走近冥王星的“新地平線”

經(jīng)過(guò)約9年的長(zhǎng)途跋涉，美國(guó)研制的世界第一個(gè)冥王星探測(cè)器“新地平線”（New Horizons, 又譯“新視野”），于2015年1月15日開(kāi)始探測(cè)位于太陽(yáng)系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星附近,觸手探及太陽(yáng)系最后一塊未開(kāi)墾的處女地，打開(kāi)人類的新視野。目前，該探測(cè)器已飛行了約4.8×109km，距冥王星的路程僅剩2.2×108km。冥王星與地球的最近距離也有4.7×109km，最遠(yuǎn)100多億千米,因此至今還沒(méi)有一個(gè)空間探測(cè)器探測(cè)過(guò)它。探測(cè)完冥王星及其衛(wèi)星后,它將飛向柯伊伯帶（Kuiper Belt），去尋找關(guān)于太陽(yáng)系起源和地球生命起源的線索。

1 從休眠中被喚醒

2014年12月7日，美國(guó)“新地平線”從休眠中被喚醒，以準(zhǔn)備執(zhí)行探測(cè)冥王星任務(wù)。此時(shí)，它距離冥王星約有2.6×108km，但距離地球已超過(guò)4.66×109km，這意味著該探測(cè)器發(fā)送的信號(hào)要“走”上4h26min才能傳回地球。它從遙遠(yuǎn)的深空給地球傳來(lái)了信號(hào)表明，“新地平線”目前很健康，現(xiàn)正安靜地在深空中漫游。

“新地平線”是于2006年1月19日升空的，飛越木星以后的幾年時(shí)間里，“新地平線”上的絕大部分儀器將處于休眠狀態(tài)，以便節(jié)約電力，延緩設(shè)備老化并降低運(yùn)營(yíng)開(kāi)支。每年僅喚醒1次，大約耗時(shí)50天左右進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)和軌道跟蹤。其他時(shí)間里，探測(cè)器處于慢自旋狀態(tài)，每周發(fā)回1次信標(biāo)信號(hào)，以說(shuō)明探測(cè)器是否處于正常模式。

讓“新地平線”按計(jì)劃于12月7日蘇醒的指令是在2014年8月地面對(duì)它進(jìn)行一次例行檢查期間上傳的，而12月7日收到的信號(hào)確認(rèn)此指令已經(jīng)得到執(zhí)行。但這次喚醒是一次分水嶺事件，標(biāo)志著“新地平線”此行的主要目的—2015年探索冥王星及其衛(wèi)星的活動(dòng)正式開(kāi)始了。從此，“新地平線”將一直保持“清醒”狀態(tài)，直到2015年7月14日，它在這一天抵達(dá)距離冥王星的最近位置。

喚醒后的數(shù)周里，“新地平線”的地面團(tuán)隊(duì)全面檢查了這個(gè)探測(cè)器，測(cè)試了它在飛越冥王星時(shí)需用的各種電腦程序，以確保各種系統(tǒng)和科學(xué)儀器正常工作?！靶碌仄骄€”的科學(xué)探測(cè)設(shè)備都由放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTG）供電，這一核電源提供的電力僅能供一對(duì)100W燈泡使用，卻可支撐近6個(gè)月的探測(cè)任務(wù)。

鏈 接

冥王星的特點(diǎn)：①軌道奇特。太陽(yáng)系中的大行星軌道都接近于圓形，而曾經(jīng)是大行星的冥王星的軌道卻是極為扁長(zhǎng)的橢圓形，遠(yuǎn)日點(diǎn)竟達(dá)74×108km，是離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星，近日點(diǎn)僅為45×108km，進(jìn)入海王星公轉(zhuǎn)軌道之內(nèi)，且其軌道面與黃道面有17°的傾角，不像其他大行星的軌道基本處于黃道面內(nèi)，使其看起來(lái)和其他圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的行星大為不同。二是自轉(zhuǎn)異常。在太陽(yáng)系中，除水星、金星受太陽(yáng)引力作用自轉(zhuǎn)緩慢外，其余大行星自轉(zhuǎn)周期均為9～25h之內(nèi)，而遠(yuǎn)離太陽(yáng)的冥王星自轉(zhuǎn)周期卻達(dá)6天多，這與行星序列的物理性質(zhì)規(guī)律相悖。三是唯一擁有天然同步衛(wèi)星。其衛(wèi)星“卡戎”（Charon）的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與冥王星自轉(zhuǎn)周期相等，在太陽(yáng)系行星周圍已發(fā)現(xiàn)的160多顆天然衛(wèi)星中，這是唯一的同步衛(wèi)星。

2 幾經(jīng)周折始出來(lái)

由于冥王星離地球較太陽(yáng)系的其他行星都遠(yuǎn)，探測(cè)它很困難，所以以前一直沒(méi)有探測(cè)器走近過(guò)它。2006年1月19日，美國(guó)終于發(fā)射了“新地平線”冥王星探測(cè)器。這個(gè)三角鋼琴般大小的探測(cè)器以5.79×104km/h的速度飛行，因此成為人類有史以來(lái)發(fā)射的最高速飛行器。它在發(fā)射后只用9h就飛過(guò)了月球，而當(dāng)年美國(guó)“阿波羅”登月飛船抵達(dá)月球用了3天時(shí)間?！靶碌仄骄€”只用13個(gè)月就飛到了木星，然后借助木星的巨大引力進(jìn)一步提速，從而更快地飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。

實(shí)施“新地平線”項(xiàng)目非常不易。早在20世紀(jì)90年代末，美國(guó)航空航天局曾制定了一個(gè)名為“冥王星-柯伊伯快車”（Pluto-Kuiper Express）的計(jì)劃，內(nèi)容是探測(cè)冥王星和其衛(wèi)星卡戎以及柯伊伯帶天體。它原計(jì)劃于2004年12月18日發(fā)射，但由于研制經(jīng)費(fèi)超支等多種原因被美國(guó)航空航天局勒令下馬了。

不過(guò)，此舉遭到了很多天文學(xué)家的激烈反對(duì)，他們堅(jiān)持要讓探測(cè)冥王星計(jì)劃再次上馬。美國(guó)行星學(xué)會(huì)還發(fā)動(dòng)了“拯救冥王星計(jì)劃”運(yùn)動(dòng)，最后美國(guó)航空航天局終于改變了策略，于2000年12月20日發(fā)表了聲明。他們將不采用原計(jì)劃，而是向全球征集新的方案，并提出了比較苛刻的要求：一是要在2015年前飛抵冥王星，另一個(gè)是總金額不能超過(guò)5億美元。公開(kāi)征集截止日期是2001年3月19日。公開(kāi)由美國(guó)航空航天局之外的研究小組參與太空計(jì)劃的競(jìng)標(biāo)，這在美國(guó)歷史上還是首次。評(píng)論家們認(rèn)為此舉是為了堵住批評(píng)者的嘴。

鏈 接

在2004-2006年期間發(fā)射冥王星探測(cè)器，能借助木星的引力更快地飛向冥王星，大大節(jié)省燃料和縮短飛行時(shí)間，探測(cè)冥王星上沒(méi)有凍結(jié)的大氣。如果2006年以后發(fā)射冥王星探測(cè)器，由于太陽(yáng)系各大行星的排列位置發(fā)生顯著變化，冥王星探測(cè)器會(huì)無(wú)法利用木星這一天然助推器的“彈射”作用加速飛抵冥王星，木星下一次的理想位置要到2018年才出現(xiàn)。但到那時(shí)再飛抵冥王星，冥王星將離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，其上的稀薄大氣層將會(huì)凍結(jié)，無(wú)法了解到冥王星上大氣層的詳細(xì)狀態(tài)。由于冥王星的年很長(zhǎng)，所以，如果錯(cuò)過(guò)了這次探測(cè)機(jī)會(huì)，到下次大氣解凍將是23世紀(jì)。另外，冥王星和其衛(wèi)星表面有陰影區(qū)，當(dāng)冥王星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，其陰影區(qū)就會(huì)越大，這對(duì)繪制完整的冥王星和其衛(wèi)星地圖造成困難。還有，就像地球一樣，冥王星和卡戎上也有極夜，如果是在它的黑夜到達(dá)那里，長(zhǎng)時(shí)間的黑夜會(huì)廣泛地覆蓋需要探測(cè)的區(qū)域，大大妨礙深空探測(cè)器的拍攝和探測(cè)。

宇宙-1太陽(yáng)帆示意圖

為這個(gè)任務(wù)，美國(guó)行星學(xué)會(huì)自掏400萬(wàn)美元研制宇宙-1（Cosmos-1）太陽(yáng)帆，試圖用太陽(yáng)光壓做動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)冥王星的探測(cè)。從理論上講，一個(gè)太陽(yáng)帆式空間探測(cè)器在其飛行3年后能達(dá)到約1.6×105km/h，按此速度飛行，它能在5年之內(nèi)抵達(dá)冥王星。但是，宇宙-1太陽(yáng)帆的任務(wù)執(zhí)行得不順利，先后2次發(fā)射失敗。

還有一些其他機(jī)構(gòu)也提出了方案。最終，來(lái)自美國(guó)得克薩斯州的西南研究院(SRI)和約翰斯-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)提出的“新地平線”計(jì)劃被認(rèn)可。該計(jì)劃預(yù)算額為4.88億美元（到2015年，該項(xiàng)目最后實(shí)際耗資7億美元），它能發(fā)回比原來(lái)的“冥王星-柯伊伯快車”計(jì)劃多10倍的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如果2006年2月以前發(fā)射，它能于2015年抵達(dá)冥王星。于是，美國(guó)航空航天局2001年12月宣布，重新啟動(dòng)冥王星探測(cè)計(jì)劃。

“新地平線”計(jì)劃要按時(shí)完成，其最關(guān)鍵的理由是此次探測(cè)冥王星的最佳機(jī)會(huì)如果錯(cuò)過(guò)，只有經(jīng)過(guò)200年以后才能有第2次。2004-2006年是最后的發(fā)射冥王星探測(cè)器的最佳時(shí)間。為此，科學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒地研制“新地平線”探測(cè)器。

3 “三明治”視野廣闊

主體形狀猶如一塊三角形三明治的“新地平線”實(shí)際上是由一個(gè)臨時(shí)組成的機(jī)構(gòu)來(lái)完成設(shè)計(jì)和研制，即由西南研究院和霍普金斯大學(xué)抓總，其他參與方還有美國(guó)鮑爾宇航公司、波音公司、斯坦福大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、洛馬公司、美國(guó)能源部20多個(gè)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，美國(guó)航空航天局的馬歇爾航天飛行中心負(fù)責(zé)管理。其主要任務(wù)有兩個(gè)：一是探測(cè)位于太陽(yáng)系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星卡戎；二是探測(cè)位于柯伊柏帶的小行星群。

2015年7月，“新地平線”飛越冥王星和卡戎示意圖

它在探測(cè)冥王星和卡戎時(shí)有七大使命：一是利用平均分辨率達(dá)1km的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量冥王星和卡戎表面成分（現(xiàn)在獲得的冥王星圖像的最高分辨率為500km左右，它由“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡拍攝）；二是測(cè)量冥王星和卡戎地質(zhì)概貌和結(jié)構(gòu)；三是測(cè)量冥王星大氣的成分和逃逸率；四是測(cè)量卡戎周圍是否圍繞大氣層；五是測(cè)量冥王星和卡戎的表面溫度；六是對(duì)冥王星及卡戎的某些特定區(qū)域進(jìn)行高分辨率成像(分辨率優(yōu)于100m)；七是尋找冥王星周圍是否還有其他衛(wèi)星。

它在探測(cè)柯伊伯帶時(shí)，將在2017-2020年飛越柯伊柏帶，對(duì)柯伊伯帶中的1個(gè)或多個(gè)天體進(jìn)行類似的考察。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的柯伊伯天體超過(guò)1000多個(gè)，人們據(jù)此認(rèn)為，冥王星和它的衛(wèi)星也都是柯伊伯天體，只不過(guò)冥王星的反光率太高了，才使當(dāng)初的發(fā)現(xiàn)者輕易找到了它?？乱敛畮в刑嗟膯?wèn)題需要調(diào)查，否則很難說(shuō)了解了太陽(yáng)系。毫無(wú)疑問(wèn)，“新地平線”一定會(huì)給人類帶來(lái)更多有關(guān)這個(gè)家族的發(fā)現(xiàn)。

該項(xiàng)目首席科學(xué)家艾倫·斯特恩（Alan Stern）說(shuō)：“此次抵達(dá)冥王星，感覺(jué)會(huì)像走進(jìn)糖果店的小孩子一般興奮。因?yàn)?，冥王星、它的衛(wèi)星以及太陽(yáng)系中的這一區(qū)域存在如此多謎團(tuán)。探索冥王星和柯伊伯帶就像是對(duì)太陽(yáng)系外層進(jìn)行考古挖掘工作。通過(guò)考察這片區(qū)域，我們可以一窺行星形成的古老時(shí)代?！彼J(rèn)為，對(duì)冥王星進(jìn)行調(diào)查可稱之為攀登太陽(yáng)系天體探索的珠峰，具有里程碑的意義，這次任務(wù)也代表了行星探索第一個(gè)時(shí)代的結(jié)束，我們現(xiàn)在有能力制造出速度更快、飛得更遠(yuǎn)的探測(cè)器。現(xiàn)已經(jīng)確認(rèn)冥王星周圍存在5顆衛(wèi)星，首要任務(wù)將對(duì)冥王星、最大的衛(wèi)星卡戎進(jìn)行探測(cè)，研究其表面成分和溫度，同時(shí)對(duì)冥王星軌道之外的天體進(jìn)行研究。

總裝完畢的“新地平線”，左邊的黑色柱體為核電源

“新地平線”探測(cè)器裝有放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)。這是由于冥王星距離太陽(yáng)太過(guò)遙遠(yuǎn)，太陽(yáng)光要經(jīng)過(guò)4h多的長(zhǎng)途跋涉才能來(lái)到冥王星，而且其亮度只是地球上所看到的太陽(yáng)光亮度的1/1000，所以在其漫漫征途中，“新地平線”所需的電力無(wú)法由太陽(yáng)能電池提供。為此，它依靠所攜帶的10.9kg钚丸提供穩(wěn)定的電力。這個(gè)發(fā)電機(jī)位于探測(cè)器的尾部，內(nèi)裝的钚-238衰變時(shí)會(huì)釋放出熱量形成溫差從而發(fā)電。在此前的40多年里，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)曾在25次太空探測(cè)中使用，其中包括6次探測(cè)月球的“阿波羅”飛行，2次探測(cè)木星和探測(cè)土星的飛行，以及2次探測(cè)火星的飛行。

出于對(duì)太空遭核污染的擔(dān)心，在“新地平線”發(fā)射前夕，曾有數(shù)十名抗議者自發(fā)組織起來(lái)進(jìn)行抗議。但據(jù)美國(guó)專家們解釋說(shuō)，該探測(cè)器的燃料箱非常堅(jiān)固，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)所用的二氧化钚燃料被封裝于特制的球形防火陶瓷中，這種陶瓷在水中有抗分解能力，不易與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，裝有钚燃料的密封箱完全能經(jīng)受住任何地面撞擊或空中爆炸的沖擊，發(fā)生意外災(zāi)難的可能性最多為1/300。就是發(fā)生了意外，核燃料外泄的可能性也僅為2%。一旦破裂可形成較大的顆粒和碎片，產(chǎn)生的危險(xiǎn)比微型顆粒要小。另外，美國(guó)航空航天局和能源部事前也做好了一旦發(fā)生事故的準(zhǔn)備。美國(guó)航空航天局建立了16個(gè)移動(dòng)跟蹤小組，對(duì)核輻射進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還部署了33個(gè)空氣取樣裝置和監(jiān)控器。幸好，一切都沒(méi)有發(fā)生。

為“新地平線”裝配直徑2.1m的高增益碟形天線

4 “短鍬”和“鐵鍋”組合

外表傾斜的“新地平線”探測(cè)器發(fā)射時(shí)的質(zhì)量為453kg。這個(gè)看上去像一把短鍬和一個(gè)鐵鍋組合的家伙一共攜帶了質(zhì)量30kg的科學(xué)儀器和77kg的推進(jìn)劑，后者用于在航行過(guò)程中修正軌道或是改變航向。由于可利用木星引力進(jìn)行輔助加速，并且在冥王星附近無(wú)需減速，所以“新地平線”沒(méi)有攜帶過(guò)多的燃料。

該探測(cè)器高0.7m，長(zhǎng)2.1m，最寬處約2.7m。推進(jìn)系統(tǒng)包括16個(gè)單元肼推力器，其中有4個(gè)4.4N的推力器用于軌道修正，另外有12個(gè)0.8N的推力器用于對(duì)探測(cè)器的自旋進(jìn)行加速或減速。其通信采用X頻段，包括1副直徑2.1m的高增益碟型天線、1副中增益碟型天線和2副寬波束低增益天線。大部分情況下，它采用X頻段高增益天線與地面通信。當(dāng)探測(cè)器到達(dá)冥王星時(shí)，即距離地球4.9×109km，數(shù)據(jù)率僅為700bit/s，將整套數(shù)據(jù)傳回地球需要9個(gè)月。提供能源的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)在任務(wù)初期功率為240W；2015年功率降為200W。

“新地平線”采用三軸穩(wěn)定（科學(xué)探測(cè)階段）和自旋穩(wěn)定（巡航階段）2種姿態(tài)控制模式。其中，自旋穩(wěn)定控制模式用于軌道修正機(jī)動(dòng)和巡航階段的休眠期，額定自旋速率為5r/s。它是世界上首個(gè)使用“深空網(wǎng)信標(biāo)側(cè)音”（beacontone）系統(tǒng)的探測(cè)器，“深空網(wǎng)信標(biāo)側(cè)音”曾在1998年的深空-1(Deep Space-1)任務(wù)中進(jìn)行了飛行驗(yàn)證。

由于冥王星與太陽(yáng)相距太遠(yuǎn)，所以“新地平線”有三個(gè)特點(diǎn)：一是壽命必須很長(zhǎng)，至少為10年以上；二是各分系統(tǒng)必須能耐得住低溫，并且不能用太陽(yáng)電池為探測(cè)器提供電力；三是質(zhì)量控制在465kg內(nèi)（包括燃料）,以使速度接近第二宇宙速度。

這個(gè)探測(cè)器還號(hào)召民眾參與。2005年，美國(guó)霍普金斯大學(xué)等單位聯(lián)合發(fā)起了一個(gè)征集問(wèn)候的活動(dòng)，向全世界天文愛(ài)好者開(kāi)放。愛(ài)好者只需打開(kāi)美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的主頁(yè), 并把自己的姓名輸入一張名為“飛向冥王星”的電子卡片內(nèi)并發(fā)送成功,就可以將自己的名字隨新地平線號(hào)飛向冥王星和柯伊伯環(huán)帶。愛(ài)好者還可直接打印這次“太空游”的彩色參與證書,上面印有本人的漢語(yǔ)拼音姓名和美國(guó)航空航天局等權(quán)威機(jī)構(gòu)的徽章?；顒?dòng)期間共征集到了超過(guò)43萬(wàn)人的問(wèn)候。

5 拓荒邊疆7只“眼”

“新地平線”攜帶了7臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器：3臺(tái)相機(jī)分別用于拍攝可見(jiàn)光、紅外線和紫外線照片；3臺(tái)光譜儀用來(lái)研究冥王星大氣及地表物質(zhì)的成分和溫度；還有一部塵埃計(jì)數(shù)器。

1）可見(jiàn)光-紅外成像儀（Ralph）。它用于拍攝冥王星及卡戎的地表情況，提供高清晰的彩色圖片，從而分析研究冥王星和卡戎地表的物理現(xiàn)象及組成成份，制成地表地圖。

“新地平線”結(jié)構(gòu)圖

該儀器由多光譜可見(jiàn)光相機(jī)（MVIC）和線性標(biāo)準(zhǔn)成像光譜陣列（LEISA）組成。前者工作在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，并擁有4個(gè)不同的濾光鏡以拍攝彩色地圖，一個(gè)用來(lái)測(cè)量分布于表面的甲烷霜，其他的分別覆蓋藍(lán)、紅和近紅外等光譜區(qū)域。此外，還有2個(gè)全色濾光器，當(dāng)測(cè)量發(fā)微光的遙遠(yuǎn)物體時(shí)，可讓所有可見(jiàn)光通過(guò)，從而最大限度地增加儀器的敏感性。從濾光器穿過(guò)的光線均被聚焦到一個(gè)電偶合器件上。通過(guò)該相機(jī)可產(chǎn)生彩色地圖。后者工作在紅外波段，它利用熱輻射在紅外光譜范圍內(nèi)工作，可像棱鏡一樣使不同波長(zhǎng)的光按不同比率彎曲，這樣就可以分別對(duì)每種光進(jìn)行分析。根據(jù)量子物理，不同分子輻射和吸收不同波長(zhǎng)的光，因此，對(duì)光的成分進(jìn)行分析，就可以鑒別不同的分子。它將用于描繪冥王星表面甲烷霜、氮、一氧化碳、水及卡戎表面水冰的分布情況。總之，該儀器用于繪制冥王星和卡戎表面的高分辨率黑白和彩色地圖，收集其表面物質(zhì)成分和溫度圖，以及柯伊伯帶深處的天體圖像。

這臺(tái)儀器是鮑爾宇航技術(shù)公司研制的，是“新地平線”任務(wù)的核心載荷，有望改變?nèi)祟悓?duì)冥王星、卡戎和柯伊伯帶天體的了解。由于冥王星距離太陽(yáng)十分遙遠(yuǎn)，拉爾夫的數(shù)字成像能力被設(shè)計(jì)成在比地球上日光弱1000倍的光亮級(jí)別上獲得數(shù)據(jù)。它雖小但結(jié)實(shí)，運(yùn)行時(shí)耗電量不足7W。

2）遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀（LORRI）。它是探測(cè)器上分辨率最高的成像儀器，由一臺(tái)20．8cm光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和CCD組成，能產(chǎn)生高空間分辨率圖像。它能從觀察特定的星體得出探測(cè)器在某一點(diǎn)精細(xì)準(zhǔn)確的位置及相位。當(dāng)探測(cè)器到達(dá)距冥王星最近點(diǎn)時(shí)，該儀器用于拍攝冥王星和卡戎表面某些100m×100m特定地區(qū)的最高分辨率圖片。

3）冥王星周圍太陽(yáng)風(fēng)分析儀（SWAP）。它用于探測(cè)冥王星附近的太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子，以確定冥王星是否具有磁場(chǎng)和它的大氣逃逸率。

4）紫外成像儀（Alice）。它不僅能象光譜儀那樣把不同波長(zhǎng)的光分離，還可以拍攝到在不同波長(zhǎng)的光照射下的目標(biāo)照片，用于測(cè)量由冥王星及卡戎輻射或反射出來(lái)的紫外線，得出冥王星及卡戎大氣、地表的組成、分布、溫度的裝置。該儀器有兩種工作模式，一為探測(cè)大氣光模式，是當(dāng)探測(cè)船接近及離開(kāi)冥王星時(shí)使用，直接量度由冥王星及卡戎的大氣輻射或反射出來(lái)的紫外線，是較多時(shí)間使用的工作模式。另一種模式是測(cè)量掩食光模式，是當(dāng)探測(cè)器飛過(guò)冥王星之后，進(jìn)入冥王星日蝕陰影區(qū)時(shí)，即被冥王星星體遮掩太陽(yáng)光的地方，利用量度透過(guò)冥王星大氣的太陽(yáng)光，求得大氣的成份、溫度、及濃度的分布。

5）冥王星高能粒子光譜儀（PEPSSI）。它用于探測(cè)從冥王星大氣中逃離出的中性原子。這些原子逃逸后即與太陽(yáng)風(fēng)作用變?yōu)閹щ娏Ｗ印?/p>

為“新地平線”安裝紫外成像儀

6）無(wú)線電科學(xué)設(shè)備（REX）。它用于探測(cè)冥王星大氣層的溫度和密度。它由一小塊集成到探測(cè)器通信系統(tǒng)中的含先進(jìn)電子設(shè)備的印刷線路板構(gòu)成，探測(cè)器向地球傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)等所有電信聯(lián)系均通過(guò)它來(lái)完成，對(duì)探測(cè)任務(wù)能否成功關(guān)系重大。當(dāng)探測(cè)器飛臨冥王星時(shí)，其上面直徑2.1m的高增益天線指向地球，與美國(guó)深空網(wǎng)進(jìn)行通信。當(dāng)探測(cè)器飛到冥王星背面，冥王星大氣將使無(wú)線電波產(chǎn)生彎曲，彎曲程度依氣體分子的平均重量和大氣溫度而定，此時(shí)，該儀器將記錄到的無(wú)線電波數(shù)據(jù)發(fā)送回地球進(jìn)行分析?？茖W(xué)家可通過(guò)比較前后同一個(gè)信號(hào)的差別，就能了解當(dāng)中因?yàn)樘?yáng)風(fēng)、輻射源、磁力場(chǎng)及重力波對(duì)信號(hào)所產(chǎn)生的影響，求得出有關(guān)數(shù)據(jù)。該儀器還可測(cè)量冥王星本身微弱的電磁輻射，當(dāng)探測(cè)器飛過(guò)冥王星后，它可以準(zhǔn)確提供冥王星背向太陽(yáng)一面的溫度資料。

7）學(xué)生塵埃計(jì)數(shù)器（SDC）。它是在科學(xué)家的指導(dǎo)下由美國(guó)科羅拉多大學(xué)的學(xué)生研制的，將在探測(cè)器的整個(gè)旅程中監(jiān)測(cè)星際塵埃對(duì)“新地平線”的影響，以及由彗星脫落物和柯伊伯帶天體相互碰撞產(chǎn)生的塵埃粒子大小，其中包括從未取樣的星際空間，沿途統(tǒng)計(jì)宇宙塵埃的數(shù)量并測(cè)量它們的大小。這是在此類行星探測(cè)計(jì)劃中首次加入完全由大學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)施的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在上述儀器中，可見(jiàn)光-紅外成像儀、紫外成像儀和無(wú)線電科學(xué)設(shè)備拍攝的彩色圖片能告訴科學(xué)家冥王星的化學(xué)構(gòu)成和大氣，給科學(xué)家提供有史以來(lái)最清晰的觀測(cè)圖片，為冥王星描繪出一幅全新的圖像。所有這7項(xiàng)儀器的總能耗將低于一個(gè)夜間照明的燈泡。

7 首次闖柯伊伯帶

“新地平線”航行的頭13個(gè)月的任務(wù)主要是通過(guò)遙測(cè)來(lái)檢測(cè)探測(cè)器、校準(zhǔn)儀器和修正航線。它于2007年2月底接近木星，以21km/s的速度在離木星非常近的地方掠過(guò)木星，離木星最近處約2.27×106km的位置，即以比“卡西尼”土星探測(cè)器還要接近的距離飛越木星，并借助木星的引力將自身速度由5.79×104km /h加速到7.5×104km/h，然后再直飛冥王星。此外，它利用飛越木星的機(jī)會(huì)，順便對(duì)這顆行星和它的20多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行了為期4個(gè)多月的進(jìn)行考察。在此后從木星飛往冥王星的8年時(shí)間里，“新地平線”上的絕大部分儀器將處于電子休眠狀態(tài)。

在接近冥王星時(shí)，“新地平線”的所有系統(tǒng)被喚醒，開(kāi)始做準(zhǔn)備探測(cè)的工作。然后從2015年1月15日開(kāi)始探測(cè)冥王星及其衛(wèi)星。首席科學(xué)家斯特恩表示：“‘新地平線’是人類歷史上從地球出發(fā)之后抵達(dá)主要探測(cè)目標(biāo)距離最遠(yuǎn)的探測(cè)器，而現(xiàn)在我們終于準(zhǔn)備好開(kāi)始工作了?！?/p>

“新地平線”對(duì)冥王星的探測(cè)共分為3個(gè)階段：

“新地平線“冥王星探測(cè)項(xiàng)目時(shí)間規(guī)劃—2015年7月14日北京時(shí)間19：50將抵達(dá)距離冥王星最近位置

第一階段從2015年1月15日起，它陸續(xù)啟動(dòng)塵埃計(jì)數(shù)器等設(shè)備，其中從1月25日起,開(kāi)始用遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀從遠(yuǎn)處對(duì)冥王星拍照，不斷改進(jìn)對(duì)冥王星的了解,并幫助探測(cè)器進(jìn)行“光學(xué)導(dǎo)航”，確定冥王星的具體方位。從而確?！靶碌仄骄€”在接下來(lái)剩余的路程中也能夠安然通過(guò)。遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀將在接下來(lái)的幾個(gè)月里拍攝數(shù)百?gòu)堏ね跣堑膱D像，幫助科學(xué)家們不斷改進(jìn)探測(cè)器與冥王星之間距離的估算值。盡管直到2015年5月之前，探測(cè)器所拍攝的所有冥王星圖像都將僅僅是一個(gè)小小亮點(diǎn)，然而這些圖像卻將幫助導(dǎo)航任務(wù)組的科學(xué)家們?cè)O(shè)定適當(dāng)?shù)能壍佬拚齾?shù)。首次這樣的軌道修正操作將在2015年3月進(jìn)行。“新地平線”交會(huì)任務(wù)主管馬克·霍德里奇(Mark Holdridge)表示：“我們需要精確地知道當(dāng)探測(cè)器抵達(dá)那里時(shí)，冥王星所處的位置。飛越冥王星的時(shí)間點(diǎn)必須非常精確，因?yàn)樘綔y(cè)器上的計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間調(diào)整飛船朝向，并將探測(cè)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)冥王星的所在方位，而我們現(xiàn)在所拍攝的圖像便將幫助我們?cè)O(shè)定精確的時(shí)間和方位參數(shù)?！?/p>

目前所處的首個(gè)“接近階段”將一直持續(xù)到春季結(jié)束，在此期間“新地平線”將執(zhí)行一系列重要的科學(xué)操作。探測(cè)器上的科學(xué)載荷將連續(xù)采集行星際空間的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括測(cè)量從太陽(yáng)發(fā)出的高能粒子流以及柯伊伯帶內(nèi)側(cè)空間彌漫的塵埃顆粒性質(zhì)等等。除了冥王星，在這一太陽(yáng)系外側(cè)邊緣從來(lái)未經(jīng)探測(cè)的遙遠(yuǎn)區(qū)域可能還隱藏著數(shù)以千計(jì)體積較小的冰雪或巖石星球。

第二階段從2015年4月起，“新地平線”的重點(diǎn)將不再是導(dǎo)航，而是開(kāi)始集中精力搞科研。它將開(kāi)始全面探測(cè)冥王星，使對(duì)冥王星的觀測(cè)工作大大加強(qiáng)，其中5月中旬，“新地平線”上的相機(jī)和光譜儀將開(kāi)始能夠獲得質(zhì)量和分辨率超過(guò)地球上最強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的清晰的冥王星圖像，將獲得分辨率達(dá)1km的冥王星表面圖像，從而可以用于對(duì)冥王星及其衛(wèi)星進(jìn)行精確度前所未有的全球地圖測(cè)繪。目前所獲得的冥王星圖像最高分辨率為500km左右，它是由“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的。

“新地平線”7月將飛至距冥王星約10000km的最近距離，有望拍攝出令人驚奇的照片

第三階段從2015年6月下旬起，進(jìn)入最后沖刺階段，其中2015年7月，“新地平線”飛越冥王星和卡戎，時(shí)間約為1地球日。其間，它將探測(cè)冥王星大氣層發(fā)出的紫外線輻射，并分別在綠、藍(lán)、紅和對(duì)甲烷霜敏感的特殊波段繪制冥王星和卡戎清晰的地圖。它還將在近紅外波長(zhǎng)上獲取光譜圖，以了解冥王星及卡戎表面成分和這些物質(zhì)的分布及溫度。7月14日，“新地平線”將從冥王星上方約9600km處飛過(guò)，這是它與冥王星最接近的距離（與卡戎的最近距離為2.7×104km）。此間，探測(cè)器將用可見(jiàn)光和近紅外相機(jī)拍攝最為清晰的冥王星和卡戎“特寫”，最高能拍攝分辨率達(dá)60m的冥王星地貌。

當(dāng)探測(cè)器飛過(guò)冥王星到達(dá)它的陰面時(shí)，探測(cè)器將借助卡戎反射過(guò)來(lái)的光線繼續(xù)對(duì)冥王星陰面的地表情況進(jìn)行探測(cè)。此外，將從地球向冥王星發(fā)射無(wú)線電波。那些穿過(guò)冥王星大氣層的無(wú)線電波被探測(cè)器上的高增益天線接收后，探測(cè)器上的儀器就會(huì)根據(jù)無(wú)線電波的折射情況推算出冥王星大氣層的溫度和密度。

隨著與冥王星的距離逐漸減小，“新地平線”拍攝的冥王星圖像將會(huì)變得越來(lái)越清晰。到2015年5月，“新地平線”拍攝的冥王星圖像質(zhì)量將超過(guò)“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡。而到了7月，這顆探測(cè)器或許將拍攝到冥王星上漂浮的云層或冰火山噴發(fā)，科學(xué)家們認(rèn)為這類現(xiàn)象可能存在于冥王星表面。

鏈 接

“新地平線”采用飛越方式來(lái)探測(cè)冥王星。那么,它為什么不進(jìn)入冥王星的軌道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)呢？其原因有兩個(gè)。一是其飛行速度必須非常快，這樣才能用9.5年時(shí)間到達(dá)距離地球5.0×109km的冥王星，因此，如果“新地平線”要進(jìn)入冥王星軌道，它必須將速度降低90%，這就要求多攜帶1000倍的燃料，而“新地平線”所攜燃料又不足以供減速和進(jìn)入環(huán)冥王星軌道之用。二是如果進(jìn)入冥王星軌道，“新地平線”將無(wú)法繼續(xù)前行，探測(cè)柯伊伯帶。它將在與冥王星及其衛(wèi)星“親密接觸”后，繼續(xù)前行并一去不返。

“新地平線”飛向柯伊伯帶示意圖

在考察過(guò)程中，“新地平線”有可能存在著諸多的不確定性，或許那里還有更多衛(wèi)星尚未被發(fā)現(xiàn)，甚至或許冥王星擁有光環(huán)。當(dāng)近距離飛過(guò)冥王星時(shí)，觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)量將會(huì)異常龐大，探測(cè)器根本來(lái)不及向地球回傳。因此它將會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并在飛過(guò)冥王星之后1年多的時(shí)間里陸續(xù)向地球回傳。

當(dāng)飛離冥王星和卡戎后，“新地平線”還將回視冥王星和卡戎最為陰暗的部分，這是觀察冥王星大氣中的霧及辨認(rèn)冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。

2015年7月14日，在完成對(duì)冥王星的考察工作之后，“新地平線”將在2017－2020年進(jìn)入柯伊伯帶，探測(cè)至少2個(gè)直徑為40～90km的柯伊伯帶天體，這一階段可能會(huì)持續(xù)5～10年?？乱敛畮且粋€(gè)位于海王星軌道外側(cè)，散布大量冰凍小天體的稀疏環(huán)形區(qū)域。而在那之后，“新地平線”上的計(jì)算機(jī)將會(huì)被重置，上傳由“一個(gè)地球新地平線信件”項(xiàng)目(One Earth：New Horizons Message)收集的有關(guān)地球的各種信息,即由全世界各地的人們提交的各種照片、聲音、文字甚至是計(jì)算機(jī)程序，“新地平線”將帶著這些來(lái)自地球上人們的各種信息一只飛向遙遠(yuǎn)的恒星際空間。