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这个“地狱”不太冷

日期:2015-07-22 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星等等,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。
撰稿|孙正凡
 
 
      有句话说“太阳底下没有新鲜事儿”,好像我们人类什么都见识过了。实际上,随着现代科技的突飞猛进,太阳底下的新鲜事儿越来越多了。就不说宇宙大爆炸这种匪夷所思的观念取代了古人心目中的天圆地方或者“静谧的宇宙”,就我们太阳系里,新闻也是日新月异。刚刚过去的7月14日,是法国国庆日,也是法国大革命227周年纪念日,可全人类的目光都被发生在48亿千米之外的“新视野号”飞掠冥王星这件事儿吸引过去了,遥远而冰冷的冥王星竟然还能爆出大新闻!
 
探索太阳系的重要一步
 
  自1957年10月苏联第一颗卫星升空,开创了太空时代以来,人类征服太空的激情就一发而不可收了。美苏争霸的太空竞赛过程中,美国首先实现了把人类送上月球的愿望,6批12名宇航员在月球上进行了科学考察活动,并带回了大批月球土壤和岩石样本。与此同时,前往太阳系其他行星的旅程也已经展开,1962年,美国宇航局的“水手2号”飞过金星。
  前往宇宙旅行,要克服的困难因素除了严酷的太空环境之外,还有漫长的空间距离,以及随之而来的时间成本。我们在地球上旅行,最多不过上万千米,飞机辗转一两天也就到了。但地球到太阳的距离(称为“天文单位”),足足有1.5亿千米;金星离我们最近的时候,距离约0.3天文单位,也就是近5000万千米;土星轨道半径9.5天文单位,海王星轨道30天文单位。这些枯燥的数字对航天技术提出了极高的要求。因此20世纪航天技术的发展也是科学创新的黄金时期,今天我们生活中从计算机芯片到生物技术,许多都是从航天探索转化而来的。
  20世纪前往太阳系各大行星的航天探索,让人类第一次弄清楚太阳系的结构。简单地说,我们的太阳统领的区域可以分成三个区:第一区是水星、金星、地球、火星,它们都是金属内核的石质行星,第二区是木星、土星、天王星和海王星,它们都是以气体为主的巨行星,第一区和第二区之间是小行星带;海王星以外的区域,也就是离太阳距离超过30天文单位,是以冥王星为代表的柯依伯带和更远的奥尔特云,这里物质以冰冷的水冰和尘埃混合物为主,是我们所见到的彗星的来源。
  1977年发射的旅行者2号探测器本来已经把冥王星列入探测计划,但为了更清楚地拍摄土星光环和土卫六,以及海王星的卫星,美国宇航局临时改变了它们的轨迹,使它早早偏离了黄道面。这也让遥远而阴暗的冥王星成为迄今“还没有被航天器探测的行星”,从探测上来说,这里是太阳系名副其实的“边疆”。
  “新视野号”探测器是美国宇航局,也是人类发射第一个前往冥王星的探测器。它的目标是为了探测冥王星和它的几颗卫星,以及它们所处的柯伊柏带其他天体。这些目标既遥远且暗淡,就连著名的哈勃太空望远镜也只能看到不太亮的光点,难以看清细节。“新视野号”的发现将直接改变我们对太阳系的已有认识,有助于了解太阳系的形成和演化,甚至我们自身的由来。
  1990年代末,美国宇航局曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”探测计划,后来由于研制经费超支等原因,又宣布取消该计划。这种“出尔反尔”的举动引起很多天文学家的强烈抗议,美国行星学会甚至发动了“拯救冥王星计划”的运动。冥王星的轨道为椭圆形,周期长达248年,根据测算,2015年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,因此2004~2006年是发射冥王星探测器的最佳窗口期。最终,美国宇航局在2000年12月宣布公开征集方案,重新论证冥王星计划,这也是美国宇航局历史上首次向全球公开征集太空探测方案。被采纳的方案由美国西南研究院和霍普金斯大学联合设计,总预算为4.88亿美元,命名为“新视野号”,2006年1月19日在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射成功。
  “新视野号”是迄今为止飞得最快的航天器,借助大行星加速的方法,它升空还不到9年半就抵达了冥王星。之前的旅行者2号用了12年时间才到达海王星。“新视野号”每秒速度16公里,即每小时速度达到5.7万公里,如此之快的速度意味着它只能从冥王星身旁掠过,无法停留。因为如果要减速绕冥王星飞行的话,至少需要增加上千倍的燃料,成本极其高昂。好在“新视野号”为了这次相遇做了充足的准备。
  “新视野”号探测器的设计,遵循了美国宇航局推行小型化、低成本、多功能的特点。它发射时的质量为453千克。探测器大小像一架钢琴,主体呈三角形,最宽处约2.7米。航天器全部动力来自一台放射性同位素热电机,利用放射性同位素钚(二氧化钚)自然衰变时所释放出来的热能发电。由于冥王星距离太阳太远,阳光抵达冥王星需要4小时,那里的太阳能只及地球千分之一,太阳能电池无法以提供足够能量,因此核能电池是唯一的选择。
  科学仪器是太空探测器的“眼睛”。“新视野号”携带7种科学仪器,总重30千克。其中3台光学仪器,分别拍摄可见光、红外和紫外图像,分析研究冥王星和冥卫地表图像和光谱,分辨目标的物质成分。另外4台仪器通过测量无线电波和粒子谱仪,用于测量冥王星大气,以及环境中的太阳风、能量粒子和尘埃。
  值得一提的是,“新视野号”还携带了许多奇怪的事物。一张名为“送你的名字去冥王星”的光盘,存储了约43万人的名字,这些名字是2005年向全球科学爱好者征集而来;一张记录着“新视野号”团队成员照片的光盘;两枚25美分硬币,来自马里兰州和佛罗里达州,“新视野号”就是分别在这两个州建造和发射升空的;两面不同年代的美国国旗;第一艘私人资助的载人航天器“太空船一号”(2004年进入太空)的一块切片;一枚1991年的美国邮票,文字标志是“冥王星:尚未探测”;冥王星发现者克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)的一部分骨灰。这些物品一共是9件,以陪衬冥王星的太阳系第9大行星的地位——至少在汤博生前如此。可是,在“新视野号”升空仅仅半年之后,这个地位就被改变了!
 
冥王星和它的地位争议
 
  20世纪初,一位热心的搜寻者是美国富翁、业余天文学家洛威尔(Percival Lowell),他出资在亚利桑那州旗杆市建立了洛威尔天文台。1930年,洛威尔天文台年仅24岁观测助理汤博,利用闪视对比仪(一种可以迅速对比两张照片不同之处的仪器,就像“找不同”游戏)对比了几个月时间里拍摄的夜空照片,发现了一个在夜空中逐日移动的小光点,经过连日观测,于2月18日宣布发现了一颗新的行星!根据一位美国小女孩威妮夏·伯尼(Venetia Burney)的建议,这颗新的行星被命名为冥王星(Pluto,即希腊-罗马神话里的地狱之王)。冥王星的发现20世纪初美国最重要的科学贡献之一,美国人对此充满自豪,甚至称冥王星为“美国行星”。
  1978年7月,美国海军天文台的J.克里斯蒂在研究冥王星的照片时,偶然发现冥王星小小的圆面不太规则,略有拉长。他立即把天文台1970年以来拍摄的冥王星照片都找了出来,结果发现这一现象是有规律地出现的,于是他断定冥王星有一颗卫星。这颗卫星被命名为卡戎(Charon),即冥卫一。卡戎的公转周期与冥王星的自转周期一样都是6.39日,它们两个始终以同一半球相对。
  地面望远镜拍摄的光谱显示,冥王星和冥卫一都是以冰为主,表面温度接近零下240摄氏度,覆盖着固体的甲烷,它有一层薄薄的大气。根据目前资料可以知道,冥王星直径约2368千米(地球为12630千米),质量却仅有地球的0.21%,冥卫一直径相当于冥王星的一半,因此二者甚至可以看成双行星系统。2005年,“冥王星伴侣搜索队”的天文学家通过哈勃太空望远镜观测到冥王星的两颗新卫星,取名为冥卫二(尼克斯)、冥卫三(许德拉),直径为几十到几百千米,2011、2012年哈勃望远镜又发现冥王星的第四、第五颗卫星,取名为冥卫四(地狱三头犬)、冥卫五(冥河),这两颗卫星估计至多几十千米。
  除了行星之外,拖着长尾的彗星来源也是天文学家思考的问题之一。经过对数百个彗星的统计,1950年代,天文学家柯伊伯和奥尔特分别预言:在海王星轨道以外35~1000天文单位,以及5万~10万天文单位,存在原始太阳星云的残留物,它们受干扰之后进入太阳系内部成为彗星,这两个巨大的“冰库”,被称为柯伊伯带和奥尔特云。冥王星实际上是被发现的第一个柯伊伯带天体,只不过当时人们还没有意识到,一直把它当作大行星。
  1992、1993年,麻省理工学院的天文学家大卫·朱维特发现了柯伊伯带天体小行星15760和181708,从而证实柯伊伯带的存在。2005年,米高·布朗等三位天文学家又发现了一颗天体,直径2326千米,质量约为地球质量的0.27%,比冥王星重约27%,它的个头质量都超过冥王星,可距离比柯伊伯带还远(97天文单位)。这个与冥王星类似的天体发现引起了天文学家们激烈争论,深刻动摇了冥王星的大行星地位。因此这颗天体被称为阋神星(Eris,罗马神话的不合女神)。  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。但随着观测发现日新月异,柯伊伯带天体数量已经超过1000个,实际的天体数量可能超过10万个,而且多个天体与冥王星大小相近,不可能全部承认为行星。
  因此阋神星的发现提出一个问题,“行星”这个名词其实从未给出过明确定义。2006年8月,国际天文联合会第26届大会通过第5号决议给出了明确的行星的定义:行星不是卫星,是绕恒星运转、质量足够大使之成球体的天体,它必须具有清除轨道区域内大小相当天体的能力。另外,符合前几条但不能符合最后一条要求的天体,就称为矮行星。因此冥王星由此被降级为矮行星(同时获得小行星编号134340),我们从小所熟知的太阳系九大行星被改写为八大行星。谷神星、阋神星、鸟神星和妊神星也先后加入了矮行星的行列。当然这个决议最为不满的,当数冥王星发现者汤博的美国同胞,有些美国城市甚至拒绝承认冥王星被降级。
  今天如果重新表述“新视野号”的任务,那就可以简单地说,是为了前往太阳系里的新大陆——柯伊伯带。
 
飞向遥远的未来
 
  在“新视野号”的旅途中,经过与小行星132524 APL一个短暂的相遇后,“新视野号”飞掠木星,既获得了加速,又对探测器性能进行了全面测试。前往冥王星途中,航天器是处于休眠模式度过,以保护航天器上的系统,途中累计休眠1873天,相当于飞行时间的三分之二。  事实上,此前科学家只能凭借望远镜观测到的光谱猜测远在柯伊伯带中的冥王星是什么样子,“新视野号”第一次对近距离观察,将会填补矮行星、柯伊伯带知识的空白。
  2015年7月14日,探测船最接近冥王星。探测船将在冥王星南半球约9,600公里处高速掠过。冥卫一卡戎届时在冥王星另一侧,探测船需经过冥王星后,回头再探测卡戎。飞离冥王星后,探测船观察工作持续10个星期,对冥王星的探测则于9个月后结束。
  由于距离太远,即便是以光速传播,“新视野号”的信号到达地球也要4个多小时。但实际上因为信号微弱,数据实际传输速度还不到2kb/s,因此,“新视野号”发出的信号,是在经历了13个多小时的太空旅程后,才来到地球。
  “新视野号”拍摄的图像要比哈勃望远镜观测的分辨率还高10万倍。它传回的冥王星的照片刷爆了整个网络和社交媒体。最令人感到惊喜的是,冥王星上最显眼的特征是一个心形的淡色结构,这可能意味着这里的冰含量比较高。网友们纷纷惊呼:冥王星名字如此冷酷,长相却如此可爱。美国宇航局宣布心形斑有了自己的名字,叫汤博,这就冥王星发现者的名字。“新视野号”获得的最新数据表明,冥王星直径为2370+/-20千米,比之前的结果稍大一些;阋神星为2336+/-12千米。
  于是冥王星保住了柯伊伯带最大天体的地位(但这不能让它获得恢复行星地位的权利)。“新视野号”甚至还发现,冥王星上拥有年龄仅仅为1亿年的山脉,这让天文学家们都大吃一惊,继而疑惑不解。探测器还发现有很多离子氮从冥王星上逃逸出来,比预料中的快很多。这要么意味着大气逃逸率比预想的高,要么意味着有什么别的机制在起作用。总之,今后关于冥王星的介绍要大大更改了。
  除了冥王星以外,太阳系外围的这片尚未被探测的区域,可能还拥有成千上万颗类似的冰冻岩石小星球,这就是“新视野号”的下一个目标。“新视野号”任务团队申请到了宝贵的哈勃望远镜观测时间,在人马座方向上进行了大海捞针式的搜寻,因为柯伊伯带天体非常小,非常暗,极难辨认。目前已经确定了两颗候选者,名为“2014 MT69”,和“2014 MT70”,这两颗天体距离冥王星约37亿千米,探测器只需要消耗较少的燃料就可以抵达,但无论与哪个相遇也要等到2019年。
  柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,但这里是太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星等等,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。
 
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