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“新视野”：用5%的数据颠覆既有认识
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S. Alan Stern 文 Shea 编译 |
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2015年7月14日，当美国宇航局的一个探测器飞掠过这个遥远的星球时，它永远地改变了我们此前对这个神秘天体系统的认识。 在我们太阳系中历经了9.5年距离达50亿千米的征程之后，美国宇航局（NASA）的新视野号探测器对冥王星及其卫星系统进行了探测。2015年7月14日，当它从冥王星表面上方12 400千米处飞过时，则把这部史诗推向了高峰。“新视野”上所搭载的7台科学仪器成功地进行了超过1 000次的独立观测。此前担心来自小型卫星或者环的碎片对探测器的伤害被证明其实并不是问题。现在，“新视野”距离冥王星已经远在数千万千米之外，正在深入柯伊伯带。科学家们希望它能在2019年飞掠一个和冥王星类似的柯伊伯带天体。 2015年8月初，也就是“新视野”刚刚飞掠冥王星之后短短2周，其在飞掠过程中所获得的95%的数据——包括最佳和最高分辨率的数据——仍存储在它自身上。地面对这些数据的获取工作会一直持续到2016年底，所以你仍可以期待看到许多新的图像、光谱和其他类型的观测数据，当然还有新的发现。2016年，“新视野”还有可能会发动它的引擎，以前往它要探测的柯伊伯带天体。 “新视野”的首批结果令人惊叹。仅仅使用了近距离飞掠数据的5%，这些发现就已经彻底改变了我们对冥王星、冥卫一以及冥王星另外4颗小卫星的认识。  复杂的矮行星 即便是对冥王星研究了超过25年的天文学家也不得不承认，它的实际情况绝对超出了所有的预期。科学家们惊讶于冥王星的表面是如此的多样而复杂，可以预见它将会深刻地改变我们对矮行星的认识。 “新视野”带来的首批惊喜之一便是在靠近冥王星赤道的地方发现存在一个巨大的且具有高反射率的斑点。这个斑点是如此之大而明亮，远在1.6亿千米之外就能看见它。后来发现这个地区呈心形的红色双叶结构。大约20年前行星科学家从地球所发现了一个冥王星上的一氧化碳富集区，该地区正与之相对应。“新视野”团队已经非正式地将冥王星上这一最显著的区域命名为汤博地区，以纪念冥王星的发现者、美国行星天文学家克莱德·汤博（1906-1997年）。 ”新视野“的测量显示，冥王星的个头竟然也出奇得大，接近其飞掠前估计的上限。这些飞掠前的估计主要是根据冥王星掩星——冥王星遮挡遥远的恒星——做出的，得到它的直径在2 300～2 400千米之间。掩星测量之所以精度不高是因为冥王星的大气层会使得观测结果无法真正反映出其表面所在的位置。但是，只要“新视野”靠近了，它就能直接测量冥王星的直径，通过冥王星的全球图像测得其直径了2 373±6千米。 这一发现有两个重要的后果。首先，它彻底地终结了有关更遥远的柯伊伯带天体阋神星是否有可能比冥王星更大的争论。直径2 326±12千米，阋神星显然要更小一些，这使得冥王星成为了海王星轨道之外已知最大的天体。其次，冥王星较大的直径意味着它有更大的体积，因此其密度也要比科学家先前认为的更小。我们现在知道冥王星的密度为每立方厘米1.86±0.01克，这反过来又意味着它会比此前想象的包含有更多的冰、更少的岩石——岩石可能约占60%，冰占40%。这将对了解冥王星及其卫星的形成过程有着重要的意义。 冥王星的大气层也给我们带来了一些惊喜。“新视野”发现，冥王星的大气延伸出去的范围远超以前的想象，可以达到其表面之上至少1 700千米的地方。之前从地面和地球轨道上所测得的冥王星大气厚度仅数百千米。 “新视野”还发现，在冥王星的表面上其大气压仅7～10个微巴（约为地球海平面上气压的0.001%），只有此前估计的一半。此外，在冥王星的大气中还发现了几种痕量的烃类物质，包括乙烯和乙炔，以及一个高度近150千米的全球性霾层，其结构似乎会随地点和时间发生变化。冥王星表面的图像还揭示出了风条纹，根据它可以了解其大气环流模式。  冰冷的仙境 虽然有关冥王星大小和大气的发现令人兴奋且在许多方面是意料之外的，但是“新视野”所发现的最大惊喜都来自于冥王星的表面。首当其冲的就是它地形和地貌的丰富多样性。从反射率的简单差异到颜色和成分的变化，再到地表地质学的大相径庭，在太阳系中同等规模的行星和卫星中，冥王星的表面似乎是最纷繁复杂的。 这样一个复杂的地方必定有着一段同样复杂的历史。试想一下，冥王星上有峡谷、极冠、广阔的赤道深色区域、冰山、冰原、大大小小的环形山以及一个大小和美国德克萨斯州相当的赤道冰川——被非正式地称为“人造卫星”平原！  此后，“新视野”又向地球发回了这个高原——汤博地区的西半侧——的影像，分辨率达到了每像素400米。这些照片揭示出了惊人的细节。其中之一便是，在这个冰冷、富含一氧化碳和氮的广袤平原周围散布着多边形和椭圆形的区域。这些结构可能是由于地表之下未知热源所引发的冰对流所形成的。 更引人注目的是，“人造卫星”平原的最北侧有一个高出它1千多米的高地，那里有冰流的明显迹象。这些冰流可以延伸数百千米，表明在这些障碍物周围有着大尺度的冰川运动。在“人造卫星”平原中充满了氮冰，这些冰川活动可能是由于氮冰的柔软物理性质所造成的。它甚至还暗示在氮冰之下可能还存在有液氮，它们是由氮冰在该平原自身的重压之下液化而成的。 在7月14日的飞掠过程中，“新视野”还发现了冥王星上的山脉。其山峰相对于周围的高度超过了美国的落基山，对于我们了解冥王星给予了至关重要的启示。如果它们是由冥王星上的冰——无论是氮、一氧化碳或甲烷——构成的，那么它们陡峭的山壁都无法维持。为什么呢？虽然冥王星的温度极低，但这些冰依然很脆弱。因此，即便冥王星的表面重力只有地球的约6%，这些山峰仍会在自重下崩塌。 这些山脉现在被非正式地称为诺盖山和希拉里山，它们的屹立不倒意味着在冥王星的表面之下还存在着更为坚硬的物质。这些物质几乎可以肯定是水冰，这也证实了一个长久以来的怀疑，即在冥王星的内部水冰非常普遍。这同时也表明，“新视野”在冥王星表面上所看到冰只不过是一些深度较浅的浮饰。如果能通过光谱证实这些底层水冰——在某些地方也许会冒出地表——的存在，那它将支持冥王星拥有层化内部结构的观点，即冥王星拥有岩质核心，上面是水冰幔。 最后，在有关冥王星的早期发现中，最值得一提的应该是对其表面环形山的统计。根据目前已经获得的影像资料，结果显示，在包括“人造卫星”平原在内的一个巨大范围内，没有发现任何的环形山。然而，在冥王星的其他地方却分布着大量的环形山。这表明，冥王星的表面有着差异极大的年龄，其中一些可能还不足太阳系年龄的2%！冥王星上的地质活动似乎已经持续了数十亿年，而事实上这些活动甚至在今天仍是活跃的。这么小的矮行星是如何保持活跃的，或者是什么能源在驱动它，对这个问题的解答将对行星科学产生极其深远的影响。  多样的卫星 尽管冥王星无疑是主角，但“新视野”也花费了大量的时间去探测它的5颗卫星。自从1978年詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）和罗伯特·哈林顿（Robert Harrington）发现冥卫一以来，它就一直被认为是冥王星的小妹妹。“新视野”确信无疑地证实，冥王星是一个更有趣的天体，但它同时也发现冥卫一的表面也要远比人们预料的更为多样和复杂。 改变对冥卫一认识的首批发现之一是它有一个呈暗红色的极地，被非正式地称为“魔多”。这种近似圆形的地貌是“新视野”在其表面上所看见的最突出的特征，其中心区域直径275千米，外层颜色稍浅的区域直径450千米。早期的图像显示，它可能是一个巨大的撞击盆地，或者是一个由冥卫一地壳运动或变形所形成的复杂结构。待仍存储在“新视野”上的更高分辨率数据传回地球之后，也许能帮助确定其成因。 魔多地区偏红的颜色可能与冥卫一两极在其长达数十年的冬季所俘获的挥发性化合物有关，这些物质会在较低的温度下凝结。这些挥发性物质的潜在来源包括从冥王星逃逸出的气体、彗星的撞击，或者是冥卫一内部所释放出的气体。暴露在辐射之下冰会被转化成更复杂红色物质，被统称为“索淋”（tholin），它们在阳光之下依然可以存在。待更高分辨率的图像和该地区的光谱图被发回地球之后，将有助于搞清楚这一点。 另一个重要的发现来自于冥卫一的环形山。在不同的地方，冥卫一表面上的环形山数目存在显著的不同，表明它在很长一段时间里仍然很活跃。不过，最有趣的似乎是一些环形山有明亮的条纹，而另一些的条纹则是黑色的。这些条纹是由因撞击形成环形山所抛射出的物质所构成的。有两种条纹的存在表明在冥卫一的不同地区其地下成分各不相同。 令人惊讶的是，“新视野”发现冥卫一也具有构造特征。在朝向冥王星一侧的半球上，可以看到覆盖其大部分表面的由裂隙和峡谷所构成的网络。其中最大的两个被非正式地称为麦克罗斯峡谷和宁静峡谷，它们所形成的带状区域长度至少达到了1 050千米，深度则有数千米。 最后，值得一提的是“新视野”在冥卫一上所发现的一个真正奇特的地方，它完全不同于我们在太阳系的其他地方见到过的：有几座山峰被类似壕沟的洼地所围绕，这些洼地的深度在1〜3千米。其中最突出的被非正式地称为库布里克山，长20千米，宽25千米，高2千米。这又是谁的鬼斧神工呢？  冥王星的小卫星 “新视野”还探测了冥王星所有的4颗小卫星——冥卫二，冥卫三、冥卫四和冥卫五。虽然它也搜寻了新的卫星，但在比冥卫五——已知最暗的冥王星卫星——还要暗20～30倍的亮度上没有任何的发现。参考冥卫一35～40%的反射率，这一亮度范围对应的大小不会超过1〜3千米。 在靠得足够近能分辨出它们的表面细节之前，“新视野”就拍摄了数百张这4颗小卫星的图像。天文学家可以用这些数据来完善对这4颗卫星轨道和质量的知识，由这些图像还能确定这4颗卫星的光变曲线、自转周期和形状。 此外，“新视野”所获得影像和分光数据将会用于对它们表面、地质学和成分的研究。不过，眼下仅有能分辨出冥卫二和冥卫三的图像被传送回了地球。它们揭示了两颗大相径庭却又有着同一难题的卫星。 冥卫二是一个非常细长的天体，平均35千米。不幸的是，目前还没有足够的数据来确定其真实形状和精确的尺寸。已有的图像显示它含有不同的成分，包括成斑点状分布的红色物质，它们可能与一座环形山有关。“新视野”还发现，冥卫二的平均反射率为在43%～50%之间。这个数值高于天文学家的预期，表明冥卫二上可能覆盖有远古的水冰。 冥卫三的图像显示其具有拉长的块状形状，有点像一个棒球接球手的手套，长43千米，宽33千米。在它表面上有几个类似环形山的结构和各异的表面反射率，据估计它的平均反照率为51%。因此，就像冥卫二，冥卫三如此高的反照率表明那里也存在相对干净的水冰。 在数十亿年的时间里，冥卫二和冥卫三是如何保持其表面干净明亮的，这还是个谜。这可能暗示，有来自其他地方——例如冥王星或冥卫一——的明亮物质会掉落到这两颗卫星的表面。如果是这样的话，那么冥卫四和冥卫五也会具有相似的反照率。在“新视野”把它们的影像传回地球之后，就能知道事实是不是真的如此。  “新视野”的未来 如前面所说的，到2015年8月1日，“新视野”从近距离飞掠冥王星系统所获得的数据有95%仍存储在星上。这些数据从2015年9月开始陆续传回地球。 根据优先级，率先传回地球的数据将包括全球地质学、色彩、成分图、大气光谱、成像资料和逃离速率数据。然后是优先级稍低但仍然有价值的数据，例如高分辨率图像条带和立体影像，由此可以反演出地形，以及可以用于搜寻冥卫一周围大气层和冥王星周围电离层的数据。接着“新视野”将发回其他的数据，包括温度测量、对环的搜寻以及在飞离冥王星系统时所获得的数据。  可以预见，根据这些数据所开展的大气、地质和对该系统形成理论的研究，会有更多有关冥王星系统的新发现在等待着我们。 “新视野”任务的一大科学要点就是检验科学家们从水星到海王星所获得的知识是否也适用于冥王星。但显然，冥王星系统并没有遵循这一点。鉴于此前所做出的新发现和惊喜仅仅来自飞掠过程中所获得数据的5%，可以这样评分：“新视野”任务满分，现有的行星科学模型“不及格”。不过，这并不是行星科学家的“错”，只因为冥王星实在是太神奇了。 |
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[Astronomy 2015年11月]
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2001-2016 火流星工作组制作
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