冥王星之旅

沉落湖心

科学家们最终决定要向冥王星和库珀带(Kuiper Belt)发射探测飞船，那是太阳系中唯一还没有被人类勘查过的地方。而那里可能蕴藏着有关外太阳系形成的极其重要的线索。探测冥王星和库珀带就相当于对外太阳系的历史进行一次考古发掘，研究人员可望从中获得极有价值的发现。

　　从冥王星发现到大约10年前，大多数天文学家都还仅仅把它当作一个性质怪异的星体。太阳系中除冥王星之外，其他行星都能很好地符合天文学家们对太阳系结构的规律性认识——4颗主要由岩石构成的较小的行星在里边的轨道上；4颗大型气态行星则在外侧轨道上运行。

　　而离太阳最远的冥王星却一直是个谜，它由冰构成，运行在海王星外侧的一个特殊轨道上。美籍荷兰天文学家杰勒德·库珀(Gerard Kuiper)在上世纪50年代提出，冥王星可能并不是一颗独立的行星，而是在同一区域内运行的大量星体集合中最亮的一颗。这个星体集合后来被称为库珀带(Kuiper Belt)。

　　但对库珀带的寻找工作一直没有取得什么进展。直到1992年，天文学家在夏威夷的冒纳凯阿火山天文台发现了第一个库珀带天体(KBO)，它的大小只有冥王星的1／10左右，亮度仅为冥王星的万分之一。从那以后，天文学家们已经发现了600多个库珀带天体，直径从50公里到1200公里不等(冥王星的直径约为2400公里)。

　　而这些发现可以说仅仅是冰山一角。根据目前已经观测过的一小部分天空区域，研究人员估计库珀带大约包含10万个直径大于100公里的天体，同时还保留有更多从太阳系产生时遗留下来的古老的冰和有机质成分。

　　现在科学家们已经清楚冥王星并不是一颗异常的行星。事实上是在离太阳50亿到至少80亿公里范围内有一大群较小的天体，冥王星处在它们中间。这一遥远的区域可能保留有太阳系形成早期的重要线索，然而它们与地球的遥远距离限制了观测的质量，即便是灵敏的哈勃太空望远镜也只能显示出冥王星表面上或亮或暗的区域。而且尽管“先行者”号、“旅行者”号和“伽利略”号探测器曾经传回过木星、土星、天王星和海王星的清晰的近距离画面，但到目前为止还没有空间探测器到达过冥王星、冥王星卫星或库珀带。

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　　天文学家对冥王星及其卫星以及库珀带表现出了浓厚的兴趣。他们使用计算机建模技术模拟了50亿年前从气体和尘埃涡旋盘中聚合生成行星系统时库珀带天体的形成过程，发现远古时库珀带的质量大约是现在的100倍，也就是说，当初的冥王星外围曾经有过体积庞大的固态物质，这些物质足以形成与天王星或海王星大小相近的行星。那么究竟是什么因素使得它们最终分崩离析了呢?

　　与此同时这项模拟还表明，如果没有外界的扰动，与海王星类似的大行星将会在非常短的时间内从库珀带天体中自然增大。很明显，在冥王星形成时库珀带受到了某种扰动，但科学家们还没有确定这种扰动的原因。而不管什么原因，库珀带失去了它的大部分质量，在该区域内星体的生成也突然被阻止了。

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另外值得注意的是，冥王星的卫星大得让人吃惊，其直径约有1200公里，大约是冥王星的一半。由于二者体积上如此接近，有科学家提出，冥王星和冥卫一会不会是一对双星呢?在太阳系中还没有类似的情况，大多数卫星的直径只是其行星的百分之几。但由于天文学家在最近几年中已经发现了许多成对的小行星，可以确信像冥王星及其卫星一样的双星体在太阳系中是很普遍的，其他星系中很可能也是如此。但人类的探测器还从来没有造访过这样的双星体。

　　研究人员还想了解为什么冥王星和它的卫星在外观上差异如此之大。从地球和哈勃太空望远镜上进行的观测都表明冥王星表面的反射率很高，而且上面有扩张性极地冰冠存在的迹象。与此相比，冥卫一的表面反射率就要低得多，上面的痕迹也不明显。冥王星有大气层，冥卫一则没有。这些明显的差异是由于它们演化过程不同，或是由于它们不同的体积和成分，还是最初形成的过程不同?这些目前还无从知晓。

　　此外还有更让人感兴趣的事情，冥王星的密度、体积和表面成分都与海王星探测最大的卫星海卫一(Triton)十分相似。先前的“旅行者”2号对海王星探测时发现海卫一上有剧烈的火山活动。冥王星是否也会有火山活动呢?现有的天文学理论认为应该没有，但当初科学家们不是也没有预料到海卫一的表面会有火山活动吗?这些现象提示，人类的天文学理论知识还相当有限，通过探测冥王星和库珀带天体，科学家们希望能够对这类天体有更深入的了解。

　　冥王星另外一个吸引人的地方是它奇怪的大气层。冥王星的大气层密度只有地球大气的3万分之一，主要由氮气、一氧化碳和甲烷组成。冥王星在1989年到达它的近日点，随着它逐渐远离，多数天文学家认为其表面平均温度将会降低，其大气层中的大多数成分将会凝结，像雪一样降落下来。冥王星可能是太阳系中季节变化最为明显的行星。

　　除此之外，冥王星大气的逃逸率与彗星十分相似。上层大气的多数气体分子都具有足够逃脱冥王星引力的能量。这种速度极快的气体散失称为流体逃逸(hydrodynamic escape)。在其他天体上，科学家们目前还没有发现类似的现象，而现有的理论认为，地球表面之所以能形成如今这种适合人类居住的地理和气候环境，其中一个因素是“流逸”使得地球表面大量的氢元素释放。冥王星现在是太阳系中唯一可供科学家们研究这一现象的行星。

　　还有，最近对库珀带天体的研究表明它们有可能储存大量的冰和有机物。人们一般认为这些物质在数十亿年前飘散到了内太阳系的几颗行星上，从而使年轻的地球开始了初等生命体的演化。

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　　由于认识到了太阳系中这一区域的重要价值，在过去lO多年中，科学家们一直要求NASA将冥王星列入其行星探测计划。90年代末，NASA确定了一个名为冥王星—库珀快车(PlutoKuiper Express)的方案，准备在加州帕萨迪纳的喷气推进实验室建造。但这项计划的预算迅速地接近了8亿美元，超出了NASA希望投资的数额。2000年秋天，航天局放弃了这项计划。

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但是在科学家、空间探测的拥护者以及许多在校学生的纷纷要求下，NASA经过权衡，对探测方案提出了新的要求，即在2020年以前完成指定的科学测量目标，同时预算不能超过5亿美元，如果没有方案能够达到这个要求，它将放弃这方面的计划。

     2001年11月，经过一番严格的筛选，NASA最终选择了名为“新视野”(New Horizons)的计划来进行冥王星和库珀带的探测研究。该计划由位于得克萨斯州的西南研究院和约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室共同领导。来自十余所大学、研究所和NASA研究中心的科学家们在一起深入地研究这项探测计划。

　　“新视野”计划率先使用较为经济的方式来建造和运行外太阳系探测飞船，总成本是4.88亿美元，飞船可望在2015年夏天到达冥王星。而且，“新视野”飞船上将会搭载更多的仪器，它能够向地球返回10倍于被取消的冥王星—库珀快车计划的观测数据，同时更为经济。

　　不过由于财政预算的原因，“新视野”飞船是否真能发射也还没有确定。如果一切顺利，那么“新视野”飞船将不仅仅担负首次冥王星探测的任务，在飞向冥王星的途中，飞船还将飞临木星及其卫星，对它们进行研究，在飞过冥王星及其卫星之后，探测器还将继续对若干个库珀带天体进行近距离观测。

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　　NASA对冥王星和库珀带的探测提出了三点基本要求。首先飞船必须对冥王星及其卫星的表面进行平均分辨率为1公里的测绘(相比之下，哈勃太空望远镜对冥王星及卫星拍照时的分辨率最高只能到500公里左右)。其次，探测器必须对这两个星球上各种不同地质区域的表面组成进行拍照。再次，飞船必须确定冥王星大气的组成、结构以及逃逸率。另外NASA还给出了几项次要的任务，包括测量其表面温度、搜索冥王星的其他卫星或光环等。航天局还要求飞船除冥王星之外至少对一个库珀带天体完成相同的观测。

　　目前，科学家们正在加紧“新视野”飞船的研制工作，飞船预计质量只有416公斤，将携带至少4套观测设备——一台地表分析光谱仪(可以利用红外线遥感技术探测冥王星和冥卫一的地表情况)，一台无线电探测装置(用以探测冥王星和冥卫一表面的大气组成和温度变化)，一台带电粒子探测仪(用以探测冥王星和冥卫一表面逸出的粒子以及它们的运行情况)，一台分辨率达50公里的摄像机(用以对经过光谱仪筛选的地域进行更高分辨率的地形图绘制工作)。

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　如果一切都按计划进行，飞船将会在2006年1月发射，它先是向木星的方向飞行，然后借助木星的引力作用“弹射”向冥王星。在飞临木星时，“新视野”飞船将会对木星和它的20多颗卫星进行为期4个月的集中研究，此后，探测器便将一直飞向冥王星，并于2015年的某一天抵达那里。在从木星飞向冥王星的这段时间里，“新视野”号探测器上的绝大部分仪器将处于“休眠”状态，以减少能量消耗和仪器故障的发生。当然，地球上的控制人员将无时无刻不密切关注“新视野”的运行情况。为了保险起见，地面控制人员将每年“唤醒”一次“新视野”，并利用50天左右的时间对它上边的所有装置进行一次检查和校准工作。

　　当飞船距离冥王星约1亿公里远，也就是离最近处还有约75天时，各种探测设备就要开始工作了。它所拍摄的冥王星图像质量将会超过哈勃太空望远镜，随着距离的接近，效果还会越来越好。在距离冥王星最近的那天里，“新视野”飞船距离冥王星只有几千公里，地表分析光谱仪可以获得冥王星及其卫星向阳面的最佳图像。与此同时高分辨成像仪将会聚焦到星体表面上较小的区域，生成更高分辨率的画面。

　　当探测器飞过冥王星到达它的阴面时，探测器将借助于冥卫一反射过来的光线继续对冥王星阴面的地表情况进行探测。此外，地球上的控制人员将开始向冥王星发射无线电波。那些穿过冥王星大气层的无线电波被探测器上的巨型天线接收后，探测器上的仪器就会根据无线电波的折射情况推算出冥王星大气层的温度和密度。当探测器最终飞越冥王星系后，它还要利用5年时间对冥王星系附近的柯伊伯带进行一系列类似的探测。对柯伊伯带的探测数目将由当时的动力储备情况决定。

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　　如果飞船不能于2006年如期发射的话，就会丧失一次宝贵的探测机会。因为行星排列位置的变动，过了2006年之后飞船就不能再借助木星的力量飞向冥王星。这样NASA将不得不等到2018年木星再次运行到合适的位置时进行发射，这样最早在2025年左右探测器才能到达冥王星。

　　到那时冥王星与太阳的距离将会比今天多出数亿公里，其表面将显著变冷。由于冥王星轴线的极度倾斜以及绕太阳公转的影响，飞船必须在黑暗的冥王星黑影中飞掠400多万公里的地面，其中大部分处在冥王星的南半球，在这个过程中是不能进行观测的。而且那时很可能冥王星的整个大气层都已经凝结，这样也就丧失了对大气进行研究的机会，而要再次等到这种机会，只能等到23世纪冥王星再次向近日点运行时才行。

蝎子

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原帖由 蝎子 于 2005-9-4 13:32 发表
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原帖由 蝎子 于 2005-9-4 13:32 发表
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