互动科普

概述：新视野

冥王星之旅

S．Alan Stem

科学家最终决定要向冥王星库珀带(Kuiper Belt)发射探测飞船，那里是太阳系中唯一还没有被人类勘查过的地方。

除冥王星之外，其他行星都能很好地附和天文学家对太阳系结构的规律性认识——4颗主要由岩石构成的较小的行星在里边的轨道上；4N大型气态行星则在外侧轨道上运行，它们中间还有一个小行星带。而离太阳最远的冥王星却一直是个谜，它由冰构成，运行在海王星外侧的一个特殊轨道上。有些学者——其中最著名的是美籍荷兰天文学家杰勒德·库珀(Gerard Kuiper)——在上世纪40和50年代提出，冥王星可能并不是一颗独立的行星，而是在同一区域内运行的大量天体中最亮的一颗。这些天体集合后来被称为库珀带(Kuiper Belt)，科学界对它已经讨论了数十年，然而寻找这些天体的工作没有取得什么成果。

不过在上世纪80年代后期，科学家确定只有假设存在类似库珀带的天体，才能解释许多短周期彗星的问题。科学家又重新开始研究海王星之外暗淡的未知天体。在80年代，天文望远镜上配备了电子光探测器，可以使搜索灵敏度较以前使用感光板时提高很多。这样就可能离成功更近了一步。

在1992年，位于夏威夷的莫纳克亚山天文台发现了第一个库珀带天体(KBO)，它的大小只有冥王星的1／10左右，亮度仅为冥王星的万分之一。从那以后，天文学家已经发现了600多个KBO，直径从50到1200公里左右(冥王星的直径约为2400公里)。

而这些发现可以说仅仅是冰山一角。根据目前已经观测过的一小部分天空区域，研究人员估计库珀带大约包含10万个直径大干100公里的天体。因此，库珀带与小行星带相比，它的质量要大得多，天体数目特别是大型天体数也要多得多。事实上在太阳50亿到至少80亿公里的范围内有一大群较小的天体，冥王星处在它们中间。由于这一遥远的区域可能保留有太阳系形成早期的重要线索，现在天文学家对冥王星及其卫星Charon以及组成库珀带的天体十分感兴趣。然而它们与地球的遥远距离限制了观测的质量，即便是灵敏的哈勃太空望远镜也只能显示出冥王星表面上的亮暗区域。而且尽管“先驱者”号、“旅行者”号和“伽利略”号探测器曾经传回过木星、土星、天王星和海王星的清晰的近距离画面，但到目前为止还没有空间探测器到达过冥王星、冥卫或库珀带。

由于认识到太阳系这一区域的重要价值，在过去10多年中，科学家一直要求美国航空航天局(NASA)将冥王星列入其行星探测计划。NASA研究了各种探测方案，从类似“卡西尼”探测器(现在正飞往土星)的载有仪器的游艇大小的飞船，到只带有摄像机的仓鼠大小的飞行器都考虑过。90年代末，NASA确定了一个名为冥王星一库珀快车(Pluto—Kuiper Express)的中等规模的方案，准备在加州帕萨迪纳的喷气推进实验室建造。但这项计划的预算迅速地接近了8亿美元，超出了NASA希望投资的数额。2000年秋天，NASA放弃了这项计划。

但是这项计划不是那么容易就能取消的。科学家、空间探测的拥护者以及许多在校的学生纷纷要求NASA重新考虑这项计划。经过权衡，NASA做出了一个新的决定，他没有重新上马冥王星-库珀快车计划，而是让各个大学、实验室和航天公司在对冥王星及其卫星以及库珀带的低成本探测方案上展开竞争。像这样让企业和大学都参与竞争的做法在NASA的历史上还是第一次。NASA对探测方案提出的要求是，在2020年以前完成制定的科学测量目标，同时预算不能超过5亿元，如果没有方案能够达到这个要求，它将放弃这方面的计划。

2001年11月，经过一番严格的筛选，NASA最终选择了名为“新视野”（New Horizons）的计划来进行冥王星和库珀带的探测研究。该计划由位于德克萨斯州的西南研究院（Southwest Research Institute）和约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室（Applied Physics Laboratory，APL）共同领导。来自十余所大学、研究所和NASA研究中心的科学家一起深入地研究这项探测计划。西南研究院将对项目进行管理，并负责科研仪器的开发。APL负责“新视野”飞船的建造的运行。鲍尔空间公司（Ball Aerospace）、NASA的戈达德太空飞行中心和斯坦福大学将制造飞行器上搭载的部分仪器，而JPL将会负责飞船的跟踪和导航。

“新视野”计划率先使用较为经济的方式来建造和运行外太阳系探测器飞船，满足了NASA所规定的条件。它的总成本是4.88亿美元，飞船可望在2015年夏天到达冥王星。而且，“新视野”飞船上将会搭载更多的仪器，它能够向地球送回10倍于被取消的冥王星-库珀快车计划的观测数据，同时更为经济。

不过由于财政预算的原因，“新视野”飞船是否真能发射也还没有确定。如果一切顺利，那么“新视野”飞船将不仅仅担负首次冥王星探测的任务，在飞向冥王星途中，飞船还将木星及其卫星，对它们进行研究，在飞过冥王星及其卫星之后，探测器还将继续对若干个库珀带天体进行近距离观测。

一次空间考古发掘

为什么天文学家对冥王星及其卫星以及库珀带如此感兴趣呢？这有几个原因。第一，库珀带的大小、形状、质量和特性看起来都与离太阳系较近的几颗行星如织女星和北落师门星（南鱼座α）周围的残余物带十分相似。研究人员使用计算机建模技术模拟了50亿年前从气体和尘埃涡旋盘中聚合生成行星系统时库珀带的质量必须是现在的100倍左右，才能产生出冥王星、冥卫以及我们看到的库珀带天体。换句话说，在库珀带中曾经有足够的固态物质来形成与天王星或海王星大小相当的另一颗行星。

与此同时这项模拟还表明，如果没有外界的扰动，像海王星这样的大行星将会在非常短的时间内从库珀带天体中自然形成。很明显，在冥王星形成时库珀带受到了某种扰动，但科学家还没有确定这种扰动的原因。可能是因为在库珀带的内边界附近形成了海王星。是海王星的引力作用在某种程度上中断了其外侧大型气态星球的形成？如果是这样，为什么天王星的形成没有干扰海王星的生成?所以可能是数十亿年前由大量处于雏形中的岩石体行星的引力作用引起，它们的直径有数千公里，在从天王星和海王星的形成区域中被抛射出来之后快速穿过了库珀带造成了扰动。也可能完全是其他的原因造成的。不管什么原因，库珀带失去了它的大部分质量，在该区域内星体的生成也突然被阻止了。

库珀带天体是远古时行星生成过程的残留物，因此它可能包含与外太阳系形成有关的极其重要的线索。探测冥王星和库珀带就相当于对外太阳系的历史进行一次考古发掘，研究人员可望从中获得极有价值的发现。

而且尽管我们对于冥王星及其卫星的认识十分贫乏，但仅仅是这些认识就足以让我们确信，它们将会向我们展现一幅美妙的科学奇景。值得注意的一点是，冥王星的卫星大得让人吃惊，其直径约有1200公里，大约是冥王星的一半。由于二者的大小如此接近，冥王星和冥卫可以被视为双行星。在太阳系中还没有其他行星是这样，大多数卫星的直径只是其行星的百分之几。但由于天文学家在最近几年中已经发现了许多成对的小行星和库珀带天体，可以确信像冥王星及其卫星一样的双星体在太阳系中是很普遍的，其他恒星系统中很可能也是如此。但人类的探测器还从来没有造访过这样的双星体。

科学家十分想知道像冥王星及其卫星这样的系统是如何形成的。现在最为盛行的假说是，在很久以前冥王星撞击了另外一颗大型的天体，这次撞击的残骸进入环绕冥王星的轨道，最终聚合成它的卫星。由于有科学家认为月球也是由类似的撞击产生，因此对于冥王星和冥卫的研究也能有助于月球形成历史的研究。

研究人员还想知道为什么冥王星和它的卫星在外观上差异如此之大。从地球和哈勃太空望远镜上进行的观测都表明冥王星表面的反射率很高，而且上面有扩张性极地冰冠存在的迹象。与此相比，冥卫的表面反射率就要低得多，上面的痕迹也不明显。冥王星有大气层，冥卫就没有。这些明显的差异是由于它们演化过程不同，(或许是因为它们有不同的体积和成分)，还是因为最初形成的过程不同?这些目前还无从知晓。

此外还有更让人感兴趣的事情。冥王星的密度、体积和表面成分都与海王星最大的卫星海卫一(Triton)十分类似。“旅行者”2号对海王星系统的探测中最令人惊奇的是发现了海卫一上正在进行猛烈的火山活动。冥王星是否也会有火山活动？库珀带天体上有吗？就目前科学家对行星过程的了解，它们不会有火山活动，但海卫一上按理也不应该有。可能海卫一的情况是我们所不了解的小型星体的特有现象。通过探测冥王星和库珀带天体，科学家希望能够对这类天体有更深入的了解。

冥王星另外一个吸引人的地方是它奇怪的大气层。尽管冥王星的大气层密度只有地球大气的3万分之一，它却能够提供对行星大气层研究很有价值的独一无二的资料。地球大气中只含有一种反复经历固态到气态之间相变的气体——水蒸汽，而在冥王星上有3种：氮气、一氧化碳和甲烷。而且，目前冥王星整个表面上的温度变化幅度达到50％，也就是从40到60开氏度左右。冥王星在1989年到达它的近日点。随着它逐渐远离，多数天文学家认为其表面平均温度将会降低，其大气层中的大多数成分将会凝结，像雪一样降落下来。冥王星可能是太阳系中季节变化最为明显的行星。

除此之外，冥王星大气的逃逸率与彗星十分相似。上层大气的多数气体分子都具有足够逃脱冥王星引力的能量。这种速度极快的气体散失称为流体逃逸(hydrodynamic escape)。尽管现在在其他任何一颗行星上都看不到这种现象，但它却可能与地球早期大气中氢元素的快速损失有很大关系。这样，流体逃逸可能使得地球成为适宜生命产生的星球。冥王星现在是太阳系中唯一可供科学家研究这一现象的行星。

冥王星和地球生命起源之间一个重要的联系是它表面和内部水冰中存在有机化合物，如固态甲烷。最近对库珀带天体的研究表明它们也有可能储存大量的冰和有机物。人们一般认为这些物质在数十亿年前频繁进入到内太阳系，从而使年轻的地球开始了初等生命体的演化。

一次真正伟大的旅行

有上面这么多激发人兴趣的科研目的，我们就不难理解为什么行星研究学界希望向冥王星和库珀带发射探测飞船了。未知世界的强大吸引力，又使众多的大人和小孩对这项计划抱以浓厚的兴趣。

NASA对冥王星和库珀带的探测规定了3项重点任务。首先飞船必须对冥王星及其卫星的表面进行平均分辨率为1公里的测绘(相比之下，哈勃太空望远镜对冥王星及卫星拍照时的分辨率最高只能到500公里左右)。其次，探测器必须绘出这两个星球上各种不同地质区域的表面组成。再次，飞船必须确定冥王星大气的组成、结构以及逃逸率。另外NASA还给出了几项次要的任务，包括测量其表面温度，搜索冥王星的其他卫星或光环等。航天局还要求飞船除冥王星之外至少对一个库珀带天体完成相同的观测。

“新视野”飞船采用了较为简洁的设计，其预计质量只有416公斤，比早期的“先驱者”号探测器重，但要轻于“旅行者”号。其中包括了用于飞船轨道调整的联氨调控推进剂的质量。飞船的大多数子系统，如计算机和推进控制系统，都是基于APL的“彗核之旅”(Comet Nucleus Tour，CONTOUR)探测器中所使用的设计方案，这艘飞船计划在今年7月发射，开始一项多彗星飞掠探测。使用CONTOUR的设计降低了“新视野”的成本，同时也降低了出现技术和进度问题的可能性。“新视野”飞船中几乎所有的子系统都有备用设备，从而可以提高长途飞行的可靠性。

“新视野”飞船将会携带4套仪器。测绘和组成光谱分析系统(PERSI)将对光谱中的可见光、紫外线和红外线部分进行观测。PERSI的红外成像光谱仪是对冥王星及其卫星表面冰层组成和物理状态(包括温度)进行观测的基本设备。配有无线电仪器的REX将会测量飞船的2．5米宽射电抛物面天线所接收到的微波辐射强度，以此确定冥王星的大气结构及冥王星和冥卫的表面平均温度(在其向阳面和背阳面分别进行测量)。第三套仪器PAM由带电粒子探测器组成，这些探测器用来对冥王星大气中逃逸出来的物质进行取样分析，确定其逃逸率。第四套仪器是高分辨率的成像仪器LORRI，它将对PERSI已经十分强大的测绘功能进行进一步的补充。在最接近冥王星时，PERSI对冥王星和冥卫以及库珀带天体的全局图像的平均分辨率为1公里左右。但LORRI可以对选定的区域进行拍摄，使分辨率提高到PERSI的20倍。

如果一切都按计划进行，飞船将会在2006年1月发射，它先是向木星的方向飞行，然后借助木星引力的作用向冥王星方向弹射出去(见图示)。在飞临木星时，新视野飞船将会对其进行为期4个月的集中研究，内容主要是人们感兴趣的木星的20多颗卫星以及它的霞光、大气和磁层等。在木星引力的帮助下，飞船可以在2015年到达冥王星和冥卫附近。到达的准确日期取决于NASA选择的发射工具以及2006年1月发射的具体日期。

在从木星到冥王星漫长旅途的大部分时间中，“新视野”飞船将会处于电子休眠状态。关闭不需要的系统，减少与飞船联系的次数能够降低设备失灵的几率，同时也可以大幅度地降低运行成本。在这个休眠期中飞船将会持续向地球发送简单的状态信号，如果出现意外的问题，地面控制小组将会立即做出反应。每年飞船会被唤醒大约50天时间，对系统进行彻底的检查，校正航线，并对仪器进行校准。

与先前的冥王星快速飞临探测计划所不同的是，“新视野”将会在到达距冥王星最近处的6个月之前开始其研究工作。当飞船距离冥王星约1亿公里远，也就是离最近处还有约75天时，它所拍摄的冥王星图像质量将会超过哈勃太空望远镜，随着距离的接近，效果还会越来越好。在到达最近点前的几周里，地面探测小组将可以对冥王星和冥卫的更多细节进行测绘，并且可以通过比较各个时刻的行星画面来观测冥王星的天气等现象。利用LORRI的高分辨率成像能力，研究人员可以得到冥王星及卫星的变焦距画面，这些画面可以帮助人们确定哪些地质特征值得进行特别的研究。在距离冥王星最近的那天里，“新视野”飞船距离冥王星只有几千公里，此时PERSI可以获得冥王星及其卫星向阳面的最佳图像。而LORRI将会侧重对冥王星及冥卫表面上数十个较小的区域，进行观测拍摄分辨率更高的画面。

当飞船飞过冥王星后，它将掉转头来拍摄冥王星背向太阳的一面，这一面上将会被其卫星反射的较弱光线照亮。飞船的天线将会接收透过冥王星大气层传来的来自地球的强大的无线电波束。通过对此无线电波折射的测量，研究人员可以绘制出冥王星大气层从高空到表面的温度和密度曲线。

在与冥王星及冥卫擦肩而过之后，接下来的5年里新视野飞船立即会转入对远古库珀带天体进行一系列类似的飞掠探测，研究人员希望能够进行3次或更多的这种探测。确切的次数将取决于飞船在完成冥王星探测之后剩余的燃料量。

机不可失，时不在来

“新视野”计划有望使我们对冥王星及冥卫系统以及库珀带的认识发生根本性的变化。但如果飞船不能于2006年如期发射的话，就会丧失一次宝贵的探索机会。因为行星相对位置的变动，过了2006年之后飞船就不能再借助木星的力量飞向冥王星。错过了这一窗口，NASA将不得不等到2018年木星再次运行到合适的位置再进行发射，这样最早在2025年左右探测器才能到达冥王星。

到那时冥王星与太阳的距离将会比今天远数亿公里，其表面将显著变冷。由于冥王星轴线的极度倾斜以及绕太阳公转的影响，飞船必须在黑暗的冥王星黑影中飞掠400多万公里的地面，其中大部分处在冥王星的南半球，在这个过程中是不能进行观测的。而且那时很可能冥王星的整个大气层都已经凝结，这样也就丧失了对大气进行研究的机会，而要再次等到这种机会，只能等到23世纪冥王星又向近日点运行时才行。

“新视野”计划将是NASA行星计划中的一次激动人心的探测旅行：这是自1989年旅行者2号飞过海王星以来，NAS的空间探测器第一次将一起对准一颗新的行星。这将是NASA飞船的一次历史性的探测飞行。NASA通过公开招标选择“新视野”计划，相比最近对外太阳系的几次探测，它可以将成本降至原来的几分之一。

如果能够获得国会的批准，这项对冥王星和冥卫以及库珀带的探测计划将会在从现在开始的10余年里经过一系列飞掠，到2015年夏天进行实际的探测。如果此项计划获得成功，美国将会最终完成从上世纪60年代“水手”号对金星和火星的探测开始的太阳系基础勘测计划。

【袁永康／译 郭凯声／校】