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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