□ 國家天文臺 鄭永春

太陽系遠征：新視野號探測柯伊伯帶

□ 國家天文臺 鄭永春

提起太陽系，我們立即想到的是太陽和八顆行星。實際上，在太陽系里面，行星的定義和行星的數(shù)量一直都在變化，而且將來仍然可能變化。隨著地面和空間觀測能力的提高，以及深空探測的進展，太陽系的邊界也不斷擴展，一直拓展到距離太陽兩光年左右。不僅觀測到的天體數(shù)量越來越多，觀測精度越來越高，而且天體類型也從行星、小行星和彗星，到增加矮行星的新分類。但是，海王星之外的太陽系空間都有什么天體？它們有什么特殊之處？什么是柯伊伯帶和奧爾特云？對于人類生存其中的太陽系，我們的了解還遠遠不夠。

太空和宇宙題材的電影總是很受歡迎，從星球大戰(zhàn)、星際迷航、2001太空漫游，到撕裂地平線和地心引力。去年年末，各大影院熱播星際穿越，黑洞、白洞、蟲洞等天文學(xué)前沿概念被人們津津樂道，似乎人類將來可以通過蟲洞快速抵達太陽系外的宜居星球。但實際上，星際飛行理論并沒有突破性進展，深空探測在可以預(yù)見的將來還只能局限于對太陽系內(nèi)天體的探測。

柯伊伯帶（K u i p e r b e l t）在海王星軌道之外，位于距離太陽約40～50個天文單位的黃道面附近，是一個小天體密集的圓盤狀中空區(qū)域。僅僅23年前的1992年，人類才艱難地首次觀測到除冥王星外的第一個柯伊伯帶天體，我們甚至根本不知道是否存在柯伊伯帶。而今天，探測柯伊伯帶的深空探測器新視野號即將飛抵那里親臨探測。

柯伊伯帶遠離太陽，那里十分寒冷，太陽輻射強度只有地球上的千分之一，探測難度很大。那么，這些遙遠的冰凍天體究竟有何吸引力，值得我們長期守候并努力探索呢？

首先，柯伊伯帶作為太陽系的新大陸，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。在太陽系中，以距離太陽2.3～3.3天文單位的小行星帶為界，分為內(nèi)太陽系和外太陽系。內(nèi)太陽系包括水星、金星、地球和火星，稱為類地行星，均為巖石質(zhì)天體；外太陽系包括木星、土星、天王星和海王星，稱為類木行星，均為氣液態(tài)巨行星。海王星以遠還有什么天體？從距離太陽約為45億千米的海王星軌道，到距離太陽19萬億千米（2光年）的太陽系邊緣，如此廣闊的太陽系空間除了冥王星和冥衛(wèi)一之外就沒有其他天體了嗎？帶著這一疑問，美國麻省理工學(xué)院的大衛(wèi).朱維特教授和研究生劉麗杏，經(jīng)過五年的艱苦搜尋，于1992年在冥王星附近發(fā)現(xiàn)了一系列新的天體，證明了柯伊伯帶的存在，并最終導(dǎo)致冥王星保持半個多世紀(jì)的行星地位動搖，于2006年被降級為矮行星。不過幸運的是，冥王星從最具爭議的行星，搖身一變成為柯伊伯帶數(shù)以萬計冰凍天體的“領(lǐng)頭羊”?？乱敛畮嵌讨芷阱缧堑陌l(fā)源地。在柯伊伯帶之外，距離太陽5萬～10萬天文單位還有分布著千億顆冰凍天體的奧爾特云，那里是長周期彗星的發(fā)源地?？乱敛畮Ш蛫W爾特云這兩大區(qū)域至今還沒有被航天器探測過，我們對太陽系的廣闊空間了解仍然非常有限，對太陽系結(jié)構(gòu)的認識仍然不夠清晰。新視野號的主要目標(biāo)就是探測以冥王星及其衛(wèi)星為代表的柯伊伯帶天體，將這片區(qū)域的場景清晰地展現(xiàn)出來。

2014年8月，“羅塞塔”（R o s e t t a）彗星探測器探測一顆被稱為“67P/楚留莫夫-格拉希門克”的目標(biāo)彗星，11月12日，向彗星投放一個名為“菲萊”（P h i l a e）的小型著陸器。

其次，柯伊伯帶探測對研究行星的形成具有重要價值。太陽系不僅有行星，還有無數(shù)的小天體，主要存在于小行星帶、柯伊伯帶、奧爾特云。從科學(xué)角度而言，深空探測就是要探測太陽系的各種天體類型和主要區(qū)域，如同盲人摸象般逐漸了解太陽系的全貌，因此，深空探測任務(wù)的終極科學(xué)目標(biāo)之一就是為了回答太陽系和行星的形成與演化這一關(guān)鍵問題。

2014年8月，羅塞塔號剛剛探訪了來自柯伊伯帶、飛越到太陽附近的楚-格彗星，搭載的菲萊著陸器于11月實現(xiàn)了人類首次登陸彗核表面，大大加深了對彗星的認識。除彗星外，柯伊伯帶還有數(shù)十顆直徑200～2000千米不等、由巖石和冰塊組成的天體，其中以冥王星及其衛(wèi)星最為典型代表。我們知道，太陽系起源于一個彌漫著氣體和塵埃的星云團。由于快速旋轉(zhuǎn)，星云逐漸凝聚形成星子，星子之間相互碰撞、吸積增大而形成行星胚胎，進一步彼此吸引增大形成數(shù)量較少、質(zhì)量較重的原始行星。太陽星云的殘留物形成數(shù)量眾多的小行星和彗星，它們既是形成行星等大型天體的原料和胚胎，又是行星形成后的殘留物。而矮行星是沒有長大成行星的“侏儒”行星，同樣是太陽星云凝聚成星子，星子碰撞、吸積形成的。由于太陽系目前已經(jīng)處于吸積作用的最后階段，太陽系空間已經(jīng)較為清朗，矮行星受到其他天體撞擊、高能射線、太陽輻射等太空風(fēng)化較弱，可以保存更為原始的狀態(tài)，相當(dāng)于從太陽系形成開始在冷庫中保存了46億年，保留著行星形成時的原始狀態(tài)。而這種原始狀態(tài)在太陽系其他天體上已經(jīng)被嚴(yán)重破壞。因此，通過新視野號對冥王星、冥衛(wèi)一等柯伊伯帶天體的探測，將有助于揭示行星形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

再次，隨著我們對太陽系認識的深化，將拓展人類的知識疆界，改造我們已有的世界觀。在古希臘時代，我們認為地球是宇宙的中心，太陽、月球都是繞著地球運轉(zhuǎn)的“行星”；在哥白尼提出日心說之后，逐漸接受太陽是太陽系的中心，地球是行星而月球不是，即行星是圍繞太陽運轉(zhuǎn)的天體。1801年和1802年分別發(fā)現(xiàn)了谷神星和智神星，后來又發(fā)現(xiàn)了大量小行星，因此行星的定義再增加約束：即行星必須是質(zhì)量足夠大，大到能成球形。再到后來，發(fā)現(xiàn)了鬩神星、妊神星、婚神星等。天文界面臨的選擇，要么它們統(tǒng)統(tǒng)被納入行星，要么排除它們。需要承認的是，我們對于處于太陽系更遙遠的柯伊伯帶的天體還了解很少，甚至剛剛處于大發(fā)現(xiàn)的初期。我們不清楚柯伊伯帶的天體與火木之間的小行星有何不同。相信隨著深空探測的進展，仍有可能在柯伊伯帶和奧爾特云發(fā)現(xiàn)與地球相當(dāng)大小的天體，屆時或許天文學(xué)家將不得不再次修改行星的定義。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的海王星外的大型天體

柯伊伯帶及奧爾特云示意圖

最后，遠征太陽系新大陸將牽引航天技術(shù)新突破。新視野號奔赴柯伊伯帶的旅途長達9年，為延長探測器的壽命和減少地面維護的費用，探測器有2/3的時間是在休眠中度過的；為實現(xiàn)早日抵達冥王星，新視野號先飛抵木星開展飛越探測，并借助木星引力進行加速；由于距離遙遠，從地面發(fā)出指令到接收到探測器應(yīng)答信號以光速傳輸也需要4.5小時，數(shù)據(jù)傳輸鏈路和測控精度要求均大大提高；柯伊伯帶遠離太陽，十分寒冷而黑暗，冥王星表面溫度低至零下212～234攝氏度，因此必須研發(fā)高效太空核能系統(tǒng)以提供飛行動力和保溫。新視野號在太陽系遠征中涉及的超長壽命航天器設(shè)計、行星借力飛行、超遠距離測控通信和數(shù)據(jù)傳輸、太空核能供應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，將是中國航天需要努力突破的重要領(lǐng)域。

作者聯(lián)系方式：zyc@nao.cas.cn

（責(zé)任編輯 張恩紅）