冥王星探秘：從暗淡圓點(diǎn)到活力萌王*

鄭永春

冥王星探秘：從暗淡圓點(diǎn)到活力萌王*

鄭永春

2006年1月19日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了探測冥王星的“新視野號(hào)（New Horizons）”飛船。當(dāng)“新視野號(hào)”出發(fā)時(shí)，冥王星還是與地球平起平坐、風(fēng)光無限的太陽系第九大行星。而發(fā)射之后僅僅7個(gè)月，冥王星居然因國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)的一紙決議，被逐出了行星隊(duì)伍，降級(jí)為矮行星，成為國際天文聯(lián)合會(huì)天體數(shù)據(jù)庫中第134340號(hào)小行星。

“新視野號(hào)”的使命之一，就是探測冥王星及其最大的衛(wèi)星卡戎，之后將繼續(xù)探測柯伊伯帶其他天體。北京時(shí)間7月14日19：49，經(jīng)過9年半、50億公里的飛行，“新視野號(hào)”終于抵達(dá)最接近冥王星的位置，為它拍攝了一張迄今為止最為清晰的照片。雖然，此時(shí)的冥王星已經(jīng)從行星隊(duì)伍中被除名，但它表面可愛的心形圖案一下子引發(fā)了公眾在社交平臺(tái)上爭相轉(zhuǎn)發(fā)。人們腦洞大開，在冥王星照片上進(jìn)行再創(chuàng)作，曾經(jīng)了無生趣的“冥王星”成為了年輕人口中的“萌王星”。

尋找未知的X行星

1766年，德國天文學(xué)家提丟斯發(fā)現(xiàn)以日地距離為1個(gè)單位（即天文單位），太陽系各大行星的軌道半徑近似地滿足一個(gè)非常簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，這一規(guī)律被稱為提丟斯-波得定則（Titius-Bode Law）。但在海王星發(fā)現(xiàn)之后，天文學(xué)家在外太陽系沒有發(fā)現(xiàn)新的行星，這一規(guī)律似乎不靈了。1906年，美國富商兼天文學(xué)家帕西維爾·羅威爾開始尋找海王星之外的太陽系第九大行星，羅威爾稱之為X行星。為搜尋火星上的運(yùn)河和未知的X行星，這位癡迷的天文愛好者斥巨資在亞利桑那州的沙漠中興建了一座天文臺(tái)。

遺憾的是，直到1916年羅威爾去世，都沒有發(fā)現(xiàn)這顆未知行星。其實(shí)在1915年3月19日的觀測中，已有天文學(xué)家拍攝到了兩張帶有模糊的冥王星圖像的照片，但冥王星并沒有從這些圖像中被辨認(rèn)出來。羅威爾終其一生尋找的火星運(yùn)河后來也被證實(shí)純屬子虛烏有。

科學(xué)研究是對(duì)未知世界和未知領(lǐng)域的探索，其發(fā)現(xiàn)往往具有不可預(yù)知性。羅威爾沒有實(shí)現(xiàn)的愿望，將有后來的天文學(xué)家在其建立的天文臺(tái)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)。

癡迷的天文愛好者

羅威爾去世后，又一位癡迷的天文愛好者、年僅23歲的克萊德·湯博受聘到羅威爾天文臺(tái)當(dāng)觀測助理，他每天的任務(wù)是對(duì)不同天區(qū)開展巡天觀測，繼續(xù)羅威爾未盡的事業(yè)——搜尋X行星。連續(xù)8個(gè)月的觀測努力幸運(yùn)地有了收獲，1930年，湯博通過兩張照片的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能在移動(dòng)的天體。他知道天空中的亮點(diǎn)絕大部分是恒星，恒星在天空中的位置是固定不變的，這種移動(dòng)的天體很有可能是行星或彗星。湯博的這一發(fā)現(xiàn)很快確認(rèn)，隨后宣布太陽系第九大行星誕生。但湯博發(fā)現(xiàn)的冥王星其實(shí)并不是羅威爾所定義的那顆能影響海王星運(yùn)行軌道的X行星。

2006年，在湯博誕辰100周年之際，為紀(jì)念他對(duì)拓展人類認(rèn)知疆界所作的貢獻(xiàn)，人們把湯博的28 g骨灰嵌入“新視野號(hào)”飛船，讓他們一同奔赴冥王星，讓在天之靈的湯博可以親眼見證人類探索宇宙的偉大時(shí)刻。

小女孩與地府之神

太陽系第九大行星發(fā)現(xiàn)后，羅威爾天文臺(tái)向全世界征名，11歲英國小女孩威妮夏·伯尼在爺爺讀報(bào)時(shí)聽到這一消息。她非常喜歡神話故事，建議以神話中人們死后靈魂世界的主宰者冥王普魯托（Pluto）命名該行星。伯尼的爺爺是牛津圖書館的圖書管理員，他并沒有敷衍了事地對(duì)待孫女的提議，而是把這個(gè)命名建議告訴了他的天文學(xué)家朋友，最終被提交到征名委員會(huì)。

征名委員會(huì)當(dāng)時(shí)收到3項(xiàng)命名提議：Minerva（密涅瓦，希臘神話中掌管工藝品的女神）、Cronus（克羅諾斯，希臘神話中宙斯的父親）、Pluto（希臘神話中的地府之神）。Minerva的名字已被一顆小行星占用，由于Pluto的前兩個(gè)字母（PL）正好是羅威爾天文臺(tái)創(chuàng)始人帕西瓦爾·羅威爾的首字母縮寫。最終，英國小女孩伯尼的提名建議獲得全票通過，湯博發(fā)現(xiàn)的這顆新行星被命名為冥王星。

有些像彗星的矮行星

天文學(xué)上用星等表示星星的亮度，星等越小說明星越亮，星等數(shù)相差1，星的亮度約相差2.512倍。天空中肉眼所能看到的最暗的星為6等星，而冥王星的亮度為13.64～16.3星等，完全不可能用肉眼看到?！靶乱曇疤?hào)”的探測發(fā)現(xiàn)，冥王星表面主要由氮冰、甲烷冰和水冰組成。這些冰物質(zhì)的顏色較淺，反射率較高，因此冥王星整體上看起來比較亮。

冥王星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)很扁的橢圓，離太陽最近的距離為30個(gè)天文單位（約45億km。一個(gè)天文單位等于日地平均距離1.5億km），最遠(yuǎn)的距離為49個(gè)天文單位（約74億km）。當(dāng)冥王星運(yùn)行到近日點(diǎn)附近時(shí)，表面的氮冰和甲烷冰就會(huì)蒸發(fā)，形成非常稀薄的大氣層，表面大氣壓約為地球大氣壓的百萬分之一到十萬分之一。當(dāng)冥王星逐漸遠(yuǎn)離太陽抵達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，冥王星的大氣成分會(huì)凝固和沉降。

冥王星大氣的蒸發(fā)和逃逸的過程很像彗星，冥王星的質(zhì)量也會(huì)像彗星那樣逐漸減少，由于冥王星所在的地區(qū)異常寒冷，所以冥王星質(zhì)量損耗的程度不會(huì)像彗星那么明顯。

冥王星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道周期為90465個(gè)地球日，相當(dāng)于地球上的247.68年。從1930年發(fā)現(xiàn)冥王星至今，已經(jīng)過去了85年，而冥王星只是在自己的軌道上繞太陽運(yùn)行了1/3圈。同樣，冥王星的自轉(zhuǎn)周期也比地球長，冥王星上的一天相當(dāng)于地球上的6.39天。

當(dāng)冥王星與地球在太陽同一側(cè)，且冥王星位于近日點(diǎn)時(shí)，冥王星距離地球最近，約為29個(gè)天文單位。當(dāng)冥王星與地球位于太陽的兩側(cè)，且冥王星位于遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，冥王星距離地球最遠(yuǎn)，約為50個(gè)天文單位。因此，探測器最好選擇在冥王星最接近地球時(shí)飛赴冥王星，有利于用較短的時(shí)間抵達(dá)冥王星。

行星地位備受爭議

2005年，柯依伯帶發(fā)現(xiàn)了另一顆矮行星——鬩（音“xi”）神星，根據(jù)早期觀測結(jié)果，估計(jì)鬩神星的直徑約為3000 km，比冥王星還大25%。因此，有科學(xué)家呼吁鬩神星成為太陽系繼冥王星之后的第十大行星。鬩神星的發(fā)現(xiàn)，以及這之后在柯依伯帶發(fā)現(xiàn)了多顆直徑在2000～3000 km的天體，促使國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)不得不重新考慮行星的定義。要么把它們統(tǒng)統(tǒng)納入行星，則太陽系將有13顆行星；要么冥王星和鬩神星都不是行星，而專門為這些天體設(shè)立一個(gè)新的天體分類。

由于地球本身是一顆行星，所以人類其實(shí)不希望行星的數(shù)量太多。但什么樣的天體才能稱之為行星，這一問題在天文學(xué)上一直備受爭議。根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)2006年8月通過的決議：行星必須是圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的天體；行星的質(zhì)量必須足夠大，能夠克服固體應(yīng)力成為球狀天體；行星必須有足夠的引力，能清除公轉(zhuǎn)軌道附近的其他天體，不能有比它更大的天體。冥王星的質(zhì)量是其軌道上其他所有天體質(zhì)量之和的 7%，在其運(yùn)行軌道中并沒有占據(jù)主導(dǎo)地位，也就是它的質(zhì)量不足以清空其運(yùn)行軌道。因此，冥王星被降級(jí)為矮行星。

2011年10月27日出版的Nature雜志上發(fā)表的新觀測結(jié)果顯示，鬩神星的直徑2326 km，誤差±12 km。此次“新視野號(hào)”飛抵冥王星，探測數(shù)據(jù)的最新分析表明其直徑約為2370.6 km，誤差±20 km，冥王星的最大衛(wèi)星卡戎的直徑為1208 km。這表明冥王星和鬩神星的大小非常接近，冥王星的直徑比之前推測值大80 km左右，超過了長期被認(rèn)為比冥王星更大的鬩神星。在柯伊伯帶已發(fā)現(xiàn)的天體中，冥王星個(gè)頭最大，得以繼續(xù)保持繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的第九大天體的美名。

新視野號(hào)測得冥王星的體積比之前推測的要胖，使得很多對(duì)冥王星被降級(jí)憤憤不平的天文愛好者和天文學(xué)家又有了新的理由，希望用這一證據(jù)作為冥王星重返行星隊(duì)伍的“籌碼”。然而，冥王星的直徑只有地球的18.5%，體積只有地球的0.6%。地球衛(wèi)星月球的直徑為3476 km，比冥王星大1000多km。從1930年冥王星被首次發(fā)現(xiàn)開始，科學(xué)界就有許多人一直對(duì)冥王星的行星地位很不服氣，一心想把它從九大行星寶座上拉下來，并最終如愿以償。

哥倆好的雙矮行星系統(tǒng)

冥王星有5顆已知的天然衛(wèi)星，其中冥衛(wèi)一卡戎離冥王星最近，其余四顆衛(wèi)星都位于冥衛(wèi)一軌道外。在羅馬神話中，卡戎是冥王普魯托的役卒，專門負(fù)責(zé)向亡魂收錢，幫助他們劃船渡過冥河?？ㄈ謱?shí)際上并非圍繞冥王星的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，而是圍繞冥王星和卡戎共同的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)。因此嚴(yán)格來說，卡戎并不是冥王星的衛(wèi)星，冥王星與卡戎的關(guān)系不是行星與衛(wèi)星之間的從屬關(guān)系，而是哥倆好的雙矮行星系統(tǒng)。

矮行星作為太陽系內(nèi)一個(gè)新的天體類型，目前還只有冥王星、鬩神星、谷神星、鳥神星、妊神星5個(gè)天體被分類為矮行星。隨著柯依伯帶新天體的發(fā)現(xiàn)，冥衛(wèi)一和柯依伯帶中的類冥王星天體很可能被接納成為新的矮行星。冥衛(wèi)二和冥衛(wèi)三的體積很小，未能成球體，只能被認(rèn)定是冥王星的衛(wèi)星，更準(zhǔn)確地說是冥王星-卡戎系統(tǒng)的衛(wèi)星。

“新視野號(hào)”的新發(fā)現(xiàn)

“新視野號(hào)”飛船的主要任務(wù)是探測冥王星、冥衛(wèi)及柯依伯帶的其他天體，此次飛越冥王星只觀測了冥王星和冥衛(wèi)，在完成此次飛越之后，“新視野號(hào)”將奔赴柯依伯帶，進(jìn)行為期15年的探索之旅。由于“新視野號(hào)”探測數(shù)據(jù)傳回地球的傳輸速率僅為每秒1.68 kb（千字節(jié)），因此，此次飛越獲得的大量觀測數(shù)據(jù)還需要16個(gè)月才能傳回地球。未來一年多，科學(xué)界將不斷會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)公布出來。

“新視野號(hào)”獲得的初步結(jié)果，讓大多數(shù)人驚喜不已。他們發(fā)現(xiàn)，冥王星從望遠(yuǎn)鏡中觀測到的暗弱的小亮點(diǎn)，變成了生動(dòng)、活潑的萌王星，一下子拉近了與人們之間的心理距離?！靶乱曇疤?hào)”最新發(fā)現(xiàn)主要包括以下幾方面。

1）冥王星上發(fā)現(xiàn)的心形區(qū)域出乎大多數(shù)人的意料，原本冷冰冰的冥王星居然如此有愛心?，F(xiàn)在，這一區(qū)域已經(jīng)被非正式命名為“湯博”，以紀(jì)念冥王星的發(fā)現(xiàn)者。

2）冥王星表面的撞擊坑比較少，說明其地質(zhì)活動(dòng)比較強(qiáng)烈，表面年齡比預(yù)期的年輕。但冥王星上各種冰物質(zhì)含量較高，內(nèi)部放射性元素含量較低，因此，支撐冥王星地質(zhì)活動(dòng)的內(nèi)部能量來源還是未解之謎?？赡苴ね跣沁@一類冰態(tài)矮行星的內(nèi)部能量來源，完全不同于火星、水星等類地行星和月球以放射性元素衰變產(chǎn)生能量的過程。

3）新視野號(hào)在冥王星表面發(fā)現(xiàn)了高大的冰山，高度達(dá)3500 m，如此高的冰山不太可能是甲烷冰或氮冰，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度不夠。冥王星上的冰山很可能是水冰筑成。初步估算，冥王星上這一冰山的地質(zhì)年齡不超過1億年，跟45.6億年“高齡”的太陽系相比，算是“年輕人”，說明冥王星還有比較活躍的地質(zhì)活動(dòng)。

4）首次測得冥王星的直徑約為2370 km，約為地球直徑的18.5%。確定了土豆?fàn)畹内ばl(wèi)三的大小為43 km×33 km，表面有一個(gè)直徑約為10 km的圓形深色區(qū)域，成分未知。

5）冥王星上存在一條長達(dá)3000 km、橫貫東西的“鯨魚”狀斷裂帶，也說明冥王星仍然在發(fā)生地質(zhì)活動(dòng)。行星科學(xué)家對(duì)月球和火星等巖石星球上的地質(zhì)活動(dòng)了解較多，但對(duì)冥王星這一類冰態(tài)矮行星的地質(zhì)活動(dòng)的方式和能量來源均知之甚少。

6）新視野號(hào)近距離拍攝到了卡戎的照片?？ㄈ值闹睆綖?208 km，相當(dāng)于冥王星直徑的51%，地球直徑的9.5%?？ㄈ直砻娣植贾芏嗥教构饣膮^(qū)域，說明它的地質(zhì)活動(dòng)比較活躍。

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