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作者:郑永春,首届香江学者,国家天文台青年创新促进会负责人

迄今为止飞得最快的航天器、人类发射的第一个冥王星探测器“新视野号”,经过约9年的星际旅行,于1月15日抵达距地球约47亿千米的冥王星附近,开始探测冥王星、冥卫、以及它们所处的柯伊柏带其他天体。柯伊柏带是1992年才发现的太阳系新大陆,虽然现在冥王星已被降级为矮行星,却成为了数千颗冰冻小天体的“领头羊”。这些太阳系冷库中的冰冻天体可能有大量的水,不同于常见的八大行星和小行星,此次任务的发现将直接改变我们对太阳系的已有认识。

一说到太阳系,我们马上想到的是太阳和八大行星。实际上,随着地面和空间天文观测能力的提高,以及深空探测的进展,太阳系的边界扩展已经到了奥尔特云之外,与太阳的距离甚至达9.5万亿千米(1光年)左右。不仅观测到的天体数量大大增加,而且天体类型也从行星、小行星和彗星,到增加矮行星的分类。对于关系人类生存延续的太阳系,我们的了解远未清晰。

2014年岁末,各大影院正在热播《星际穿越》,黑洞、白洞、虫洞等天文学前沿概念被人们津津乐道,似乎人类将来有望通过虫洞快速抵达太阳系外的宜居星球。但实际上,星际飞行理论并没有突破性进展,深空探测在可以预见的将来还只能局限于对太阳系内天体的探测。

在经过数周时间的准备之后,2015年1月15日,人类第一个柯伊伯带探测器——“新视野号”将开始对冥王星及其卫星、以及其它柯伊伯带天体进行远距离观测。2015年7月14日,预计“新视野号”探测器将在这一天最接近冥王星。冥王星的发现者汤博的一部分骨灰搭载在“新视野号”上,也将亲赴现场。

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【图1 冥王星降级前的太阳系九大行星】

一、发现太阳系里的新大陆

当人类登陆一片全新大陆的时候,往往都会被看到的场景所震撼。而今天,我们将登陆太阳系里的新大陆——柯伊伯带(Kuiper belt)。

我们的太阳系包含三个主要区域,一区为内太阳系,包括水星、金星、地球和火星,称为类地行星,均为岩石质天体;二区为外太阳系,包括木星、土星、天王星和海王星,称为类木行星,均为气液态巨行星。一区和二区之间以距离太阳2.3~3.3天文单位(1天文单位为日地平均距离,约等于1.5亿千米)的小行星带为界。三区为海王星以远,包括距离太阳约30~50个天文单位的柯伊伯带。在柯伊伯带之外,距离太阳5~10万天文单位还有一片由千亿颗冰冷天体组成的奥尔特云。

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【图2 太阳系结构】

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【图3 火星和木星轨道之间的小行星带】

需要指出的是,冥王星和柯伊伯带的发现过程十分艰难,是象征人类探索精神的重要事件之一。自1846年,海王星被首次发现以来,科学家一直在努力寻找新的海外行星(即海王星外的行星)。冥王星的质量仅有地球的0.21%,其质量不足于影响海王星的轨道,因此基本不可能根据天体力学的方法计算冥王星的轨道,大量的轨道计算后来被证明无一中的。由于无法预测冥王星可能经过的天区,大量的实际观测也无功而返。

直到1930年,年仅24岁的农家少年、罗威尔天文台新招聘的观测助理汤博,在寒冷的亚利桑那州高原上经过8个月艰苦的巡天式观测和仔细比对后(搜索会运动的天体是发现新行星的重要手段之一。因此,需要大量比对不同时间拍摄的照片,以发现运动的天体,但变星和彗星经常干扰这种比对工作),首次发现了冥王星。这是首次由美国天文学家利用美国的观测设备发现的新行星,是标志世界科学中心从欧洲大陆转移到美国的重要事件之一,美国人对此充满自豪,亲切地称冥王星为“美国行星”。

1978年,在冥王星的附近发现了冥卫一(卡戎,其质心实际上落在两个天体之外,因此并非真正绕冥王星公转。且两者质量相差不大,因此不能被视为冥卫,而是矮行星,与冥王星组成双矮行星系统)。而冥王星和卡戎所处的太阳系外缘一直被认为是空空荡荡的,没有其他大型天体。1987年,当时在麻省理工学院工作的天文学家大卫·朱维特不相信太阳系外围居然如此空旷。他和当时的研究生刘丽杏,经过对这一区域连续五年的观测,终于在1992年8月30日发现除冥王星和卡戎外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的小行星15760,半年后又发现第二个天体(181708) 1993 FW,从而证实柯伊伯带的存在。两人因发现柯伊伯带天体的贡献而获2012年度邵逸夫天文奖。现在我们知道,柯伊伯带是位于海王星轨道以远黄道面附近、散布着大量冰冻小天体的环形区域,是太阳系里的“冷库”。

冥王星直径2301千米,是柯伊伯带的主要天体,一直以来都被认为是太阳系九大行星之一。冥王星的轨道是一个非常扁的椭圆,远日点约为74亿千米,近日点为44亿千米,与太阳的平均距离约为59亿千米,是日地平均距离的40倍,绕太阳一圈需要漫长的248年。但从体积上,冥王星却是围绕太阳旋转的第十大天体。这是因为米高·布朗等三位天文学家2005年7月发现了太阳系中最大的矮行星、直径2326±12千米的阋神星(Eris)。阋神星质量约为地球质量的0.27%,比冥王星重约27%。它距离太阳97个天文单位,公转周期为557年,位于比柯伊伯带更远的太阳系离散盘,不属于柯伊伯带天体。除了阋神星,他们同时还发现了鸟神星。2天后发现妊神星。至此,柯伊伯带至少有冥王星、鸟神星、妊神星三颗矮行星。同一年,还发现了冥王星的两颗卫星冥卫二(Nix)和冥卫三(Hydra);2011年和2012年,先后发现冥卫四(Kerberos)和冥卫五(Styx)。除此之外,海王星外的大型天体还包括赛德娜、小行星225088、创神星、亡神星等。

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【图4 目前已知的海王星轨道之外的主要天体】

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【图5 冥王星和它的三颗卫星。图中向右分别为冥王星、冥卫一、冥卫二和冥卫三,哈勃空间望远镜2006年拍摄。】

由于阋神星的体积比冥王星大,曾经被考虑接纳成为太阳系的第十颗行星。现在柯伊伯带发现的天体数量已经超过1000个,实际的天体数量可能超过十万个,而且有一些是与冥王星大小相近的天体。如果全部接纳为行星的话,太阳系的行星家族将不断扩大;如果不接纳,天文学家就不得不对行星的定义做出明确界定。

2006年8月,国际天文联合会第26届大会通过第5号决议,更改了行星的定义:行星是绕恒星运转、质量足够大使之成球体、不是卫星的天体,必须具有清除轨道区域内大小相当天体的能力。柯伊伯带的这些天体虽然绕太阳运转、体积和质量较大而成球体,也不是行星的卫星,但由于不具有清空其轨道区域的能力,不能称为行星。行星的定义要求其质量在其轨道区域所有天体中占绝对优势,其清空轨道的能力和程度均比矮行星高5个数量级以上。冥王星由此被降级为矮行星,我们从小所熟知的太阳系九大行星被改写为八大行星。2008年,国际天文联合会再度将冥王星划分为类冥矮行星。从此,冥王星慢慢淡出公众视线,现在冥王星的正式名称是134340号小行星。

二、“新视野号”:太阳系新大陆的探索者

坎坷成行,一旦错失需再等百年

由于冥王星距离太阳和地球十分遥远,要探测它既要飞行很远的距离,又要克服寒冷而阴暗的困难,所以之前一直没有探测器探测过。

20世纪90年代末,NASA曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”探测计划,原计划2004年12月18日发射,主要目的是探测冥王星、卡戎以及其他柯伊伯带天体。由于研制经费超支等原因,NASA宣布取消该计划。

消息一公布,立即遭到很多天文学家的强烈抗议。他们四处游说,希望再次启动冥王星探测计划。美国行星学会甚至发动了“拯救冥王星计划”的运动。最后,NASA的官员们终于被说服,于2000年12月20日宣布重新论证冥王星计划。他们拒绝采用原先提出的探测方案,改而向全球公开征集新的探测方案。这也是NASA历史上首次向全球公开征集太空计划方案。

NASA对新方案提出了两项苛刻的要求:一是要求在2015年前抵达冥王星,二是经费必须低于5亿美元。这是因为冥王星的轨道为椭圆形,绕日运行的周期长达248年,2015年时正好是探测冥王星的绝佳时机。一旦错过,这种快速抵达冥王星的机会只有百年之后才有了。而且想必官员们认为,为一个太空探测计划等15年,已经是公众耐心的极限了。

从宣布重新论证到最迟的发射时间,留给科学家们只有4~5年时间。2004~2006年是发射冥王星探测器的最后机会。为了争分夺秒地研制探测器,NASA留给新的冥王星计划的方案设计时间只有3个月,截止到2001年3月19日。最终,由西南研究院和霍普金斯大学应用物理实验室联合团队的设计方案脱颖而出,在诸多方案中最终获胜,总预算为4.88亿美元。新方案能发回比原来的“冥王星-柯伊伯快车”计划多10倍的观测数据。如果赶在2006年2月以前发射,可以确保在2015年夏天抵达冥王星。2001年12月,NASA宣布重启冥王星计划,探测器名为“新视野号”。

“新视野号”原定美东时间2006年1月17日13时24分在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地第41发射台发射,但因地面强风和负责该项目的约翰霍普金斯大学应用物理实验室的控制中心突然停电的原因,两度推迟升空。至1月19日14时,卡纳维拉尔角上空云层逐渐散去,气候条件适合发射,“新视野号”比原定时间推迟半小时后发射升空。45分钟后三级火箭脱离,“新视野号”脱离地球引力,朝木星飞去。

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【图6 “新视野号”由宇宙神5号火箭发射升空】

到太阳系新大陆去“考古”

在“新视野号”任务论证和发射时,冥王星还被视作行星,作为太阳系中唯一没有被航天器探测过的行星,“新视野号”被赋予重要的象征意义。随着天文学家在柯伊伯带不断获得新的观测发现,“新视野号”的主要任务从冥王星扩展到整个柯伊伯带:

近距离飞越冥王星及其已知的五个卫星。虽然,哈勃空间望远镜此前的观测没有发现冥王星有新的卫星或环带系统,但如果它们太过暗弱,从遥远的距离上是很难被发现的。因此,“新视野号”将探测冥王星是否存在未被发现的卫星,调查冥王星是否拥有环带系统,观察冥王星表面是否存在撞击坑或撞击坑的多少,判断柯伊伯带天体相互碰撞的几率。

考察柯伊伯带的其他天体。柯伊伯带的天体自太阳系形成之初已存在,是太阳系各大行星形成后的残渣,记录着太阳系最初形成时的历史,有助于理解太阳系和地球生命的起源。如果不了解柯伊伯带,就很难理解太阳系的起源。对于太阳系里的这片新大陆,“新视野号”首席科学家艾伦·斯特恩指出:“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。探索冥王星和柯伊伯带就像是在太阳系新大陆进行的考古发掘工作。通过考察可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”

十八般兵器

科学仪器是“新视野号”的“眼睛”。“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中光学设备有3台。分别是:远程勘测成像仪(LORRI)、可见-红外成像光谱仪(Ralph)、紫外成像光谱仪(Alice),分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是:太阳风测量仪(SWAP)、无线电科学实验仪(REX)、能量粒子谱仪(PEPSSI)、学生尘埃计数器(SDC),分别用于测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。

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【图7 “新视野号”携带的科学仪器示意图】

(1)可见-红外成像光谱仪(Ralph): 拍摄冥王星及卡戎的表面地形,提供高清晰影像照片,分析表面物理现象和物质组成,绘制地形图,了解冥王星及卡戎的历史。仪器分为两部份,一为多光谱可见光相机(MVIC),另一为红外光谱仪(LEISA),两者共同使用一个6厘米镜头,用以调校焦距,收集影像。

可见光相机使用电荷藕合装置(CCD),是近年所有外太空探测器的标准设备。天体目标的影像通过镜头后,再经过四层滤镜,在电荷藕合器成像。滤镜分别包括一般用途的蓝、绿、及近红外滤镜,以及专用于观测甲烷的滤镜。

红外光谱仪测量热辐射光谱,获得物质组成信息。根据哈勃望远镜的观测结果,冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰为主,而卡戎则主要由冰组成。当探测器接近它们时,透过红外光谱仪观察,可能会发现更多的其他物质。

(2)远程勘测成像仪(LORRI): 有一个直径20.8厘米的镜头,同样以CCD成像,但没有滤镜和活动部件,结构比Ralph简单得多。目的是为探测器提供详细的空间信息,即探测器在飞行途中的精确位置。通过观测特定星体,比较观测资料,得出探测器在途中某一点的精确位置及相位,从而控制探测器进行相应的轨道调整。当飞临冥王星时,远程勘测成像仪同时拍摄冥王星表面影像,分辨率大致相当于标准足球场面积。

(3)紫外成像光谱仪(Alice):测量由冥王星及卡戎辐射或反射的紫外线,获得不同波长的图像,研究它们的大气成分、表面物质组成和温度。紫外成像光谱仪有两种工作模式:1)气体辉光探测模式,当探测器接近及离开冥王星时采用这种模式,目的是直接测量由冥王星及卡戎的大气辐射或反射的紫外线,大多数时间采用这种工作模式。2)掩星测量模式,当探测器飞越冥王星之后,进入冥王星日蚀阴影区时,即被冥王星星体遮掩太阳光的地方,通过测量透过冥王星大气的太阳光,获得冥王星大气的成份、浓度和温度分布。

(4)太阳风测量仪(SWAP):主要用于测量冥王星附近的太阳风特性,分析从冥王星大气中逃逸出来的物质和逃逸速率,寻找冥王星周围的磁层。仪器内部有一个低能等离子体探测器,测量范围为30~7700电子伏。

(5)无线电科学实验仪(REX):当“新视野号”位于冥王星的背面时,地球上的控制人员开始向冥王星发射无线电波。由于无线电信号在穿越冥王星大气层时会产生一定的折射、畸变和时延,那些穿过冥王星大气层的无线电波被飞船上的2.1米直径高增益天线接收后,无线电科学实验仪就会比较穿越冥王星大气前后的信号特征,分析出大气中气体分子的成分、密度、温度及大气结构,绘制冥王星大气层从高空到表面的温度和密度曲线。

当探测器近距离飞掠冥王星时,无线电科学实验仪可以切换到辐射探测模式,直接测量冥王星发射的微弱的微波辐射,精确测量冥王星向阳面和背阴面之间的温度变化。

(6)能量粒子谱仪(PEPSSI):该仪器由带电粒子探测器组成,可以测量质子、离子、电子等带电粒子的成分和密度等特性。通过探测大气层顶部的中性粒子被太阳风激活而逃离大气层的现象,推算大气化学成分。

(7)学生尘埃计数器(SDC):由科罗拉多大学的学生在专业航天人员的指导下制造的,主要用于测量整个飞行过程中星际尘埃粒子对“新视野号”的撞击情况,包括粒子的大小、数量、撞击飞船时的方向和飞行轨迹等。这些尘埃粒子主要来自从彗星逃逸的物质和柯伊伯带天体相互碰撞产生的残片。

未完待续,太阳系最初的秘密究竟何解?行星际超远距离飞行有什么要诀?敬请关注下文。

关于

本文以发表于饶毅、鲁白、谢宇三位学者主编的《赛先生》微信公众账号:iscientists,欢迎个人转发分享,刊物和机构如需转载,请联系授权事宜:243155190@qq.com

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12 Responses to ““新视野号”远征冥王星(上)”

  1. jimmyfluore说道:

    国际天文学联合会做了一件不利于天文学普及的事情,就好比一个蹩脚的传教士,一直在故意宣传其教义中与常理相悖的内容。即使真理掌握在这些科学家手中,他们也本应采取一些更妥协、更灵活的方式,就如同让大众接受转基因一样,难点不一定是单纯的科学问题。
    我认为,行星不应有一个科学的定义,因为它的文化含义经常要超过其科学含义。决定一个天体是不是行星,除了绕太阳公转之外,只有看是否有很多人称之为行星。其实,九大行星和八大行星两种说法可以并存,甚至十二大行星这种说法也可以言之成理。

    • geister说道:

      刚开始起名字的时候可能根据直觉,或者看上去像什么就叫什么。但东西多了尤其纳入科研范畴之后,就必须明确、普适、规范。不然可能能够迎合部分人的知识体系,但不利于整个科学界的交流和发展。这跟语言文化的发展方式不同。后者是形成新的习惯和共识之后自然而然就进化了。而科学是有了新发现之后必须重新审视之前理论的正确性。另外,请先耐心看完本文讲的是什么。

    • KendoKeats说道:

      别的说法是啥样不知道,总之你说的无足轻重。

    • hzh说道:

      不管你是八大行星还是九大,甚至是12大,你总需要一个定义的理由吧?

      • jimmyfluore说道:

        行星本身的词义就是“围绕太阳公转的天体”,这点无需重新定义。按照这个原有词义,八大行星意为排行前八的行星,九大行星意为排行前九,十二大行星意为排行前十二。传播也是科学发展的重要部分,这样一个原先已有较明确含义的词,必须慎重考虑其对大众态度的反应。如此重大的语义改变,居然是少数科学家在短短几天内做出的,没有铺垫,没有充分的讨论,相比来说,当年冥王星的命名过程比这个行星定义的过程要合法得多。我认为暂时收回行星的科学定义,然后让科学家,公众和媒体充分讨论,自然做出选择,几年乃至十几年年之后国际天文学联合会再顺水推舟决定这个行星定义,这样才是负责任的做法。

  2. NASA说道:

    携带的骨灰要是能发射到冥王星上就太棒了。我想这或许是对行星发现者的最大褒奖。

    • Illusiwind说道:

      噗,最大的纪念还差不多,褒奖什么的……还是别开玩笑了吧。

  3. Illusiwind说道:

    地球到冥王星的通信延迟大概在5小时左右,一个来回就10小时了。所以到地方就全靠它自己了。希望能成功吧~

  4. fooloo说道:

    冥王星的发现者汤博的一部分骨灰搭载在“新视野号”上,也将亲赴现场。真浪漫,有三体的感觉!

  5. 不知道说道:

    “新视野号”远征冥王星(下)在那里呀?