這個(gè)“地獄”不太冷

孫正凡

NASA“新視野號”拍下冥王星首張彩色照。

有句話說“太陽底下沒有新鮮事兒”，好像我們?nèi)祟愂裁炊家娮R過了。實(shí)際上，隨著現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，太陽底下的新鮮事兒越來越多了。就不說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”，就我們太陽系里，新聞也是日新月異。剛剛過去的7月14日，是法國國慶日，也是法國大革命227周年紀(jì)念日，可全人類的目光都被發(fā)生在48億千米之外的“新視野號”飛掠冥王星這件事兒吸引過去了，遙遠(yuǎn)而冰冷的冥王星竟然還能爆出大新聞！

探索太陽系的重要一步

自1957年10月蘇聯(lián)第一顆衛(wèi)星升空，開創(chuàng)了太空時(shí)代以來，人類征服太空的激情就一發(fā)而不可收了。美蘇爭霸的太空競賽過程中，美國首先實(shí)現(xiàn)了把人類送上月球的愿望，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)，前往太陽系其他行星的旅程也已經(jīng)展開，1962年，美國宇航局的“水手2號”飛過金星。

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，還有漫長的空間距離，以及隨之而來的時(shí)間成本。我們在地球上旅行，最多不過上萬千米，飛機(jī)輾轉(zhuǎn)一兩天也就到了。但地球到太陽的距離（稱為“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)化而來的。

20世紀(jì)前往太陽系各大行星的航天探索，讓人類第一次弄清楚太陽系的結(jié)構(gòu)。簡單地說，我們的太陽統(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，也就是離太陽距離超過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)以冰冷的水冰和塵埃混合物為主，是我們所見到的彗星的來源。

1977年發(fā)射的旅行者2號探測器本來已經(jīng)把冥王星列入探測計(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“還沒有被航天器探測的行星”，從探測上來說，這里是太陽系名副其實(shí)的“邊疆”。

“新視野號”探測器是美國宇航局，也是人類發(fā)射第一個(gè)前往冥王星的探測器。它的目標(biāo)是為了探測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)?！靶乱曇疤枴钡陌l(fā)現(xiàn)將直接改變我們對太陽系的已有認(rèn)識，有助于了解太陽系的形成和演化，甚至我們自身的由來。

1990年代末，美國宇航局曾制定了一個(gè)名為“冥王星-柯伊伯快車”探測計(jì)劃，后來由于研制經(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，周期長達(dá)248年，根據(jù)測算，2015年正好是探測冥王星的絕佳時(shí)機(jī)。一旦錯(cuò)過，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)射冥王星探測器的最佳窗口期。最終，美國宇航局在2000年12月宣布公開征集方案，重新論證冥王星計(jì)劃，這也是美國宇航局歷史上首次向全球公開征集太空探測方案。被采納的方案由美國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”，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”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號用了12年時(shí)間才到達(dá)海王星?！靶乱曇疤枴泵棵胨俣?6公里，即每小時(shí)速度達(dá)到5.7萬公里，如此之快的速度意味著它只能從冥王星身旁掠過，無法停留。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”為了這次相遇做了充足的準(zhǔn)備。

“新視野”號探測器的設(shè)計(jì)，遵循了美國宇航局推行小型化、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)所釋放出來的熱能發(fā)電。由于冥王星距離太陽太遠(yuǎn)，陽光抵達(dá)冥王星需要4小時(shí)，那里的太陽能只及地球千分之一，太陽能電池?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)儀器是太空探測器的“眼睛”?！靶乱曇疤枴睌y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)儀器通過測量無線電波和粒子譜儀，用于測量冥王星大氣，以及環(huán)境中的太陽風(fēng)、能量粒子和塵埃。

值得一提的是，“新視野號”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，存儲(chǔ)了約43萬人的名字，這些名字是2005年向全球科學(xué)愛好者征集而來;一張記錄著“新視野號”團(tuán)隊(duì)成員照片的光盤;兩枚25美分硬幣，來自馬里蘭州和佛羅里達(dá)州，“新視野號”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國旗;第一艘私人資助的載人航天器“太空船一號”（2004年進(jìn)入太空）的一塊切片;一枚1991年的美國郵票，文字標(biāo)志是“冥王星：尚未探測”;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系第9大行星的地位——至少在湯博生前如此?？墒牵凇靶乱曇疤枴鄙諆H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歲的觀測助理湯博。

冥王星和它的地位爭議

2015年7月14日，美國馬里蘭州Laurel，美國約翰·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”探測器飛掠冥王星。

20世紀(jì)初，一位熱心的搜尋者是美國富翁、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歲觀測助理湯博，利用閃視對比儀（一種可以迅速對比兩張照片不同之處的儀器，就像“找不同”游戲）對比了幾個(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)過連日觀測，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)初美國最重要的科學(xué)貢獻(xiàn)之一，美國人對此充滿自豪，甚至稱冥王星為“美國行星”。

1978年7月，美國海軍天文臺(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。他立即把天文臺(tái)1970年以來拍攝的冥王星照片都找了出來，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。

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)家通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測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，拖著長尾的彗星來源也是天文學(xué)家思考的問題之一。經(jīng)過對數(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5萬～10萬天文單位，存在原始太陽星云的殘留物，它們受干擾之后進(jìn)入太陽系內(nèi)部成為彗星，這兩個(gè)巨大的“冰庫”，被稱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，只不過當(dāng)時(shí)人們還沒有意識到，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)與冥王星類似的天體發(fā)現(xiàn)引起了天文學(xué)家們激烈爭論，深刻動(dòng)搖了冥王星的大行星地位。因此這顆天體被稱為鬩神星（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系的第十顆行星。但隨著觀測發(fā)現(xiàn)日新月異，柯伊伯帶天體數(shù)量已經(jīng)超過1000個(gè)，實(shí)際的天體數(shù)量可能超過10萬個(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)問題，“行星”這個(gè)名詞其實(shí)從未給出過明確定義。2006年8月，國際天文聯(lián)合會(huì)第26屆大會(huì)通過第5號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，就稱為矮行星。因此冥王星由此被降級為矮行星（同時(shí)獲得小行星編號134340），我們從小所熟知的太陽系九大行星被改寫為八大行星。谷神星、鬩神星、鳥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)者湯博的美國同胞，有些美國城市甚至拒絕承認(rèn)冥王星被降級。

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

飛向遙遠(yuǎn)的未來

在“新視野號”的旅途中，經(jīng)過與小行星132524 APL一個(gè)短暫的相遇后，“新視野號”飛掠木星，既獲得了加速，又對探測器性能進(jìn)行了全面測試。前往冥王星途中，航天器是處于休眠模式度過，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)鏡觀測到的光譜猜測遠(yuǎn)在柯伊伯帶中的冥王星是什么樣子，“新視野號”第一次對近距離觀察，將會(huì)填補(bǔ)矮行星、柯伊伯帶知識的空白。

2015年7月14日，探測船最接近冥王星。探測船將在冥王星南半球約9，600公里處高速掠過。冥衛(wèi)一卡戎屆時(shí)在冥王星另一側(cè)，探測船需經(jīng)過冥王星后，回頭再探測卡戎。飛離冥王星后，探測船觀察工作持續(xù)10個(gè)星期，對冥王星的探測則于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”的信號到達(dá)地球也要4個(gè)多小時(shí)。但實(shí)際上因?yàn)樾盘栁⑷?，?shù)據(jù)實(shí)際傳輸速度還不到2kb/s，因此，“新視野號”發(fā)出的信號，是在經(jīng)歷了13個(gè)多小時(shí)的太空旅程后，才來到地球。

“新視野號”拍攝的圖像要比哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測的分辨率還高10萬倍。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，長相卻如此可愛。美國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?！靶乱曇疤枴鲍@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）。“新視野號”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。探測器還發(fā)現(xiàn)有很多離子氮從冥王星上逃逸出來，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?，今后關(guān)于冥王星的介紹要大大更改了。

除了冥王星以外，太陽系外圍的這片尚未被探測的區(qū)域，可能還擁有成千上萬顆類似的冰凍巖石小星球，這就是“新視野號”的下一個(gè)目標(biāo)?！靶乱曇疤枴比蝿?wù)團(tuán)隊(duì)申請到了寶貴的哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測時(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，探測器只需要消耗較少的燃料就可以抵達(dá)，但無論與哪個(gè)相遇也要等到2019年。

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