海王星的探测，也不是说去就能去的。
正如火星探测有窗口期一样，海王星的探测也有属于它的窗口期。
（图片说明：旅行者2号是唯一拜访过海王星的探测器）
由于距离太远，我们必须要想办法加快探测器的飞行速度，另外还要尽量节省能源。
这看似矛盾，但也有两全其美的解决方案，那就是引力弹弓效应。
借助其他行星的引力，给探测器加速，就能够完美地使其在节约能源的同时更快地抵达目的地。
在探测海王星的路上，借助木星的引力弹弓效应，是最好的办法。
地球的公转周期是一年，木星的公转周期约为11.86年，海王星的公转周期则是164.8年。
三者需要达到比较完美的相对位置，我们的探测器才能路过木星，坐上顺风车，这就是海王星的探测窗口期。
这个窗口期，在2030年左右会到来。
一旦错过，至少要等到2041年了……
（图片说明：2040年前太阳系天体的相对位置变化）
如果我们能够赶上最近的窗口期，那么就需要在2030年发射探测器。
经过3年左右的时间，探测器经由地木转移轨道抵达木星，通过木星引力的加速效果，进入到木星-海王星转移轨道，再用6年左右的时间来到海王星的轨道附近。
在轨道末端，探测器通过减速和速度矢量调节，被海王星引力捕获，展开对海王星的探索。
那么，历尽千辛万苦、跋山涉水来到海王星的探测器，将会进行哪些探索呢？
探测目标
（图片说明：海王星艺术图）
此前，美国宇航局也宣布过他们预想中海王星探测任务的几个主要目标，那就是行星环、卫星、大气和磁层。
科学家们的研究，在很多方面都是有共识的，所以我国在海王星探测目标方面，其实也和美国方面差不多。
当然了，如果要细说，还是有些不同的，具体如下：
海王星成分&结构
虽然我们对海王星的成分和结构已经有所了解了，但这也是基于32年前的探测结果，科学家们希望能够对这些属性进行更加精确的探测和分析。
这不仅是我们了解这颗行星的基础，也有助于科学家了解太阳系的早期历史。
另外，海王星的表面温度比理论值要更高，意味着海王星内部有热源，这也是科学家想要破解的谜题。
（图片说明：海王星高空云带）
海王星的磁层&电离层
海王星的等效磁轴非常特殊，偏离自转轴达47°，且偏离海王星核心达0.55个行星半径，也就是大约13500公里，足以放下一个地球。
海王星磁层内部的等离子体传输过程、抵御太阳辐射的磁层顶，都是困扰科学家多年的问题。
海王星的大气也很诡异，拥有着太阳系最高的风速，以及足以装下一个地球的巨大风暴——大暗斑。
它的大气里有什么样的凝结云？大气层下的海王星本体有多快的自转速度？这些问题都是在地球上所无法得知的。
（图片说明：海王星大暗斑）
海王星卫星&行星环
海王星有14颗已知的天然卫星，其中最值得注意的就是海卫一了。
对于一些天文学家来说，海卫一就是太阳系最诡异的卫星。
它的公转方向和海王星自转方向相反，也就是所谓的逆行卫星，这意味着它不是和海王星一起形成的。
它的地质结构非常年轻，表面看上去就像是一个哈密瓜。
而且，海卫一表面经常会有火山喷发，但喷射出来的不是岩浆，而是冰。
和其他气体行星一样，海王星也有行星环。
由于比较暗淡，海王星环一直到旅行者2号近距离飞掠时才被发现。
这个行星环的存在模式也非常奇怪，科学家们希望能够通过近距离探测来破解这些谜题
（图片说明：海王星光环）
海王星特洛伊小天体&半人马族小天体
海王星特洛伊小天体指的是一群位于海王星第四拉格朗日点上的小天体，目前发现得还比较少，有人推测它们可能还在其他的拉格朗日点有分布。
半人马族小天体则是一群位于木星和海王星轨道之间的天体，被认为是柯伊伯带小天体转化而来的。
这两种小天体的分布和演化历程，都是科学家们所好奇的，这对于我们理解太阳系有着重要的意义。
除了电源，还需要什么
（图片说明：哈勃望远镜拍摄的海王星）
上一期我们已经讲过我国科学家为了海王星探测计划而设想的核反应堆电源了，不过这是不够的，想要探测海王星这样遥远的天体，我们还需要准备更多。
火箭：根据论文的介绍，目前的长征五号运载火箭已经足以实施海王星探测任务；
发射场：如果进行海王星探测，那么海南文昌火箭发射场就可以使用；
深空通讯系统：距离数十亿公里，通讯将成为一个巨大的问题。
好在我们已经在喀什、佳木斯和甚至是南半球阿根廷的萨帕拉建设了雷达，通过甚长基线干涉技术，就可以接收到遥远的信号；
探测器系统：包括四颗微纳卫星和其他的科学载荷，其中两颗纳卫星在中途对小行星进行研究，两颗微小卫星对海王星和海卫一进行穿透探测；
地面应用系统：用于接收数据并进行处理，供科学家们研究分析。
总结
（图片说明：海王星探测任务功能模块示意图）
我们上一期说过，我国目前并没有宣布实际的海王星探测计划，但我相信我国科学家已经在认真考虑这件事了。
英国布里斯托大学的系外行星科学家汉娜·威克福德指出，目前人类发现的系外行星中，大约有40%都和天王星、海王星体型类似。
因此，了解海王星不仅仅是帮助我们理解这颗行星本身，也有助于我们理解大量的系外行星特质。
从这一点来说，海王星的研究的确非常重要。
而且，正如我们前面所说的，海王星的下一个发射窗口期就是2030年左右。
一旦错过，就要再等十几年。
相信我国科学家也不希望再等这么久的时间。
（图片说明：海王星的内部结构，是科学家好奇的问题）
总之，一切还是要结合相关技术的发展和我国整体的行星探测计划的进度来考虑，最终以我国科学家官方宣布的信息为准。
至于我们普通人，不如好好工作，给祖国多贡献一点GDP，没准就能促成这一次海王星探测了～
参考文献：
[1]于国斌, 汪鹏飞, 朱安文, 牛俊坡, 谢奇林, 胡古, 李晖, 何建森. 基于10 kWe核反应堆电源的海王星探测任务研究[J]中国科学, 2021-04-27
[2]郑本昌.NASA 再度聚焦天王星和海王星探测[J]太空探索, 2019-09-07
引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？
核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。 既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。
首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。
不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。
乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。
那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。
从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。
换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思，但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。
原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。
正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。
相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。
所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。
一光年有多远？人类探测器飞了50年，才飞了一光天？
一光年到底有多远？为什么人类的探测器飞了快五十年，却连这段路的百分之一都没走完？ 更扎心的是，就算你真的飞到一光年外，也还没到最近的另一颗恒星。你甚至可能还在太阳系外围，连这片家门口的荒地，都没有彻底穿过去。
你肯定听过答案：一光年，大约九万四千六百亿公里。
可这个数字太大了。
多念一个零，少念一个零，对你的感觉几乎没有区别。
所以这一次，我们换一把尺子。
把太阳缩成一颗直径两点五厘米的玻璃球，放在你面前。
地球跟着缩小，只剩一粒细沙那么大。
你把它放到距离玻璃球两米七的位置，地球轨道就摆好了。
接下来往外走。
走过木星、土星，一直走到八十多米外，你终于放下海王星。
整个八大行星的地盘，看起来也就一个足球场的尺度。
那么，一光年的刻度，应该放在哪里？球场外面？隔壁街道？还是城市另一头？ 都不够。
你得从这颗玻璃球出发，走出去大约一百七十公里。
记住，地球才在两米七外。
海王星才在八十多米外。
而你现在要跨过的，是一段足以连接两座城市的距离。
沿途绝大多数地方，连一颗行星都没有。
你以前看到的太阳系示意图，把行星挤得整整齐齐，却很难让你真正感受到，它们之间到底空成什么样。
如果把人类的探测器，也放进这套模型呢？ 旅行者一号，一九七七年出发，掠过木星和土星，一路飞向太阳风影响之外。
它每秒能飞十七公里。
你眨一下眼，它就已经越过一座城市的一部分。
可持续飞行近半个世纪，它在这套模型里，也不过走到距离玻璃球几百米的地方。
前面那条通往一光年的路，依然长得几乎看不到尽头。
按每秒十七公里算，飞完一光年，需要大约一万七千六百年。
你出发时留下的城市，可能已经消失。
你说的语言，可能早就没人听得懂。
而飞船，还在赶路。
你可能觉得，这不公平。
旅行者一号毕竟是几十年前的技术。
换一台快得多的探测器，总能把时间压下来吧？ 帕克太阳探测器，在最接近太阳时，速度能达到每小时约六十九万公里。
假设它能一直保持这样的速度，飞完一光年，仍然需要一千五百多年。
而且，这已经是一个过于理想的假设。
帕克的极速，来自它沿轨道冲向太阳时的加速。
离开太阳之后，它会减速。
那个惊人的纪录，不能直接变成一张通往恒星的车票。
不过，先让我们跳过这些困难。
假设未来的你，终于抵达一光年外，在那里建起了一座太空站。
你回头看，太阳还看得见吗？ 看得见。
它不会彻底淹没在星海里，仍然会是一颗非常明亮的星。
但你熟悉的金色圆盘消失了，剩下的，只是一个指向家的光点。
抵达这里的阳光，比地球附近微弱了约四十亿倍。
能看见它，不代表还能靠它照亮身边的世界。
就像远处一盏灯，你知道它亮着，脚下却依旧一片漆黑。
至于地球，那颗你想念的蓝色星球，肉眼已经根本找不到。
它自己不会发出可见光，只能反射太阳的光。
那一点微弱的亮度，几乎淹没在太阳旁边。
更让人难受的是，就算设备足够好，让你看清了家乡，你看到的，也是一年前的地球。
因为光从那里来到你的眼睛，已经走了整整一年。
这时候，你想给家里发一条消息。
今天是家人的三十岁生日。
你对着镜头说出生日快乐，按下发送。
消息离开天线，穿过黑暗，等它抵达地球，那个人已经三十一岁了。
对方看完，立刻回复一句谢谢。
你再收到这两个字时，又过去一年。
一来一回，两年。
这里最奢侈的东西，可能就是一次普通的聊天。
你问家里今天怎么样，等到回答抵达，那个今天，早就变成了两年前。
你换更好的天线，能让画面更清楚，声音更清晰，却不能把这一年变成一秒。
无线电和激光，在真空中都以光速传播。
设备可以升级，距离带来的等待，却不会自动消失。
如果太空站突然出了故障呢？你向地球求救，就算那边的人收到后立刻想出解决办法，操作指令也要等两年，才能回到你手里。
真正走进星际空间，你得先学会自己解决问题。
因为在这里，连一句别着急，都可能来不及。
可一光年外，到底有什么在等你？ 没有一堵墙，没有一条天然边界，也没有一颗刚好停在那里、等你登陆的星球。
这只是人类在宇宙里画下的一道刻度。
我们认为，远离行星轨道的地方，还分布着奥尔特云中的冰冷天体。
它的范围仍有不确定性。
一光年的终点，甚至可能还没有超出这片遥远的区域。
穿过太阳风形成的边界，和离开所有绕太阳运行的天体，并不是同一件事。
而最近的另一颗恒星，比邻星，距离我们约四点二四光年。
你费尽力气走完这一光年，连去它那里的四分之一路程，都还没走到。
所以，下次再听见一光年，不妨想想那颗玻璃球。
地球在两米七外，你站在一百七十公里外。
脚下没有路灯，没有补给，也没有能立刻回答你的人。
而这段让人类飞上一万多年、让一句问候往返两年的距离，在宇宙里，却只是尺子上最开始的一个刻度。
