11000年一圈的塞德娜要回来了！人类如何拦截太阳系最神秘天体？（文字版）
- 文字版 -这是一个公转周期超过11000年的海王星外天体，上一次它靠近太阳时，人类还处于石器时代。之后，它便开启了新一轮的太阳系边缘之旅。旅途中，它不仅去过太阳风能够抵达的边疆——日球层顶，它甚至还到达过太阳引力能够抵达的最远地方——奥尔特云（内奥尔特云）。如今，距离它上一次离开已经万年有余，这趟“旅行”也即将结束，目前它正在以每年1个天文单位的速度朝我们狂奔而来。只要再过50年，大约2075年时，该天体就会再次达到近日点，也就是离我们最近的位置。届时将是人类第一次、也可能是唯一一次近距离研究它的机会。这个天体呢就是创下了当年太阳系内已知天体最远距离纪录的小行星——塞德娜（90377 Sedna）。由于距离太阳十分遥远，塞德娜上的最高温也不会超过-238℃，和它相比冥王星都算得上是四季如春。假如你在塞德娜上，你完全可以直视太阳，因为此时仅凭肉眼你已经完全看不到太阳的盘面，它更像一颗夜空里的星星，只是异常闪亮。
塞德娜的出名远不止一块遥远的石头那么简单，它代表的是一类新的轨道天体——类塞德娜天体（sednoids）。
不管是火星木星之间的小行星带，还是海王星外面的柯伊伯带，太阳系里的小行星轨道通常都趋近于圆形。但是类塞德娜天体的轨道是个非常扁的椭圆，有着极高的偏心率。比如塞德娜，它的近日点有76个天文单位，远日点有937个天文单位，两者差了至少12倍！
除此之外，这类天体还有着高近日点。所谓高近日点，就是说相比于其他天体，这些天体的近日点距离太阳并不算近，基本都在海王星轨道以外很远的地方。因此，这类天体相对来说比较孤立，它们和已知大行星之间基本不存在什么明显的相互作用。
为什么要说“已知大行星”呢？上次我们说了，这些天体之所以有如此特殊的轨道，或许是因为在已知八大行星以外还存在着一颗尚未被我们发现的大行星。对，传说中的——第九行星（Planet X）。
现在的问题是：眼看只剩下50年了，要想让探测器在2075年与塞德娜相会，那必须得抓紧时间。毕竟，虽然塞德娜正在飞速靠近我们，但它最终的近日点依然有76个天文单位，探测器要想按时抵达，至少得在50年内飞2.5个海王星的距离。
这个距离有多远？这么说吧，截至目前，人类发射的所有航天器中，能够飞越海王星轨道的仅有5个，而且其中的4个都是在上世纪70年代就发射了的。关键的是，这4个航天器之所以能飞这么快，主要是遇到了“百年一遇”的“行星连珠”现象。借助气态巨行星的引力弹弓，这些航天器才达到了如今的航行距离。只有后来的新视野号探测器凭借自身极高的初始速度，只借助了一次木星弹弓，便在10年内飞越了海王星轨道。
那我们仿照新视野号向塞德娜发射探测器可以吗？乍一看似乎可行，但仔细分析会发现实际上困难重重。因为塞德娜的轨道面和黄道面差了将近12度。把距离拉长后，位置的相差会十分明显，这就使得引力弹弓效应被大打折扣，探测器需要消耗更多能量来调整方向。而且随着塞德娜逐渐靠近近日点，它的速度也在不断提升，倘若没有一种新的技术，仅靠目前的化学燃料做动力，想追上塞德娜并对其进行环绕几乎是不可能的。
我们真的要错过这万年一遇的机会了吗？
前不久，预印本网站arXiv上的一篇文章中，研究人员针对探测塞德娜的可行性专门进行了分析。考虑到那么远的距离，这么短的时间，如果要让探测器实地探测，或许我们只能放弃化学燃料的方式。据此，研究人员提出了两个方案：一个是使用核动力，一个是使用太阳帆。
先说这个核动力。并非像核潜艇、核动力航母上那种比较成熟的核裂变方式，他们设想的核动力是尚在研究中的可控核聚变。而且不像目前的核聚变普遍还在采用氘氚做燃料，这种核聚变引擎直接使用氦-3作为燃料。由于氦-3的聚变过程不会产生中子污染，因此它被认为是最理想的核聚变燃料。
该方案的核心是一边聚变一边发电，同时一边向前推进，研究人员称该方式为“直接聚变驱动（Direct Fusion Drive, DFD）”。
由于推力稳定，可以持续加速，这种方式一旦实现，大约只需要10年左右我们便能让探测器抵达塞德娜的近日点。不仅如此，这种探测器不光能简单地飞掠塞德娜，而且还能稳定地环绕其飞行甚至是停靠在上面。同时这种探测器还具有大载重的优势，能够携带较多的科学仪器。
不过这个方案最大的问题是——可控核聚变还没实现呀！都说可控核聚变是“永远的50年”，但这次的时间窗口满打满算也就50年。虽然近些年自持燃烧的时间被不断突破，但是距离真正的“输出能量>输入能量”仍然有很长的一段路要走。
除了技术本身的问题外，燃料也是个棘手的问题。氦-3这种资源在地球上极度稀缺，目前认为要想大量获取氦-3，只有着眼于月球。因为没有大气层，几十亿年来，太阳风一直在持续轰击月球表面，其中的氦-3被月壤颗粒捕获，因此月壤中的氦-3含量巨大。据估算，如果可控核聚变实现，以目前的能源消耗量计算，整个月球的氦-3储量可供人类使用上万年。欸，知道为什么各国都在争相探月了吧。
但不管怎么说，这种核聚变的动力方案似乎有点不赶趟。于是研究人员又提出了第二种方案——热脱附太阳帆（Solar Sail + Thermal Desorption）。
太阳帆我们之前说过，它是一种靠太阳光的光压来驱动飞船的技术，早在上世纪20年代就被前苏联科学家提出。虽然太阳光的辐射压非常小，但是它的优点是不需要携带燃料。虽然推力很小，但只要太阳持续照射，最终航天器的速度能够累积到惊人的地步。
“太阳帆”好理解，那“热脱附”是个啥意思？
按照研究人员的设想，这种航天器一开始并不是直接朝塞德娜飞，而是先飞向木星，然后调头利用木星的引力弹弓，加速让自己冲向太阳。欸，为什么要往回飞呢？因为太阳光的强度和距离的平方成反比，越靠近太阳光压就越强，光帆能够获得的推力也就越大。同时，他们设想在太阳帆上涂上一层特殊的材料，当航天器接近太阳并再次完成调头后，这些材料在高温下开始“蒸发”从而为航天器提供光压以外的额外动能。
这个过程就有点像跳远，跳之前你先往回跑一段，然后通过一段距离的加速助跑就可以让自己跳得更远。在热脱附+光压的双重推动下，航天器的速度最终会被加速到每秒300 km，差不多相当于一年60多个天文单位。于是，从地球发射到抵达塞德娜，航天器的整个飞行过程可能只需短短7年左右。
不过该方案也有弊端，它最大的缺点就是——载荷太小，大约只能运送1.5 kg的东西，很多科学仪器都无法携带。另外，这种航天器的精度很难控制，哪怕太阳风只吹偏了几毫米，但当飞行百亿公里后误差将变得巨大。关键的是，航天器上没有携带燃料，所以即使偏航也很难修正。除此之外，还有打造光帆的材料问题等等。
总的来说，两种方法各有利弊：核动力方案的优点是可以携带大量的设备仪器，但缺点是技术尚不成熟；太阳帆方案虽然技术相对成熟一些，但是载荷有限，能做的事太少。
眼看发射窗口邻近，研究人员提出了一个设想：可控核聚变大概率是来不及了，太阳帆方案多少还有点可行性，那么我们是不是可以先发射一个太阳帆作为“侦察兵”，后面再看情况发射核动力航天器进行详细探测。毕竟对于“拍照”来说，拍到比拍好更重要。
为什么我们执着于探测塞德娜呢？
抛开第九行星相关的轨道研究外，塞德娜和柯伊伯带天体相比可能更加古老。作为太阳系的“时间胶囊”，塞德娜的表面可能保留着46亿年前太阳系形成时的原始物质。
另外，和一些长周期彗星一样，塞德娜可能来源于内奥尔特云。而奥尔特云只是天文上推测存在的一个区域，截至目前，我们从未直接探测过该区域的天体，也许塞德娜将是我们第一个可以实际接触到的奥尔特云天体样本。
目前人类对太阳系的探索已经含盖了所有大行星的“第一边界”，冥王星所在的柯伊伯带作为“第二边界”我们也有涉及，现在我们正向奥尔特云代表的“第三边界”发起挑战，这也标志着人类即将开始向星际文明迈进。
Elena Ancona, Roman Ya. Kezerashvili, Savino Longo. Feasibility study of a mission to Sedna -- Nuclear propulsion and advanced solar sailing concepts. arXiv preprint arXiv:2506.17732.
这探测器比追女神还难啊 留给后人研究它吧，看它对地球有啥？？？ 会不会引发大洪水呀
页:
[1]