□ 諸葛言

史詩般的旅程
——“新視野”走近冥王星

□ 諸葛言

“此次抵達冥王星，感覺會像走進糖果店的小孩子一般興奮。因為，冥王星、它的衛(wèi)星以及太陽系中的這一區(qū)域存在如此多謎團。探索冥王星和柯伊伯帶就像是對太陽系外層進行考古挖掘工作。通過考察這片區(qū)域，我們可以一窺行星形成的古老時代?！?/p>

——項目首席科學家斯特恩

“幾十年來，我們一直認為冥王星是太陽系邊緣的一個奇怪小天體，但現(xiàn)在我們知道它真的是通往柯伊伯帶這個全新世界的大門，‘新視野’號將第一次對它們進行近距離觀察?！?/p>

——美國約翰?霍普金斯大學項目科學家哈爾?韋弗

“在過去，每當我們目睹一個新世界，我們都會感到驚奇。”

——美國亞利桑那州洛威爾天文臺行星科學家、項目組成員維爾?格朗迪

2015年1月15日，經(jīng)過約9年長途跋涉的世界第一個冥王星探測器“新視野”（New Horizons），終于走到距離地球約47億千米處，開始探測太陽系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星，然后飛向柯伊伯帶（Kuiper Belt），去尋找關于太陽系起源和地球生命起源的線索。

從睡夢中醒來

2014年12月7日，美國“新視野”從休眠中被喚醒，以準備執(zhí)行探測冥王星任務。此時，它距離冥王星約有2.6億千米，但距離地球已超過46.6億千米，這意味著該探測器發(fā)送的信號要“走”上4小時26分鐘才能傳回地球。它從遙遠的深空給地球傳來的信號表明，“新視野”很健康，現(xiàn)正安靜地在深空中漫游。這次喚醒是一次分水嶺事件，標志著“新視野”此行的主要目的——2015年探索冥王星及其衛(wèi)星的活動正式開始了。從此，“新視野”將一直保持“清醒”狀態(tài)，直到2015年7月14日，它在這一天抵達距離冥王星的最近位置。

“新視野”是于2006年1月20日升空的，飛到木星以后的幾年時間里，“新視野”上的絕大部分儀器處于休眠狀態(tài)，以便節(jié)約電力、延緩設備老化并降低運營開支。不過，每隔幾個月，其上的設備都會定期被喚醒以便接受例行檢查及軌道校正和儀器校準，或者是執(zhí)行一些特定的任務，比如2007年路過木星附近時，“新視野”對木星進行了考察?！靶乱曇啊钡目茖W探測設備都由放射性同位素熱電式發(fā)電機（RTG）供電，這一核電源提供的電力僅能供一對100瓦燈泡使用，卻可支撐近6個月的探測任務。此外，“新視野”還會每周發(fā)回一個信號，它被稱作“綠色信號燈”，其目的是讓控制人員知道它還活著，沒有死掉，它只是睡著了。

用宇宙神-5火箭發(fā)射“新視野”

“新視野”于2007年2月飛越木星時拍攝的木星和其衛(wèi)星的圖像。

拯救冥王星計劃

由于冥王星離地球較太陽系的其他行星都遠，探測它很困難，所以以前一直沒有探測器走近過它。經(jīng)過多年醞釀和研究，2006年1月20日，美國終于發(fā)射了“新視野”冥王星探測器。這個三角鋼琴般大小的探測器以5.79萬千米/小時的速度飛行，即接近第3宇宙速度，因此成為人類有史以來發(fā)射的最高速探測器。它在發(fā)射后9小時內(nèi)就飛過了月球，而當年美國“阿波羅”登月飛船飛往月球用了3天時間?！靶乱曇啊憋w了13個月時間就抵達了木星，然后借助木星的巨大引力進一步提速，以更高的速度飛向遙遠的冥王星。

這一切來之不易。早在20世紀90年代末，美國航空航天局曾制定了一個名為“冥王星-柯伊伯快車”的計劃，內(nèi)容是探測冥王星和其衛(wèi)星卡戎以及柯伊伯帶天體。它原計劃于2004年12月18日發(fā)射，但由于研制經(jīng)費超支等多種原因被美國航空航天局勒令下馬了。

不過，此舉遭到了很多天文學家的激烈反對，他們堅持要讓探測冥王星計劃再次上馬。美國行星學會還發(fā)動了“拯救冥王星計劃”運動，最后美國航空航天局終于改變了策略，于2000年12月20日發(fā)表了聲明。他們將不采用原計劃，而是向全球征集新的方案，并提出了比較苛刻的要求：一是要在2015年前飛抵冥王星，另一個是花費金額不能超過5億美元。公開征集截止日期是2001年3月19日。公開地由美國航空航天局之外的研究小組參與太空計劃的競標，這在美國歷史上還是首次。評論家們認為此舉是為了堵住批評者的嘴。

在許多方案中，最后來自美國西南研究院和霍普金斯大學應用物理實驗室的一個聯(lián)合小組提出的“新視野”計劃被認可。該計劃總預算額為4.88億美元，它能發(fā)回比原來的“冥王星-柯伊伯快車”計劃多10倍的觀測數(shù)據(jù)，如果2006年2月以前發(fā)射，它能于2015年夏天抵達冥王星。于是，美國航空航天局2001年12月宣布，重新啟動冥王星探測計劃。

“新視野”計劃要按時完成，其最關鍵的理由是這樣探測冥王星的機會只有經(jīng)過200年以后才能有第2次。2004～2006年是最后的發(fā)射冥王星探測器的最佳時間。為此，科學家們爭分奪秒地研制“新視野”探測器。

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陌生的美麗新世界

◆ 唯一一顆未被人類探測器造訪的“大行星”

冥王星在遠離太陽59億千米的寒冷陰暗的太空中蹣跚前行，1930年首次進入人類視野，此后被當作太陽系第九大行星。在20世紀太陽系航天探測的黃金時代，九大行星中已有8顆被行星際探測器近探過，只有冥王星是航天器未涉足的死角（“新視野”于2006年發(fā)射升空，當時冥王星仍然還被視作一顆大行星）。但國際天文學聯(lián)合會于2006年對大行星重新定義，冥王星正式降格為矮行星。冥王星體積很小且與地球相距遙遠，又從未被地球探測器近距離造訪，因此顯得更加神秘。

◆ 冥王星有多少衛(wèi)星？它也有美麗的光環(huán)嗎？

在各種天文書刊中給出的行星參數(shù)表上，冥王星這一欄留下的空白最多，即使被列出數(shù)據(jù)有不少也被打上問號。迄今為止，我們知道冥王星有5顆衛(wèi)星，它們分別是冥衛(wèi)一(Charon)、冥衛(wèi)二(Nix)、冥衛(wèi)三(Hydra)、冥衛(wèi)四(Kerberos)和冥衛(wèi)五(Styx)。根據(jù)一項最新的模擬研究顯示，冥王星周圍可能還隱藏著多達10顆或更多的小衛(wèi)星尚未被發(fā)現(xiàn)。這樣“新視野”便有更多的目標要去觀測了。事實上“新視野”號探測器的任務目標之一便是要去探查冥王星是否還有其他未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星，以及查明冥王星是否擁有光環(huán)系統(tǒng)。

◆ 冥王星可能隱藏著有關柯伊伯帶古老冰雪世界的秘密

早在20世紀50年代，柯伊伯和埃吉沃斯就預言：在海王星軌道以外的太陽系邊緣地帶，充滿了微小冰封的物體，它們是原始太陽星云的殘留物，也是短周期彗星的來源地。冥王星是柯伊伯帶最大的天體之一，這是一個遍布大量冰凍小天體的寒冷區(qū)域，散布在海王星軌道外側(cè)的太陽系邊緣地帶。這些天體自從行星形成之初便已經(jīng)存在，因而它們是最初的遺骸，能夠幫助天文學家了解我們太陽系的歷史和起源。作為一顆冰雪矮行星，冥王星是漫游在太陽系外數(shù)十億冰球的原型，因而冥王星可能隱藏著有關這些古老冰雪世界的秘密。比如說，觀察冥王星表面是否存在撞擊坑，或者撞擊坑的多少，將能幫助科學家們判斷柯伊伯帶天體之間相互碰撞的頻率。

我們迄今擁有的最佳冥王星圖像——由哈勃空間望遠鏡在2002年至2003年之間拍攝，圖像中的明暗結(jié)構可能顯示冥王星地表的成分變化。2015年5月，“新視野”拍攝的冥王星圖像質(zhì)量將超過哈勃空間望遠鏡。

供電來自钚丸

“新視野”的主要任務有兩個，一是探測位于太陽系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星卡戎；二是探測位于柯伊柏帶的小行星群，它預計2016～2020年飛越柯伊柏帶。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的柯伊伯天體超過1000多個，如果人類對那里了解不夠的話，就很難說了解了太陽系。

主體形狀猶如一塊三角形三明治的“新視野”探測器裝有放射性同位素熱電發(fā)電機。這是由于冥王星距離太陽太過遙遠，太陽光要經(jīng)過4個多小時長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陽光亮度的1/1000，所以在其漫漫征途中，“新視野”所需的電力無法由太陽能電池提供。為此，它依靠所攜帶的10.9千克钚丸提供穩(wěn)定的電力。出于對太空遭核污染的擔心，在“新視野”發(fā)射前夕，曾有數(shù)十名抗議者自發(fā)組織起來進行抗議。但據(jù)美國專家們解釋說，該探測器的燃料箱非常堅固，發(fā)生意外災難的可能性最多為1/300。就是發(fā)生了意外，核燃料外泄的可能性也僅為2%。另外，美國航空航天局和能源部事前也做好了一旦發(fā)生事故的準備。航空航天局已建立了16個移動跟蹤小組，對核輻射進行檢測，同時還部署了33個空氣取樣裝置和監(jiān)控器。不過，發(fā)射很順利，沒有任何意外發(fā)生。

“新視野”左邊的黑色圓柱體為核電源。

“新視野”攜帶科學探測儀器示意圖?！靶乱曇啊睌y帶了7臺科學探測儀器：3架相機分別用于拍攝可見光、紅外線和紫外線照片（Ralph、LORRI、Alice）；3臺光譜儀用來研究冥王星大氣及地表物質(zhì)的成分和溫度（SWAP、PEPSSI、REX）；還有一部塵埃計數(shù)器(SDC)。

借力木星，輕裝前行

外表傾斜的“新視野”探測器發(fā)射時的質(zhì)量為453千克。這個看上去像一把短鍬和鐵鍋組合的家伙一共攜帶了30千克的科學儀器和77千克的推進劑，后者用于在航行過程中修正軌道或是改變航向。由于可利用木星引力進行輔助加速，并且在冥王星附近無須減速，所以“新視野”沒有攜帶過多的燃料。

該探測器高0.7米，長2.1米，最寬處約2.7米。推進系統(tǒng)包括16個單元肼推力器。通信采用X頻段，包括一副直徑2.1米的高增益碟型天線、一副中增益碟型天線和兩副寬波束低增益天線。

“新視野”采用三軸穩(wěn)定（科學探測階段）和自旋穩(wěn)定（巡航階段）兩種姿態(tài)控制模式。其中，自旋穩(wěn)定控制模式用于軌道修正機動和巡航階段的休眠期，額定自旋速率為5轉(zhuǎn)/秒。它是世界上首個使用“深空網(wǎng)信標側(cè)音”（beacon tone）系統(tǒng)的探測器，該系統(tǒng)曾在1998年的深空1號任務中進行了飛行驗證。

由于冥王星與太陽相距太遠，所以“新視野”有一些特點，例如，它的壽命必須很長，至少為10年以上；各分系統(tǒng)必須能耐得住低溫，并且不能用太陽能電池為探測器提供電力。

2015年7月，“新視野”飛越冥王星和卡戎示意圖。

延伸視域，拓荒天疆

“新視野”航行的頭13個月的任務主要是通過遙測來檢測探測器、校準儀器和修正航線。它于2007年2月底接近木星，飛到離木星最近處約227萬千米的位置，即比“卡西尼”土星探測器還要接近的距離飛過木星，以借助木星的引力為自身加速到7萬～7.5萬千米/小時，然后以更高的速度直飛冥王星。此外，再利用飛越木星的機會，探測器順便對這顆行星和它的20多個衛(wèi)星進行為期4個多月的考察。

在2014年12月，“新視野”的所有系統(tǒng)已被喚醒，并開始對冥王星和卡戎進行測量。剛開始，冥王星和卡戎是不能分辨的亮點，但是隨著探測器的逐漸靠近，就能看到越來越多的細節(jié)。

當“新視野”距離冥王星約100萬千米時，其上的各種設備就要開始工作，對冥王星和其衛(wèi)星進行全方位的探測，向地球傳回圖片。它和地球間的傳輸過程需要4小時25分鐘。當“新視野”距冥王星還有16萬千米時，其上的相機就可以開始繪制第一批地圖。以后的幾個月里，它將不斷地拍攝照片，進行光譜測量。如果那時冥王星的大氣是凍結(jié)的，“新視野”還能夠觀測到季節(jié)的變化。

“新視野”與冥王星的最近距離將為9600千米；與其衛(wèi)星卡戎的最近距離為2.7萬千米。處于最近距離的時間約半個小時。此間，探測器將用可見光和近紅外相機拍攝最為清晰的冥王星和卡戎“特寫”，最清晰時，能分辨冥王星上達60米的地貌！斯特恩說，如果以這樣的距離飛過地球，我們將能夠從探測器拍攝的圖像上分辨出紐約的中央公園。

2015年5月，“新視野”拍攝的冥王星圖像質(zhì)量將超過哈勃空間望遠鏡。而到了7月份，這個探測器或許將拍攝到冥王星上漂浮的云層或冰火山噴發(fā)，科學家們認為這類現(xiàn)象可能存在于冥王星表面。

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“新視野”吸引公眾關注的目光

2005年，美國霍普金斯大學等單位聯(lián)合發(fā)起了一個征集問候的活動，向全世界天文愛好者開放。人們只需要訪問為此設立的一個網(wǎng)頁，就可以將自己的名字輸入一張名為“飛向冥王星”的電子卡片內(nèi)，讓自己的問候搭載在“新視野”上一起飛向地球在太陽系邊緣的遙遠“親戚”。活動期間共征集到了超過43萬人的問候。所有這些人的姓名都刻在了一張光盤上，已經(jīng)放入探測器內(nèi)。人們可以在霍普金斯大學有關此項目的網(wǎng)頁上檢索，查看自己的姓名是否被收入其中。這是美國航空航天局吸引公眾關注宇宙探測器發(fā)射的主要手段之一。

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冥王星上有“霧霾”？

“新視野”對冥王星的飛掠觀測將持續(xù)6個多月，在那之后它將逐漸遠離冥王星系統(tǒng)，不過按計劃它還會向冥王星投向最后一瞥，在冥王星從太陽面前經(jīng)過時，它還將調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭，觀察冥王星的大氣層結(jié)構，看看其中是否存在“霧霾”——此前這種現(xiàn)象已經(jīng)在海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一上被觀察到——后者在大小、大氣以及地表成分方面均顯示與冥王星之間的相似性?！靶乱曇啊鄙踔吝€有可能發(fā)現(xiàn)冥王星擁有一個類似彗星那樣的粒子“尾巴”。（資料來自光明網(wǎng)）

攜帶人類信息，飛向遙遠的恒星際空間

在考察過程中，“新視野”有可能存在著諸多的不確定性——或許那里還有更多衛(wèi)星尚未被發(fā)現(xiàn)，甚至或許冥王星擁有光環(huán)。當近距離飛過冥王星時，觀測采集的數(shù)據(jù)量將會異常龐大，探測器根本來不及向地球回傳。因此它將會暫時存儲這些數(shù)據(jù)，并在飛過冥王星之后1年多的時間里陸續(xù)向地球回傳。

當飛離冥王星和卡戎后，“新視野”還將回視冥王星和卡戎最為陰暗的部分，這是觀察冥王星大氣中的霧及辨認冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。

“新視野”采用飛越方式來探測冥王星。那么，為什么“新視野”不進入冥王星的軌道進行長時間觀測呢？其原因有兩個。一是其飛行速度必須非常快，這樣才能用9.5年時間到達距離地球約50億千米的冥王星，因此，如果“新視野”要進入冥王星軌道，它必須將速度降低90%，這就要求多攜帶1000倍的燃料，而“新視野”所攜燃料又不足以供減速和進入環(huán)冥王星軌道之用。二是如果進入冥王星軌道，“新視野”將無法繼續(xù)前行，探測柯伊伯帶。2015年7月14日，在完成對冥王星的考察工作之后，“新視野”將在2017～2020年進入柯伊伯帶，探測至少2個直徑為40～90千米的柯伊伯帶天體，這一階段可能會持續(xù)5～10年?？乱敛畮且粋€位于海王星軌道外側(cè)，散布大量冰凍小天體的稀疏環(huán)形區(qū)域。而在那之后，“新視野”上的計算機將會被重置，上傳由“一個地球新視野信件”項目(One Earth：New Horizons Message)收集的有關地球的各種信息——由全世界各地的人們提交的各種材料——照片、聲音、文字，甚至是計算機程序，“新視野”將帶著這些來自地球上人們的各種信息一直飛向遙遠的恒星際空間。

太陽系探測器（部分）及“新視野”飛越冥王星示意圖。目標任務包括小行星、行星、衛(wèi)星、太陽甚至是太陽系外的探測。2015年7月14日“新視野”將近距離探測冥王星，這無疑是太陽系探索的里程碑，冥王星不再是天文學家望遠鏡中的一只模糊的光球，而是將展現(xiàn)出一個精致詳細的世界。

（責任編輯 張恩紅）