新地平线：拓荒太阳系边疆
编译：
Alex
图一 地面上口径最大的Keck望远镜拍摄的冥王星
冥王星，正如其名所示，是一个阴冷，黑暗，充满着未知的神秘世界。它平均离太阳有39.5天文单位，也就是地球距太阳平均距离的39.5倍；可以想象，在冥王星上，太阳看起来比在地球上小得多，暗得多，所以它也就冷的出奇——表面的平均温度是摄氏零下233度，比绝对零度才高出40度。而更令人惊讶的是，这个地狱般的世界虽然如此的遥远，阴冷，却像地球一样，有非常明显的季节变化；1988年，冥王星遮掩住了一颗明亮的恒星，天文学家们巧妙地抓住这个难得的机会，发现冥王星也有一个大气层，地表大气压仅有地球上的十万分之一；尽管如此，我们仍能预期观察到天气变化，风，雾，化学变化甚至电离层。冥王星太小了，直径仅有两千四百多公里，比月亮还小三分之一，所以它产生的引力也很弱，根本“抓”不住它的外层大气，以至于这些气体极快向外层空间逃逸出去，就好像一颗典型的彗星一样。不过，冥王星绕转太阳旋转的轨道是一个非常之扁的椭圆，上述情况仅仅是冥王星离太阳很近的时候，大约30个天文单位（这期间，冥王星甚至有一段时间竟在海王星的轨道之内）；而再过一段时间，随着冥王星离太阳越来越远，它的大气就会结冻起来，凝成氮霜落到表面，而再过约半个冥王星年（一个冥王星年约为248个地球年）左右，冥王星就到了远日点，其时距太阳足有50个天文单位！
图二： 哈勃太空望远镜拍摄的冥王星与卡戎
冥王星还有一颗卫星，叫做卡戎；在罗马神话中卡戎就是冥河的摆渡船夫。卡戎直径大约是冥王星的一半，与其说它是冥王星的儿女，不如说它是冥王星的兄弟——天文学家把它们称作一对双行星，在整个太阳系中恐怕仅有地球和月亮能与之类比——这两个兄弟亲密无间，冥王星脆弱的大气很可能就有一部分溢出到卡戎附近的轨道上。然而奇怪的是，这兄弟俩个性迥然不同：虽然总体来说，它们密度大约是水的两倍，主要有三分之二的岩石和三分之一的水冰构成；但是冥王星地表大部分被强挥发性的氮霜覆盖着，也不乏甲烷和一氧化碳雪层的痕迹，而卡戎却裹在杂质水冰之中。两兄弟为何长相如此不同，这至今还是个谜。
图三：哈勃拍摄的冥王星照片
看起来，冥王星和它旅伴卡戎独自游弋在太阳系的边缘，与主要由岩石构成的水星，金星，地球，火星等内行星，或木星，土星，海王星，天王星等气体大行星在物理特性有着天壤之别，可称得上是太阳系中的异类。其实，天文学家们现在发现，冥王星和卡戎比不孤单，它们很可能还属于一个大家庭，叫柯伊伯带天体。
上个世纪四五十年代，天文学家埃奇沃斯和柯伊伯指出，太阳系中的质量分布似乎有些怪异：在靠近太阳的中心部分质量很高，而远至天王星和海王星后，质量却逐渐减小了；于是他们根据太阳系的演化理论提出，在天王星和海王星轨道外面很可能存在着很多相对较小的天体。另外，在冥王星外约1000倍日冥距离远处有一个“彗星仓库”，叫做奥尔特云；长周期彗星，大多来自奥尔特云，还有一些长周期彗星在木星引力的作用下改变了轨道，变成了短周期彗星，但是还有为数众多的短周期彗星不能用木星的引力作用来解释，那么它们来自何方呢？一些天文学家认为还有一个更近的“彗星仓库”，储藏着未来的短周期彗星，这也就是柯伊伯带。
天文学家们经过辛勤的努力，再加上新的观测技术的协助，终于在1992年发现了第一个柯伊伯带天体，而随后十年中，又有六百多个柯伊伯带天体被接连发现。这些天体直径小得也有五十公里，大的竟有一千两百多公里——和卡戎差不多大小！虽然探测如此暗弱的天体非常困难，但是天文学家们还是初步确认了它们上面存在甲烷，和类似甲烷的低分子量的碳氢化合物和水冰。可是，这些仅仅是冰山的一角！有人估计存在于距太阳约五十亿公里到至少八十亿公里远的柯伊伯带中，可能有十万多颗大过一百公里的天体；这非常类似于火星和木星之间的那个小行星带，但是柯伊伯带拥有的天体数目更多，质量更大，物理化学组成也大不相同。可见，冥王星和卡戎似乎并非是异类，而是属于太阳系中“第三世界”——柯伊伯带中较大、较亮的成员冰矮星。更重要的是，研究表明，柯伊伯带也许是太阳系形成初期的遗迹，是研究太阳系起源的“活化石”；不仅是冥王星-卡戎系统，就是天王星和海王星的形成也与其密切相关；而且原始地球上有机物和水也有可能有许多来自变轨的、进入内太阳系的柯伊伯带天体，也就是说地球上原初生命的诞生也许也和柯伊伯带有关。还有，在最近的日外行星研究中，发现也有其他的恒星被类似的冰质碎片带环绕着，也就是说柯伊伯带非常可能是行星系统的共同拥有的特征。
所以说，冥王星-卡戎以及柯伊伯带对于行星科学，对于我们揭开太阳系和其他行星系统的起源和演化、乃至生命起源之谜来说有着异乎寻常的重要意义，所以天文学家们将他们探索的热情倾注于这阴冷的世界。但是它们太遥远了，光都至少需要四个多小时才能传播到一个典型的柯伊伯带天体；即使在威力强大的哈勃太空望远镜或者是采取了自适应光学系统的最大的地基望远镜中，冥王星-卡戎以及柯伊伯带天体都是模糊不清的，难以辨明细节的——虽然天文学家们竭尽各种巧妙的方法来试图更多地揭开它们的神秘面纱，可是在这个领域的研究里还是有太多太多的问号和空白。
回顾人类探索太阳系的历史，最为激动人心的莫过于飞出我们的地球，进入广袤的太空开拓一片新天地。我们的太空飞船、行星探测器和空间天文台不仅传回了我们家园——地球的美妙绝伦的影像，还带给我们一幅幅震撼人心的“异域风光”——我们体验了交织冰冷和酷热的水星和月球，目睹了它们饱受摧残的累累伤疤；我们穿透了金星浓厚的面纱，窥见到维纳斯绮丽的地景；我们飞上火红的战神之星，追寻生命的踪影，揣测“曾经沧海”后的蜿蜒曲折的干涸河床；我们越过木星，土星，天王星，海王星，或追踪多彩气壳上飞腾的风暴，或欣赏道道绚丽多彩的光环，或惊诧于卫星上剧烈的火山喷发还有冰层下或许孕育勃勃生机的潜在海洋；。。。人类就是这样不断拓宽自己的视野，同时大自然也从不吝啬将它瑰丽的珍宝展现在我们面前。从上个世纪六十年代开始到现在，短短数十年时间里，我们的航天器已经几乎飞遍太阳系的各大行星，还有一些小行星、彗星、卫星，获取了宝贵的资料,大大地拓宽了我们的视野，给我们绘制了一幅生动多彩的太阳系全景图；不仅如此，对于太阳系和生命起源等重大基本问题我们也找到了些许线索。但是惟独遥远的冥王星-卡戎，和广阔的柯伊伯带，还从未有航天器造访，是一片几乎未经开垦的处女地。
图四：利用掩食制作的冥王星的地图
早在上世纪八十年代末，科学家们就开始酝酿飞往冥王星的行星探测器；而到了九十年代初，当柯伊伯带天体开始被接连发现之后，科学家们就愈加认识到向冥王星-柯伊伯带发射探测器的重要性，加紧了研究和可行性调查工作。在上世纪九十年代末，美国航空航天局制定了一个中等规模的计划，叫做冥王星-柯伊伯快车，交付给喷气推进实验室研究实施。一般来说，发射到一个较近距离的行星的探测器，包括设计、制造、发射、飞行控制操作、数据处理等等大约要花费十亿美元左右，而美国航空航天局由于预算吃紧，规定其花费不能超出五亿美元；可是喷气推进实验室发现预期开支很快就超过了八亿美元。于是，在2000年的秋季，航天局取消了冥王星-柯伊伯快车计划。
而冥王星的探测也有它的特殊性，就像前面所说的那样，冥王星正逐渐地远离太阳，吸收的热量越来越少，不到二三十年，整个大气就将“冻住”，沉降到表面，这对研究它非常不利；再加上冥王星年很长，到下次大气解冻，那就将是二十三世纪！另外，就像我们的地球一样，冥王星和卡戎上也有极夜，我们到达的越晚，永久的黑夜也就越广泛地覆盖我们要探测的区域，会大大妨碍航天器的拍摄和探测。还有，如果在2006年一月发射，航天器还可以在经过木星的时候，赶上一次加速，大大加速航程。所以说这是百年难得的良机，决不能延迟！
美国航空航天局取消了冥王星-柯伊伯快车计划，可是科学家们不会轻易让这个伟大的计划坐以待毙。卡尔·萨根创始的行星协会领导起了一场轰轰烈烈的挽救冥王星计划的运动。科学家们，热衷于太空探索的人们，学生通过传媒，网络，散发万张明信片，书信等各种形式让大众及国会议员们了解探索冥王星和柯伊伯带的重要意义，敦促美国国会提出议案要求航天局重新做出考虑。果然，人们的努力没有白白浪费，美国航空航天局终于表态，但是并没有说直接恢复原计划，而是拐了个弯，要求在大学，实验室等研究机构以及航空公司之间竞标，看谁的计划能够用最少的支出完成冥王星-柯伊伯之旅；而且也同时指明，如果没有一个机构提出的计划既能在2020年前飞抵冥王星完成科学探测，而且经费不超过五亿美元，则航天局就不对彻底取消冥王星计划担负任何责任。
公开地由航天局之外的研究小组参与太空计划的竞标，这在美国航空航天局历史上还是首开先河的创举。去年11月，在经过严格的筛选之后，由西南研究所、约翰霍普金斯大学应用物理实验室的艾仑·斯特恩领导的，来自二十多个大学，研究机构，美国航空航天局中心的研究人员组成的小组中标。他们的计划名字叫新地平线（New Horizon）：拓荒边疆。新地平线的整个费用预计是四亿八千八百万美元，包括超过八千万的预算性储备，预计在2015年夏天前到达冥王星，满足了航天局苛刻的要求；而且新地平线还将携带更多的仪器，发回比原来的快车计划多十倍的观测数据。
新地平线飞船计划于2006年发射，约一年后飞临木星，在飞越木星期间，新地平线将进行对其卫星系统和它的极光、大气、磁层的集中研究。然后借助木星引力，被加速到每小时七万公里，直飞冥王星。在这漫长的过程里，新地平线将进入暂时的休眠状态，关闭不必要的仪器等，来降低仪器损坏的可能性且大大减少开销；而且它也时不时的向地球发回一些信号，并在一年中被唤醒五十天，以供地面控制人员将检查飞船状况，让其为飞临冥王星做最后的准备；观测人员也将加紧寻找候选柯伊伯带天体，以供飞船飞过冥王星和卡戎后驾临。
在抵达冥王星一年以前，新地平线将睁开它锐利的“眼睛”，开始对冥王星-卡戎进行测量。刚开始，冥王星和卡戎将会是不能分辨的亮点；但是随着飞船的逐渐靠近，就能看到越来越多的细节。当飞船距两星还有十六万公里时，照相机就可以开始绘制第一批地图。以后的三个月里，它将不断地拍摄照片，进行光谱测量。如果到时冥王星大气果真如预期一样冻结，届时就能够观测到季节的变化。冥王星和卡戎的自转周期都是六个地球日，在与冥王星相遇（飞船与冥王星达到最近距离）的两个冥王星日之前，每隔半个冥王星日，科学家将完成一批地图的编绘和光谱测量，用于比较一个冥王星日中冥王星的地表变化——比例尺大概是48千米。
然后就到了最为忙碌的时段了——在和冥王星相遇的半天前和半天后，飞船将探测冥王星大气层发出的紫外线辐射，并分别在绿、蓝、红和对甲烷霜敏感的特殊波段绘制清晰的地图。它还将绘制近红外光谱图，来给我们揭示冥王星和卡戎的地表组成，以及各个组分的分布和温度。飞船与冥王星相遇时将距离冥王星约9600公里，卡戎两万七千公里；在这最近的半小时之内，飞船将拍摄最为清晰的冥王星和卡戎“特写”，最清晰时能分辨冥王星上达六十米的地貌！
即使当飞船飞离冥王星-卡戎后，工作还有很多有待完成；回视冥王星和卡戎最为阴暗的部分，是观察冥王星大气中的雾，寻找环以及辨认冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。同时它也将回视太阳和地球的无线电波发射器，测量当太阳和地球落入两星的大气层中时的所接受到的日光和电波的变化情况。而后，飞船将重新定位，飞向某几个柯伊伯带天体，根据当时的具体情况，决定目标的多寡；而探测过程也类似冥王星，绘制的地图，从红外摄谱仪和四种波段的图中研究其构成，并研究是否有大气等等。
然而，不幸又发生了；刚刚诞生的新计划似乎又要被扼杀于襁褓之中。二月份，布什政府的2003财年预算中取消了拨给新地平线计划的一亿两千二百万美元的拨款。理由也许是财政上的，但是新地平线已经经过了苛刻的审核，被认为是满足要求、最为经济的方案；理由也许是航天局或许发展新的、更快的核动力飞船，可以显然这还有待时日，而且未成熟的新技术的研制，并不应该构成对已经可行、高效的计划的否定；况且，冥王星计划的研制不能拖延，不能错过这个天赐良机——否则冥王星即将解冻，两个世纪后才能重新形成可观测的大气；否则冥王星的大块区域将陷入永久的黑暗，在一个世纪之后才重见天日！
在美国行星协会写给美国国会的声明中指出，1433年，当郑和的航队即将探险那未知的大西洋，明英宗朱祁镇却将他们召回了——从而中国也就失去了在哥伦布数十年前发现美洲新大陆的机会；而今天，在二十一世纪，我们是否又要由于目光短浅而失去另一次探索新疆界的良机吗？
布什政府的这个决定引起了科学界广泛的反对；在最近，有消息称，美国国会将通过决议，支持新地平线计划，要求政府继续提供资金资助——坎坷的冥王星之旅似乎又重获生机。
探索未知之谜的旅行没有尽头，挑战科学极限的攀登不应止步，人类进步的圣火也就永不熄灭，祝福新地平线吧！
相关网址：
http://pluto.jhuapl.edu/
http://dosxx.colorado.edu/Pluto
http://www.boulder.swri.edu/pkb
柯伊伯带：
http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/jewitt/kb.html
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