孫正凡

NASA“新視野號”拍下冥王星首張彩色照。

有句話說“太陽底下沒有新鮮事兒”，好像我們?nèi)祟愂裁炊家娮R過了。實際上，隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進，太陽底下的新鮮事兒越來越多了。就不說宇宙大爆炸這種匪夷所思的觀念取代了古人心目中的天圓地方或者“靜謐的宇宙”，就我們太陽系里，新聞也是日新月異。剛剛過去的7月14日，是法國國慶日，也是法國大革命227周年紀念日，可全人類的目光都被發(fā)生在48億千米之外的“新視野號”飛掠冥王星這件事兒吸引過去了，遙遠而冰冷的冥王星竟然還能爆出大新聞！

探索太陽系的重要一步

自1957年10月蘇聯(lián)第一顆衛(wèi)星升空，開創(chuàng)了太空時代以來，人類征服太空的激情就一發(fā)而不可收了。美蘇爭霸的太空競賽過程中，美國首先實現(xiàn)了把人類送上月球的愿望，6批12名宇航員在月球上進行了科學考察活動，并帶回了大批月球土壤和巖石樣本。與此同時，前往太陽系其他行星的旅程也已經(jīng)展開，1962年，美國宇航局的“水手2號”飛過金星。

前往宇宙旅行，要克服的困難因素除了嚴酷的太空環(huán)境之外，還有漫長的空間距離，以及隨之而來的時間成本。我們在地球上旅行，最多不過上萬千米，飛機輾轉(zhuǎn)一兩天也就到了。但地球到太陽的距離（稱為“天文單位”），足足有1.5億千米;金星離我們最近的時候，距離約0.3天文單位，也就是近5000萬千米;土星軌道半徑9.5天文單位，海王星軌道30天文單位。這些枯燥的數(shù)字對航天技術(shù)提出了極高的要求。因此20世紀航天技術(shù)的發(fā)展也是科學創(chuàng)新的黃金時期，今天我們生活中從計算機芯片到生物技術(shù)，許多都是從航天探索轉(zhuǎn)化而來的。

20世紀前往太陽系各大行星的航天探索，讓人類第一次弄清楚太陽系的結(jié)構(gòu)。簡單地說，我們的太陽統(tǒng)領(lǐng)的區(qū)域可以分成三個區(qū)：第一區(qū)是水星、金星、地球、火星，它們都是金屬內(nèi)核的石質(zhì)行星，第二區(qū)是木星、土星、天王星和海王星，它們都是以氣體為主的巨行星，第一區(qū)和第二區(qū)之間是小行星帶;海王星以外的區(qū)域，也就是離太陽距離超過30天文單位，是以冥王星為代表的柯依伯帶和更遠的奧爾特云，這里物質(zhì)以冰冷的水冰和塵?；旌衔餅橹?，是我們所見到的彗星的來源。

1977年發(fā)射的旅行者2號探測器本來已經(jīng)把冥王星列入探測計劃，但為了更清楚地拍攝土星光環(huán)和土衛(wèi)六，以及海王星的衛(wèi)星，美國宇航局臨時改變了它們的軌跡，使它早早偏離了黃道面。這也讓遙遠而陰暗的冥王星成為迄今“還沒有被航天器探測的行星”，從探測上來說，這里是太陽系名副其實的“邊疆”。

“新視野號”探測器是美國宇航局，也是人類發(fā)射第一個前往冥王星的探測器。它的目標是為了探測冥王星和它的幾顆衛(wèi)星，以及它們所處的柯伊柏帶其他天體。這些目標既遙遠且暗淡，就連著名的哈勃太空望遠鏡也只能看到不太亮的光點，難以看清細節(jié)?！靶乱曇疤枴钡陌l(fā)現(xiàn)將直接改變我們對太陽系的已有認識，有助于了解太陽系的形成和演化，甚至我們自身的由來。

1990年代末，美國宇航局曾制定了一個名為“冥王星-柯伊伯快車”探測計劃，后來由于研制經(jīng)費超支等原因，又宣布取消該計劃。這種“出爾反爾”的舉動引起很多天文學家的強烈抗議，美國行星學會甚至發(fā)動了“拯救冥王星計劃”的運動。冥王星的軌道為橢圓形，周期長達248年，根據(jù)測算，2015年正好是探測冥王星的絕佳時機。一旦錯過，這種快速抵達冥王星的機會只有百年之后才有了，因此2004～2006年是發(fā)射冥王星探測器的最佳窗口期。最終，美國宇航局在2000年12月宣布公開征集方案，重新論證冥王星計劃，這也是美國宇航局歷史上首次向全球公開征集太空探測方案。被采納的方案由美國西南研究院和霍普金斯大學聯(lián)合設(shè)計，總預算為4.88億美元，命名為“新視野號”，2006年1月19日在佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射成功。

“新視野號”是迄今為止飛得最快的航天器，借助大行星加速的方法，它升空還不到9年半就抵達了冥王星。之前的旅行者2號用了12年時間才到達海王星?！靶乱曇疤枴泵棵胨俣?6公里，即每小時速度達到5.7萬公里，如此之快的速度意味著它只能從冥王星身旁掠過，無法停留。因為如果要減速繞冥王星飛行的話，至少需要增加上千倍的燃料，成本極其高昂。好在“新視野號”為了這次相遇做了充足的準備。

“新視野”號探測器的設(shè)計，遵循了美國宇航局推行小型化、低成本、多功能的特點。它發(fā)射時的質(zhì)量為453千克。探測器大小像一架鋼琴，主體呈三角形，最寬處約2.7米。航天器全部動力來自一臺放射性同位素熱電機，利用放射性同位素钚（二氧化钚）自然衰變時所釋放出來的熱能發(fā)電。由于冥王星距離太陽太遠，陽光抵達冥王星需要4小時，那里的太陽能只及地球千分之一，太陽能電池無法以提供足夠能量，因此核能電池是唯一的選擇。

科學儀器是太空探測器的“眼睛”?！靶乱曇疤枴睌y帶7種科學儀器，總重30千克。其中3臺光學儀器，分別拍攝可見光、紅外和紫外圖像，分析研究冥王星和冥衛(wèi)地表圖像和光譜，分辨目標的物質(zhì)成分。另外4臺儀器通過測量無線電波和粒子譜儀，用于測量冥王星大氣，以及環(huán)境中的太陽風、能量粒子和塵埃。

值得一提的是，“新視野號”還攜帶了許多奇怪的事物。一張名為“送你的名字去冥王星”的光盤，存儲了約43萬人的名字，這些名字是2005年向全球科學愛好者征集而來;一張記錄著“新視野號”團隊成員照片的光盤;兩枚25美分硬幣，來自馬里蘭州和佛羅里達州，“新視野號”就是分別在這兩個州建造和發(fā)射升空的;兩面不同年代的美國國旗;第一艘私人資助的載人航天器“太空船一號”（2004年進入太空）的一塊切片;一枚1991年的美國郵票，文字標志是“冥王星：尚未探測”;冥王星發(fā)現(xiàn)者克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）的一部分骨灰。這些物品一共是9件，以陪襯冥王星的太陽系第9大行星的地位——至少在湯博生前如此。可是，在“新視野號”升空僅僅半年之后，這個地位就被改變了！

冥王星的發(fā)現(xiàn)者——洛威爾天文臺時年僅24歲的觀測助理湯博。

冥王星和它的地位爭議

2015年7月14日，美國馬里蘭州Laurel，美國約翰·霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室的科學家慶祝NASA“新視野號”探測器飛掠冥王星。

20世紀初，一位熱心的搜尋者是美國富翁、業(yè)余天文學家洛威爾（Percival Lowell），他出資在亞利桑那州旗桿市建立了洛威爾天文臺。1930年，洛威爾天文臺年僅24歲觀測助理湯博，利用閃視對比儀（一種可以迅速對比兩張照片不同之處的儀器，就像“找不同”游戲）對比了幾個月時間里拍攝的夜空照片，發(fā)現(xiàn)了一個在夜空中逐日移動的小光點，經(jīng)過連日觀測，于2月18日宣布發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星！根據(jù)一位美國小女孩威妮夏·伯尼（Venetia Burney）的建議，這顆新的行星被命名為冥王星（Pluto，即希臘-羅馬神話里的地獄之王）。冥王星的發(fā)現(xiàn)20世紀初美國最重要的科學貢獻之一，美國人對此充滿自豪，甚至稱冥王星為“美國行星”。

1978年7月，美國海軍天文臺的J.克里斯蒂在研究冥王星的照片時，偶然發(fā)現(xiàn)冥王星小小的圓面不太規(guī)則，略有拉長。他立即把天文臺1970年以來拍攝的冥王星照片都找了出來，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象是有規(guī)律地出現(xiàn)的，于是他斷定冥王星有一顆衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星被命名為卡戎（Charon），即冥衛(wèi)一?？ㄈ值墓D(zhuǎn)周期與冥王星的自轉(zhuǎn)周期一樣都是6.39日，它們兩個始終以同一半球相對。

地面望遠鏡拍攝的光譜顯示，冥王星和冥衛(wèi)一都是以冰為主，表面溫度接近零下240攝氏度，覆蓋著固體的甲烷，它有一層薄薄的大氣。根據(jù)目前資料可以知道，冥王星直徑約2368千米（地球為12630千米），質(zhì)量卻僅有地球的0.21%，冥衛(wèi)一直徑相當于冥王星的一半，因此二者甚至可以看成雙行星系統(tǒng)。2005年，“冥王星伴侶搜索隊”的天文學家通過哈勃太空望遠鏡觀測到冥王星的兩顆新衛(wèi)星，取名為冥衛(wèi)二（尼克斯）、冥衛(wèi)三（許德拉），直徑為幾十到幾百千米，2011、2012年哈勃望遠鏡又發(fā)現(xiàn)冥王星的第四、第五顆衛(wèi)星，取名為冥衛(wèi)四（地獄三頭犬）、冥衛(wèi)五（冥河），這兩顆衛(wèi)星估計至多幾十千米。

除了行星之外，拖著長尾的彗星來源也是天文學家思考的問題之一。經(jīng)過對數(shù)百個彗星的統(tǒng)計，1950年代，天文學家柯伊伯和奧爾特分別預言：在海王星軌道以外35～1000天文單位，以及5萬～10萬天文單位，存在原始太陽星云的殘留物，它們受干擾之后進入太陽系內(nèi)部成為彗星，這兩個巨大的“冰庫”，被稱為柯伊伯帶和奧爾特云。冥王星實際上是被發(fā)現(xiàn)的第一個柯伊伯帶天體，只不過當時人們還沒有意識到，一直把它當作大行星。

1992、1993年，麻省理工學院的天文學家大衛(wèi)·朱維特發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶天體小行星15760和181708，從而證實柯伊伯帶的存在。2005年，米高·布朗等三位天文學家又發(fā)現(xiàn)了一顆天體，直徑2326千米，質(zhì)量約為地球質(zhì)量的0.27%，比冥王星重約27%，它的個頭質(zhì)量都超過冥王星，可距離比柯伊伯帶還遠（97天文單位）。這個與冥王星類似的天體發(fā)現(xiàn)引起了天文學家們激烈爭論，深刻動搖了冥王星的大行星地位。因此這顆天體被稱為鬩神星（Eris，羅馬神話的不合女神）。 由于鬩神星的體積比冥王星大，曾經(jīng)被考慮接納成為太陽系的第十顆行星。但隨著觀測發(fā)現(xiàn)日新月異，柯伊伯帶天體數(shù)量已經(jīng)超過1000個，實際的天體數(shù)量可能超過10萬個，而且多個天體與冥王星大小相近，不可能全部承認為行星。

因此鬩神星的發(fā)現(xiàn)提出一個問題，“行星”這個名詞其實從未給出過明確定義。2006年8月，國際天文聯(lián)合會第26屆大會通過第5號決議給出了明確的行星的定義：行星不是衛(wèi)星，是繞恒星運轉(zhuǎn)、質(zhì)量足夠大使之成球體的天體，它必須具有清除軌道區(qū)域內(nèi)大小相當天體的能力。另外，符合前幾條但不能符合最后一條要求的天體，就稱為矮行星。因此冥王星由此被降級為矮行星（同時獲得小行星編號134340），我們從小所熟知的太陽系九大行星被改寫為八大行星。谷神星、鬩神星、鳥神星和妊神星也先后加入了矮行星的行列。當然這個決議最為不滿的，當數(shù)冥王星發(fā)現(xiàn)者湯博的美國同胞，有些美國城市甚至拒絕承認冥王星被降級。

今天如果重新表述“新視野號”的任務(wù)，那就可以簡單地說，是為了前往太陽系里的新大陸——柯伊伯帶。

飛向遙遠的未來

在“新視野號”的旅途中，經(jīng)過與小行星132524 APL一個短暫的相遇后，“新視野號”飛掠木星，既獲得了加速，又對探測器性能進行了全面測試。前往冥王星途中，航天器是處于休眠模式度過，以保護航天器上的系統(tǒng)，途中累計休眠1873天，相當于飛行時間的三分之二。 事實上，此前科學家只能憑借望遠鏡觀測到的光譜猜測遠在柯伊伯帶中的冥王星是什么樣子，“新視野號”第一次對近距離觀察，將會填補矮行星、柯伊伯帶知識的空白。

2015年7月14日，探測船最接近冥王星。探測船將在冥王星南半球約9，600公里處高速掠過。冥衛(wèi)一卡戎屆時在冥王星另一側(cè)，探測船需經(jīng)過冥王星后，回頭再探測卡戎。飛離冥王星后，探測船觀察工作持續(xù)10個星期，對冥王星的探測則于9個月后結(jié)束。

由于距離太遠，即便是以光速傳播，“新視野號”的信號到達地球也要4個多小時。但實際上因為信號微弱，數(shù)據(jù)實際傳輸速度還不到2kb/s，因此，“新視野號”發(fā)出的信號，是在經(jīng)歷了13個多小時的太空旅程后，才來到地球。

“新視野號”拍攝的圖像要比哈勃望遠鏡觀測的分辨率還高10萬倍。它傳回的冥王星的照片刷爆了整個網(wǎng)絡(luò)和社交媒體。最令人感到驚喜的是，冥王星上最顯眼的特征是一個心形的淡色結(jié)構(gòu)，這可能意味著這里的冰含量比較高。網(wǎng)友們紛紛驚呼：冥王星名字如此冷酷，長相卻如此可愛。美國宇航局宣布心形斑有了自己的名字，叫湯博，這就冥王星發(fā)現(xiàn)者的名字?！靶乱曇疤枴鲍@得的最新數(shù)據(jù)表明，冥王星直徑為2370+/-20千米，比之前的結(jié)果稍大一些;鬩神星為2336+/-12千米。

于是冥王星保住了柯伊伯帶最大天體的地位（但這不能讓它獲得恢復行星地位的權(quán)利）?！靶乱曇疤枴鄙踔吝€發(fā)現(xiàn)，冥王星上擁有年齡僅僅為1億年的山脈，這讓天文學家們都大吃一驚，繼而疑惑不解。探測器還發(fā)現(xiàn)有很多離子氮從冥王星上逃逸出來，比預料中的快很多。這要么意味著大氣逃逸率比預想的高，要么意味著有什么別的機制在起作用。總之，今后關(guān)于冥王星的介紹要大大更改了。

除了冥王星以外，太陽系外圍的這片尚未被探測的區(qū)域，可能還擁有成千上萬顆類似的冰凍巖石小星球，這就是“新視野號”的下一個目標?！靶乱曇疤枴比蝿?wù)團隊申請到了寶貴的哈勃望遠鏡觀測時間，在人馬座方向上進行了大海撈針式的搜尋，因為柯伊伯帶天體非常小，非常暗，極難辨認。目前已經(jīng)確定了兩顆候選者，名為“2014 MT69”，和“2014 MT70”，這兩顆天體距離冥王星約37億千米，探測器只需要消耗較少的燃料就可以抵達，但無論與哪個相遇也要等到2019年。

柯伊伯帶位于太陽系的邊緣，寒冷而陰暗，但這里是太陽系的新大陸，“新視野號”的發(fā)現(xiàn)將極大地改變我們對太陽系結(jié)構(gòu)的認識。太陽系不僅有行星，還有數(shù)以億計的小天體，包括小行星、矮行星等等，如同盲人摸象般逐漸了解太陽系的全貌，“新視野號”的探測將填補這一重要的空白，回答太陽系起源、行星的起源這些關(guān)鍵問題。