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S. Alan Stern 文 Shea 编译

一个无畏的探测器正在加速前往2015年6月和冥王星的约会。

  2006年1月,美国宇航局的“新视野”探测器加速离开了地球,成为了有史以来发射的最快的空间探测器。2010年初,“新视野”越过了奔赴冥王星系统漫长旅途的中点。2011年3月,它穿过了天王星的轨道,开始最后一段漫长的航行——天王星和海王星之间间隔大约15亿千米。

  2015年7月14日,也就是在“水手”4号飞掠火星并对其拍摄特写照片的50年之后,“新视野”将抵达冥王星系统。在前后数月飞掠冥王星的过程中,它会比先前其他任何一个首次飞掠某颗行星的探测器更仔细地探测冥王星以及它已知的3颗卫星。

[图片说明]:冥王星飞掠。上图描绘了2015年7月14日“新视野”近距离飞掠冥王星和冥卫一的场景。没有人知道当我们从近处看冥王星时会看到什么,但根据过去行星探测的经验,科学家预期结果肯定是会让人吃惊的。版权:Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute (JHUAPL/SwRI)。

  在完成了对冥王星的探测任务之后,“新视野”会启动它的引擎,前往另外两个较小(直径40~50千米)但却古老的柯伊伯带天体。

  对柯伊伯带未知领域以及其中冥王星的探测将会为太阳系的构建过程、巨行星的形成、彗星的特性乃至地球和火星可能获得水以及其他挥发性化合物的方式提供重要的认识。此外,“新视野”还将揭示冰质矮行星的属性。尽管对类地行星和巨行星已经有了50年的机器人探测历史,但这一类新的天体还未曾被探测过。到2019年或者2020年“新视野”完成它的所有任务之际,它将翻开探测器探访太阳系第三同时也是最遥远区域的新的一页并且(有望)改写教科书。

强力出击

  2001年美国宇航局开展了一项冥王星-柯伊伯带竞赛,“新视野”从中脱颖而出。2003年美国国会和宇航局批准通过了“新视野”计划。它的目标很简单,飞掠冥王星及其最大的卫星冥卫一,并且前往探测形成于行星诞生时期的小型柯伊伯带天体。

  美国宇航局要求这一任务必须完成三大基本目标:在全色和单色通道对冥王星和冥卫一进行完全勘测、探测冥王星和冥卫一表面的组成以及分析冥王星大气的成分、结构和逃逸率。美国宇航局还要求(尽管并不强制)这一任务要能搜寻冥王星系统的其他卫星以及光环,提供地貌的立体信息,测量冥王星和冥卫一不同地区的温度,探测冥王星的电离层,并且搜寻冥卫一周围的大气。由于这些已设定的目标以及由我和Hal Weaver所领导的小组发现了冥王星的另外两颗小卫星冥卫二和冥卫三,“新视野”团队和美国宇航局把对这两颗卫星的探测也加入到了探测目标之中。

[图片说明]:四合一。当“新视野”抵达它的主要目的地的时候,它会遇到4个天体:冥王星和它的3个卫星。这张哈勃空间望远镜的照片从左到右显示的是冥王星、冥卫一、冥卫二和冥卫三。“新视野”将使得天文学家可以检验这3颗卫星是由几十亿年前一个大型的天体和冥王星相撞而产生的主流理论。版权:NASA/ESA/H. Weaver (JHU/APL)/A. Stern (SwRI)。

  在“新视野”对冥王星系统为期6个月的观测中,它以及它所携带的8台科学仪器将会实现所有这些目标。我们团队也计划探测冥卫二和冥卫三的地质特性以及表面组成,精确测量冥王星、冥卫一、冥卫二和冥卫三的半径和质量,并且分析冥王星周围乃至柯伊伯带更深层中的带电粒子、尘埃以及空间等离子体环境。

  而要完成所有这些任务的“新视野”其体积并不比一架钢琴大多少,重量也不超过0.5吨(包括所有的燃料)。在如此小的空间里装载了冗余计算系统、导航系统、通讯系统、推进系统、能源分配系统、恒星跟踪器、陀螺仪、核能发生器以及8台科学仪器。“新视野”可以在它的储存器上存放多达160千兆字节的数据,其成像指向精度也好于1个角秒。

  这8台仪器包括了2台成像仪、2个分光仪、2台等离子/带电粒子设备、1个射电科学套件以及1个用于探测太阳系行星际空间的尘埃计数器。得益于技术的进步,“新视野”的载荷将对冥王星系统进行长时间的细致研究,远远超过20世纪80年代“旅行者”2号对天王星和海王星探测所取得的成就。

“新视野”的8台仪器

可见多色成像照相机(Ralph MVIC)
在全色和在蓝、红、甲烷以及近红外波段上中等分辨率成像。

线性校准成像光谱阵(Ralph LEISA)
近红外成像和分光仪,将会提供组成和热分布图。

冥王星星周太阳风(SWAP)
太阳风和等离子体分光仪,将会测量冥王星的大气逃逸率并且观测冥王星和太阳风的相互作用。

远距离勘测成像仪(LORRI)
望远镜头照相机将会在远距离上获得交会的数据,探测冥王星的远端,并且提供交会半球的高分辨率地质数据。

学生尘埃计数器(SDC)
由学生制造、运作,它将测量“新视野”在行星际航行中所遇到的空间尘埃。

紫外成像分光仪(Alice)
将会分析冥王星大气的组成、结构以及逃逸率,寻找冥卫一以及柯伊伯带天体周围的大气。

冥王星高能粒子谱仪科学研究(PEPSSI)
高能粒子谱仪将测量从冥王星大气逃逸出的离子的组成和密度。

射电科学实验(REX)
将会测量大气压强和温度,并做为热研究的被动辐射计,还将精确测定冥王星和冥卫一的质量。

[图片说明]:小探测器。来自美国应用物理实验室的技术人员在美国宇航局肯尼迪航天中心于发射前为“新视野”安装一个面板。“新视野”并不比一架钢琴大多少。版权:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute (NASA/JHUAPL/SwRI)。

主要任务

  “新视野”是美国宇航局“新前线”系列行星任务的第一个。在2007年2月和3月,也就是发射之后差不多1年,“新视野”借助飞掠木星加速,并对木星、木星的伽利略卫星、木星光环系统以及它的磁层进行了超过700次的科学观测。

  现在,“新视野”依然在路上且状态极为良好。它的后备系统无一开启,每一台科学仪器都工作在或优于标准要求。“新视野”同时也携带了足够的燃料,这使得它可以在柯伊伯带中从距离太阳32个天文单位(与冥王星相遇)到55个天文单位(当地的柯伊伯带天体数量会骤减)间进行长途飞行。

  但是“新视野”的主要任务是与冥王星系统的交会。我们会在彩色和黑白两个通道上勘测冥王星及其卫星,探测它们表面的成分,测量它们的表面温度、研究它们表面的反射率随地点的变化。分辨率达到1千米的地质图将会超过先前任何一个首次飞掠某颗行星的探测器所能达到的勘测水平。此外,我们还会对冥王星上选定的某些地区进行分辨率大约为100米的高分辨率成像观测。“新视野”还会分析冥王星大气的温度和压强,确定其组成气体小到百分之几的摩尔比。我们还会测量大气的逃逸率和逃逸离子的组成,仔细搜寻冥王星大气中的云、雾和喷发。在离开冥王星的时候还将进行一个精彩的实验,我们将观测冥王星被来自冥卫一柔和的光线所照亮的背阳的一侧。

[图片说明]:木星交会。2007年2月28日“新视野”飞掠木星,最近距离230万千米。“新视野”获得了引力助推,使得它相对于太阳的速度增加了近每小时14,400千米,其轨道也向黄道面之外翘起了2.5°。在与木星交会的过程中,“新视野”拍摄了木星大红斑(上)以及木卫一(下)的照片。版权:NASA/JHU/APL/SwRI。

  我们的任务团队已经完成了交会过程中最主要部分的详细计划。整个过程将持续9天,其中2015年7月14日“新视野”将到达距离冥王星表面10,000千米的最近点。“新视野”团队也已经完成了覆盖整个2015年6月和7月的接近和离开阶段以及始于2015年1月到2015年6月间远距离接近阶段的基本计划。

  总而言之,“新视野”将从2015年1月到7月对冥王星及其卫星进行研究。这并不是“匆匆而过”,而是对整个冥王星系统、它的空间环境以及可能尚未被发现的小卫星进行长时间、深入研究的一个过程。

  这一交会过程会探测塑造矮行星表面、驱动它们内部活动的过程,矮行星表面成分随地点的变化以及矮行星上活动的特性和范围。“新视野”还会帮助了解发生在冥王星、其他矮行星和年轻地球大气中的流体力学逃逸过程。

  此外,其独一无二的一面是“新视野”将根据公众的建议对冥王星及其卫星进行一系列的观测。这些我们计划的特别观测是由“Unmanned Spaceflight.com”论坛的成员、高级业余行星科学家们提出的。这些观测包括了冥王星及其卫星的全家福以及靠近冥王星边缘的呈月牙状的冥卫一。

揭秘冥王星的大气

  天文学家一直怀疑冥王星有大气,这一大气还有可能会在冥王星248年的偏心轨道运动中发生变化。但直到1988年当美国麻省理工学院的Jim Elliot观测冥王星掩星时才证明了这一点。这一掩星事件显示,冥王星大气的温度大约是它表面的2倍,其中还有薄雾存在。冥王星的大气甚至还具有极高的逃逸率,在地质学时标下冥王星数千米厚的表层可能已经被侵蚀并流失入了太空。

  从那时起,天文学家又观测了其他十几次掩星。这些事件揭示出冥王星的大气压——只有几十微帕——已经相对于1988年的水平上升了大约3倍。它们还揭示出了冥王星大气中存在波以及其他有趣的动力学现象。最近的掩星事件还发现了冥王星大气甚至可能偏向了一侧。

  “新视野”上尖端的可见光、射电以及紫外仪器将会首次清晰地测量冥王星大气的压强,发送回冥王星大气结构和组成的精确细节,并且确定薄雾和云在冥王星全球的分布范围。但也许“新视野”最令人激动的发现完全是出乎所有人意料的,这也正是空间探测的意义所在。

系好安全带

  在探测了冥王星系统之后,“新视野”在接下去的5年时间里将穿行于柯伊伯带之中。我们有足够的燃料飞掠“新视野”轨道附近1个或者2个柯伊伯带天体。对这些目标柯伊伯带天体的搜寻目前正在进行中,虽然我们希望能在2012年前找到飞掠的候选目标,但最终的决定将在2015年获得了更多的数据之后做出。当“新视野”飞掠柯伊伯带天体的时候,会尽可能的靠近它,距离可能会在25,000千米之内,我们会像和冥王星一样对其表面和大气进行研究。事实上,我们所有的科学仪器都是针对在距离太阳55个天文单位的地方进行探测并发回优良结果而设计的。

[图片说明]:发射升空!2006年1月19日“新视野”使用“大力神”V型火箭从美国卡纳维拉尔角空军基地发射升空。当最后一级引擎关闭时,它相对于地球的运动速度达到了每小时58,537千米,以这个速度抵达月球轨道只用了9个小时。版权:NASA。

  当你读到这些文字的时候,“新视野”距离开始2015年与冥王星的相会还有超过1,800天的时间和15个天文单位的距离。但我们已经越过了整个漫长旅程的中点。2012年和2013年“新视野”将进行飞掠预演,同时我们也为2014年的后备演练(如果需要的话)预留了时间。

  如果一切按计划进行的话,到这个十年中美国宇航局的探测器就将完成对太阳系中九大“经典”行星的探测,它将会让我们领略到太阳系中行星的多样性和丰富多彩。这一首次探访新前线的任务也已经吸引了孩子们和公众对大自然的美丽以及科学技术的无尽畅想。

  今天,“新视野”会朝向它的目标运动大约160万千米,明天、后天、大后天也是如此。请系好安全带!对一类全新的行星的探测即将到来!

S. Alan Stern是美国西南研究所的行星科学家,也是“新视野”的首席科学家。他曾是领导美国宇航局所有空间和地球科学的前副局长。他也是《冥王星和冥卫一》一书的共同作者之一(另一个作者是Jacquline Mitton)。

(本文已刊载于《中国国家天文》2010年第6期)

[Sky & Telescope 2010年6月]

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7 Responses to ““新视野”:行程过半”

  1. 二手科学家说道:

    坐下来慢慢看

  2. 冠东说道:

    我记得当年那个杂志讲了它的发射,不过那时是译作“新地平线”号的吧

  3. 饮血的祭司说道:

    看到这些人类的先进成果,就一阵激动

  4. cqibong说道:

    每小时58,537千米,每秒16.2602778千米,光速的0.00542%。

  5. EricZhang说道:

    Shea大侠重现江湖。。好喜欢Shea翻译的文章啊~

  6. www说道:

    怪不得天线这么
    ,占了整个探测器结构大小的三分之一,远程探测

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