史詩(shī)般的旅程
——“新視野”走近冥王星

□ 諸葛言

史詩(shī)般的旅程
——“新視野”走近冥王星

□ 諸葛言

“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?！?/p>

——項(xiàng)目首席科學(xué)家斯特恩

“幾十年來(lái)，我們一直認(rèn)為冥王星是太陽(yáng)系邊緣的一個(gè)奇怪小天體，但現(xiàn)在我們知道它真的是通往柯伊伯帶這個(gè)全新世界的大門，‘新視野’號(hào)將第一次對(duì)它們進(jìn)行近距離觀察?！?/p>

——美國(guó)約翰?霍普金斯大學(xué)項(xiàng)目科學(xué)家哈爾?韋弗

“在過(guò)去，每當(dāng)我們目睹一個(gè)新世界，我們都會(huì)感到驚奇?！?/p>

——美國(guó)亞利桑那州洛威爾天文臺(tái)行星科學(xué)家、項(xiàng)目組成員維爾?格朗迪

2015年1月15日，經(jīng)過(guò)約9年長(zhǎng)途跋涉的世界第一個(gè)冥王星探測(cè)器“新視野”（New Horizons），終于走到距離地球約47億千米處，開始探測(cè)太陽(yáng)系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星，然后飛向柯伊伯帶（Kuiper Belt），去尋找關(guān)于太陽(yáng)系起源和地球生命起源的線索。

從睡夢(mèng)中醒來(lái)

2014年12月7日，美國(guó)“新視野”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2.6億千米，但距離地球已超過(guò)46.6億千米，這意味著該探測(cè)器發(fā)送的信號(hào)要“走”上4小時(shí)26分鐘才能傳回地球。它從遙遠(yuǎn)的深空給地球傳來(lái)的信號(hào)表明，“新視野”很健康，現(xiàn)正安靜地在深空中漫游。這次喚醒是一次分水嶺事件，標(biāo)志著“新視野”此行的主要目的——2015年探索冥王星及其衛(wèi)星的活動(dòng)正式開始了。從此，“新視野”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。

“新視野”是于2006年1月20日升空的，飛到木星以后的幾年時(shí)間里，“新視野”上的絕大部分儀器處于休眠狀態(tài)，以便節(jié)約電力、延緩設(shè)備老化并降低運(yùn)營(yíng)開支。不過(guò)，每隔幾個(gè)月，其上的設(shè)備都會(huì)定期被喚醒以便接受例行檢查及軌道校正和儀器校準(zhǔn)，或者是執(zhí)行一些特定的任務(wù)，比如2007年路過(guò)木星附近時(shí)，“新視野”對(duì)木星進(jìn)行了考察?！靶乱曇啊钡目茖W(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)100瓦燈泡使用，卻可支撐近6個(gè)月的探測(cè)任務(wù)。此外，“新視野”還會(huì)每周發(fā)回一個(gè)信號(hào)，它被稱作“綠色信號(hào)燈”，其目的是讓控制人員知道它還活著，沒(méi)有死掉，它只是睡著了。

用宇宙神-5火箭發(fā)射“新視野”

“新視野”于2007年2月飛越木星時(shí)拍攝的木星和其衛(wèi)星的圖像。

拯救冥王星計(jì)劃

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。經(jīng)過(guò)多年醞釀和研究，2006年1月20日，美國(guó)終于發(fā)射了“新視野”冥王星探測(cè)器。這個(gè)三角鋼琴般大小的探測(cè)器以5.79萬(wàn)千米/小時(shí)的速度飛行，即接近第3宇宙速度，因此成為人類有史以來(lái)發(fā)射的最高速探測(cè)器。它在發(fā)射后9小時(shí)內(nèi)就飛過(guò)了月球，而當(dāng)年美國(guó)“阿波羅”登月飛船飛往月球用了3天時(shí)間?！靶乱曇啊憋w了13個(gè)月時(shí)間就抵達(dá)了木星，然后借助木星的巨大引力進(jìn)一步提速，以更高的速度飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。

這一切來(lái)之不易。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”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)是花費(fèi)金額不能超過(guò)5億美元。公開征集截止日期是2001年3月19日。公開地由美國(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。

在許多方案中，最后來(lái)自美國(guó)西南研究院和霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)聯(lián)合小組提出的“新視野”計(jì)劃被認(rèn)可。該計(jì)劃總預(yù)算額為4.88億美元，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年夏天抵達(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。

“新視野”計(jì)劃要按時(shí)完成，其最關(guān)鍵的理由是這樣探測(cè)冥王星的機(jī)會(huì)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“新視野”探測(cè)器。

超鏈接：

陌生的美麗新世界

◆ 唯一一顆未被人類探測(cè)器造訪的“大行星”

冥王星在遠(yuǎn)離太陽(yáng)59億千米的寒冷陰暗的太空中蹣跚前行，1930年首次進(jìn)入人類視野，此后被當(dāng)作太陽(yáng)系第九大行星。在20世紀(jì)太陽(yáng)系航天探測(cè)的黃金時(shí)代，九大行星中已有8顆被行星際探測(cè)器近探過(guò)，只有冥王星是航天器未涉足的死角（“新視野”于2006年發(fā)射升空，當(dāng)時(shí)冥王星仍然還被視作一顆大行星）。但國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)于2006年對(duì)大行星重新定義，冥王星正式降格為矮行星。冥王星體積很小且與地球相距遙遠(yuǎn)，又從未被地球探測(cè)器近距離造訪，因此顯得更加神秘。

◆ 冥王星有多少衛(wèi)星？它也有美麗的光環(huán)嗎？

在各種天文書刊中給出的行星參數(shù)表上，冥王星這一欄留下的空白最多，即使被列出數(shù)據(jù)有不少也被打上問(wèn)號(hào)。迄今為止，我們知道冥王星有5顆衛(wèi)星，它們分別是冥衛(wèi)一(Charon)、冥衛(wèi)二(Nix)、冥衛(wèi)三(Hydra)、冥衛(wèi)四(Kerberos)和冥衛(wèi)五(Styx)。根據(jù)一項(xiàng)最新的模擬研究顯示，冥王星周圍可能還隱藏著多達(dá)10顆或更多的小衛(wèi)星尚未被發(fā)現(xiàn)。這樣“新視野”便有更多的目標(biāo)要去觀測(cè)了。事實(shí)上“新視野”號(hào)探測(cè)器的任務(wù)目標(biāo)之一便是要去探查冥王星是否還有其他未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星，以及查明冥王星是否擁有光環(huán)系統(tǒng)。

◆ 冥王星可能隱藏著有關(guān)柯伊伯帶古老冰雪世界的秘密

早在20世紀(jì)50年代，柯伊伯和埃吉沃斯就預(yù)言：在海王星軌道以外的太陽(yáng)系邊緣地帶，充滿了微小冰封的物體，它們是原始太陽(yáng)星云的殘留物，也是短周期彗星的來(lái)源地。冥王星是柯伊伯帶最大的天體之一，這是一個(gè)遍布大量冰凍小天體的寒冷區(qū)域，散布在海王星軌道外側(cè)的太陽(yáng)系邊緣地帶。這些天體自從行星形成之初便已經(jīng)存在，因而它們是最初的遺骸，能夠幫助天文學(xué)家了解我們太陽(yáng)系的歷史和起源。作為一顆冰雪矮行星，冥王星是漫游在太陽(yáng)系外數(shù)十億冰球的原型，因而冥王星可能隱藏著有關(guān)這些古老冰雪世界的秘密。比如說(shuō)，觀察冥王星表面是否存在撞擊坑，或者撞擊坑的多少，將能幫助科學(xué)家們判斷柯伊伯帶天體之間相互碰撞的頻率。

我們迄今擁有的最佳冥王星圖像——由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在2002年至2003年之間拍攝，圖像中的明暗結(jié)構(gòu)可能顯示冥王星地表的成分變化。2015年5月，“新視野”拍攝的冥王星圖像質(zhì)量將超過(guò)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。

供電來(lái)自钚丸

“新視野”的主要任務(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，它預(yù)計(jì)2016～2020年飛越柯伊柏帶。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的柯伊伯天體超過(guò)1000多個(gè)，如果人類對(duì)那里了解不夠的話，就很難說(shuō)了解了太陽(yáng)系。

主體形狀猶如一塊三角形三明治的“新視野”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)4個(gè)多小時(shí)長(zhǎng)途跋涉才能照到冥王星，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，“新視野”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10.9千克钚丸提供穩(wěn)定的電力。出于對(duì)太空遭核污染的擔(dān)心，在“新視野”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，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%。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。航空航天局已建立了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。不過(guò)，發(fā)射很順利，沒(méi)有任何意外發(fā)生。

“新視野”左邊的黑色圓柱體為核電源。

“新視野”攜帶科學(xué)探測(cè)儀器示意圖?！靶乱曇啊睌y帶了7臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器：3架相機(jī)分別用于拍攝可見光、紅外線和紫外線照片（Ralph、LORRI、Alice）；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（SWAP、PEPSSI、REX）；還有一部塵埃計(jì)數(shù)器(SDC)。

借力木星，輕裝前行

外表傾斜的“新視野”探測(cè)器發(fā)射時(shí)的質(zhì)量為453千克。這個(gè)看上去像一把短鍬和鐵鍋組合的家伙一共攜帶了30千克的科學(xué)儀器和77千克的推進(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)須減速，所以“新視野”沒(méi)有攜帶過(guò)多的燃料。

該探測(cè)器高0.7米，長(zhǎng)2.1米，最寬處約2.7米。推進(jìn)系統(tǒng)包括16個(gè)單元肼推力器。通信采用X頻段，包括一副直徑2.1米的高增益碟型天線、一副中增益碟型天線和兩副寬波束低增益天線。

“新視野”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）兩種姿態(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5轉(zhuǎn)/秒。它是世界上首個(gè)使用“深空網(wǎng)信標(biāo)側(cè)音”（beacon tone）系統(tǒng)的探測(cè)器，該系統(tǒng)曾在1998年的深空1號(hào)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“新視野”有一些特點(diǎn)，例如，它的壽命必須很長(zhǎng)，至少為10年以上；各分系統(tǒng)必須能耐得住低溫，并且不能用太陽(yáng)能電池為探測(cè)器提供電力。

2015年7月，“新視野”飛越冥王星和卡戎示意圖。

延伸視域，拓荒天疆

“新視野”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，飛到離木星最近處約227萬(wàn)千米的位置，即比“卡西尼”土星探測(cè)器還要接近的距離飛過(guò)木星，以借助木星的引力為自身加速到7萬(wàn)～7.5萬(wàn)千米/小時(shí)，然后以更高的速度直飛冥王星。此外，再利用飛越木星的機(jī)會(huì)，探測(cè)器順便對(duì)這顆行星和它的20多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行為期4個(gè)多月的考察。

在2014年12月，“新視野”的所有系統(tǒng)已被喚醒，并開始對(duì)冥王星和卡戎進(jìn)行測(cè)量。剛開始，冥王星和卡戎是不能分辨的亮點(diǎn)，但是隨著探測(cè)器的逐漸靠近，就能看到越來(lái)越多的細(xì)節(jié)。

當(dāng)“新視野”距離冥王星約100萬(wàn)千米時(shí)，其上的各種設(shè)備就要開始工作，對(duì)冥王星和其衛(wèi)星進(jìn)行全方位的探測(cè)，向地球傳回圖片。它和地球間的傳輸過(guò)程需要4小時(shí)25分鐘。當(dāng)“新視野”距冥王星還有16萬(wàn)千米時(shí)，其上的相機(jī)就可以開始繪制第一批地圖。以后的幾個(gè)月里，它將不斷地拍攝照片，進(jìn)行光譜測(cè)量。如果那時(shí)冥王星的大氣是凍結(jié)的，“新視野”還能夠觀測(cè)到季節(jié)的變化。

“新視野”與冥王星的最近距離將為9600千米；與其衛(wèi)星卡戎的最近距離為2.7萬(wàn)千米。處于最近距離的時(shí)間約半個(gè)小時(shí)。此間，探測(cè)器將用可見光和近紅外相機(jī)拍攝最為清晰的冥王星和卡戎“特寫”，最清晰時(shí)，能分辨冥王星上達(dá)60米的地貌！斯特恩說(shuō)，如果以這樣的距離飛過(guò)地球，我們將能夠從探測(cè)器拍攝的圖像上分辨出紐約的中央公園。

2015年5月，“新視野”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月份，這個(gè)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。

超鏈接：

“新視野”吸引公眾關(guān)注的目光

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)，向全世界天文愛好者開放。人們只需要訪問(wèn)為此設(shè)立的一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，就可以將自己的名字輸入一張名為“飛向冥王星”的電子卡片內(nèi)，讓自己的問(wèn)候搭載在“新視野”上一起飛向地球在太陽(yáng)系邊緣的遙遠(yuǎn)“親戚”?；顒?dòng)期間共征集到了超過(guò)43萬(wàn)人的問(wèn)候。所有這些人的姓名都刻在了一張光盤上，已經(jīng)放入探測(cè)器內(nèi)。人們可以在霍普金斯大學(xué)有關(guān)此項(xiàng)目的網(wǎng)頁(yè)上檢索，查看自己的姓名是否被收入其中。這是美國(guó)航空航天局吸引公眾關(guān)注宇宙探測(cè)器發(fā)射的主要手段之一。

超鏈接：

冥王星上有“霧霾”？

“新視野”對(duì)冥王星的飛掠觀測(cè)將持續(xù)6個(gè)多月，在那之后它將逐漸遠(yuǎn)離冥王星系統(tǒng)，不過(guò)按計(jì)劃它還會(huì)向冥王星投向最后一瞥，在冥王星從太陽(yáng)面前經(jīng)過(guò)時(shí)，它還將調(diào)轉(zhuǎn)鏡頭，觀察冥王星的大氣層結(jié)構(gòu)，看看其中是否存在“霧霾”——此前這種現(xiàn)象已經(jīng)在海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一上被觀察到——后者在大小、大氣以及地表成分方面均顯示與冥王星之間的相似性。“新視野”甚至還有可能發(fā)現(xiàn)冥王星擁有一個(gè)類似彗星那樣的粒子“尾巴”。（資料來(lái)自光明網(wǎng)）

攜帶人類信息，飛向遙遠(yuǎn)的恒星際空間

在考察過(guò)程中，“新視野”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，“新視野”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。

“新視野”采用飛越方式來(lái)探測(cè)冥王星。那么，為什么“新視野”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?？?，這樣才能用9.5年時(shí)間到達(dá)距離地球約50億千米的冥王星，因此，如果“新視野”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“新視野”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，“新視野”將無(wú)法繼續(xù)前行，探測(cè)柯伊伯帶。2015年7月14日，在完成對(duì)冥王星的考察工作之后，“新視野”將在2017～2020年進(jìn)入柯伊伯帶，探測(cè)至少2個(gè)直徑為40～90千米的柯伊伯帶天體，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，“新視野”上的計(jì)算機(jī)將會(huì)被重置，上傳由“一個(gè)地球新視野信件”項(xiàng)目(One Earth：New Horizons Message)收集的有關(guān)地球的各種信息——由全世界各地的人們提交的各種材料——照片、聲音、文字，甚至是計(jì)算機(jī)程序，“新視野”將帶著這些來(lái)自地球上人們的各種信息一直飛向遙遠(yuǎn)的恒星際空間。

太陽(yáng)系探測(cè)器（部分）及“新視野”飛越冥王星示意圖。目標(biāo)任務(wù)包括小行星、行星、衛(wèi)星、太陽(yáng)甚至是太陽(yáng)系外的探測(cè)。2015年7月14日“新視野”將近距離探測(cè)冥王星，這無(wú)疑是太陽(yáng)系探索的里程碑，冥王星不再是天文學(xué)家望遠(yuǎn)鏡中的一只模糊的光球，而是將展現(xiàn)出一個(gè)精致詳細(xì)的世界。

（責(zé)任編輯 張恩紅）