謝懿

矮行星、行星、冰質(zhì)天體，無論你怎么稱呼，它一直是太陽系中最神秘也最令人著迷的有待探索的星球之一。2015年7月，即在被發(fā)現(xiàn)超過80年之后，當(dāng)“新地平線”號(hào)抵達(dá)冥王星時(shí)，我們終于得到了一些答案。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 人類花費(fèi)了幾十年的努力。這堪稱人類歷史上最偉大的太空探索歷程之一。

冥王星本身就是一個(gè)為神秘所籠罩的天體。當(dāng)然，還有爭議。當(dāng)“新地平線”號(hào)于2006年1月19日發(fā)射時(shí)，冥王星仍被冠以太陽系第九大行星的頭銜。然而，在同年8月，一切都發(fā)生了變化。在海王星軌道之外發(fā)現(xiàn)了一顆比冥王星還大的天體——鬩神星——之后，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)通過決議將它降級(jí)成了一顆矮行星。

“我為此感到羞愧，”美國航空航天局西南研究所的科學(xué)家、“新地平線”任務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者艾倫·斯特恩當(dāng)時(shí)說，“全世界只有不到5%的天文學(xué)家參與了投票。它不會(huì)長久的。這是一場鬧劇?！?/p>

斯特恩的不安完全可以理解。他一直致力推動(dòng)探測(cè)冥王星的空間任務(wù)。1989年，“旅行者2”號(hào)成為第一個(gè)造訪海王星及其最大衛(wèi)星海衛(wèi)一的航天器，在此期間發(fā)回了許多驚人的圖像。海衛(wèi)一被認(rèn)為是一顆被海王星俘獲的矮行星，可能與冥王星有許多相似之處。當(dāng)時(shí)斯特恩還是一名參與“旅行者”計(jì)劃的研究生，他為此深深著迷，成立了一個(gè)小組來推動(dòng)對(duì)冥王星的探測(cè)。26年后，他終于看到了自己的勞動(dòng)成果。

但冥王星的降級(jí)絲毫沒有減弱科學(xué)家對(duì)這一任務(wù)的熱情。 我們對(duì)冥王星的認(rèn)識(shí)非常有限，雖然已經(jīng)知道它的軌道特性和大小等信息，但對(duì)其表面和物質(zhì)成分知之甚少。它也是太陽系中有待探測(cè)的最后一批較大的天體之一。

我們知道，冥王星的直徑約為月球的2/3。它位于太陽系外圍的柯伊伯帶中，繞太陽公轉(zhuǎn)一周需要248年，平均距離約為59億千米。在柯伊伯帶里充滿了成千上萬個(gè)小型冰質(zhì)天體，它們被認(rèn)為是早期太陽系的遺存。因此，對(duì)冥王星的探訪其實(shí)是一個(gè)對(duì)這一類罕見天體進(jìn)行研究的難得機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈兏揪筒粫?huì)運(yùn)動(dòng)到地球附近。

冥王星的軌道是一個(gè)巨大的橢圓形：到太陽的距離在29.7個(gè)天文單位至49.3個(gè)天文單位之間，前者甚至比海王星到太陽的距離還要小。事實(shí)上，1979年至1999年，冥王星就位于海王星的軌道之內(nèi)，為更細(xì)致的研究提供了良機(jī)。有天文學(xué)家認(rèn)為，在它的表面之上有一個(gè)由氮組成的稀薄大氣層，而凍結(jié)的甲烷和氮會(huì)在表面形成霜。在繞太陽公轉(zhuǎn)的過程中，它的表面和大氣會(huì)反復(fù)地融化和封凍。

當(dāng)然，關(guān)于冥王星的許多未知（比如，它的表面看上去會(huì)是什么樣子？是像木衛(wèi)二一樣平坦，還是像土衛(wèi)二那樣崎嶇？它有哪些獨(dú)有的特征？它是如何與其衛(wèi)星，例如卡戎，相互作用的？），都是“新地平線”號(hào)抵達(dá)時(shí)需要回答的問題。

而這只是天文學(xué)家想要了解的首批問題?！摆ね跣琴x予了我們第一個(gè)探測(cè)太陽系‘第三區(qū)’中天體的機(jī)會(huì)，它們遠(yuǎn)在類地行星和巨行星之外?！蔽髂涎芯克募s翰·斯潘塞當(dāng)時(shí)說，“冥王星是那里成千上萬個(gè)天體中最大的，它與我們之前探測(cè)過的天體都有巨大的不同?！?/p>

“新地平線”任務(wù)的成形歷經(jīng)了許多年。一開始美國航空航天局曾考慮派遣“旅行者1”號(hào)在2 0世紀(jì)8 0年代末飛掠冥王星。但是，該任務(wù)被認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)過高，而土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六被認(rèn)為是一個(gè)更現(xiàn)實(shí)也更為有趣的目標(biāo)。因此，最終將冥王星排除在外。

不過這倒激勵(lì)了斯特恩和其他幾個(gè)年輕的行星科學(xué)家，他們?cè)?989年成功說服美國航空航天局開始研究冥王星任務(wù)的可行性，該項(xiàng)目被稱為“冥王星-350”。

該任務(wù)提案始于一個(gè)相對(duì)簡單的探測(cè)器，重350千克，攜帶四臺(tái)儀器設(shè)備。即便只有“旅行者”探測(cè)器一半的重量，它也被認(rèn)為具有爭議且高風(fēng)險(xiǎn)。隨后的方案則計(jì)劃發(fā)射一個(gè)類似于“卡西尼”號(hào)的航天器，攜帶一個(gè)子探測(cè)器，后者將被投放到冥王星上。然而，在1992年美國航空航天局削減預(yù)算期間，該任務(wù)被指成本過高。

“新地平線”號(hào)

緊隨其后的是搖擺不定的近10年時(shí)間，美國航空航天局手上握著數(shù)個(gè)冥王星探測(cè)提案。美國航空航天局認(rèn)為，攜帶儀器較少的小規(guī)模任務(wù)、非核動(dòng)力且耗時(shí)的任務(wù)以及攜帶大氣探測(cè)器等過于復(fù)雜的任務(wù)都是要不得的。身為冥王星任務(wù)的主要倡導(dǎo)者之一，斯特恩試圖說服美國航空航天局批準(zhǔn)有關(guān)的提案，他甚至尋求與俄羅斯和歐盟之間的多國合作，但

這一切都石沉大海。

之后，在2001年，事情終于有了突破。來自科學(xué)界和公眾的壓力最終說服美國航空航天局主管空間科學(xué)的副局長愛德華·韋勒，開始接受飛掠冥王星和柯伊伯帶任務(wù)的提案。

這些提案的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可納入美國航空航天局“新前沿”項(xiàng)目的中型航天任務(wù)。該任務(wù)可以用“宇宙神V”型火箭或者“德爾塔IV”型火箭發(fā)射，能在2020年前完成對(duì)冥王星的飛掠，成本不超過5億美元。相比之下，“發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目的成本更低，而“旗艦”項(xiàng)目的成本更高。

2001年4月6日，美國航空航天局共收到五份提案，其中之一便是由斯特恩領(lǐng)導(dǎo)、美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室和西南研究所共同參與的“新地平線”項(xiàng)目。 2001年6月6日，“新地平線”項(xiàng)目和美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的“冥王星和外太陽系探測(cè)器”提案被選中進(jìn)入下一步深入研究。

在9月24日遞交了第二份提案之后，斯特恩便開始焦急地等待美國航空航天局做出最終的決定。2001年11月29日，他接到美國航空航天局的電話，被告知“新地平線”項(xiàng)目被選中將前往冥王星。

一個(gè)雄心勃勃的探險(xiǎn)任務(wù)就此開始。在此之前，還從未有人認(rèn)真思考過這么遙遠(yuǎn)的飛掠任務(wù)，更不用說去嘗試了。研發(fā)和主導(dǎo)這一任務(wù)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室和西南研究所都是行星探測(cè)方面的“新人”，降低探測(cè)器的風(fēng)險(xiǎn)就顯得十分必要。因此，成本和進(jìn)度就成為重中之重。與此同時(shí)，在“新地平線”號(hào)研發(fā)的過程中，有關(guān)冥王星系統(tǒng)的新發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，例如冥王星的新衛(wèi)星。

“一旦獲得了資金，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)包括設(shè)計(jì)一個(gè)能可靠運(yùn)轉(zhuǎn)近10年的航天器，”斯潘塞解釋說，“然后它還要能自主且完美地完成探測(cè)任務(wù)?！痹谮ね跣堑木嚯x上，無線電通信信號(hào)往返需要8個(gè)多小時(shí)。所以，“新地平線”號(hào)必須在沒有地面控制人員幫助的情況下應(yīng)對(duì)飛掠冥王星的過程中遇到的任何問題。

在“新地平線”號(hào)研發(fā)的過程中，總共有2500人參與。最初計(jì)劃于2004年發(fā)射，最終發(fā)射時(shí)間定在了2006年年初。在2006年1月19日的第二次倒數(shù)計(jì)時(shí)時(shí)，“宇宙神V”型火箭將其送入太空，當(dāng)時(shí)冥王星的發(fā)現(xiàn)者克萊德·湯博已去世9年。

為了在可承受的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)冥王星，這次發(fā)射必須達(dá)到人類歷史上最快的速度。離開地球大氣層時(shí)，“新地平線”號(hào)的時(shí)速達(dá)到了58 536千米，是噴氣式飛機(jī)的100倍。它僅用了短短9小時(shí)便飛過了月亮，而同樣的旅程“阿波羅”任務(wù)要花3天。發(fā)射后13個(gè)月，它就抵達(dá)木星。利用木星的引力助推，它進(jìn)一步加速前往冥王星。

隨著其最終抵達(dá)時(shí)刻的臨近，“新地平線”號(hào)進(jìn)入了其任務(wù)的關(guān)鍵階段。2014年8月25日，“新地平線”號(hào)越過了海王星的軌道。海王星是它抵達(dá)冥王星前越過的最后一顆行星。8月29日，任務(wù)工程師再次讓其進(jìn)入休眠狀態(tài)?！靶碌仄骄€”號(hào)每年大約有10個(gè)月處于休眠狀態(tài)，以此來節(jié)省電力和燃料。這并不是說它處于無人看管的狀態(tài)，每個(gè)月工程師都會(huì)接收它發(fā)回的遙測(cè)信號(hào)來檢查其子系統(tǒng)的狀況。同時(shí)，如果需要的話，每年會(huì)有2個(gè)月的時(shí)間對(duì)其儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)航向進(jìn)行修正。

2014年12月6日，“新地平線”號(hào)從休眠中醒來，并將在之后的2年里保持清醒。它為抵達(dá)冥王星做好了準(zhǔn)備，然后實(shí)現(xiàn)飛掠并把數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。在完成對(duì)冥王星的飛掠之后，它將重新設(shè)定航向，去往柯伊伯帶內(nèi)的其他目標(biāo)。在這之前，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完成了對(duì)這些后續(xù)探測(cè)目標(biāo)的初步認(rèn)定。這些探測(cè)可以為了解太陽系漆黑而冰冷的外圍區(qū)域中的天體提供新的認(rèn)識(shí)。

“新地平線”號(hào)與冥王星的相遇從2015年年初開始，持續(xù)約200天。這包括約170天的進(jìn)近階段，兩者的距離會(huì)縮小到只有10000千米，然后是30天的飛離階段。

在最靠近的時(shí)候，“新地平線”號(hào)上的一臺(tái)照相機(jī)會(huì)以每像素250米的分辨率拍攝冥王星及其衛(wèi)星卡戎的圖像，而另一臺(tái)儀器能獲得的圖像分辨率更高，可達(dá)每像素50米。它們會(huì)向我們展現(xiàn)許多冥王星和卡戎的重要特征。冥王星的大氣層也會(huì)被仔細(xì)研究，同時(shí)“新地平線”號(hào)還會(huì)探測(cè)卡戎周圍是否有大氣。

在最接近冥王星之后14分鐘，“新地平線”號(hào)以27 000千米的距離飛過它最大的衛(wèi)星。此后約36分鐘，在回望冥王星的過程中，它進(jìn)入冥王星的影子，由此可以看到太陽光是如何與冥王星大氣層發(fā)生相互作用的。85分鐘后，它進(jìn)入卡戎的陰影中。

盡管這些行進(jìn)路線和觀測(cè)可以事先確定，但“新地平線”號(hào)在冥王星上究竟會(huì)看到什么仍有爭議。“沒有意外才是真正的意外！”斯潘塞興奮地說，“我想它的表面看上去會(huì)非常有趣且富于變化，有些地方黑如瀝青，有的則潔白如雪。那里可能有至少三種不同的霜凍。我們知道，冥王星有一個(gè)稀薄的氮大氣層且正在外泄，它還有至少五顆衛(wèi)星，所以那里肯定有許多值得一看、值得去研究的東西?！?/p>

在探訪了冥王星之后，“新地平線”號(hào)會(huì)有什么新的工作也同樣令人感興趣。世界各地的天文學(xué)家正在試圖尋找可供它造訪的柯伊伯帶天體。待目標(biāo)最終確定之后，“新地平線”號(hào)才有可能進(jìn)行擴(kuò)展任務(wù)。

但無論結(jié)果如何，“新地平線”號(hào)都有望成為歷史上最不可思議的太空任務(wù)之一。當(dāng)冥王星的第一張照片被傳回地球的時(shí)候，毫無疑問它成了全球媒體追逐的焦點(diǎn)，就像此前“羅塞塔”號(hào)登陸彗星一樣，只不過這一次的目標(biāo)要大得多。