□ 張 博

冥王星的千面風(fēng)景（下）

□ 張 博

在冥王星著名的“桃心”地形附近還有不少值得玩味的地方。南側(cè)如頂端帶有孔穴的疑似冰火山——萊特山（就算最終可以得到證實(shí)，它的活躍度也遠(yuǎn)沒(méi)有海衛(wèi)一上噴涌的冰泉那般明顯）以及疑似的沙丘，東側(cè)如富含甲烷冰的塔爾塔羅斯山脊（Tartarus Dorsa）一帶蛇皮狀或稱刃狀的紋理，它們無(wú)論是成因還是真實(shí)身份都有待進(jìn)一步的探討。而在桃心以北，凍結(jié)在山谷中的冰封氮池塘是冥王星過(guò)往較為溫暖，表面曾有液體流過(guò)的線索。在太陽(yáng)系中，除地球之外，類似的流體過(guò)程僅現(xiàn)于火星和土衛(wèi)六。再往北去，北極附近的洛厄爾區(qū)（Lowell Regio）有數(shù)道峽谷橫穿而過(guò)，還有像人造地球衛(wèi)星平原高地那樣四處點(diǎn)綴的凹坑（只是占地面積要較后者大得多）。這些照例是地下冰層升華的杰作，只是冰雪的主體從氮冰換成了甲烷冰，讓該區(qū)域呈現(xiàn)出了獨(dú)特的黃色調(diào)。

離開(kāi)平坦的冰原向西行進(jìn)，來(lái)到冥王星上更古老的地帶，我們看到的就是另一番面貌了。鋪滿暗色復(fù)雜有機(jī)物索林（tholin）的克爾蘇區(qū)飽受隕星轟擊，其北側(cè)的若干臺(tái)地也是如此。再往北去，就來(lái)到了冥王星上最大的已知環(huán)形山——寬250千米的伯尼（Burney，以冥王星的命名者得名）環(huán)形山，其內(nèi)部還密密麻麻地撒滿了后來(lái)出現(xiàn)的新生環(huán)形山。這些環(huán)形山暴露的側(cè)壁展現(xiàn)出了明顯的地層，敘說(shuō)著當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)演變。有一些四周的噴出覆蓋物還依稀可辨，這表明其形成時(shí)間不會(huì)太早。從伯尼環(huán)形山再往西去，來(lái)到得名于蘇聯(lián)同名金星探測(cè)器的金星號(hào)臺(tái)地（Venera Terra），所見(jiàn)又有不同：除了大量的環(huán)形山，還有交織的峽谷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了與火星迷徑溝網(wǎng)一般的風(fēng)景。據(jù)信這樣的峽谷由地表大面積斷裂所塑造，而日后的冰川運(yùn)動(dòng)或冰體升華又進(jìn)一步讓谷底加寬。

人造地球衛(wèi)星平原高地北部山區(qū)中的凍結(jié)氮池塘。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星北極附近洛厄爾區(qū)的增強(qiáng)色圖像，圖中北極位于中部偏左，附近可見(jiàn)若干平行的峽谷。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

桃心東邊緣的塔爾塔羅斯山脊的刃狀地表結(jié)構(gòu)，典型刃高500米，構(gòu)成了冥王星上最陡峭的一處地貌。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

伯尼環(huán)形山內(nèi)晚于主環(huán)形山出現(xiàn)的小型環(huán)形山群。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

金星號(hào)臺(tái)地內(nèi)的迷徑溝網(wǎng)式峽谷網(wǎng)絡(luò)。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/ SwRI

冥王星上不同冰態(tài)物質(zhì)的分布圖。左上：甲烷；右上：氮冰；左下：一氧化碳冰；右下：水冰。圖片提供：NASA/JHU-APL/SwRI

與地形多樣化相伴的是冥王星地表成分的多樣化。拋開(kāi)有機(jī)物層沉積得發(fā)暗的克爾蘇區(qū)與有機(jī)物匱乏得明亮的人造地球衛(wèi)星平原高地之間鮮明的對(duì)比不論，星球上還存在由氮冰、一氧化碳冰、甲烷冰或水冰主導(dǎo)的地帶，而且彼此之間的反差之突然，也是在全太陽(yáng)系中絕無(wú)僅有的。就算是同一種主導(dǎo)物質(zhì)，細(xì)節(jié)差異卻仍舊很明顯，如北極冠同赤道附近的數(shù)個(gè)暗斑同屬甲烷冰富集區(qū)，但各自的冰體結(jié)構(gòu)卻很可能明顯不同。這些現(xiàn)象背后反映的同樣是冥王星復(fù)雜多變的地質(zhì)或氣候史。

冥王星不僅地質(zhì)地貌引人入勝，而且大氣層帶來(lái)的驚喜也毫不遜色。大氣考察應(yīng)該說(shuō)是新視野號(hào)最急于從事的工作了。實(shí)際上在21世紀(jì)之初，當(dāng)冥王星-柯伊伯帶快車因預(yù)算縮減的緣故被迫中斷之后，美國(guó)行星學(xué)會(huì)再三發(fā)起太空愛(ài)好者向美國(guó)宇航局（NASA）請(qǐng)?jiān)福Ｍ厥摆ね跣翘綔y(cè)。這不僅僅是出于填補(bǔ)太陽(yáng)系空間勘察空白的考慮，更有一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的擔(dān)憂：上世紀(jì)末，冥王星剛剛經(jīng)過(guò)了近日點(diǎn)，期間星球溫度上升，部分冰態(tài)物質(zhì)升華，帶來(lái)了臨時(shí)性的大氣；當(dāng)冥王星遠(yuǎn)離太陽(yáng)之后，這層本已稀薄的氣體很可能會(huì)徹底凍結(jié)，想再次對(duì)其開(kāi)展詳細(xì)研究恐怕就要等到3個(gè)世紀(jì)之后了。所幸新視野號(hào)最終上路，趕在了冥王星大氣凝固之前完成了匆匆一瞥。

首先讓來(lái)自地球的人倍感親切的是，冥王星的天空呈藍(lán)色，而且色彩的成因也與地球一樣——大氣中的懸浮物對(duì)陽(yáng)光的瑞利散射。只是這里的氣壓顯然要遠(yuǎn)低于地球，只及地球大氣層外邊緣的水平；另外二者散射陽(yáng)光的顆粒成分也不同，于地球而言是氮分子，但在冥王星上卻是深色的索林顆粒，它們?cè)醋愿邔哟髿庵械募淄楹偷肿颖魂?yáng)光中的紫外線瓦解并相互反應(yīng)。而當(dāng)索林表面被冰霜覆蓋后，就會(huì)落到冥王星上，長(zhǎng)此以往，整個(gè)星球就被涂上了橙紅的色彩，甚至呈現(xiàn)出了克爾蘇這種暗區(qū)。

索林組成的霧霾顆粒在冥王星大氣中分布甚廣，從地面一直延伸到160千米的高空。這一高度本身徹底顛覆了飛掠前的預(yù)言，因?yàn)樵缒耆藗冋J(rèn)為距離星球表面30千米的高空中的溫度已經(jīng)過(guò)高，所以顆粒物質(zhì)難以凝結(jié)于此。但新視野號(hào)的實(shí)測(cè)結(jié)果是，冥王星高層大氣的溫度遠(yuǎn)較之前根據(jù)地面觀測(cè)做出的估計(jì)為低，原因不明，但這至少保證了顆粒的存在性。同時(shí)，霧霾本身還分出了不同的層次，至少各處的密度并不均勻，每層也并沒(méi)有嚴(yán)格平行于星球曲率。霧霾層可行的解釋是重力波（這種波動(dòng)并非時(shí)空本身的漣漪——引力波，二者必須區(qū)分開(kāi)來(lái)），這一效應(yīng)讓顆粒集中于某幾個(gè)高度上，而波動(dòng)本身則是由吹過(guò)冥王星崎嶇山地的風(fēng)力所激起的。

冥王星上的藍(lán)天和霧霾。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星由大氣霧霾產(chǎn)生的光暈，以及霧霾的分層示意。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

更奇怪的是，當(dāng)新視野號(hào)完成飛掠后不久，其上搭載的無(wú)線電實(shí)驗(yàn)設(shè)備（REX）配合深空探測(cè)網(wǎng)的地基天線進(jìn)行了冥王星掩星測(cè)量，發(fā)現(xiàn)星球地表大氣壓較兩年前的地面掩星觀測(cè)值降低了一半，而在此以前氣壓都是一路上升的。這到底是冥王星遠(yuǎn)離太陽(yáng)期間的必然過(guò)程，還是過(guò)去的觀測(cè)誤差太大因此不是很可信？如果原因是前者，以此趨勢(shì)持續(xù)下去，過(guò)不了多久，冥王星的大氣也就要全部?jī)龅降孛嫔先チ耍@樣看來(lái)，搭上了大氣勘察末班車的新視野號(hào)還算運(yùn)氣不壞。除了氣壓，早先同樣被高估的還有大氣的逃逸速率。原本研究者以為像冥王星這樣不太大的天體，其大氣損失的劇烈程度或許能與彗星比肩；但實(shí)際水平卻更類似于地球，這大概與較低的高層大氣溫度有關(guān)。而逃逸氣體的主要成分是甲烷而非含量更高的氮?dú)?，這也稱得上又一怪事。

新視野號(hào)逆光拍攝的冥王星霧霾層，圖中可見(jiàn)超過(guò)20層霧霾結(jié)構(gòu)。值得一提的是，圖中最低的一層并沒(méi)有完全與地表平行，而是在部分區(qū)域與地面相連。圖中冥王星邊緣附近的地貌也依稀可見(jiàn)。圖片來(lái)源：NASA/JHUAPL/ SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

太陽(yáng)風(fēng)與冥王星由氮元素主導(dǎo)的大氣的相互作用示意，受大氣逃逸離子撞擊的太陽(yáng)風(fēng)被減速，并在冥王星前方形成可能的激波；而星球后方拖出了一道長(zhǎng)長(zhǎng)的等離子體尾跡。圖片來(lái)源：NASA/ JHUAPL/SwRI

冥王星不那么直觀但仍舊重要的“面目”還包括其周邊的空間環(huán)境。新視野號(hào)本身就攜帶了用于測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)的等離子體譜儀SWAP、用于測(cè)量冥王星大氣逃逸離子的高能粒子譜儀PEPSSI，還有由科羅拉多大學(xué)的學(xué)生主持研制的塵埃計(jì)數(shù)器SDC。前兩臺(tái)儀器發(fā)現(xiàn)了冥王星大氣與太陽(yáng)風(fēng)相互作用的方式，確定出從大氣中逃逸的氮離子在星球后方形成了一道等離子體尾；而晝半球前方的逃逸氣體只局限于6倍冥王星半徑之內(nèi)，遠(yuǎn)較預(yù)期為近，如此明顯的不一致可能要?dú)w結(jié)為大氣逃逸速率先前被大大高估。SDC的最重要發(fā)現(xiàn)是，它在飛掠前后5天內(nèi)只記錄下了1個(gè)塵粒，這意味著冥王星系統(tǒng)中的塵埃密度完全與外太陽(yáng)系中的背景相當(dāng)。這照樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期，不過(guò)好處是最初對(duì)塵埃撞擊探測(cè)器引發(fā)事故的顧慮可以暫時(shí)被放到一邊去了。

在新視野號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸期間，冥王星的所有5顆衛(wèi)星也終于全部露出了真面目。首先是在飛掠之時(shí)即已顯露真身的最大冥衛(wèi)——冥衛(wèi)一，鑒于它的直徑達(dá)到了冥王星的將近一半，而且它同冥王星的公轉(zhuǎn)質(zhì)心是位于冥王星外部的，所以二者在過(guò)去經(jīng)常被視作雙行星?？墒勤ばl(wèi)一相對(duì)冥王星的差異遠(yuǎn)比相似點(diǎn)惹眼，在高分辨率圖像中更是如此。比如根據(jù)隕擊環(huán)形山判斷，前者的地表是均一地古老；而斷裂又很是常見(jiàn)，甚至在赤道附近存在一道長(zhǎng)長(zhǎng)的構(gòu)造斷層，暗示了遠(yuǎn)古時(shí)期冥衛(wèi)一內(nèi)部擁有海洋，后來(lái)海水的凍結(jié)撕裂了地殼。而冥衛(wèi)一地表復(fù)雜性雖高，這里的色彩（進(jìn)而是組分）卻沒(méi)有冥王星那樣繁雜。當(dāng)然還有一個(gè)重要區(qū)別是冥衛(wèi)一沒(méi)有絲毫的大氣存在跡象，但北極冠附近有機(jī)物富集帶呈現(xiàn)的紅褐色卻是逃逸自冥王星大氣中的甲烷發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗髁侄境傻摹＿@一切都說(shuō)明，冥王星系統(tǒng)的這兩個(gè)主要成員，理應(yīng)是分別誕生后再相逢的。

其他4顆小型冥衛(wèi)雖非探測(cè)器的關(guān)注重點(diǎn)，但其近照還是都被逐一拍下。根據(jù)圖像可知，它們的地表不僅古老，而且年齡相近，所以有假說(shuō)稱其全部源于歷史上冥王星與另一個(gè)柯伊伯帶天體的碰撞。而又因?yàn)檫@幾顆不規(guī)則的小天體反照率全部過(guò)半，相對(duì)小型柯伊伯帶天體而言都過(guò)于明亮，因此也支持它們并非被冥王星俘獲的柯伊伯帶成員的觀點(diǎn)。更有趣的是冥衛(wèi)三和冥衛(wèi)四隱隱表現(xiàn)出了雙瓣?duì)畹哪?，不禁讓人想到羅塞塔號(hào)造訪的丘留莫夫-格拉西緬科彗星。說(shuō)不定這兩顆小衛(wèi)星也跟彗星一樣，是由兩部分并合形成的。除此之外，新視野號(hào)的又一意外發(fā)現(xiàn)是冥王星不存在新的衛(wèi)星，至少在探測(cè)器所容許的分辨率和靈敏度下是如此。

冥衛(wèi)一的高清晰度影像，圖中環(huán)繞衛(wèi)星赤道的大型裂谷、星羅棋布的環(huán)形山連同北極周邊的棕紅色有機(jī)物層清晰可見(jiàn)。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

新視野號(hào)拍攝的4顆小型冥衛(wèi)的影像，其中冥衛(wèi)三和冥衛(wèi)四的雙瓣結(jié)構(gòu)以紅色圓圈勾出。圖片來(lái)源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星（灰色）與2014 MU69（紅色）的軌道相對(duì)關(guān)系示意圖，其中黃色曲線表示新視野號(hào)的飛行路線。（圖片來(lái)源：NASA/ JHU-APL/ SwRI/David Napolillo）

新視野號(hào)在今年7月13~14日，也就是飛掠冥王星整整一年之后拍攝的柯伊伯帶天體夸奧爾的照片。（圖片提供：NASA/ JHU-APL/ SwRI）

新視野號(hào)對(duì)冥王星系統(tǒng)的實(shí)地調(diào)研目前已經(jīng)告一段落，但其對(duì)行星科學(xué)帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響卻不會(huì)到此為止。拋開(kāi)這架探測(cè)器拓荒太陽(yáng)系邊疆，并為始于1965年7月14日水手4號(hào)火星飛掠的太陽(yáng)系第一期近距離勘察畫(huà)上句號(hào)的功勞不論，對(duì)柯伊伯帶天體的研究帶來(lái)的啟示更是引人思索。冥王星所呈現(xiàn)的古怪特點(diǎn)，很可能就是柯伊伯帶的常態(tài)；而其上種種看似陌生的過(guò)程，也許對(duì)于柯伊伯帶天體（至少是大型柯伊伯帶天體）來(lái)說(shuō)正是共性的。我們對(duì)這類冰封的太陽(yáng)系原始天體的了解，實(shí)在是太少太少。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的外圍地帶，新視野號(hào)小組在完成冥王星飛掠之后就安排了它的下一個(gè)訪問(wèn)目標(biāo)——2014 MU69，并指揮探測(cè)器在2015年11月完成了針對(duì)新天體的變軌機(jī)動(dòng)。這個(gè)小型柯伊伯帶天體的寬度只有45千米，大于一般的彗星，而比冥王星小很多，它應(yīng)該是太陽(yáng)系外圍更常見(jiàn)的成員?，F(xiàn)在這項(xiàng)拓展計(jì)劃已經(jīng)得到了NASA的正式批準(zhǔn)，如果進(jìn)展順利，新視野號(hào)將在2019年元旦與2014 MU69會(huì)合，那時(shí)想必還有更多的驚奇與新發(fā)現(xiàn)在等待著我們。

而在接下來(lái)的飛行過(guò)程中，新視野號(hào)也將沿途拍攝其他一些柯伊伯帶天體，比如今年探測(cè)器已經(jīng)將照相機(jī)對(duì)準(zhǔn)了1994 JR1以及夸奧爾。雖然在照片中，這些不大的家伙只是以光點(diǎn)的面目示人，但這已經(jīng)是它們迄今最佳的照片了。何況新視野號(hào)的視角與地面有所不同，通過(guò)比較二者之間的差異，就能推斷出被攝柯伊伯帶天體反照率等參數(shù)在各處的異同，還是有很高的研究?jī)r(jià)值的。作為額外的紅利，充當(dāng)被攝小天體背景的恒星、星系等也成了拍攝對(duì)象。預(yù)計(jì)在未來(lái)的若干年里，類似的觀測(cè)應(yīng)該還會(huì)涌現(xiàn)不少。

（責(zé)任編輯 馮翀）