用十亿美元的无人机，去土卫六寻找生命的起源之谜

在上面的插图中，NASA的“蜻蜓”旋翼机着陆器抵达土星迷人的卫星土卫六上的一点。借助土卫六大气浓厚、引力较小的优势，“蜻蜓”将在这颗冰冷星球的数十个位置进行探索，对土卫六表面有机材料的成分进行采样和测量，来鉴定人类在土卫六环境的可居住性，并研究土卫六上生命起源之前的化学进展。
版权：NASA/约翰•霍普金斯大学应用物理实验室

6月27日，美国航空航天局（NASA）宣布了他们在太阳系中的下一个目的地，那就是独特而富含有机物质的世界：土卫六（Titan）。为了让生命基石的寻觅探索更进一步，“蜻蜓”（Dragonfly）任务将进行多次飞行，对土星（Saturn）这颗冰冷卫星上的不同地点进行采样和勘探。

“蜻蜓”将于2026年发射，并于2034年到达土卫六，到达时土卫六正处于漫长的寒冬之中。这架旋翼机着陆器（rotorcraft-lander）将飞往土卫六被寄予希望的数十个地点，寻找这颗迷人星球和地球所共有的前生命化学（prebiotic chemistry，生命出现之前时期的化学）过程。“蜻蜓”标志着NASA将首次在另一颗星球上利用多旋翼飞行器进行科学研究；它有八个旋翼，飞起来就像一架大型的无人机。

“蜻蜓”将借助土卫六上大气密度高（比地球大气的密度高出了四倍）的优势，成为有史以来第一个将自己所需的全部科学有效载荷带到另一颗星球的探测车，以便重复并有针对性地接触土卫六表面的有机材料。这架无人机质量约为300千克，大小与一辆厢式轿车相近，飞行所需的能量仅为地球上的39分之一。

“‘蜻蜓’是一项大胆的探测方式，将改变太阳系探索的游戏规则，” 约翰•霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室（Applied Physics Laboratory in Laurel）的主任拉尔夫•塞梅尔（Ralph Semmel）说道，“这项使命是创造力和技术冒险的双重结合，将帮助我们揭开宇宙中一些最为重要的奥秘，可能包括生命起源的关键。我们很荣幸NASA委托应用物理实验室以及我们的合作伙伴，为我们提供了这一巨大的机会兼责任。”

土卫六的表面充斥着和地球类似的地质特征，包括高原、满是沙丘的沙漠，以及两极地区的液态海洋和河流。这些环境与早期地球非常类似，或许能为我们提供地球上生命出现的一些线索。在“蜻蜓”长达2.7年的基础任务期间，这家举行无人机将探索土卫六上各种各样的环境，从有机沙丘到土卫六表面陨石坑，在这些特定的环境中，对生命孕育尤为重要的液态水和复杂的有机物质曾经共同存在可能数万年之久。“蜻蜓”上的探测仪器将研究前在生命出现之前，化学变化能取得多大的进展；研究这颗土星卫星的大气性质和表土性质，以及次表层海洋（subsurface ocean，科学家认为其主要成分可能是氨水或水和硫酸盐）和液体储层；除此之外，这些仪器还将搜索过去甚至现存生命的化学证据。

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“蜻蜓”不会像最近的火星探测器那样配备机器臂，它的探测将由其腹部位置的仪器先行引导。腹部的仪器将用中子辐射轰击土卫六表面，这种攻击释放的伽马射线将能区分基本地质类型，例如富含氨的冰或富含碳的沙丘。“蜻蜓”的两个着陆滑板也将各自带有旋转冲击钻，能够对表面物质进行取样并通过气动管将其送入质谱仪（mass spectrometer），从而分析它们的成分。采样系统代表了任务的风险；NASA的科学家担心土卫六富含碳氢化合物的大气会堵塞采样气动管。NASA华盛顿总部的科学副主任托马斯•齐布亨（Thomas Zurbuchen）说：“这是大气层版本的‘漏油’。”在过去的两年里，经过对类似极为特殊的物质的广泛测试和重新设计，来自应用物理实验室“蜻蜓”的首席研究员伊丽莎白•特特尔（Elizabeth Turtle）说，NASA的担忧最终得到了缓解。

“随着‘蜻蜓’任务的开展，NASA将再次完成其他人无法做到的壮举，” NASA的局长吉姆•布里登斯汀（Jim Bridenstine）表示，“造访这个神秘的海洋世界，或许能彻底改变我们对宇宙中生命的了解。即使是在几年之前，我们也无法想象这项相当前沿的任务，而现在，我们已做好了充足的准备，迎接‘蜻蜓’惊为天人的飞行之旅。”

新的“蜻蜓”任务将飞越一系列着陆点的动画
版权：约翰•霍普金斯大学应用物理实验室

利用卡西尼号土星探测器（Cassini）13年以来积攒的数据，“蜻蜓”能够选择出天气平和的时间段进行着陆，同时也能找准安全的初始着陆点以及有趣的研究探测目标。“蜻蜓”将首先降落在赤道附近的“香格里拉”沙丘地区，这些地区在地形上与非洲南部纳米比亚的线性沙丘（linear dune）相似，提供了多样化的取样地点。

鉴于土卫六的表面颇为复杂，单个地点的着陆器无法揭示这颗卫星含有的化学性质，“蜻蜓”将在飞行过程中对这片区域进行较短停留时间的探索，建立起一条长达5英里（约8公里）的长距离“跳跃式”飞行，即沿途在不同地理地质、别出机杼的位置停下来进行样本采集，间隔时间为16个地球日。它最终将到达直径80公里的塞尔克冲击坑（Selk impact crater），那里有着曾经存在过液态水、有机化合物（与氢、氧和氮结合的复杂含碳化合物分子），以及能量的证据，这些要素则是生命诞生的独特配方。“蜻蜓”着陆器最终的飞行总长将超过108英里（约175公里），这几乎是到目前为止所有火星探测器所经过路程距离的两倍之多；而在核电源渐渐耗尽之前，“蜻蜓”的探索时间将长达8年之久。

“土卫六与太阳系中的任何其他的星球都不一样，而‘蜻蜓’也和到目前为止其他的任务完全不同，”齐布亨说道，“想象一下，这架旋翼飞机在土星最大卫星的有机物沙丘上飞行数英里，探索这个与众不同的环境的形成过程，这是非常了不起的。‘蜻蜓’将参观一个充满各种有机化合物的世界，这些化合物是生命的基石，或许能够告诉我们生命本身的起源。”

土卫六具有像地球一样以氮气为主要成分的大气层；与地球不同的是，土卫六还有甲烷构成的云和雨，以及水冰构成的“岩石”；其他的有机物则在大气层中形成，然后像小雪一样落下：这些都是太阳系中最为奇特的景观。土卫六的天气和表面的反应过程结合了复杂的有机物、能量和水，类似于那些在我们的地球上可能引发了生命形成的物质。

“土卫六是一个令人惊奇而又颇为复杂的目的地，”特特尔说道，“我们不知道地球上从化学转化到生物学所采取的步骤和过程，但我们知道的是，如今在土卫六上正在发生着许多前生命化学过程。在这个充满迷人色彩的世界里，我们有机会探索并看到那些静静等待我们的东西。”

土星的这颗卫星比水星（Mercury）还要大，是我们太阳系中的第二大卫星。当它绕土星运行时，距离太阳大约8.86亿英里（约14亿公里），比地球距离太阳大约远了10倍。由于距离太阳太远，土卫六的表面温度大约只有零下290华氏度（约零下179摄氏度）；它的大气压也比地球高出了50％。

‘蜻蜓’被选为NASA“新前沿”（New Frontiers）项目的一部分，设定预算约8.5亿美元，发射预算约1.5亿美元，是NASA向外开放竞争太空领导地位最大的行星探索任务线。齐布亨说，选中“蜻蜓”任务的一个重要原因，是看中了约翰•霍普金斯大学应用物理实验室曾经发射帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）的实力。在任务选派的最终回合中，“蜻蜓”的对手是彗星天体生物学探索样本回归（Comet Astrobiology Exploration Sample Return，CAESAR），该任务将在彗星上采集至少80克的原始物质并送回地球进行研究，由位于纽约伊萨卡康奈尔大学（Cornell University）的行星科学家史蒂夫•斯奎尔斯（Steve Squyres）领导。

“新前沿”项目包括探索冥王星（Pluto）和柯伊伯带（Kuiper Belt）的新视野号（New Horizons）任务、探索木星（Jupiter）的朱诺号（Juno），以及探索小行星贝努（Bennu）的源光谱释义资源安全风化层辨认探测器（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer，OSIRIS-REx）。

Elizabeth Turtle展示1：4的“蜻蜓”模型
来源：NASA Live

“蜻蜓”由首席研究员伊丽莎白•特特尔（Elizabeth Turtle）领导，她来自马里兰州劳雷尔的约翰•霍普金斯大学应用物理实验室。“新前沿”项目支持那些被行星界认定为太阳系最佳优先勘探项的任务，该计划由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）的行星任务计划办公室（Planetary Missions Program Office）为NASA在华盛顿的行星科学部门（Planetary Science Division）负责管理。

“‘新前沿’项目改变了我们对太阳系的理解，为了探索生命形成的基石，它揭示了木星湍流大气层的内部结构和组成、发现了冥王星地质结构中的冰冻秘密、揭示了柯伊伯带中的神秘物体，还探索了近地小行星。”NASA的行星科学部主任洛瑞•格拉兹（Lori Glaze）说道，“现在，我们可以将土卫六添加到NASA将要探索的神秘世界的列表中了。”

参考：
[1]https://www.nasa.gov/press-release/nasas-dragonfly-will-fly-around-titan-looking-for-origins-signs-of-life
[2]https://www.jhuapl.edu/PressRelease/190627b
[3]https://www.sciencemag.org/news/2019/06/nasa-will-fly-billion-dollar-quadcopter-titan-saturn-s-methane-rich-moon
[4]https://www.nature.com/articles/d41586-019-02027-3