冥王星的千面風(fēng)景（上）

□ 張 博

冥王星的千面風(fēng)景（上）

□ 張 博

在每一個世代，都會有那么一類特殊的人群

In every generation, there grows a special breed

去拓展新的視野，來滿足一個亙古的渴望

Who seeks out new horizons, to fulfill an ancient need

去攀上最高的峰巒，遠(yuǎn)眺那彼側(cè)的風(fēng)光……

To climb atop the highest hills, to see what lies afar...

——勞埃德?蘭達(dá)（Lloyd Landa）與卡倫?林斯利（Karen Linsley），《火星先驅(qū)者》

藝術(shù)家筆下掠過冥王星的新視野號。圖片來源：JHU-APL/SwRI

提起2015年7月中旬完成史上第一次冥王星飛掠的新視野號探測器，回蕩在耳邊的就是由加拿大音樂人勞埃德?蘭達(dá)與卡倫?林斯利填詞作曲并演唱的《火星先驅(qū)者》。這首曾被火星協(xié)會選為火星登陸任務(wù)頌歌的太空歌曲飽含開拓與探險(xiǎn)精神，用來形容整個太陽系的空間探險(xiǎn)也是再合宜不過的。拓展新的視野，眺望峰巒彼側(cè)的風(fēng)光，這不僅僅是勘測火星的任務(wù)，更是所有深空探測計(jì)劃的宗旨所在。對于帶著眾多疑問第一次飛抵柯伊伯帶的新視野號來說，其目的何嘗不是如此。

無論是對于職業(yè)行星科學(xué)家還是普通民眾，新視野號對冥王星的考察帶來的都是一個罕見的機(jī)遇：第一次目睹一個大型星球的面貌，何況這個造訪對象還屬于一類全新的天體。就為了這一刻，探測器走過了為期九年半、長達(dá)50億千米的征程，期間經(jīng)歷“木星借力”與“長久沉眠”，就在即將抵達(dá)冥王星之前的幾天里還上演了因指令的時(shí)間序列沖突而導(dǎo)致的有驚無險(xiǎn)。冥王星探測計(jì)劃本身的研發(fā)更是一路坎坷，從上世紀(jì)末冥王星-柯伊伯帶快車（Pluto Kuiper Express）以及更早的冥王星快速飛掠（Pluto Fast Flyby）的中途夭折，再到進(jìn)入新世紀(jì)后新視野號的匆忙上馬，個中的種種波折與驚心動魄，怕是只有親歷者才能說清一二。

1989年旅行者2號飛掠海王星期間拍攝的海衛(wèi)一近照，圖中的藍(lán)綠色部分就是其上獨(dú)有的“哈密瓜皮”地帶，這里溝槽、山脊和凹陷地貌交錯排列。圖片來源：NASA/Voyager 2

這是新視野號飛掠之前藝術(shù)家構(gòu)想出的冥王星表面，冰火山從裂隙噴涌而出，稀薄的大氣甚至讓微弱的陽光在天空中幻化出了幻日之虹。圖片來源：Ron Miller

如果說2015年7月14日的最近距離飛掠是整個冥王星探測任務(wù)期間最令人激動的時(shí)刻，真正的華彩樂章卻是在飛掠之后的一年零四個月里才逐漸展開在我們面前的。這是因?yàn)樵陲w掠前后，為了盡可能地提高新視野號所載儀器的科學(xué)觀測效率，探測器與地球的聯(lián)系被全部切斷；而由于冥王星距離遙遠(yuǎn)，這架探測器與地球之間每秒?yún)^(qū)區(qū)幾百比特的通信帶寬又堪稱“龜速”（作為比較，如今好奇號火星車的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了每秒上萬比特），因而將全部數(shù)據(jù)傳輸完畢需要大量的時(shí)間。現(xiàn)在距離飛掠過去了1年多，壓縮版數(shù)據(jù)已經(jīng)在去年11月全部傳回，而全分辨率信息也已傳回了8成以上（全部傳輸工作要持續(xù)到今年年底才能結(jié)束），所以我們可以一瞥新視野號所有的發(fā)現(xiàn)了，只是在部分區(qū)域的精度可能有所妥協(xié)。

首先在冥王星大小和密度等最基本的參數(shù)方面，新視野號的實(shí)地測量就已經(jīng)革新了先前的認(rèn)知。10年前國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）將冥王星從行星隊(duì)伍中除名，并認(rèn)定它屬于介乎行星和小行星之間的矮行星，從而引發(fā)了一場綿延至今的風(fēng)波。這場降級之爭的誘因就是此前不久鬩神星的發(fā)現(xiàn)，這個新的大型柯伊伯帶天體（KBO）的估計(jì)半徑比冥王星略大，從此讓越來越多的人開始重新思考行星的定義。但探測器在飛掠前卻經(jīng)由實(shí)拍照片正式敲定，冥王星直徑為2370千米，略大于先前的估計(jì)值，也明確大于鬩神星?？墒怯纱藥淼耐普撌勤ね跣堑拿芏缺裙烙?jì)值更小，甚至其總質(zhì)量反而比后者略輕，故而其中冰態(tài)物質(zhì)所占的比例也較早些時(shí)候的認(rèn)知為高。

新視野號在2015年7月13日飛掠前一天拍攝的冥王星，其上可見“桃心”結(jié)構(gòu)。圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI

而在新視野號的首席研究員、來自美國科羅拉多州西南研究所的艾倫?斯特恩（Alan Stern）眼中，這架探測器最重要的發(fā)現(xiàn)之一就是冥王星系統(tǒng)復(fù)雜得超乎想象的地質(zhì)特征，連同無窮的活躍性。

根據(jù)新視野號的數(shù)據(jù)繪制出的人造地球衛(wèi)星平原高地周邊地質(zhì)圖，這里匯集了30余種不同的地貌特征。圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI

因?yàn)橼ね跣鞘且活w身居柯伊伯帶內(nèi)緣附近的大型冰態(tài)天體，在飛掠前，很多人對其外貌的猜測都是以直徑稍小、發(fā)源于同一區(qū)帶的海衛(wèi)一為藍(lán)本的。后者是一顆地表酷寒而斑駁的活躍衛(wèi)星，顯露出了激烈的冰火山活動，連帶冰態(tài)物質(zhì)融化塌陷的跡象。于是，在不少行星科學(xué)家眼中，冥王星似乎也理應(yīng)表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，冰粒裹挾著泥漿從地下涌出，形成壯觀的羽狀拋射物，甚至還可能具備類似于海衛(wèi)一的“哈密瓜皮”式表面。

但新視野號飛掠帶來的數(shù)據(jù)著實(shí)讓眾人大吃一驚。這個論體積，說大不大，說小不小的星球，其上卻擁有從高度超過3000米的冰山，到平坦而年輕的冰原，再到流淌的冰川在內(nèi)的一系列地貌。哪怕在地理位置上毗鄰的區(qū)域，無論是地形，還是顏色、組分抑或是反照率也可能截然不同。這里到處都昭示著過去幾十億年間持續(xù)的地質(zhì)活動，不過也與海衛(wèi)一這樣由大型行星潮汐力主導(dǎo)的世界迥異。

這是新視野號在冥王星飛掠期間使用長程勘察成像儀（LORRI）拍攝的人造地球衛(wèi)星平原高地的透視圖，圖中還結(jié)合了Ralph/多光譜可見光成像照相機(jī)（MVIC）在藍(lán)光、紅光和紅外波段獲取的假彩色數(shù)據(jù)。圖中緊鄰平坦遼闊冰原的，就是左側(cè)顏色暗淡而環(huán)形山遍布的克爾蘇區(qū)。冥王星上地表形態(tài)的反差之大，可見一斑。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRII

由于飛掠期間新視野號與冥王星相對位置的緣故，高分辨率觀測主要是針對冥王星著名的“桃心”所在的半球進(jìn)行的。這片色彩明亮的區(qū)域是整個星球上最突出的特征，在地球附近都可以將其解析出來，所以它的非正式名稱以冥王星的發(fā)現(xiàn)者命名為湯博區(qū)（Tombaugh Regio）（注：現(xiàn)在冥王星上所有地貌的名稱都還沒能得到IAU的最終批準(zhǔn)，文中出現(xiàn)的所有地名均為根據(jù)公眾投票結(jié)果暫擬的非正式名稱，下同，不再一一注明）。拜探測器在飛掠前夕拍攝的那張著名照片所賜，現(xiàn)在桃心的形象已是風(fēng)靡全球，深入人心。湯博區(qū)正是冥王星上地形高度多樣化的最佳表征之一：桃心外形看似連貫，東西兩瓣的成分實(shí)則不同；被暫時(shí)命名為人造地球衛(wèi)星平原高地（Sputnik Planum）的西瓣綿延上千千米，內(nèi)里平坦而光滑，但邊緣處卻崎嶇，而且遍布隕擊環(huán)形山。桃心以西則與冥王星表面最暗的部分——克爾蘇區(qū)（Cthulhu Regio）相連。區(qū)區(qū)一山之隔，外觀已是純?nèi)坏膬芍靥臁?/p>

人造地球衛(wèi)星平原高地上的典型地貌是寬數(shù)十千米的多邊形或橢圓形地塊，地塊之間則以數(shù)千米寬的淺溝為界，乍看上去簡直是干涸的泥塘。有些溝槽內(nèi)部還分布有顏色較暗的物質(zhì)，或者有著數(shù)十到數(shù)百米高的山丘或山脊。關(guān)于此等地塊結(jié)構(gòu)的起源說法不一，其中之一就是枯水塘底的放大版，也就是大尺度上地表的收縮。不過最新的觀點(diǎn)認(rèn)為，鑒于整個平原高地的表層以厚達(dá)數(shù)千米的易揮發(fā)的冰態(tài)物質(zhì)（如氮冰和少量一氧化碳冰、甲烷冰）為主，冰體在熱量作用下上浮，隨后再次冷卻下沉，這種緩慢的對流才是地塊形成的主因。我們看到的淺溝正是各個對流元的邊界，而對流元本身在漫長的演化史中也會此消彼長或是并合為一，讓淺溝出現(xiàn)死端。冥王星內(nèi)部的熱源為整個過程提供了能量，驅(qū)動著對流的往復(fù)進(jìn)行，這就跟“熔巖燈”中的蠟滴在燈泡溫度的作用下沉沉浮浮沒有本質(zhì)區(qū)別——不過，這不大的一顆星球在誕生40多億年之后余溫猶存，還能維系住如此大規(guī)模的地質(zhì)活動，也確實(shí)值得訝異。

冥王星人造地球衛(wèi)星平原高地中的多邊形地塊，圖中下方還可見孤立的“X”形淺溝，它很可能就是4個已經(jīng)不復(fù)存在的對流元一度的交點(diǎn)所在（圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI）

熔巖燈中的蠟滴在熱量作用下反復(fù)沉浮

人造地球衛(wèi)星平原高地西北側(cè)的流動冰川。圖片來源：NASA/JHU-APL/ SwRI

與氮冰對流相關(guān)的就是流淌的冰川。在新視野號飛掠過后不久，多邊形地塊的成因尚不明朗之時(shí)，研究者即已在人造地球衛(wèi)星平原高地的邊緣發(fā)現(xiàn)了冰川流動的痕跡。事實(shí)上它們稱得上是全太陽系規(guī)模最大的冰川，冰體打著旋繞過障礙物，匯入低地，一路輸運(yùn)著新鮮的冰態(tài)物質(zhì)。活躍的氮冰冰川或許是平原高地內(nèi)部的氮冰揮發(fā)，并凝結(jié)于周邊地勢較高區(qū)域的自然結(jié)果。只是在高地除邊緣以外的其他大多數(shù)區(qū)域，冰體的移動速度還是比較慢的，一年只有幾厘米而已，多半不易覺察。

人造地球衛(wèi)星平原高地上的另一驚人之處是，哪怕在新視野號分辨率最高的圖像中，環(huán)形山還是完全不可見，這意味著其地表年齡不會超過1億年，以地質(zhì)學(xué)的角度看是相當(dāng)年輕的。而根據(jù)冰層對流速度估計(jì)，每塊對流元的表面每50萬年即可更新一次，整個冰原也不會超過1000萬年，相關(guān)地貌的新鮮程度高居整個太陽系的榜首。不過該平原高地上環(huán)形山缺席歸缺席，寬數(shù)百米、深數(shù)十米的凹坑還是相當(dāng)普遍的。這些凹坑顯然不是隕擊起源，而只是地下冰體升華、地面坍塌的產(chǎn)物。

人造地球衛(wèi)星平原高地東南側(cè)地表的放大圖，可見這里的凹坑簇。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

人造地球衛(wèi)星平原高地南側(cè)的群山，包括希拉里山脈（左）與諾蓋山脈（右）。圖片來源：NASA/ JHU-APL/ SwRI

人造地球衛(wèi)星平原高地的北邊緣特寫，平滑的冰原突變成了起伏的伊德里西山脈。圖片來源：NASA/ JHU-APL/ SwRI

桃心周圍群山林立，這其中最突出的當(dāng)屬南側(cè)以登頂珠峰的先驅(qū)命名的希拉里山脈（Hillary Montes）與諾蓋山脈（Norgay Montes）。這里的山峰最高達(dá)到了3000-4000米，更令人瞠目的是如此高聳的山體，基底純系水冰構(gòu)成。依稀記得當(dāng)年IAU將冥王星從行星的行列中開除，其中的原因還包括冥王星系冰態(tài)天體，質(zhì)地柔軟，無須太大的質(zhì)量即可達(dá)到流體靜力學(xué)平衡，從而維系球狀形態(tài)。與這條理由相比，冰質(zhì)高山的發(fā)現(xiàn)實(shí)在有些顛覆。其實(shí)水冰能夠充當(dāng)巨型山脈基石的原因很簡單，在冥王星不到40開爾文的低溫環(huán)境下，這種我們自以為很熟悉的物質(zhì)特性會變得堅(jiān)如磐石，足以支撐住數(shù)千米高的結(jié)構(gòu)。

桃心北緣的對比更加鮮明，高度超過2000米的伊德里西山脈（al-Idrisi Montes）毫無征兆地被一望無際的冰原截住。這幾道山脈，尤其是南側(cè)的山脈年齡都不是太老，它們可能的形成途徑是冥王星富含水冰的地殼變形斷裂，被推擠著隆起，由此造就了當(dāng)前所見的高峰。也許只有冥王星這種孤立的大型柯伊伯帶天體才會擁有如此壯觀的冰山，而海衛(wèi)一因其距離海王星過近，主天體潮汐摩擦產(chǎn)生的熱量足以讓冰體融化，所以其地勢相對來說要平坦很多。

（未完待續(xù)）