來—— 分歧可能出現(xiàn)在7.15億年前。這似乎是一個不去探索金星的理由，但現(xiàn)在科學(xué)家們認(rèn)為這種分歧使得金星更加有趣。如果研究人員能搞清楚金星環(huán)境如此退化的起因，便有可能更好地了解是什么促使地球成為生命的避風(fēng)港。

“金星將大大幫助我們了解自己，了解生命是如何在我們自己的星球上演化的。”NASA總部的科學(xué)項目經(jīng)理Adriana Ocampo說。

天文學(xué)家已經(jīng)在我們的太陽系外發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個行星——其中許多是由巖石構(gòu)成的，它們到所屬恒星的距離與金星和地球到太陽的距離相似。這意味著許多行星可能很類似金星的情況。研究系外行星的斯坦福大學(xué)天文學(xué)家Laura Schaefer說：“在系外行星學(xué)界，人們越來越意識到金星是我們發(fā)現(xiàn)的許多巖石類系外行星在太陽系中最好的類比。”

雷達地形圖

這么誘人的問題都還沒有得到解決，也就難怪ISRO宣布要重返金星的消息才會令大家如此激動。“我很高興ISRO要這樣做，”Dyar說， “我很高興國際社會正在關(guān)注金星并提出探索計劃。這真是太妙了。”

雖然ISRO的金星探索任務(wù)還籠罩著一絲神秘色彩(《自然》發(fā)郵件并致電該項目科學(xué)家數(shù)十次，但一直沒有得到回應(yīng))，但是很明顯該機構(gòu)計劃發(fā)射一臺攜帶大量儀器的軌道飛行器。當(dāng)ISRO在去年年底宣布探索金星的任務(wù)時，它發(fā)布了一份由印度科學(xué)家提出的十幾種測量儀器的入選清單，讓我們得以一窺究竟。在那些傳感器中，有兩個將使用雷達對金星進行測繪，這可以說是穿過金星上的密集大氣并從軌道上追蹤其表面的最佳方法。

盡管如此，ISRO還是一個相對年輕的航天局，在月球和火星上成功著陸的次數(shù)有限。而且，與其他年輕機構(gòu)提出的計劃類似，印度的第一個金星探索任務(wù)可能只是一次概念驗證，相比較于科學(xué)上的收獲，他們更加注重工程學(xué)上的進步。但是鑒于我們現(xiàn)在連金星的基本信息都知之甚少，所以任何一點小的進步都將有助于整個科學(xué)的發(fā)展。

這次任務(wù)在科學(xué)上的一個重要貢獻也許會是一張全新標(biāo)記金星表面特征的地形圖。此前旨在繪制金星地形圖的最后一項航天任務(wù)是由NASA于30年前發(fā)射的麥哲倫號軌道飛行器(Magellan orbiter)執(zhí)行的。雖然這些雷達地形圖到今天仍然是金星地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)，但平均來說它們的地形特征水平分辨率僅能達到每像素10-20公里(圖像分辨率可高出兩個數(shù)量級)。由于地形數(shù)據(jù)有限，研究人員對金星的地質(zhì)只有一個模糊的認(rèn)識——但這些現(xiàn)有的地形圖確實暗示了金星上的板塊構(gòu)造到今天可能依然活躍(參見“行星整形”)。

行星整形

這尤其令人著迷，因為許多科學(xué)家認(rèn)為板塊構(gòu)造活動對于生命的形成非常重要。這些在地殼上像拼圖一樣犬牙交錯的構(gòu)造板塊不斷移動，一些滑入另一些的下方，扎進行星內(nèi)部(這一過程叫做俯沖)。數(shù)百萬年來，這一過程在大氣層和地球內(nèi)部之間循環(huán)溫室氣體二氧化碳，使得地球不會過熱或過冷。它充當(dāng)了天然的恒溫器，這可能意味著“躁動”的行星更有可能孕育出生命。

因此，科學(xué)家們迫切希望能破解板塊構(gòu)造發(fā)生的條件。這就是為什么NASA噴氣推進實驗室(JPL)的行星科學(xué)家Suzanne Smrekar將目光投向了金星，特別是那些與地球上俯沖斷層相似的地方?？茖W(xué)家們一致認(rèn)為，俯沖現(xiàn)象是板塊構(gòu)造的第一步，然而在金星上還沒有發(fā)現(xiàn)明顯的大范圍板塊移動跡象——至少在幾十年前麥哲倫號軌道飛行器繪制的地形圖中沒有找到。例如，地處太平洋板塊和北美板塊之間的圣安地列斯斷層的寬度從幾米到一公里不等，因為太窄所以無法在麥哲倫號的地形數(shù)據(jù)中辨認(rèn)出來。

但未來的金星地形圖也許可以揭示這種地質(zhì)構(gòu)造特征。Smrekar是籌備“真理”號(VERITAS)項目的負(fù)責(zé)人，她和她的團隊很快將向NASA提出一個任務(wù)方案。這項地質(zhì)物理任務(wù)將使用更高分辨率的雷達來繪制金星的地形圖，將精度從大約15公里提高到250米，這樣一來科學(xué)家也許就能首次發(fā)現(xiàn)像圣安地列斯斷層一樣細(xì)微的地質(zhì)特征。

盡管結(jié)果還是未知，但科學(xué)家們有可能發(fā)現(xiàn)過去板塊構(gòu)造的證據(jù)。就像Smrekar說的，這就可以解釋為什么金星在數(shù)十億年的時間里維持了類似地球的環(huán)境，因為這個天然恒溫器可以控制大氣中二氧化碳的濃度。這一現(xiàn)象也可以用于解釋金星環(huán)境為何后來變得如此嚴(yán)酷：當(dāng)板塊構(gòu)造停止，大氣中的二氧化碳濃度會上升并保存大量熱量，以至于海洋都蒸發(fā)了。

但那只是其中一個可能的發(fā)現(xiàn)。一些科學(xué)家熱衷于研究金星的大氣組成，它包含另一個同樣令人著迷的秘密。

計算機生成的金星馬特火山(Maat Mons，縱向比例放大)，可以看到前景處的深色巖漿。

Garvin提議的探測器叫做“達芬奇”號(DAVINCI)，它將進入金星大氣檢測有毒化合物的成分。惰性氣體的同位素，尤其是氙氣，可以幫助科學(xué)家了解金星火山活動的歷史，并揭示金星是否一開始就像地球一樣富含水分。“金星的大氣是一個潛在的實驗室，它會告訴我們金星的歷史，”Garvin說，“實際上，目前為止金星大氣的大多數(shù)測量都非常地不全面。”此外，多虧了Garvin策劃了嚇人的直升機飛行演習(xí)，這臺探測器計劃在墜落金星的最后幾秒鐘拍攝金星的地表圖像。

“真理”號和“達芬奇”號都于7月1日參加NASA的競標(biāo)，執(zhí)行未來的“發(fā)現(xiàn)任務(wù)”(Discovery missions)，這項任務(wù)會資助一系列低成本的行星探測器，每個探測器的成本僅為5億美元。有傳言說除這兩個計劃之外，還有其他計劃參與競標(biāo)。在數(shù)十個研究太空天體的提案中，可能有多達五個金星探索任務(wù)(包括一個氣象氣球)。例如，在NASA上一次“發(fā)現(xiàn)競賽”(Discovery competition，2015年)中，NASA從27個提案中選出了兩個來資助，這些競選方案的內(nèi)容包括觀測太陽系小行星、衛(wèi)星和行星的探測器，觀測太陽系外圍的望遠鏡。

今年年底，NASA將選出一些任務(wù)進行進一步的研究，并將在兩年內(nèi)挑選出最終的執(zhí)行項目。Smrekar和Garvin希望他們的任務(wù)都會被選中，部分原因是他們在上一次的“發(fā)現(xiàn)競賽”中提出了相似的任務(wù)方案，并且兩個都被選中進入下一輪的研究。如果其中一個金星任務(wù)成功過審，將在2020年中期發(fā)射探測器。

即使在那段時間之后，金星仍可能成為行星際活動的中心。歐洲航天局最近選擇了一個名為“遠景”號(EnVision)的金星探測器以及另外兩個入圍方案來參加一個最早在2032年升空的任務(wù)。像“真理”號一樣，“遠景”號是一個軌道飛行器，它將以高達1米的分辨率分析金星的一小部分，而不是像“真理”號那樣以15-30米的分辨率繪制整個金星。在這種精度下，科學(xué)家們甚至可能找到前蘇聯(lián)當(dāng)時留在金星上的著陸器。

他們甚至能辨認(rèn)出那些著陸器所在巖石的類型。20世紀(jì)90年代早期的天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些波長的光可以透過覆蓋在金星表面的二氧化碳霧霾。如果攜帶分光儀的軌道飛行器把測量波段調(diào)整到這些透明的“窗口”，就有可能從云層上方分析金星地表的成分。這一前景令人興奮，特別是如果科學(xué)家可以發(fā)現(xiàn)花崗巖的話。

像玄武巖的形成一樣，熔巖漿冷卻和硬化后形成花崗巖。但與玄武巖不同的是，花崗巖的形成通常需要大量的水。在地球上，當(dāng)富含水分的海洋型地殼俯沖向另一塊板時就會形成花崗巖。因此，如果發(fā)現(xiàn)金星富含花崗巖，就說明它可能曾經(jīng)有大量的液態(tài)水。

那可能將成為最有力的證據(jù)，證明金星以前是一顆與地球非常相似的淡藍色星球;同時也可能是它們后來分道揚鑣的另一條線索(見“水之謎”)。

問題是金星大氣中實際只有五個狹窄的光譜窗口是透明的。這樣能得到的信息就很少，科學(xué)家們不確定他們是否能夠真正區(qū)分花崗巖和玄武巖。因此柏林行星研究所(Institute of Planetary Research)的行星科學(xué)家Jörn Helbert建議將兩種巖石都置于類似金星的條件下，并通過那些狹窄的頻帶對它們進行成像。他的實驗表明，兩個巖石光譜看起來完全不同，未來的任務(wù)的確可以利用這些光譜窗戶。通過這些發(fā)現(xiàn)，他和他的同事們搭建了一臺儀器，可以用來繪制金星表面上的任何花崗巖。“真理”號和“遠景”號都將搭載這臺儀器。

觸手可及

為了真正理解金星地表，一些科學(xué)家希望能夠讓一艘飛船登陸金星，這是人類35年以來未能實現(xiàn)的壯舉。雖然前蘇聯(lián)向金星發(fā)送過幾個著陸器，但是那些成功登陸的迅速倒在這顆星球的惡劣環(huán)境下：持續(xù)時間最長的一個也只維持了127分鐘。

科學(xué)家們希望能打破這一記錄，并且他們已經(jīng)設(shè)計出一種技術(shù)，不要說持續(xù)數(shù)分鐘，就算幾個月也不在話下。NASA格倫研究中心(Glenn Research Center)的一個團隊正在建造一個至少可以維持60天的工作站。不像之前的著陸器利用吸收熱量或制冷來應(yīng)對嚴(yán)酷條件，這個著陸器直接采用由碳化硅(通常用于制造砂紙和假鉆石的硅碳化合物)制成的簡單電子設(shè)備，它們可以承受金星上地獄般的環(huán)境。“這對于金星探索而言，是真正的游戲規(guī)則顛覆者。”格倫研究中心的電子工程師Philip Neudeck說。

該團隊已經(jīng)在金星模擬室中對電路進行了測試，金星模擬室是一個14噸重的不銹鋼罐，可以模擬金星表面的溫度、壓力和特定化學(xué)成分。研究人員利用這些結(jié)果設(shè)計了一種名為耐用型太陽系原位探測器(Long-Lived In-Situ Solar System Explorer，LLISSE)的固定地表探測器，該探測器應(yīng)將在2020年代中期做好飛行準(zhǔn)備，并可以提供給其他國家使用。“任何去金星的任務(wù)都?xì)g迎使用LLISSE。”格倫研究中心的電子工程師Gary Hunter說。他和整個團隊精心設(shè)計了一個只有烤面包機大小的著陸器，它既小巧又輕便，可以搭許多未來金星任務(wù)的便車。

盡管LLISSE體積小，但它能夠記錄溫度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、地表太陽能量以及金星低氣壓下的一些特定化學(xué)物質(zhì)。它可以持續(xù)工作數(shù)月之久，為金星大氣模型提供關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)。“想象一下，如果有人試圖在外面只待個127分鐘就開始吹噓自己了解地球上的天氣。”Hunter說。但這是我們手頭上所能掌握的金星天氣數(shù)據(jù)的現(xiàn)況。

Roscosmos的科學(xué)家們迫切希望使用這項新技術(shù)。在與NASA合作的聯(lián)合提案中，他們正在籌劃一項名為“Venera-Dolgozhivuschaya”的任務(wù)(第一個詞是“金星”的意思，后面這個詞意味著“持久”)，或簡稱為“金星-D”。這個任務(wù)包括一整套組件：一個軌道飛行器、一個著陸器和一個長期工作站。著陸器將搭載許多先進的儀器，但只能持續(xù)工作幾個小時;長期工作站的設(shè)計會比較簡單，但能持續(xù)進行長達數(shù)月的測量。該站很可能會使用NASA的LLISSE。

這還是基礎(chǔ)架構(gòu)，實際任務(wù)可能包括更多的組件。今年，金星-D團隊發(fā)布了一份報告，其中涵蓋了許多備選的新增內(nèi)容，包括可以探索多云天氣的氣象氣球。這開啟了搜索金星生命的可能性。到目前為止提出的所有其他任務(wù)都旨在評估金星過去是否適合居住。但氣象氣球也許能夠在金星今天唯一的宜居環(huán)境——天空——中尋找生命。

“想象一下，在鑠石流金的地表和折膠墮指的外太空之間，有一個條件正好適合生命生存的宜居帶。”Dyar說。該處不僅具有怡人的溫度，而且還可以從太陽那兒獲得營養(yǎng)、液態(tài)水和能量。如果金星上存在過生命，那么在其表面環(huán)境變得惡劣之后，這些生命可能被帶到云層而幸存下來。

Ocampo認(rèn)為，即使沒有氣象氣球，金星-D任務(wù)的三個主要組成部分也將提供出色的科學(xué)成果。“這將是了解金星科學(xué)的一項突破性任務(wù)，”她說，“我們以前沒有類似的任務(wù)。”

不幸的是，金星-D項目還沒有被選中，許多科學(xué)家已經(jīng)表達了一些擔(dān)憂，因為這項任務(wù)早已被大家討論過，但到目前為止資金依然沒有到位。莫斯科太空研究所(Space Research Institute)金星-D項目的首席科學(xué)家Ludmila Zasova希望今年情況能有所改觀。

籌劃中的大項目可不止這一個。一些美國團隊計劃向NASA的“新疆界計劃”(New Frontiers programme)提交一些金星探索項目，該計劃的資助上限為10億美元;還有“旗艦任務(wù)計劃”(Flagship mission programme)，該計劃的資助標(biāo)準(zhǔn)更高。由于金星相關(guān)提案在過去的競標(biāo)中表現(xiàn)良好(通常只稍稍落后于入選提案)，這些科學(xué)家門認(rèn)為這次他們很有機會“中榜”。

隨著每個航天局都開始關(guān)注我們的鄰居，金星很可能在未來幾十年內(nèi)接待一大批的“來客”。雖然他們都打算以某種方式解決環(huán)境適應(yīng)性的問題，但Garvin確信無論他們發(fā)現(xiàn)什么，都將“超越我們最瘋狂的想象”。也許他們會證明金星以前是一個海洋世界，也許會發(fā)現(xiàn)今天的金星依然擁有活躍的構(gòu)造活動。“咱們走著瞧吧，”他說，“金星正等著向我們傾訴，我可不想坐失良機。”