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后冥王星时代，“新视野”要去哪儿？
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Will Gater 文 Shea 编译 |
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2016年7月，美国宇航局批准了新视野探测器的柯伊伯带扩展任务。在飞掠了冥王星之后，它又有了新的目标。 随着冥王星在视场中越来越小，美国宇航局（NASA）的新视野探测器也正在进入太阳系中一大片尚未被探测过的荒野之地，被称为柯伊伯带。这是一个位于气态巨行星海王星之外的冰封地带，包含有数十万个冰质小天体，被称为柯伊伯带天体，它们中有许多被认为是46亿年前太阳系中行星形成时期的遗存。 就在全世界为“新视野”所拍摄的冥王星——最著名的柯伊伯带天体——图像唏嘘惊叹的时候，这个探测器已经踏上了其最后一次飞掠任务之旅。这项任务绝非易事——“新视野”最后的目标要比冥王星小得多，而它的确切位置也存在不确定性。但是，如果一切按计划进行，这项最终的任务甚至有可能成为其使命中最显眼的篇章。 要想了解在行星形成之后太阳系是如何演化的，柯伊伯带是其中的关键。通过首次近距离造访一个柯伊伯带天体，“新视野”的最后之举可以帮助改写太阳系演化的历史。  [图片说明]：新视野探测器飞掠柯伊伯带天体的艺术概念图。版权：NASA/JHUAPL/SwRI/Alex Parker。 大海捞针 这一最后的任务可绝不是突发奇想。事实上，造访第二个柯伊伯带天体是“新视野”团队早就在思考的事情。2002年当“新视野”探测器仍在设计中时，科学家们就非常认真地思考了这个问题。 最重要的是，“新视野”的设计者确保了它会有足够的燃料储备，以便它可以点火飞向另一个柯伊伯带天体。如果不具备这样的轨道机动能力，那么在近距离飞掠了冥王星之后，要想恰好再飞掠另一个沿途的柯伊伯带天体，那几乎是不可能的。 然而，最大的问题其实是寻找到目标。虽然根据估计在柯伊伯带中有数十万个冰质天体，但所面临的挑战是要发现那些在“新视野”可及范围之内的。 使用位于美国夏威夷的昴星望远镜，“新视野”团队早在2004年便开始搜寻潜在的目标。他们想寻找到足够大且在科学上也令人感兴趣的柯伊伯带天体，但事与愿违。因此，2年后，当“新视野”开启其史诗般的征程时，它携带了足够的燃料，以便可以探测柯伊伯带中的另一个天体，然而其后冥王星时代的目标却仍是一个未知数。 到2011年时，“新视野”踏上了一条特定的路径，其团队不得不对天空中位于人马座的一片更小的天区进行搜索。但这却遇到了一个新的障碍——要想从位于背景中的无数银河系恒星中识别出暗弱的目标十分困难。到2013年底时，天文学们仍一筹莫展。可用于搜寻的时间只剩下了3年时间，而事实证明从密集的星场中寻找到目标极具挑战性。 最后，“新视野”的团队终于在重重的干扰之下找到了大约50个柯伊伯带天体。不幸的是，它们都位于“新视野”可及的范围之外。其中距离“新视野”最近的一个会需要耗费它50%以上的燃料。所以，尽管科学家们已经知道了可以去的目标，但他们不想以这么高的代价来实现这一点。于是，他们转向了哈勃空间望远镜。 哈勃空间望远镜可以提供分辨率更高的图像。但首先“新视野”的团队必须向“哈勃”的主管们证明，他们发现潜在目标的可能性很大，然后他们不得不筛选海量的数据。这虽然让人伤脑筋，但也令人振奋。 2014年，该团队终于有了展获，发现了两个在“新视野”可及范围之内的柯伊伯带天体：2014 PN70和2014 MU69。前往第一个目标会消耗掉绝大部分的燃料，使得“新视野”达到该柯伊伯带天体附近时，无法做精确的轨道机动，这会危机到整个任务的科学目标。所以，去往2014 MU69是“新视野”的不二之选。 
初访星子 2016年5月NASA的行星任务资深评估小组对这一扩展任务进行了评定，7月初宣布该任务获得批准。但是，早在去年底，“新视野”的团队就已经命令其发动机点火，把它送往了去往冥王星之后下一个目标的方向。 到2019年1月，“新视野”会抵达2014 MU69，届时我们应该会可以看到一个与冥王星极为迥异的天体。对其亮度的测量表明，它的直径在30～40千米之间，远远小于冥王星2370千米的数值。同时，它会具有不规则形状，并覆盖有陨击坑。相对于其他柯伊伯带天体，它的轨道相对更接近圆形，颜色偏红。 正如对冥王星的探测，“新视野”对2014 MU69的造访也将是短暂的，它的仪表设备必须全力以赴地工作，以此来收集有关这个天体的数据。“新视野”将会使用红外分光仪来勘测它的表面组成，使用紫外分光仪来探测其大气的痕迹。按理说这么小的天体是不会拥有大气的，但“新视野”说不定能给我们带来意料之外的惊喜。 无论是否有大气，对2014 MU69的近距离探测有助于揭示冥王星是否是由这些小天体碰撞结合而成的，这也会有助于回答关系到行星是如何形成的一些基本问题。 根据目前最好的理论，行星形成于原行星盘中，这个盘由围绕年轻恒星转动的气体和尘埃构成。盘中的物质会凝聚到一起形成小团块，在引力的作用下这些小团块会聚集成更大的团块。之后不久就会出现行星形成的要件——星子，最终诞生出行星。 类似于2014 MU69这样的柯伊伯带天体，在太阳系之初以来一直没有受到外界的大幅侵扰，被认为是行星形成过程的遗存和化石。天文学家非常想知道原始的星子是如何形成的，而2014 MU69正是这些天体中我们能以最近距离飞掠的一个。 位于远离太阳相对不受侵扰的区域中，柯伊伯带天体就像一个时间胶囊。因此，它应该会告诉我们星子是如何形成的及星子又是如何构建出行星的。 陨击坑揭秘 如果“新视野”观测到了新近的陨击坑，它也许能揭示出一些有关类冥王星天体形成机制的信息。任何新的陨击坑都会暴露出位于2014 MU69表面之下的物质，这些物质还未受到宇宙线或紫外线的破坏。由此可以弄清楚它们的成分，进而可以将它和类冥王星天体的成分做比较。 这些观测结果还有助于解决另外一个大谜题：太阳系是如何演化出现在这样特定的排列样式的。目前的模型认为，气态巨行星之间曾经的距离要比今天的小得多，在它们之外有一个厚实的星子盘。然后，有某种东西使得它们失稳，把行星迁移到了它们现在所在的位置。外部的星子盘则受到了严重的影响，其中留存下来的一些形成了今天的柯伊伯带。 科学家们已经对这一时期进行了大量的数值模拟，然而这个过程到底是如何发生的仍然悬而未决。迁移过程是爆发式，还是缓缓进行的？要回答这个问题，就必须要确切知道在巨行星迁移之前这个星子盘的质量究竟有多大。而这里正是2014 MU69上的陨击坑能帮助我们的地方。 在某种程度上，这些陨击坑可以反映出在某个地点2014 MU69周围有多少物质。如果在它表面之上布满了陨击坑，那就表明曾经在它周围有许多物质并最终撞上了它；而如果在它表面只有很少的陨击坑，那么在它周围的物质可能就较少。通过研究“新视野”所获得图像中陨击坑的大小和数量，科学家就可以对当时星子盘的质量有更好的认识。把这个数据代入目前的计算机模型中，它们就能为太阳系是如何演化到今天的模样的提供一幅更清晰的图像。 对于研究外太阳系的天文学家来说，这一飞掠还可以为遥远柯伊伯带天体的轨道以及表面成分提供重要的信息。由此，天文学家就能把从地球上所观测到的暗淡光点和其表面光上所覆盖的冰以及碳氢化合物联系起来。虽然2014 MU69无疑将会是后冥王星任务的焦点，但“新视野”团队还将研究该探测器沿途可能会从远处观测到的其他天体。 至于“新视野”本身，一旦完成了在柯伊伯带的任务，它继续深入太阳系边缘。它会继续发回的数据，包括对太阳风——从太阳流出的带电粒子——的测量，直到21世纪30年代中期左右其放射性能源耗尽为止。 无论我们何时与它失去联系，“新视野”的命运已经注定。在越过了柯伊伯带之后，它会飞入银河系。它获得的宝贵数据将会存储在地球上，而它则将进入无垠的宇宙。
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[New Scientist 2015年11月21日]
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2001-2016 火流星工作组制作
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