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“新视野”探测柯伊伯带
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S. Alan Stern 文 Shea 编译 |
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2019年1月1日，美国宇航局的冥王星探测器将飞过一个遥远而神秘的天体，它是太阳系诞生时的遗存。 新视野探测器是美国宇航局用来探测冥王星和柯伊伯带的航天器。在历时4年的研发之后，这个尖端的探测器于2006年1月发射升空。2015年，“新视野”第一次实现了对冥王星及其5颗卫星的近距离探测，彻底改变了我们对冥王星系统的认识。 但是，“新视野”团队设计和建造的这个探测器并不会止步于对冥王星系统的探测。它仍在奋勇前行，执行着一项由美国宇航局批准并资助的、为期5年的扩展任务。柯伊伯扩展任务将会探测广袤的柯伊伯带和其中的多个天体。最值得注意的是，它将有史以来第一次飞掠并近距离探测一个古老的柯伊伯带天体。 柯伊伯扩展任务始于2016年底，会一直持续到2021年中。它的核心是飞掠柯伊伯带天体2014 MU69，后文简称“MU69”。一旦飞抵那里，“新视野”将再创造两项纪录：探空探索史上最遥远的飞越（比冥王星还远16.1亿千米），以及在去往此前从未被探测过目标的航天任务中具有最长的飞行时间（13年）。 除了探测MU69之外，柯伊伯扩展任务还将以其他几种方式研究柯伊伯带，包括对二十多个其他柯伊伯带天体进行观测。这些柯伊伯带天体中的大多数到“新视野”距离只有到地球距离的1/100～1/50。“新视野”还将利用先进的传感器来探测柯伊伯带中的尘埃、气体和等离子体环境。在20世纪80年代和90年代，“先驱者”10和11号以及“旅行者”1和2号也曾穿过这一区域，但“新视野”上传感器的能力要远远超过当时。  柯伊伯带和MU69 20世纪90年代，柯伊伯带的发现改变了我们对太阳系的认识。这一突破重写了有关太阳系的教科书，表明行星系统并不仅仅是内行星和外行星这两部分，而是有三大组成：内行星被一个气态巨行星区域包围，在后者之外还有一个巨大的盘，其中含有彗星、星子（形成行星的要件）以及一些矮行星，例如冥王星。 随着柯伊伯带的发现，气态巨行星也已经从旧时的“外行星”降级成了“中行星”。这一发现也彻底改变了我们对太阳系组成结构的认识，表明冥王星并非是巨行星之外唯一一个不合群的天体，而是一大群小天体中最早被知晓的成员，它们的数量远超类地行星和巨行星的总和。 在2014年利用美国宇航局哈勃空间望远镜所进行的专门搜索中，“新视野”团队发现了它后冥王星时期的飞掠目标MU69。除了发现编号之外，MU69还没有一个正式的名称，但2017年底“新视野”计划和美国宇航局曾为其进行了一次命名海选大赛，选定了一个非正式昵称“Ultima Thule”（意为“天涯海角”）。MU69在一条近圆的轨道上公转，半径约44.4个天文单位，周期长达296年。1个天文单位相当于太阳和地球之间的平均距离。它的轨道相对于太阳系平面的倾角只有2.5°。天文学家现在已经很好地知道了MU69的轨道，国际天文学联合会小行星中心给了它一个正式的小行星编号486958。   由于MU69非常暗弱（视星等26.8等），因此除了知道其直径在20～40千米之间、它的颜色比冥王星更红一些之外，其他几乎一无所知。MU69属于柯伊伯带的一个亚种群：冷经典柯伊伯带天体。它们一直是柯伊伯带的成员，极为古老。它们和形成于巨行星之间、然后被散射到柯伊伯带的其他亚种群有着明显的差别。由于MU69就形成于柯伊伯带中，因此它可以为太阳星云外部的物质组成提供非常有价值的信息。 此外，MU69还具有另一个有价值的特性：它的直径完美地介于彗星和矮行星之间。彗星的直径通常为几千米，而矮行星的则为1 000～2 500千米。把MU69的表面特征、内部结构和成分与柯伊伯带中更小和更大的天体进行比较，可以让我们更好地了解那里矮行星——例如冥王星、阋神星和塞德娜——形成的吸积过程。 许多小型柯伊伯带天体都拥有卫星。尽管2016年夏天掩星的结果表明MU69可能也有卫星，但目前还无法确定是否真的如此。由于MU69太过暗弱，即使是地球上或地球轨道上最大的望远镜也无法对其进行分光研究，因此它的组成成分仍全然未知。 前方的挑战 2015年10月和11月，就在对冥王星进行了探测之后不久，“新视野”发动了引擎，将它飞行的轨迹对准了MU69。2019年1月1日“新视野”将会飞掠MU69。它将创下另一个记录：自发现一个天体到对其开展无人航天器探测之间所花的时间最短（4.5年）。这段时间只比MU69轨道周期的1%略长一点。 这一飞掠向科学家和工程师们提出了许多挑战。其一就是要找到可以实施飞掠探测的MU69。因为它实在太暗弱，没有地面望远镜能看到MU69，只有“哈勃”才行。对于“新视野”来说也同样如此，它只有在飞掠前大约100天才能看到MU69，因此在2018年秋之前必须依靠“哈勃”来对它进行跟踪。 为了确定MU69的轨道，天文学家需要把“哈勃”对MU69所进行的精准天体测量与欧洲空间局盖亚卫星所测定的精密恒星天位置相结合。利用这些数据，再加上“新视野”在2018年底将能获得的光学导航数据，科学家们计划让它从距离MU69仅3 500千米的地方飞过，只有它飞掠冥王星时最近距离的1/4。这意味着，“新视野”可以拍摄到分辨率高出约4倍的图像！ 另一个挑战是MU69可能拥有卫星。在已知的1 500多颗柯伊伯带天体中，发现许多都拥有卫星。冷经典柯伊伯带天体拥有卫星的比例预计最高可达30%。但即便是“哈勃”也无法在这么遥远的距离上探测到MU69的卫星。然而，正如前文所提到的，2017年7月17日当MU69从一颗遥远的恒星前方经过时，观测发现了它可能拥有卫星的线索。对这一掩星事件的地面观测表明，MU69要么有一颗与其紧密相邻（甚至相接）的卫星，要么是一个被极度拉长的天体，有一块巨大的突出物。直到“新视野”最后的进近过程，才能搞清楚MU69是否拥有卫星。  它若拥有卫星，则暗示着其卫星可能不止一颗（参照冥王星系统）。在进近的过程中就可以对其他卫星开展搜索，在飞掠的过程中对新发现的这些卫星进行观测。如果MU69确实拥有一颗或多颗卫星，它们的引力就会使得MU69显著偏离“新视野”所对准的位置，这将有助于确定后者的质量和密度。 另一个挑战是MU69可能具有的环或其他环绕它的碎片所造成的潜在危险性。在“新视野”以每小时53 000千米的速度呼啸而过时，这些碎片能直接把它摧毁。最近的掩星观测发现在柯伊伯带天体妊神星周围存在光环，进一步凸显了这一风险。 但最大的挑战是，在飞越过程中地面控制中心与“新视野”之间存在着12小时的往返光行时，也就是说光线往返地球和“新视野”需要12个小时。相比之下，在飞掠冥王星时往返光行时则为9小时。这意味着，由于异常情况或需要进行路线修正，地面控制中心任何的干预举措都只能在12个小时或更长时间之后才能被执行。 飞掠方案 飞掠行动将始于2018年8月底和9月。届时，“新视野”将使用远距离侦察成像仪来拍摄MU69的首批导航图像。在进近的最后数月中，“新视野”会对MU69进行成像观测，用来确定最多可达6次的轨道机动方案，以准确瞄准目标。 这个过程中，远距离侦察成像仪还会进行长时间曝光来搜寻MU69可能存在的卫星和光环。这既具有科学价值，也能够对潜在的撞击风险发出预警。作为预防措施，科学家们正在筹划一个距离MU69更远（约10 000千米）的飞掠方案作为后备。虽然这个距离仍比飞掠冥王星时的更近，但这一替代方案可以有效地规避环绕MU69的物质所造成的重大危险。 除了导航和评估风险之外，在2018年秋的进近过程中，远距离侦察成像仪还将用于测量MU69的光变曲线，进而确定它的自转周期。  相比于欧洲空间局的罗塞塔任务在2014～2016年所环绕探测的67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星，MU69的直径和质量分别要比它大约10倍和数千倍。这意味着，MU69的地貌可能会比67P彗星的具有更丰富的多样性，它曾经可能（甚至现在仍可能）具有活跃的地质活动。 尽管相对于彗星来说个头算大的，但和冥王星比起来MU69仍然很小，只有在飞掠前2天开始它在“新视野”的星载相机中才不是一个光点。因此，对MU69所开展的几乎所有的科学研究以及所有的高分辨率成像都不得不等到2018年和2019年之交。这与条件更为宽容的冥王星飞掠大为不同，后者在“新视野”飞掠前大约10周就开始展现出了越来越多的细节。 近窥柯伊伯带天体 在飞掠MU69的过程中，“新视野”将使用其搭载的全部7台仪器设备对它进行详细的研究。撞击探测器将搜寻环绕MU69的尘埃。等离子体仪器会探测它可能释放出的气体，研究MU69与太阳风之间的相互作用。紫外分光仪将搜寻MU69周围是否存在的气体晕，获得它表面的紫外光谱，用来比较和彗星、小行星和冰质卫星进行比较。同时，“新视野”上的无线电科学设备将试图测量MU69的温度以及它的雷达反射率。 然而，对MU69所开展观测的最大亮点将来自远距离侦察成像仪，它将拍摄可见光高分辨率图像。如果“新视野”能如原定方案飞到距离MU69约3 500千米之内，那么该成像仪能实现每像素高达30米的分辨率，可以制作出高达50多万像素的地图，从而能辨识出房子大小的巨石、陨击坑和其他地貌。此前，“新视野”从未在冥王星及其卫星上达到过这么高的成像分辨率。 远距离侦察成像仪还将搜寻MU69周围直径小到1千米左右的卫星。即便是和冥王星卫星中最小的冥卫五——长、宽、高分别为16千米、8千米和9千米——相比，这个尺寸也要小得多。此外，成像设备还会对MU69进行立体勘测，由此可以制作出数字高程地图，了解它的三维形状、结构和地质。  除了地质之外，“新视野”还将以多种方式来探测MU69的表面特性和成分。这包括了分辨率接近每像素500米的彩色成像以及红外成分勘测，后者可以确定其表面上冰和某些矿物的分布。这些观测将给出一幅涵盖其表面1 000多个地点的成分分布图。成像和分光设备还会从一系列的角度来对MU69的表面特性进行研究，确定其表面“土壤”的微观物理特性，包括反射率和多孔性。如果发现MU69拥有卫星，“新视野”将会试图测量它（们）的颜色和成分，尽管这些观测是否可行还取决于飞掠前后卫星的位置。 在飞掠MU69之后，图像和其他数据会立即开始发送回地球，近距离图像则会从第二天开始回传。由于“新视野”的发射机只有30瓦且它到地球的距离超过65亿千米，因此数据的传输速率很低，将所有数据传回地球需要长达22个月的时间。这预期应该是在2020年夏末或秋初。 这些数据将彻底改变我们对这个古老小天体的认识，同时也把小型柯伊伯带天体从天文观测中的小光点转变成具有丰富细节的研究对象。略为悲观的是，除了成为有史以来第一次飞掠柯伊伯带天体之外，它也可能是几十年间的最后一次，迄今还没有其他已经正式立项的柯伊伯带探测计划。 柯伊伯带天文台 在MU69之后，“新视野”还会对其他天体进行近距离飞掠吗？除非运气极佳，这个目标恰好位于它的行进路线上，否则它已没有足够的燃料来瞄准另一个目标。 但无论是何种情况，“新视野”都将成为一个至少可以运转到2021年的柯伊伯带天文台。在当前的柯伊伯扩展任务结束之后，其远距离侦察成像仪会对许多其他的柯伊伯带天体进行观测研究。 在地球上望远镜无法企及的位置上，它将观测20多个不同大小的柯伊伯带天体。即使是“哈勃”或者它的继任者詹姆斯·韦布空间望远镜也无法胜任这一工作。这些观测可以让天文学家能够首次确定小型柯伊伯带天体的形状，对柯伊伯带天体的近距离卫星进行更高分辨率的搜寻，对这些天体的表面特性开展研究。所有这些结构可以为比较研究MU69和柯伊伯带天体亚种群提供关键背景。 在飞掠MU69之后，“新视野”还将继续用其紫外分光仪及其等离子体和尘埃传感器来探测遥远日球层的特性。这些仪器要比此前飞过这一区域的航天器所携带的灵敏得多。 向前，不断向前 “新视野”及其仪器设备目前运转良好。它有足够的能源和燃料，可以继续工作约20年以上，这使得它能以全新的方式来研究日球层的外边缘乃至它与星际空间的边界。   更令人兴奋的是，一旦不再需要与飞掠探测有关的控制软件，工程师们就可以向“新视野”上传用于观测和星上数据处理的新软件，以此来显著增强它的科学探测能力。如果美国宇航局有朝一日批准了这一计划，“新视野”就可以以任何航天任务、地面或地球轨道上的望远镜都望洋兴叹的方式来对柯伊伯带天体进行巡天。 此外，有天体物理学家也已经提议利用“新视野”来开展一些在地球附近所无法进行的可见光、红外和紫外线天文观测，例如对河外背景光、黄道光、微引力透镜的研究以及对变星的长期监测。 试想一下，在完成了对MU69飞掠探测数据的回传之后，“新视野”可以通过再造脱胎换骨，成为一个强大的天文学、天体物理学和日球层天文台，在21世纪20～30年代穿行于柯伊伯带及更遥远的广袤区域中！ |
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[Astronomy 2018年02月]
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2001-2018火流星工作组制作
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