我們熟悉而又陌生的冥王星

關(guān) 丹 （北京空間科技信息研究所）

我們熟悉而又陌生的冥王星

Pluto : the Familiar Stranger

關(guān) 丹 （北京空間科技信息研究所）

85年前，它以馬賽克的樣子出現(xiàn)在大眾的視線里，它也曾是我們中小學(xué)課本當(dāng)中的第九大行星，2006年8月因其不符合行星條件而被科學(xué)家們除名，“貶為”矮行星。它就是2015年倍受世界天文愛(ài)好者矚目的—神秘的冥王星。

1 我們發(fā)現(xiàn)你

冥王星的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)幸運(yùn)、巧合而又富有戲劇性的故事。洛厄爾天文臺(tái)是美國(guó)已故科學(xué)家洛厄爾創(chuàng)辦的，洛厄爾生前認(rèn)為，在海王星之外還有一顆未知的行星存在，因?yàn)楹Ｍ跣遣⒉煌耆裱藗兏鶕?jù)引力理論預(yù)期的軌道運(yùn)動(dòng)，很可能在海王星之外還有另一顆行星，它的引力使海王星改變預(yù)期的運(yùn)行軌道。1915年，一份關(guān)于海王星之外天體的觀測(cè)報(bào)告出爐，詳細(xì)地描繪了可能存在的神秘天體。就是這個(gè)錯(cuò)誤的推斷使得冥王星被發(fā)現(xiàn)。

20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家皮克林主張用照相的方法去搜尋這顆被錯(cuò)誤計(jì)算出的遙遠(yuǎn)“行星”。隔幾天就對(duì)同一區(qū)域拍照，如有位置移動(dòng)的天體就會(huì)從前后兩張底片中找出來(lái)。這個(gè)對(duì)比任務(wù)交給了年僅23歲在洛厄爾天文臺(tái)工作的克萊德·湯博，但要尋找眾多的底片，且每張底片又有幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)星點(diǎn)，并將星點(diǎn)逐個(gè)核實(shí)，簡(jiǎn)直是不可能的。正巧，這時(shí)德國(guó)一家儀器公司發(fā)明了“閃視比較儀”。湯博利用這臺(tái)儀器，耐心地將底片逐張進(jìn)行觀察。直到1930年2月18日，功夫不負(fù)有心人，湯博發(fā)現(xiàn)了這顆遙遠(yuǎn)的星球，同時(shí)它也被當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家認(rèn)定為太陽(yáng)系的第九大“行星”。

2 逐漸認(rèn)識(shí)你

冥王星，英文名字Pluto，其意是希臘神話中的“地獄之神”，譯為冥王星。鑒于當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為冥王星處于太陽(yáng)系外圍，那里寒冷黑暗，故因此而得名。該星體被發(fā)現(xiàn)后，日本人野尻抱影于1930年以意譯建議命名“冥王星”，東亞多個(gè)使用漢字的國(guó)家也以“冥王星”來(lái)命名。中國(guó)于1933年采用該名稱。

想在地球上研究這顆遙遠(yuǎn)的冥王星是天文學(xué)最艱巨的挑戰(zhàn)之一，需要使用最大的天文望遠(yuǎn)鏡和最先進(jìn)的儀器，即使對(duì)“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡（HST)來(lái)說(shuō)也是很難的。據(jù)當(dāng)時(shí)科學(xué)家計(jì)算，冥王星的直徑約為2300km，與太陽(yáng)的平均距離為5.9×109km。冥王星是繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的，從地球上看，也會(huì)逆行。它的公轉(zhuǎn)周期為248個(gè)地球年，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它才轉(zhuǎn)了1/3圈。它運(yùn)行在近圓軌道，只有很窄的部分靠近被稱為黃道的其他行星運(yùn)行平面。相比之下，冥王星的軌道是高度傾斜的，超過(guò)了17°，并且有著高離心率，這就意味著在某些區(qū)域冥王星比海王星更靠近太陽(yáng)。事實(shí)證明，冥王星曾在1979年1月21日跨入海王星內(nèi)側(cè)成為第二遠(yuǎn)的“行星”，在1999年3月14日又跨出海王星軌道，再度成為最遠(yuǎn)的“行星”。

發(fā)現(xiàn)冥王星的幾十年里，它都一直是星空底片上的一個(gè)光點(diǎn)。直到20世紀(jì)70年代中期，戴爾·克魯申科和同事一起給基特峰天文臺(tái)的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡加上了紅外濾光鏡，探測(cè)器和傳感器的性能得到了提升，還建造了更大的望遠(yuǎn)鏡。完成這項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)家在冥王星地表找到了甲烷冰的證據(jù)，幾年后，他們又找到了氮?dú)獗嬖诘淖C據(jù)。由此推斷，冥王星可能由70%的巖石和30%的冰組成。

1978年，在研究美國(guó)海軍氣象天文臺(tái)照片底片時(shí)，科學(xué)家又得出了一個(gè)新的結(jié)論，冥王星和地球一樣，它也有衛(wèi)星—冥衛(wèi)一卡戎。而這顆衛(wèi)星幾乎是其母星的1/2大，非常巨大，以至于2個(gè)天體都是繞著共同的重力中心旋轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)位于冥王星之外。冥王星和冥衛(wèi)一是我們太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一對(duì)雙矮行星組合，通過(guò)它們軌道的基本物理性質(zhì)以及兩者間的距離，天文學(xué)家計(jì)算出冥王星的質(zhì)量和體積，質(zhì)量為1.290×1022kg，體積為6.39×109km3，表面重力為0.655m/s2。

1985-1990年，天文學(xué)家很幸運(yùn)，冥王星和冥衛(wèi)一圍繞它們共同的重力中心運(yùn)行，依次從對(duì)方面前穿過(guò)，這種互掩互食的天象讓馬克·布伊等天文學(xué)家們能夠捕捉到光的變化模式，耐心地制作了一張冥王星地圖。在整個(gè)太陽(yáng)系中有2個(gè)天體地表對(duì)比度最大，結(jié)果冥王星就是其中之一。

2005年，再次觀測(cè)冥王星和冥衛(wèi)一時(shí)，天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了冥王星2顆暗淡的衛(wèi)星。2011年和2012年又分別發(fā)現(xiàn)了冥衛(wèi)四和冥衛(wèi)五。至此，科學(xué)家得到的結(jié)論是，冥王星是一個(gè)真正的多衛(wèi)星系統(tǒng)。

冥王星

3 你被降級(jí)了

冥王星被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，長(zhǎng)期被列入太陽(yáng)系的九大行星之列。但從2000年起，在太陽(yáng)系的邊緣、海王星外側(cè)的柯伊伯帶中不斷發(fā)現(xiàn)新的天體，新的天文發(fā)現(xiàn)不斷使“九大行星”的傳統(tǒng)觀念受到質(zhì)疑，特別是2005年發(fā)現(xiàn)的鬩神星，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為比冥王星更大。于是國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（ICU）成立了專門(mén)的委員會(huì)，重新討論太陽(yáng)系行星概念。2006年8月通過(guò)了新的定義：“行星”必須滿足3個(gè)條件，一是位于圍繞太陽(yáng)的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)；二是質(zhì)量必須足夠大，來(lái)克服固體引力以達(dá)到流體靜力平衡的形狀，也就是呈球體；三是必須清除軌道附近區(qū)域，公轉(zhuǎn)軌道范圍內(nèi)不能有比它更大的天體。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，冥王星和鬩神星都位于柯伊伯帶中，在自己軌道附近還有其他天體，都不能算作行星。對(duì)于這一類星體，天文學(xué)界定義了一個(gè)新類別—矮行星。于是太陽(yáng)系九大行星從此變成了八大行星，冥王星被降級(jí)為矮行星。為配合新身份，冥王星甚至還被“屈辱”地像小行星一樣被編號(hào)為134340。

4 從來(lái)沒(méi)有如此靠近你

“新視野”探測(cè)器在經(jīng)過(guò)4.8×109km的飛行、9.5年的太空穿梭后，在距冥王星12472km的位置上越過(guò)。那是我們距離冥王星最近的一刻，冥王星的一切有可能將在這近距離的飛越中成為現(xiàn)實(shí)。

“新視野”遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀傳回的圖片清晰可見(jiàn)，令聚集在約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們驚喜的是，在傳回的圖片中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“心”形的淡色光影地帶和一條巨大的“鯨”形深色光影地帶等一系列信息。

“心”形區(qū)域橫跨約2000km，被人們親切地稱為“冥王之心”。這顆冥王之心徹底顛覆了地球人對(duì)冥王星從前“孤獨(dú)、高冷、荒涼”的印象。同時(shí)，美國(guó)科學(xué)家也將“心”形區(qū)域非正式地命名為“湯博”地區(qū)，以此來(lái)紀(jì)念冥王星的發(fā)現(xiàn)者湯博。

“鯨”形區(qū)域被冠以一個(gè)可愛(ài)的昵稱“鯨魚(yú)”，該區(qū)域上的神秘黑斑令科學(xué)家們困惑不已，黑斑形狀非常不規(guī)則，個(gè)別黑點(diǎn)直徑約達(dá)480km，黑點(diǎn)到底隱藏著何種物質(zhì)，科學(xué)家們還不確定。

冥王表面的黑色物質(zhì)

5 重新認(rèn)識(shí)你

“新視野”所收集圖像的分辨率要比人類迄今所看到的任何圖像數(shù)據(jù)都高，它的飛越將讓我們重新認(rèn)識(shí)這顆在太陽(yáng)系生活45億年并且沒(méi)有太大變化的活化石。

根據(jù)最新數(shù)據(jù)，人類第一次準(zhǔn)確地確定了冥王星的大小，其直徑約為2 3 7 0 k m，誤差值為±20km，比之前人們所預(yù)想的要大80km左右。但冥王星的絕對(duì)尺寸還是個(gè)小個(gè)子，直徑只有地球的18.5%，大小只相當(dāng)于地球的0.6%。盡管如此，它依然是柯伊伯帶內(nèi)最大的天體。同時(shí)，冥王星最大的衛(wèi)星冥衛(wèi)一卡戎的直徑為1208km，相當(dāng)于冥王星的51%，地球的9.5%，算體積的話就是地球的0.086%。冥衛(wèi)二尼克斯的直徑約為35km，冥衛(wèi)三許德拉直徑約為45km。“新視野”還在對(duì)它們做進(jìn)一步觀察，包括冥衛(wèi)四科波若斯和冥衛(wèi)五斯提克斯。

“新視野”傳回的最新圖像表明，冥王星赤道附近有超級(jí)“年輕”的高大冰峰。科學(xué)家們?cè)谮ね跣恰靶摹毙螀^(qū)域的西北部發(fā)現(xiàn)了一片廣漠的冰凍平原。從冰凍平原地形來(lái)看，年齡沒(méi)有超過(guò)1億年，且很有可能仍處在地質(zhì)形成過(guò)程中?？茖W(xué)家們推測(cè)，覆蓋這片冰凍平原的區(qū)域很可能是雪，但并非我們地球上傳統(tǒng)意義上的雪，而是冥王星上存在的氮?dú)?、一氧化碳或者甲烷等氣體凝結(jié)成的固態(tài)雪。因?yàn)橼ね跣桥c太陽(yáng)平均距離達(dá)到5.9×109km，表面溫度極低，只有-220℃。

在這顆冰質(zhì)星球的表面，山脈、峽谷清晰可見(jiàn)，赤道附近還發(fā)現(xiàn)了一條大約高達(dá)3500m的山脈。令科學(xué)家們驚喜的是，這些山脈的形成時(shí)間非常短，這表明冥王星表面部分地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)仍然非?；钴S?！靶乱曇啊钡刭|(zhì)、地球物理和成像團(tuán)隊(duì)（GGI）的杰夫·摩爾表示，“這條山脈是人類在太陽(yáng)系中觀測(cè)到的最年輕的地表之一。”

美國(guó)航空航天局（NASA）增強(qiáng)分析了“心”形和“鯨”形圖片的地貌結(jié)構(gòu)，又發(fā)現(xiàn)了一條長(zhǎng)約1600km的不明多邊形地形，這個(gè)結(jié)構(gòu)幾乎橫跨了冥王星的赤道，是個(gè)非常龐大的地貌，到底是由什么物質(zhì)構(gòu)成以及何以形成，仍然是個(gè)謎。

以上種種跡象表明，冥王星上有著多變的地形，是有地質(zhì)活動(dòng)的，并非一塊“死石頭”。而冥王星直徑大于預(yù)期，意味著它的密度小于預(yù)期，說(shuō)明它的含冰量比預(yù)想的更多，還說(shuō)明冥王星的大氣要比預(yù)期的稀薄，因?yàn)橼ね跣堑闹睆揭矔?huì)影響其大氣層的尺寸?！靶乱曇啊边€觀測(cè)到，冥王星的大氣層中離子氮向太空逃逸出來(lái)，且速度超出了預(yù)想，這意味著要么大氣逃逸率比預(yù)想高，要么有什么別的機(jī)制在起作用。

“新視野”近距離拍攝的冥王星冰山

6 你身邊的伙伴

“新視野”關(guān)注的不只是冥王星，還有冥王星的“伙伴”，也是它的“衛(wèi)士”。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，冥衛(wèi)一卡戎有它多變的地形，一條長(zhǎng)達(dá)1000km的懸崖從左向右延伸，一道深達(dá)7～9km的峽谷沿其彎曲邊緣分布。其北極還有一大片黑色區(qū)域，似乎甲烷含量更低。令科學(xué)家驚訝的是，卡戎并沒(méi)有像月球表面那樣有眾多的隕石坑，而是在赤道上有一個(gè)巨大的撞擊坑。

冥王星的小“衛(wèi)士”—冥衛(wèi)三許德拉自2005年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是一個(gè)形狀、大小、反照率都不明確的模糊光點(diǎn)。此次“新視野”上的相機(jī)分辨出了這顆小衛(wèi)星的不規(guī)則形狀，按照公布圖片的分辨率計(jì)算，該衛(wèi)星的大小約為43km×33km。

7 結(jié)束語(yǔ)

從1930年被發(fā)現(xiàn)，到2001年NASA批準(zhǔn)“新視野”計(jì)劃，再到航天器于2015年抵達(dá)冥王星，耗時(shí)良久，但時(shí)光流逝在我們身邊的故事將影響深遠(yuǎn)?！靶乱曇啊币疡傁蜈ね跣?，在未來(lái)的2年中，它將不斷地傳回關(guān)于冥王星的最新圖片和最新資料，隨之而來(lái)的是科學(xué)家們對(duì)冥王星不斷的、更新的認(rèn)識(shí)。讓我們拭目以待，當(dāng)人類最新的圖像處理技術(shù)與嘔心瀝血的堅(jiān)持相結(jié)合，必將贏得更重要的發(fā)現(xiàn)。屆時(shí)，冥王星的地形，甚至是星球內(nèi)部的構(gòu)成，有沒(méi)有生命，有沒(méi)有海洋……這些問(wèn)題都可能得到回答。地球人將帶著對(duì)冥王星長(zhǎng)達(dá)85年的憧憬，揭開(kāi)這顆擁有傳奇經(jīng)歷星球的神秘面紗。