孫正凡

NASA“新視野號(hào)”拍下冥王星首張彩色照。

有句話說(shuō)“太陽(yáng)底下沒(méi)有新鮮事兒”，好像我們?nèi)祟?lèi)什么都見(jiàn)識(shí)過(guò)了。實(shí)際上，隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，太陽(yáng)底下的新鮮事兒越來(lái)越多了。就不說(shuō)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(yáng)系里，新聞也是日新月異。剛剛過(guò)去的7月14日，是法國(guó)國(guó)慶日，也是法國(guó)大革命227周年紀(jì)念日，可全人類(lèi)的目光都被發(fā)生在48億千米之外的“新視野號(hào)”飛掠冥王星這件事兒吸引過(guò)去了，遙遠(yuǎn)而冰冷的冥王星竟然還能爆出大新聞！

探索太陽(yáng)系的重要一步

自1957年10月蘇聯(lián)第一顆衛(wèi)星升空，開(kāi)創(chuàng)了太空時(shí)代以來(lái)，人類(lèi)征服太空的激情就一發(fā)而不可收了。美蘇爭(zhēng)霸的太空競(jìng)賽過(guò)程中，美國(guó)首先實(shí)現(xiàn)了把人類(lèi)送上月球的愿望，6批12名宇航員在月球上進(jìn)行了科學(xué)考察活動(dòng)，并帶回了大批月球土壤和巖石樣本。與此同時(shí)，前往太陽(yáng)系其他行星的旅程也已經(jīng)展開(kāi)，1962年，美國(guó)宇航局的“水手2號(hào)”飛過(guò)金星。

前往宇宙旅行，要克服的困難因素除了嚴(yán)酷的太空環(huán)境之外，還有漫長(zhǎng)的空間距離，以及隨之而來(lái)的時(shí)間成本。我們?cè)诘厍蛏下眯?，最多不過(guò)上萬(wàn)千米，飛機(jī)輾轉(zhuǎn)一兩天也就到了。但地球到太陽(yáng)的距離（稱(chēng)為“天文單位”），足足有1.5億千米;金星離我們最近的時(shí)候，距離約0.3天文單位，也就是近5000萬(wàn)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(duì)航天技術(shù)提出了極高的要求。因此20世紀(jì)航天技術(shù)的發(fā)展也是科學(xué)創(chuàng)新的黃金時(shí)期，今天我們生活中從計(jì)算機(jī)芯片到生物技術(shù)，許多都是從航天探索轉(zhuǎn)化而來(lái)的。

20世紀(jì)前往太陽(yáng)系各大行星的航天探索，讓人類(lèi)第一次弄清楚太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們的太陽(yáng)統(tǒng)領(lǐng)的區(qū)域可以分成三個(gè)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(yáng)距離超過(guò)30天文單位，是以冥王星為代表的柯依伯帶和更遠(yuǎn)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(jiàn)到的彗星的來(lái)源。

1977年發(fā)射的旅行者2號(hào)探測(cè)器本來(lái)已經(jīng)把冥王星列入探測(cè)計(jì)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(guó)宇航局臨時(shí)改變了它們的軌跡，使它早早偏離了黃道面。這也讓遙遠(yuǎn)而陰暗的冥王星成為迄今“還沒(méi)有被航天器探測(cè)的行星”，從探測(cè)上來(lái)說(shuō)，這里是太陽(yáng)系名副其實(shí)的“邊疆”。

“新視野號(hào)”探測(cè)器是美國(guó)宇航局，也是人類(lèi)發(fā)射第一個(gè)前往冥王星的探測(cè)器。它的目標(biāo)是為了探測(cè)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(biāo)既遙遠(yuǎn)且暗淡，就連著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也只能看到不太亮的光點(diǎn)，難以看清細(xì)節(jié)?！靶乱曇疤?hào)”的發(fā)現(xiàn)將直接改變我們對(duì)太陽(yáng)系的已有認(rèn)識(shí)，有助于了解太陽(yáng)系的形成和演化，甚至我們自身的由來(lái)。

1990年代末，美國(guó)宇航局曾制定了一個(gè)名為“冥王星-柯伊伯快車(chē)”探測(cè)計(jì)劃，后來(lái)由于研制經(jīng)費(fèi)超支等原因，又宣布取消該計(jì)劃。這種“出爾反爾”的舉動(dòng)引起很多天文學(xué)家的強(qiáng)烈抗議，美國(guó)行星學(xué)會(huì)甚至發(fā)動(dòng)了“拯救冥王星計(jì)劃”的運(yùn)動(dòng)。冥王星的軌道為橢圓形，周期長(zhǎng)達(dá)248年，根據(jù)測(cè)算，2015年正好是探測(cè)冥王星的絕佳時(shí)機(jī)。一旦錯(cuò)過(guò)，這種快速抵達(dá)冥王星的機(jī)會(huì)只有百年之后才有了，因此2004～2006年是發(fā)射冥王星探測(cè)器的最佳窗口期。最終，美國(guó)宇航局在2000年12月宣布公開(kāi)征集方案，重新論證冥王星計(jì)劃，這也是美國(guó)宇航局歷史上首次向全球公開(kāi)征集太空探測(cè)方案。被采納的方案由美國(guó)西南研究院和霍普金斯大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)，總預(yù)算為4.88億美元，命名為“新視野號(hào)”，2006年1月19日在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射成功。

“新視野號(hào)”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(dá)了冥王星。之前的旅行者2號(hào)用了12年時(shí)間才到達(dá)海王星?！靶乱曇疤?hào)”每秒速度16公里，即每小時(shí)速度達(dá)到5.7萬(wàn)公里，如此之快的速度意味著它只能從冥王星身旁掠過(guò)，無(wú)法停留。因?yàn)槿绻獪p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(hào)”為了這次相遇做了充足的準(zhǔn)備。

“新視野”號(hào)探測(cè)器的設(shè)計(jì)，遵循了美國(guó)宇航局推行小型化、低成本、多功能的特點(diǎn)。它發(fā)射時(shí)的質(zhì)量為453千克。探測(cè)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(dòng)力來(lái)自一臺(tái)放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，利用放射性同位素钚（二氧化钚）自然衰變時(shí)所釋放出來(lái)的熱能發(fā)電。由于冥王星距離太陽(yáng)太遠(yuǎn)，陽(yáng)光抵達(dá)冥王星需要4小時(shí)，那里的太陽(yáng)能只及地球千分之一，太陽(yáng)能電池?zé)o法以提供足夠能量，因此核能電池是唯一的選擇。

科學(xué)儀器是太空探測(cè)器的“眼睛”?！靶乱曇疤?hào)”攜帶7種科學(xué)儀器，總重30千克。其中3臺(tái)光學(xué)儀器，分別拍攝可見(jiàn)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(biāo)的物質(zhì)成分。另外4臺(tái)儀器通過(guò)測(cè)量無(wú)線電波和粒子譜儀，用于測(cè)量冥王星大氣，以及環(huán)境中的太陽(yáng)風(fēng)、能量粒子和塵埃。

值得一提的是，“新視野號(hào)”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(pán)，存儲(chǔ)了約43萬(wàn)人的名字，這些名字是2005年向全球科學(xué)愛(ài)好者征集而來(lái);一張記錄著“新視野號(hào)”團(tuán)隊(duì)成員照片的光盤(pán);兩枚25美分硬幣，來(lái)自馬里蘭州和佛羅里達(dá)州，“新視野號(hào)”就是分別在這兩個(gè)州建造和發(fā)射升空的;兩面不同年代的美國(guó)國(guó)旗;第一艘私人資助的載人航天器“太空船一號(hào)”（2004年進(jìn)入太空）的一塊切片;一枚1991年的美國(guó)郵票，文字標(biāo)志是“冥王星：尚未探測(cè)”;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(yáng)系第9大行星的地位——至少在湯博生前如此?？墒?，在“新視野號(hào)”升空僅僅半年之后，這個(gè)地位就被改變了！

冥王星的發(fā)現(xiàn)者——洛威爾天文臺(tái)時(shí)年僅24歲的觀測(cè)助理湯博。

冥王星和它的地位爭(zhēng)議

2015年7月14日，美國(guó)馬里蘭州Laurel，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家慶祝NASA“新視野號(hào)”探測(cè)器飛掠冥王星。

20世紀(jì)初，一位熱心的搜尋者是美國(guó)富翁、業(yè)余天文學(xué)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(tái)。1930年，洛威爾天文臺(tái)年僅24歲觀測(cè)助理湯博，利用閃視對(duì)比儀（一種可以迅速對(duì)比兩張照片不同之處的儀器，就像“找不同”游戲）對(duì)比了幾個(gè)月時(shí)間里拍攝的夜空照片，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在夜空中逐日移動(dòng)的小光點(diǎn)，經(jīng)過(guò)連日觀測(cè)，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(guó)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(jì)初美國(guó)最重要的科學(xué)貢獻(xiàn)之一，美國(guó)人對(duì)此充滿自豪，甚至稱(chēng)冥王星為“美國(guó)行星”。

1978年7月，美國(guó)海軍天文臺(tái)的J.克里斯蒂在研究冥王星的照片時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)冥王星小小的圓面不太規(guī)則，略有拉長(zhǎng)。他立即把天文臺(tái)1970年以來(lái)拍攝的冥王星照片都找了出來(lái)，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(gè)始終以同一半球相對(duì)。

地面望遠(yuǎn)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?yàn)?2630千米），質(zhì)量卻僅有地球的0.21%，冥衛(wèi)一直徑相當(dāng)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(duì)”的天文學(xué)家通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(yuǎn)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(jì)至多幾十千米。

除了行星之外，拖著長(zhǎng)尾的彗星來(lái)源也是天文學(xué)家思考的問(wèn)題之一。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)百個(gè)彗星的統(tǒng)計(jì)，1950年代，天文學(xué)家柯伊伯和奧爾特分別預(yù)言：在海王星軌道以外35～1000天文單位，以及5萬(wàn)～10萬(wàn)天文單位，存在原始太陽(yáng)星云的殘留物，它們受干擾之后進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部成為彗星，這兩個(gè)巨大的“冰庫(kù)”，被稱(chēng)為柯伊伯帶和奧爾特云。冥王星實(shí)際上是被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)柯伊伯帶天體，只不過(guò)當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)有意識(shí)到，一直把它當(dāng)作大行星。

1992、1993年，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)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(shí)柯伊伯帶的存在。2005年，米高·布朗等三位天文學(xué)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(gè)頭質(zhì)量都超過(guò)冥王星，可距離比柯伊伯帶還遠(yuǎn)（97天文單位）。這個(gè)與冥王星類(lèi)似的天體發(fā)現(xiàn)引起了天文學(xué)家們激烈爭(zhēng)論，深刻動(dòng)搖了冥王星的大行星地位。因此這顆天體被稱(chēng)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(yáng)系的第十顆行星。但隨著觀測(cè)發(fā)現(xiàn)日新月異，柯伊伯帶天體數(shù)量已經(jīng)超過(guò)1000個(gè)，實(shí)際的天體數(shù)量可能超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，而且多個(gè)天體與冥王星大小相近，不可能全部承認(rèn)為行星。

因此鬩神星的發(fā)現(xiàn)提出一個(gè)問(wèn)題，“行星”這個(gè)名詞其實(shí)從未給出過(guò)明確定義。2006年8月，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)第26屆大會(huì)通過(guò)第5號(hào)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(yùn)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(dāng)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(chēng)為矮行星。因此冥王星由此被降級(jí)為矮行星（同時(shí)獲得小行星編號(hào)134340），我們從小所熟知的太陽(yáng)系九大行星被改寫(xiě)為八大行星。谷神星、鬩神星、鳥(niǎo)神星和妊神星也先后加入了矮行星的行列。當(dāng)然這個(gè)決議最為不滿的，當(dāng)數(shù)冥王星發(fā)現(xiàn)者湯博的美國(guó)同胞，有些美國(guó)城市甚至拒絕承認(rèn)冥王星被降級(jí)。

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

飛向遙遠(yuǎn)的未來(lái)

在“新視野號(hào)”的旅途中，經(jīng)過(guò)與小行星132524 APL一個(gè)短暫的相遇后，“新視野號(hào)”飛掠木星，既獲得了加速，又對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行了全面測(cè)試。前往冥王星途中，航天器是處于休眠模式度過(guò)，以保護(hù)航天器上的系統(tǒng)，途中累計(jì)休眠1873天，相當(dāng)于飛行時(shí)間的三分之二。 事實(shí)上，此前科學(xué)家只能憑借望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的光譜猜測(cè)遠(yuǎn)在柯伊伯帶中的冥王星是什么樣子，“新視野號(hào)”第一次對(duì)近距離觀察，將會(huì)填補(bǔ)矮行星、柯伊伯帶知識(shí)的空白。

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

由于距離太遠(yuǎn)，即便是以光速傳播，“新視野號(hào)”的信號(hào)到達(dá)地球也要4個(gè)多小時(shí)。但實(shí)際上因?yàn)樾盘?hào)微弱，數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸速度還不到2kb/s，因此，“新視野號(hào)”發(fā)出的信號(hào)，是在經(jīng)歷了13個(gè)多小時(shí)的太空旅程后，才來(lái)到地球。

“新視野號(hào)”拍攝的圖像要比哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的分辨率還高10萬(wàn)倍。它傳回的冥王星的照片刷爆了整個(gè)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(gè)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(zhǎng)相卻如此可愛(ài)。美國(guó)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。“新視野號(hào)”獲得的最新數(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(fù)行星地位的權(quán)利）?！靶乱曇疤?hào)”甚至還發(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(xué)家們都大吃一驚，繼而疑惑不解。探測(cè)器還發(fā)現(xiàn)有很多離子氮從冥王星上逃逸出來(lái)，比預(yù)料中的快很多。這要么意味著大氣逃逸率比預(yù)想的高，要么意味著有什么別的機(jī)制在起作用?？傊窈箨P(guān)于冥王星的介紹要大大更改了。

除了冥王星以外，太陽(yáng)系外圍的這片尚未被探測(cè)的區(qū)域，可能還擁有成千上萬(wàn)顆類(lèi)似的冰凍巖石小星球，這就是“新視野號(hào)”的下一個(gè)目標(biāo)?！靶乱曇疤?hào)”任務(wù)團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)到了寶貴的哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間，在人馬座方向上進(jìn)行了大海撈針式的搜尋，因?yàn)榭乱敛畮祗w非常小，非常暗，極難辨認(rèn)。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(cè)器只需要消耗較少的燃料就可以抵達(dá)，但無(wú)論與哪個(gè)相遇也要等到2019年。

柯伊伯帶位于太陽(yáng)系的邊緣，寒冷而陰暗，但這里是太陽(yáng)系的新大陸，“新視野號(hào)”的發(fā)現(xiàn)將極大地改變我們對(duì)太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。太陽(yáng)系不僅有行星，還有數(shù)以億計(jì)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(yáng)系的全貌，“新視野號(hào)”的探測(cè)將填補(bǔ)這一重要的空白，回答太陽(yáng)系起源、行星的起源這些關(guān)鍵問(wèn)題。