史诗般的旅程<br/>——“新视野”走近冥王星

史诗般的旅程
——“新视野”走近冥王星

2015-05-19诸葛言

天文爱好者 2015年2期

关键词：柯伊伯冥王星新视野

□ 诸葛言

史诗般的旅程
——“新视野”走近冥王星

□ 诸葛言

“此次抵达冥王星，感觉会像走进糖果店的小孩子一般兴奋。因为，冥王星、它的卫星以及太阳系中的这一区域存在如此多谜团。探索冥王星和柯伊伯带就像是对太阳系外层进行考古挖掘工作。通过考察这片区域，我们可以一窥行星形成的古老时代。”

——项目首席科学家斯特恩

“几十年来，我们一直认为冥王星是太阳系边缘的一个奇怪小天体，但现在我们知道它真的是通往柯伊伯带这个全新世界的大门，‘新视野’号将第一次对它们进行近距离观察。”

——美国约翰•霍普金斯大学项目科学家哈尔•韦弗

“在过去，每当我们目睹一个新世界，我们都会感到惊奇。”

——美国亚利桑那州洛威尔天文台行星科学家、项目组成员维尔•格朗迪

2015年1月15日，经过约9年长途跋涉的世界第一个冥王星探测器“新视野”（New Horizons），终于走到距离地球约47亿千米处，开始探测太阳系边缘的冥王星及其卫星，然后飞向柯伊伯带（Kuiper Belt），去寻找关于太阳系起源和地球生命起源的线索。

从睡梦中醒来

2014年12月7日，美国“新视野”从休眠中被唤醒，以准备执行探测冥王星任务。此时，它距离冥王星约有2.6亿千米，但距离地球已超过46.6亿千米，这意味着该探测器发送的信号要“走”上4小时26分钟才能传回地球。它从遥远的深空给地球传来的信号表明，“新视野”很健康，现正安静地在深空中漫游。这次唤醒是一次分水岭事件，标志着“新视野”此行的主要目的——2015年探索冥王星及其卫星的活动正式开始了。从此，“新视野”将一直保持“清醒”状态，直到2015年7月14日，它在这一天抵达距离冥王星的最近位置。

“新视野”是于2006年1月20日升空的，飞到木星以后的几年时间里，“新视野”上的绝大部分仪器处于休眠状态，以便节约电力、延缓设备老化并降低运营开支。不过，每隔几个月，其上的设备都会定期被唤醒以便接受例行检查及轨道校正和仪器校准，或者是执行一些特定的任务，比如2007年路过木星附近时，“新视野”对木星进行了考察。“新视野”的科学探测设备都由放射性同位素热电式发电机（RTG）供电，这一核电源提供的电力仅能供一对100瓦灯泡使用，却可支撑近6个月的探测任务。此外，“新视野”还会每周发回一个信号，它被称作“绿色信号灯”，其目的是让控制人员知道它还活着，没有死掉，它只是睡着了。

用宇宙神-5火箭发射“新视野”

“新视野”于2007年2月飞越木星时拍摄的木星和其卫星的图像。

拯救冥王星计划

由于冥王星离地球较太阳系的其他行星都远，探测它很困难，所以以前一直没有探测器走近过它。经过多年酝酿和研究，2006年1月20日，美国终于发射了“新视野”冥王星探测器。这个三角钢琴般大小的探测器以5.79万千米/小时的速度飞行，即接近第3宇宙速度，因此成为人类有史以来发射的最高速探测器。它在发射后9小时内就飞过了月球，而当年美国“阿波罗”登月飞船飞往月球用了3天时间。“新视野”飞了13个月时间就抵达了木星，然后借助木星的巨大引力进一步提速，以更高的速度飞向遥远的冥王星。

这一切来之不易。早在20世纪90年代末，美国航空航天局曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”的计划，内容是探测冥王星和其卫星卡戎以及柯伊伯带天体。它原计划于2004年12月18日发射，但由于研制经费超支等多种原因被美国航空航天局勒令下马了。

不过，此举遭到了很多天文学家的激烈反对，他们坚持要让探测冥王星计划再次上马。美国行星学会还发动了“拯救冥王星计划”运动，最后美国航空航天局终于改变了策略，于2000年12月20日发表了声明。他们将不采用原计划，而是向全球征集新的方案，并提出了比较苛刻的要求：一是要在2015年前飞抵冥王星，另一个是花费金额不能超过5亿美元。公开征集截止日期是2001年3月19日。公开地由美国航空航天局之外的研究小组参与太空计划的竞标，这在美国历史上还是首次。评论家们认为此举是为了堵住批评者的嘴。

在许多方案中，最后来自美国西南研究院和霍普金斯大学应用物理实验室的一个联合小组提出的“新视野”计划被认可。该计划总预算额为4.88亿美元，它能发回比原来的“冥王星-柯伊伯快车”计划多10倍的观测数据，如果2006年2月以前发射，它能于2015年夏天抵达冥王星。于是，美国航空航天局2001年12月宣布，重新启动冥王星探测计划。

“新视野”计划要按时完成，其最关键的理由是这样探测冥王星的机会只有经过200年以后才能有第2次。2004～2006年是最后的发射冥王星探测器的最佳时间。为此，科学家们争分夺秒地研制“新视野”探测器。

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陌生的美丽新世界

◆ 唯一一颗未被人类探测器造访的“大行星”

冥王星在远离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空中蹒跚前行，1930年首次进入人类视野，此后被当作太阳系第九大行星。在20世纪太阳系航天探测的黄金时代，九大行星中已有8颗被行星际探测器近探过，只有冥王星是航天器未涉足的死角（“新视野”于2006年发射升空，当时冥王星仍然还被视作一颗大行星）。但国际天文学联合会于2006年对大行星重新定义，冥王星正式降格为矮行星。冥王星体积很小且与地球相距遥远，又从未被地球探测器近距离造访，因此显得更加神秘。

◆ 冥王星有多少卫星？它也有美丽的光环吗？

在各种天文书刊中给出的行星参数表上，冥王星这一栏留下的空白最多，即使被列出数据有不少也被打上问号。迄今为止，我们知道冥王星有5颗卫星，它们分别是冥卫一(Charon)、冥卫二(Nix)、冥卫三(Hydra)、冥卫四(Kerberos)和冥卫五(Styx)。根据一项最新的模拟研究显示，冥王星周围可能还隐藏着多达10颗或更多的小卫星尚未被发现。这样“新视野”便有更多的目标要去观测了。事实上“新视野”号探测器的任务目标之一便是要去探查冥王星是否还有其他未被发现的卫星，以及查明冥王星是否拥有光环系统。

◆ 冥王星可能隐藏着有关柯伊伯带古老冰雪世界的秘密

早在20世纪50年代，柯伊伯和埃吉沃斯就预言：在海王星轨道以外的太阳系边缘地带，充满了微小冰封的物体，它们是原始太阳星云的残留物，也是短周期彗星的来源地。冥王星是柯伊伯带最大的天体之一，这是一个遍布大量冰冻小天体的寒冷区域，散布在海王星轨道外侧的太阳系边缘地带。这些天体自从行星形成之初便已经存在，因而它们是最初的遗骸，能够帮助天文学家了解我们太阳系的历史和起源。作为一颗冰雪矮行星，冥王星是漫游在太阳系外数十亿冰球的原型，因而冥王星可能隐藏着有关这些古老冰雪世界的秘密。比如说，观察冥王星表面是否存在撞击坑，或者撞击坑的多少，将能帮助科学家们判断柯伊伯带天体之间相互碰撞的频率。

我们迄今拥有的最佳冥王星图像——由哈勃空间望远镜在2002年至2003年之间拍摄，图像中的明暗结构可能显示冥王星地表的成分变化。2015年5月，“新视野”拍摄的冥王星图像质量将超过哈勃空间望远镜。

供电来自钚丸

“新视野”的主要任务有两个，一是探测位于太阳系边缘的冥王星及其卫星卡戎；二是探测位于柯伊柏带的小行星群，它预计2016～2020年飞越柯伊柏带。目前，已经发现的柯伊伯天体超过1000多个，如果人类对那里了解不够的话，就很难说了解了太阳系。

主体形状犹如一块三角形三明治的“新视野”探测器装有放射性同位素热电发电机。这是由于冥王星距离太阳太过遥远，太阳光要经过4个多小时长途跋涉才能照到冥王星，而且其亮度只是地球上所看到的太阳光亮度的1/1000，所以在其漫漫征途中，“新视野”所需的电力无法由太阳能电池提供。为此，它依靠所携带的10.9千克钚丸提供稳定的电力。出于对太空遭核污染的担心，在“新视野”发射前夕，曾有数十名抗议者自发组织起来进行抗议。但据美国专家们解释说，该探测器的燃料箱非常坚固，发生意外灾难的可能性最多为1/300。就是发生了意外，核燃料外泄的可能性也仅为2%。另外，美国航空航天局和能源部事前也做好了一旦发生事故的准备。航空航天局已建立了16个移动跟踪小组，对核辐射进行检测，同时还部署了33个空气取样装置和监控器。不过，发射很顺利，没有任何意外发生。

“新视野”左边的黑色圆柱体为核电源。

“新视野”携带科学探测仪器示意图。“新视野”携带了7台科学探测仪器：3架相机分别用于拍摄可见光、红外线和紫外线照片（Ralph、LORRI、Alice）；3台光谱仪用来研究冥王星大气及地表物质的成分和温度（SWAP、PEPSSI、REX）；还有一部尘埃计数器(SDC)。

借力木星，轻装前行

外表倾斜的“新视野”探测器发射时的质量为453千克。这个看上去像一把短锹和铁锅组合的家伙一共携带了30千克的科学仪器和77千克的推进剂，后者用于在航行过程中修正轨道或是改变航向。由于可利用木星引力进行辅助加速，并且在冥王星附近无须减速，所以“新视野”没有携带过多的燃料。

该探测器高0.7米，长2.1米，最宽处约2.7米。推进系统包括16个单元肼推力器。通信采用X频段，包括一副直径2.1米的高增益碟型天线、一副中增益碟型天线和两副宽波束低增益天线。

“新视野”采用三轴稳定（科学探测阶段）和自旋稳定（巡航阶段）两种姿态控制模式。其中，自旋稳定控制模式用于轨道修正机动和巡航阶段的休眠期，额定自旋速率为5转/秒。它是世界上首个使用“深空网信标侧音”（beacon tone）系统的探测器，该系统曾在1998年的深空1号任务中进行了飞行验证。

由于冥王星与太阳相距太远，所以“新视野”有一些特点，例如，它的寿命必须很长，至少为10年以上；各分系统必须能耐得住低温，并且不能用太阳能电池为探测器提供电力。

2015年7月，“新视野”飞越冥王星和卡戎示意图。

延伸视域，拓荒天疆

“新视野”航行的头13个月的任务主要是通过遥测来检测探测器、校准仪器和修正航线。它于2007年2月底接近木星，飞到离木星最近处约227万千米的位置，即比“卡西尼”土星探测器还要接近的距离飞过木星，以借助木星的引力为自身加速到7万～7.5万千米/小时，然后以更高的速度直飞冥王星。此外，再利用飞越木星的机会，探测器顺便对这颗行星和它的20多个卫星进行为期4个多月的考察。

在2014年12月，“新视野”的所有系统已被唤醒，并开始对冥王星和卡戎进行测量。刚开始，冥王星和卡戎是不能分辨的亮点，但是随着探测器的逐渐靠近，就能看到越来越多的细节。

当“新视野”距离冥王星约100万千米时，其上的各种设备就要开始工作，对冥王星和其卫星进行全方位的探测，向地球传回图片。它和地球间的传输过程需要4小时25分钟。当“新视野”距冥王星还有16万千米时，其上的相机就可以开始绘制第一批地图。以后的几个月里，它将不断地拍摄照片，进行光谱测量。如果那时冥王星的大气是冻结的，“新视野”还能够观测到季节的变化。

“新视野”与冥王星的最近距离将为9600千米；与其卫星卡戎的最近距离为2.7万千米。处于最近距离的时间约半个小时。此间，探测器将用可见光和近红外相机拍摄最为清晰的冥王星和卡戎“特写”，最清晰时，能分辨冥王星上达60米的地貌！斯特恩说，如果以这样的距离飞过地球，我们将能够从探测器拍摄的图像上分辨出纽约的中央公园。

2015年5月，“新视野”拍摄的冥王星图像质量将超过哈勃空间望远镜。而到了7月份，这个探测器或许将拍摄到冥王星上漂浮的云层或冰火山喷发，科学家们认为这类现象可能存在于冥王星表面。

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“新视野”吸引公众关注的目光

2005年，美国霍普金斯大学等单位联合发起了一个征集问候的活动，向全世界天文爱好者开放。人们只需要访问为此设立的一个网页，就可以将自己的名字输入一张名为“飞向冥王星”的电子卡片内，让自己的问候搭载在“新视野”上一起飞向地球在太阳系边缘的遥远“亲戚”。活动期间共征集到了超过43万人的问候。所有这些人的姓名都刻在了一张光盘上，已经放入探测器内。人们可以在霍普金斯大学有关此项目的网页上检索，查看自己的姓名是否被收入其中。这是美国航空航天局吸引公众关注宇宙探测器发射的主要手段之一。

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冥王星上有“雾霾”？

“新视野”对冥王星的飞掠观测将持续6个多月，在那之后它将逐渐远离冥王星系统，不过按计划它还会向冥王星投向最后一瞥，在冥王星从太阳面前经过时，它还将调转镜头，观察冥王星的大气层结构，看看其中是否存在“雾霾”——此前这种现象已经在海王星的卫星海卫一上被观察到——后者在大小、大气以及地表成分方面均显示与冥王星之间的相似性。“新视野”甚至还有可能发现冥王星拥有一个类似彗星那样的粒子“尾巴”。（资料来自光明网）

携带人类信息，飞向遥远的恒星际空间

在考察过程中，“新视野”有可能存在着诸多的不确定性——或许那里还有更多卫星尚未被发现，甚至或许冥王星拥有光环。当近距离飞过冥王星时，观测采集的数据量将会异常庞大，探测器根本来不及向地球回传。因此它将会暂时存储这些数据，并在飞过冥王星之后1年多的时间里陆续向地球回传。

当飞离冥王星和卡戎后，“新视野”还将回视冥王星和卡戎最为阴暗的部分，这是观察冥王星大气中的雾及辨认冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。

“新视野”采用飞越方式来探测冥王星。那么，为什么“新视野”不进入冥王星的轨道进行长时间观测呢？其原因有两个。一是其飞行速度必须非常快，这样才能用9.5年时间到达距离地球约50亿千米的冥王星，因此，如果“新视野”要进入冥王星轨道，它必须将速度降低90%，这就要求多携带1000倍的燃料，而“新视野”所携燃料又不足以供减速和进入环冥王星轨道之用。二是如果进入冥王星轨道，“新视野”将无法继续前行，探测柯伊伯带。2015年7月14日，在完成对冥王星的考察工作之后，“新视野”将在2017～2020年进入柯伊伯带，探测至少2个直径为40～90千米的柯伊伯带天体，这一阶段可能会持续5～10年。柯伊伯带是一个位于海王星轨道外侧，散布大量冰冻小天体的稀疏环形区域。而在那之后，“新视野”上的计算机将会被重置，上传由“一个地球新视野信件”项目(One Earth：New Horizons Message)收集的有关地球的各种信息——由全世界各地的人们提交的各种材料——照片、声音、文字，甚至是计算机程序，“新视野”将带着这些来自地球上人们的各种信息一直飞向遥远的恒星际空间。