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目标：冥王星
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Jonathan O’Callaghan 文 Shea 编译 |
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矮行星、行星、冰质天体：无论你怎么称呼，它一直是太阳系中最神秘也最令人着迷的有待探索的未知星球之一。2015年7月，即在被发现超过80年之后，当新视野探测器抵达冥王星时，我们终于将得到一些谜题的答案。 今年，有史以来最具雄心的太空任务之一将在7月14日迎来它的高峰，届时美国宇航局（NASA）的新视野探测器将成为第一个飞掠冥王星的探测器。为了实现这一目标而花费的几十年的努力堪称人类历史上最伟大的太空探索历程之一。 冥王星本身就是一个为神秘所笼罩的天体——当然，还有争议。当“新视野”于2006年1月19日发射时，冥王星仍被冠以太阳系第九颗行星的头衔。然而，在同年8月一切都发生了改变。在海王星轨道之外发现了一颗比冥王星还大的天体阋神星之后，国际天文学联合会（IAU）通过决议将它降级成了一颗矮行星。 “我为天文学界感到羞愧，”美国西南研究所的科学家、“新视野”任务的领导者艾伦·斯特恩（Alan Stern）当时说，“全世界只有不到5%的天文学家参与了投票。它不会长久的。这是一场闹剧。”  斯特恩的不安完全可以理解。他一直致力于推动前往探测冥王星的空间任务。1989年，旅行者2号探测器成为了第一个造访海王星及其最大卫星海卫一的航天器，在此期间发回了许多惊人的图像。而海卫一则被认为是一颗被海王星俘获的矮行星，可能与冥王星有着许多相似之处。当时还是一名参与“旅行者”计划的研究生，斯特恩为此深深着迷，他成立了一个小组来推动对冥王星的探测。26年后，他终于看到了自己的劳动成果。 但冥王星的降级丝毫没有减弱科学家们对这一任务的热情。冥王星由已故美国天文学家克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）于1930年发现。为了纪念他的这一发现，“新视野”上携带了他的一些骨灰。然而，我们对冥王星的认识仍然非常有限。虽然已经知道它的轨道特性和大小等信息，但对其表面和物质成分则知之甚少。它也是我们太阳系中有待探测的最后一批较大的天体之一。 我们知道，冥王星的直径约为月球的三分之二。它位于太阳系外围的柯伊伯带中，绕太阳公转一周需要248年，平均距离约为59亿千米。在柯伊伯带里充满了成千上万个小型冰质天体，它们被认为是早期太阳系的遗存。因此，对冥王星的探访其实代表了一次对这一类罕见天体进行研究的难得机会，因为它们根本就不会运动到地球附近。 冥王星的轨道是一个巨大的椭圆形：到太阳的距离在49.3个天文单位到29.7个天文单位之间，后者甚至比海王星到太阳的距离还要小。1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离，约为1.5亿千米。事实上，从1979年至1999年，冥王星就位于海王星的轨道之内，为更细致的研究提供了良机。有天文学家认为，在它的表面之上有一个由氮组成的稀薄大气层，而冻结的甲烷和氮则会在表面形成霜。在绕太阳公转的过程中，它的表面和大气会反复地融化和封冻。
 当然，关于冥王星迄今仍有许多未知。它的表面看上去会是什么样子？它是像木卫二一样的平坦，还是像土卫二那样崎岖？它有那些独有的特征？它是如何与其卫星，例如冥卫一，相互作用的？当“新视野”抵达时，这些是它准备要回答的问题。 而这仅仅是天文学家们想要了解的首批问题。“冥王星赋予了我们第一次探测太阳系‘第三区’中天体的机会，它们远在类地行星和巨行星之外，”美国西南研究所的约翰·斯潘塞（John Spencer）说，“冥王星是那里成千上万个天体中最大的，它与我们之前所探测过的天体都有着巨大的不同。” “新视野”任务的成形历经了许多年。一开始NASA曾考虑派遣“旅行者”1号在20世纪80年代末飞掠冥王星。但是，该任务被认为风险过高，而土星的卫星土卫六则被认为是一个更现实也更为有趣的目标。因此，决定将冥王星排除在外。 不过这倒是激励了斯特恩和其他几个年轻的行星科学家在1989年成功地说服NASA开始研究冥王星任务的可行性，该项目被称为“冥王星-350”。 该任务提案始于一个相对简单探测器，重350千克，携带4台仪器设备。即便只有“旅行者”探测器一半的重量，它也被认为具有争议且高风险。随后的方案则计划发射一个类似于卡西尼土星探测器的航天器。它将携带一个子探测器，后者将被投放到冥王星上。然而，在1992年NASA削减预算期间，该任务被指成本过高。 紧随其后的则是摇摆不定的近十年时间，NASA手上握着数个不同的冥王星探测提案。NASA认为，携带仪器较少的小规模任务、非核动力且耗时的任务以及携带大气探测器等过于复杂的任务都是要不得的。身为冥王星任务的主要倡导者之一，斯特恩试图说服NASA批准有关的提案，他甚至寻求与俄罗斯和欧盟之间的多国合作，但这一切都石沉大海。  之后，在2001年，事情终于有了突破。来自科学界和公众的压力最终说服了NASA主管空间科学的副局长爱德华·韦勒（Edward Weiler），开始接收冥王星和柯伊伯带飞掠任务的提案。 这些提案的目标是设计一个可纳入NASA“新前沿”项目的中型航天任务。该任务可以用“宇宙神”V型火箭或者“德尔塔”IV型火箭发射，能在2020年前完成对冥王星的飞掠，成本不超过5亿美元。相比之下，NASA“发现”项目的成本则更廉价，而“旗舰”项目的则更高昂。 2001年4月6日NASA共收到了5份提案，其中之一便是由斯特恩所领导、美国应用物理实验和西南研究所共同参与的“新视野”。2001年6月6日，“新视野”和美国喷气推进实验室的“冥王星和外太阳系探测器”提案被选中进入下一步深入研究。 在9月24日递交了第2份提案之后，斯特恩便开始焦急地等待NASA作出最终的决定。2001年11月29日，他接到NASA的电话，被告知“新视野”最后被选中将前往冥王星。 一个雄心勃勃的探险任务就此开始。在此之前还从未有人认真思考过这么遥远的飞掠任务，更不用说去尝试了。研发和主导这一任务的应用物理实验室和西南研究所都是行星探测方面的“新人”，降低探测器的风险就显得十分必要。因此，成本和进度就成为了重中之重。与此同时，在“新视野”研发的过程中，有关冥王星系统的新发现则不断涌现，例如冥王星的新卫星。 “一旦获得了资金，最大的技术挑战包括设计一个能可靠地运转近十年的航天器，”斯潘塞解释说，“然后它还要能自主且完美地完成探测任务。”这是因为在冥王星的距离上，无线电通讯信号往返需要8个多小时的时间。所以，“新视野”必须在没有地面控制人员帮助的情况下应对在飞掠冥王星的过程中所遇到的任何问题。 在“新视野”研发的过程中，总共有2 500人参与。最初计划于2004年发射，最终发射的时间定在了2006年初。在2006年1月19日的第3次倒数计时时，“宇宙神”V型火箭将其送入太空，当时冥王星的发现者克莱德·汤博已去世9年。 为了在可承受的时间下抵达冥王星，这次发射必须达到人类历史上最快的速度。到离开地球大气层时，“新视野”的时速达到了58 536千米，是喷气飞机的100倍。它仅用了短短9个小时便飞过了月亮，而同样的旅程“阿波罗”任务要花3天。发射后13个月，它就抵达了木星。利用木星的引力助推，它进一步加速去往冥王星。  随着其最终抵达的时刻临近，“新视野”现在正进入其任务的关键阶段。2014年8月25日，“新视野”越过了海王星的轨道。海王星是它抵达冥王星前所越过的最后一颗行星。8月29日，任务工程师再次将其设定进入休眠状态。“新视野”每1年中大约有10个月处于休眠状态，以此来节省电力和燃料。这并不是说它处于无人看管的状态。每个月工程师们都会接收它发回的遥测信号来检查其子系统的状况。同时，如果需要的话，每年会有2个月的时间来对仪器进行校准、对航向进行修正。 2014年12月6日，“新视野”从休眠中醒来，在接下去的2年里它都会保持清醒。它将为抵达冥王星做好准备，然后实施飞掠并把数据发送回地球。在完成对冥王星的飞掠之后3周，它有可能会重新设定航向，去往柯伊伯带内其他的1或2个目标。目前，哈勃空间望远镜已经完成了对这些后续探测目标的初步认定。这些探测可以为了解太阳系漆黑而冰冷的外围区域中的天体提供新的认识。 “新视野”与冥王星相遇从2015年年初开始，会持续约200天。这包括约170天的进近阶段，两者的距离会缩小到只有10 000千米，然后是30天的飞离阶段。不过，要把它所收集的数据都发回地球需要4～9个月的时间，因为“新视野”的数据传输率只有每秒1 000比特。今天，普通的宽带连接要比这至少快2 000倍，由此你就会明白它回发一张图像是多么不容易的一件事情了！ 最靠近的时候，“新视野”上的一台照相机会以每像素250米的分辨率拍摄冥王星及其卫星冥卫一的图像，而另一台所能获得的图像分辨率则更高，可达每像素50米。它们将会向我们展现出许多冥王星和冥卫一的重要特征。冥王星的大气层也会被仔细地研究，同时“新视野”还会探测冥卫一周围是否有大气。  在最接近冥王星之后14分钟，“新视野”将以27 000千米的距离飞过它最大的卫星。此后约36分钟，在回望冥王星的过程中，它会进入冥王星的影子，由此可以看到太阳光是如何与冥王星大气层发生相互作用的。85分钟后，它则会进入冥卫一的阴影中。 尽管这些行进路线和观测可以事先确定，但“新视野”在冥王星上究竟会看到些什么仍有争议。“没有意外才是真正的意外！”斯潘塞兴奋地说，“我想它的表面看上去会非常有趣且富于变化，有些地方黑如沥青，有的则洁白如雪。那里可能至少有3种不同的霜冻。我们知道冥王星有一个稀薄的氮大气层且正在外泄，它还至少有5颗卫星，所以那里肯定有许多值得一看、值得去研究的东西。” 在探访了冥王星之后，“新视野”会有什么新的工作也同样令人感兴趣。世界各地的天文学家正在试图寻找可供它造访的柯伊伯带天体。待目标最终确定之后哦，“新视野”才有可能进行扩展任务。 但无论结果如何，“新视野”都有望成为历史上最不可思议的太空任务之一。当冥王星的第一张照片被传回地球的时候，毫无疑问它将成为全球媒体追逐的焦点，就像此前罗塞塔登陆彗星一样，只不过这一次的目标要大得多。自冥王星被发现以来已过去了80多年，2015年我们终于将会看到克莱德·汤博所发现的这个星球究竟会是什么样子。
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[All About Space 2015年总第34期]
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