冥王星的千面風景（下）

□ 張 博

冥王星的千面風景（下）

□ 張 博

在冥王星著名的“桃心”地形附近還有不少值得玩味的地方。南側如頂端帶有孔穴的疑似冰火山——萊特山（就算最終可以得到證實，它的活躍度也遠沒有海衛(wèi)一上噴涌的冰泉那般明顯）以及疑似的沙丘，東側如富含甲烷冰的塔爾塔羅斯山脊（Tartarus Dorsa）一帶蛇皮狀或稱刃狀的紋理，它們無論是成因還是真實身份都有待進一步的探討。而在桃心以北，凍結在山谷中的冰封氮池塘是冥王星過往較為溫暖，表面曾有液體流過的線索。在太陽系中，除地球之外，類似的流體過程僅現(xiàn)于火星和土衛(wèi)六。再往北去，北極附近的洛厄爾區(qū)（Lowell Regio）有數(shù)道峽谷橫穿而過，還有像人造地球衛(wèi)星平原高地那樣四處點綴的凹坑（只是占地面積要較后者大得多）。這些照例是地下冰層升華的杰作，只是冰雪的主體從氮冰換成了甲烷冰，讓該區(qū)域呈現(xiàn)出了獨特的黃色調。

離開平坦的冰原向西行進，來到冥王星上更古老的地帶，我們看到的就是另一番面貌了。鋪滿暗色復雜有機物索林（tholin）的克爾蘇區(qū)飽受隕星轟擊，其北側的若干臺地也是如此。再往北去，就來到了冥王星上最大的已知環(huán)形山——寬250千米的伯尼（Burney，以冥王星的命名者得名）環(huán)形山，其內部還密密麻麻地撒滿了后來出現(xiàn)的新生環(huán)形山。這些環(huán)形山暴露的側壁展現(xiàn)出了明顯的地層，敘說著當?shù)氐牡刭|演變。有一些四周的噴出覆蓋物還依稀可辨，這表明其形成時間不會太早。從伯尼環(huán)形山再往西去，來到得名于蘇聯(lián)同名金星探測器的金星號臺地（Venera Terra），所見又有不同：除了大量的環(huán)形山，還有交織的峽谷網絡構成了與火星迷徑溝網一般的風景。據信這樣的峽谷由地表大面積斷裂所塑造，而日后的冰川運動或冰體升華又進一步讓谷底加寬。

人造地球衛(wèi)星平原高地北部山區(qū)中的凍結氮池塘。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星北極附近洛厄爾區(qū)的增強色圖像，圖中北極位于中部偏左，附近可見若干平行的峽谷。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

桃心東邊緣的塔爾塔羅斯山脊的刃狀地表結構，典型刃高500米，構成了冥王星上最陡峭的一處地貌。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

伯尼環(huán)形山內晚于主環(huán)形山出現(xiàn)的小型環(huán)形山群。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

金星號臺地內的迷徑溝網式峽谷網絡。圖片來源：NASA/JHU-APL/ SwRI

冥王星上不同冰態(tài)物質的分布圖。左上：甲烷；右上：氮冰；左下：一氧化碳冰；右下：水冰。圖片提供：NASA/JHU-APL/SwRI

與地形多樣化相伴的是冥王星地表成分的多樣化。拋開有機物層沉積得發(fā)暗的克爾蘇區(qū)與有機物匱乏得明亮的人造地球衛(wèi)星平原高地之間鮮明的對比不論，星球上還存在由氮冰、一氧化碳冰、甲烷冰或水冰主導的地帶，而且彼此之間的反差之突然，也是在全太陽系中絕無僅有的。就算是同一種主導物質，細節(jié)差異卻仍舊很明顯，如北極冠同赤道附近的數(shù)個暗斑同屬甲烷冰富集區(qū)，但各自的冰體結構卻很可能明顯不同。這些現(xiàn)象背后反映的同樣是冥王星復雜多變的地質或氣候史。

冥王星不僅地質地貌引人入勝，而且大氣層帶來的驚喜也毫不遜色。大氣考察應該說是新視野號最急于從事的工作了。實際上在21世紀之初，當冥王星-柯伊伯帶快車因預算縮減的緣故被迫中斷之后，美國行星學會再三發(fā)起太空愛好者向美國宇航局（NASA）請愿，希望重拾冥王星探測。這不僅僅是出于填補太陽系空間勘察空白的考慮，更有一個很現(xiàn)實的擔憂：上世紀末，冥王星剛剛經過了近日點，期間星球溫度上升，部分冰態(tài)物質升華，帶來了臨時性的大氣；當冥王星遠離太陽之后，這層本已稀薄的氣體很可能會徹底凍結，想再次對其開展詳細研究恐怕就要等到3個世紀之后了。所幸新視野號最終上路，趕在了冥王星大氣凝固之前完成了匆匆一瞥。

首先讓來自地球的人倍感親切的是，冥王星的天空呈藍色，而且色彩的成因也與地球一樣——大氣中的懸浮物對陽光的瑞利散射。只是這里的氣壓顯然要遠低于地球，只及地球大氣層外邊緣的水平；另外二者散射陽光的顆粒成分也不同，于地球而言是氮分子，但在冥王星上卻是深色的索林顆粒，它們源自高層大氣中的甲烷和氮分子被陽光中的紫外線瓦解并相互反應。而當索林表面被冰霜覆蓋后，就會落到冥王星上，長此以往，整個星球就被涂上了橙紅的色彩，甚至呈現(xiàn)出了克爾蘇這種暗區(qū)。

索林組成的霧霾顆粒在冥王星大氣中分布甚廣，從地面一直延伸到160千米的高空。這一高度本身徹底顛覆了飛掠前的預言，因為早年人們認為距離星球表面30千米的高空中的溫度已經過高，所以顆粒物質難以凝結于此。但新視野號的實測結果是，冥王星高層大氣的溫度遠較之前根據地面觀測做出的估計為低，原因不明，但這至少保證了顆粒的存在性。同時，霧霾本身還分出了不同的層次，至少各處的密度并不均勻，每層也并沒有嚴格平行于星球曲率。霧霾層可行的解釋是重力波（這種波動并非時空本身的漣漪——引力波，二者必須區(qū)分開來），這一效應讓顆粒集中于某幾個高度上，而波動本身則是由吹過冥王星崎嶇山地的風力所激起的。

冥王星上的藍天和霧霾。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星由大氣霧霾產生的光暈，以及霧霾的分層示意。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

更奇怪的是，當新視野號完成飛掠后不久，其上搭載的無線電實驗設備（REX）配合深空探測網的地基天線進行了冥王星掩星測量，發(fā)現(xiàn)星球地表大氣壓較兩年前的地面掩星觀測值降低了一半，而在此以前氣壓都是一路上升的。這到底是冥王星遠離太陽期間的必然過程，還是過去的觀測誤差太大因此不是很可信？如果原因是前者，以此趨勢持續(xù)下去，過不了多久，冥王星的大氣也就要全部凍到地面上去了，這樣看來，搭上了大氣勘察末班車的新視野號還算運氣不壞。除了氣壓，早先同樣被高估的還有大氣的逃逸速率。原本研究者以為像冥王星這樣不太大的天體，其大氣損失的劇烈程度或許能與彗星比肩；但實際水平卻更類似于地球，這大概與較低的高層大氣溫度有關。而逃逸氣體的主要成分是甲烷而非含量更高的氮氣，這也稱得上又一怪事。

新視野號逆光拍攝的冥王星霧霾層，圖中可見超過20層霧霾結構。值得一提的是，圖中最低的一層并沒有完全與地表平行，而是在部分區(qū)域與地面相連。圖中冥王星邊緣附近的地貌也依稀可見。圖片來源：NASA/JHUAPL/ SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

太陽風與冥王星由氮元素主導的大氣的相互作用示意，受大氣逃逸離子撞擊的太陽風被減速，并在冥王星前方形成可能的激波；而星球后方拖出了一道長長的等離子體尾跡。圖片來源：NASA/ JHUAPL/SwRI

冥王星不那么直觀但仍舊重要的“面目”還包括其周邊的空間環(huán)境。新視野號本身就攜帶了用于測量太陽風的等離子體譜儀SWAP、用于測量冥王星大氣逃逸離子的高能粒子譜儀PEPSSI，還有由科羅拉多大學的學生主持研制的塵埃計數(shù)器SDC。前兩臺儀器發(fā)現(xiàn)了冥王星大氣與太陽風相互作用的方式，確定出從大氣中逃逸的氮離子在星球后方形成了一道等離子體尾；而晝半球前方的逃逸氣體只局限于6倍冥王星半徑之內，遠較預期為近，如此明顯的不一致可能要歸結為大氣逃逸速率先前被大大高估。SDC的最重要發(fā)現(xiàn)是，它在飛掠前后5天內只記錄下了1個塵粒，這意味著冥王星系統(tǒng)中的塵埃密度完全與外太陽系中的背景相當。這照樣遠遠低于預期，不過好處是最初對塵埃撞擊探測器引發(fā)事故的顧慮可以暫時被放到一邊去了。

在新視野號的數(shù)據傳輸期間，冥王星的所有5顆衛(wèi)星也終于全部露出了真面目。首先是在飛掠之時即已顯露真身的最大冥衛(wèi)——冥衛(wèi)一，鑒于它的直徑達到了冥王星的將近一半，而且它同冥王星的公轉質心是位于冥王星外部的，所以二者在過去經常被視作雙行星。可是冥衛(wèi)一相對冥王星的差異遠比相似點惹眼，在高分辨率圖像中更是如此。比如根據隕擊環(huán)形山判斷，前者的地表是均一地古老；而斷裂又很是常見，甚至在赤道附近存在一道長長的構造斷層，暗示了遠古時期冥衛(wèi)一內部擁有海洋，后來海水的凍結撕裂了地殼。而冥衛(wèi)一地表復雜性雖高，這里的色彩（進而是組分）卻沒有冥王星那樣繁雜。當然還有一個重要區(qū)別是冥衛(wèi)一沒有絲毫的大氣存在跡象，但北極冠附近有機物富集帶呈現(xiàn)的紅褐色卻是逃逸自冥王星大氣中的甲烷發(fā)生反應轉變?yōu)樗髁侄境傻?。這一切都說明，冥王星系統(tǒng)的這兩個主要成員，理應是分別誕生后再相逢的。

其他4顆小型冥衛(wèi)雖非探測器的關注重點，但其近照還是都被逐一拍下。根據圖像可知，它們的地表不僅古老，而且年齡相近，所以有假說稱其全部源于歷史上冥王星與另一個柯伊伯帶天體的碰撞。而又因為這幾顆不規(guī)則的小天體反照率全部過半，相對小型柯伊伯帶天體而言都過于明亮，因此也支持它們并非被冥王星俘獲的柯伊伯帶成員的觀點。更有趣的是冥衛(wèi)三和冥衛(wèi)四隱隱表現(xiàn)出了雙瓣狀的模樣，不禁讓人想到羅塞塔號造訪的丘留莫夫-格拉西緬科彗星。說不定這兩顆小衛(wèi)星也跟彗星一樣，是由兩部分并合形成的。除此之外，新視野號的又一意外發(fā)現(xiàn)是冥王星不存在新的衛(wèi)星，至少在探測器所容許的分辨率和靈敏度下是如此。

冥衛(wèi)一的高清晰度影像，圖中環(huán)繞衛(wèi)星赤道的大型裂谷、星羅棋布的環(huán)形山連同北極周邊的棕紅色有機物層清晰可見。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

新視野號拍攝的4顆小型冥衛(wèi)的影像，其中冥衛(wèi)三和冥衛(wèi)四的雙瓣結構以紅色圓圈勾出。圖片來源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星（灰色）與2014 MU69（紅色）的軌道相對關系示意圖，其中黃色曲線表示新視野號的飛行路線。（圖片來源：NASA/ JHU-APL/ SwRI/David Napolillo）

新視野號在今年7月13~14日，也就是飛掠冥王星整整一年之后拍攝的柯伊伯帶天體夸奧爾的照片。（圖片提供：NASA/ JHU-APL/ SwRI）

新視野號對冥王星系統(tǒng)的實地調研目前已經告一段落，但其對行星科學帶來的深遠影響卻不會到此為止。拋開這架探測器拓荒太陽系邊疆，并為始于1965年7月14日水手4號火星飛掠的太陽系第一期近距離勘察畫上句號的功勞不論，對柯伊伯帶天體的研究帶來的啟示更是引人思索。冥王星所呈現(xiàn)的古怪特點，很可能就是柯伊伯帶的常態(tài)；而其上種種看似陌生的過程，也許對于柯伊伯帶天體（至少是大型柯伊伯帶天體）來說正是共性的。我們對這類冰封的太陽系原始天體的了解，實在是太少太少。

為了進一步認識太陽系的外圍地帶，新視野號小組在完成冥王星飛掠之后就安排了它的下一個訪問目標——2014 MU69，并指揮探測器在2015年11月完成了針對新天體的變軌機動。這個小型柯伊伯帶天體的寬度只有45千米，大于一般的彗星，而比冥王星小很多，它應該是太陽系外圍更常見的成員。現(xiàn)在這項拓展計劃已經得到了NASA的正式批準，如果進展順利，新視野號將在2019年元旦與2014 MU69會合，那時想必還有更多的驚奇與新發(fā)現(xiàn)在等待著我們。

而在接下來的飛行過程中，新視野號也將沿途拍攝其他一些柯伊伯帶天體，比如今年探測器已經將照相機對準了1994 JR1以及夸奧爾。雖然在照片中，這些不大的家伙只是以光點的面目示人，但這已經是它們迄今最佳的照片了。何況新視野號的視角與地面有所不同，通過比較二者之間的差異，就能推斷出被攝柯伊伯帶天體反照率等參數(shù)在各處的異同，還是有很高的研究價值的。作為額外的紅利，充當被攝小天體背景的恒星、星系等也成了拍攝對象。預計在未來的若干年里，類似的觀測應該還會涌現(xiàn)不少。

（責任編輯 馮翀）