飛向冥王星的“新視野號”

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2006年1月19日,新視野號探測器在美國肯尼迪宇航中心以有史以來最快的初始速度16.5千米/秒離開地球,運載火箭為大力神V型火箭。新視野號將成為繼“先驅(qū)者”雙子星和“旅行者”雙子星之后第五個離開太陽系的探測器。這一次,人類把目光聚焦到了柯伊伯帶,新視野號將代表人類第一次拜訪柯伊伯帶天體。

遙遠而陌生的天體群

遙遠的海王星軌道之外是什么?從1846年人類發(fā)現(xiàn)海王星起,這個問題一直困擾著人類。我們知道,海王星是一顆通過計算被發(fā)現(xiàn)的行星,在海王星被成功發(fā)現(xiàn)后,人們開始投入尋找第九大行星的熱潮之中。1930年,一位名叫湯博的年輕人發(fā)現(xiàn)了海王星之外的冥王星,然而冥王星實在太小了,完全不符合人們對第九大行星的預(yù)期。20世紀50年代,美籍荷蘭裔天文學(xué)家柯伊伯在冥王星被發(fā)現(xiàn)的20年后,提出冥王星應(yīng)該不是一個孤立的天體,而是一群天體中最亮的一個。直到1992年,人們才在冥王星附近的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了第二顆天體,隨后越來越多的天體在這一帶被發(fā)現(xiàn),柯伊伯的預(yù)言由此被證實。于是,人們將這一片海王星軌道之外的鄰近區(qū)域稱為柯伊伯帶。

◎ 柯伊伯帶天體概念

2005年,冥王星遇到了一個尷尬的同伴,人們當時測得另一顆柯伊伯帶天體——鬩神星比冥王星更重(后測得冥王星還是略大于鬩神星)。2006年,在國際天文聯(lián)合會代表大會上,冥王星被正式降級為矮行星。如今,人們已經(jīng)在柯伊伯帶發(fā)現(xiàn)了4顆矮行星,科學(xué)家們估計柯伊伯帶或許存在著上百萬顆直徑超過100千米的矮行星。

與火星和木星之間的小行星帶充滿巖石不同,柯伊伯帶是一個冰凍的世界,充滿了冰、干冰、固態(tài)甲烷、固態(tài)氨以及一些難以在內(nèi)太陽系(太陽與小行星帶之間的區(qū)域)見到的物質(zhì)成分。柯伊伯帶的天體可以用一個形容彗星的詞來描述——一個個臟雪球。

柯伊伯帶富含那些遠離太陽、冰冷的小天體,研究它們有利于人們了解太陽系早期的一些情況、物質(zhì)塵封的信息等,這些都是內(nèi)太陽系所缺乏的。

冥王星——柯伊伯帶的代言人

作為柯伊伯帶目前體積最大、發(fā)現(xiàn)歷史最悠久的天體,冥王星成為柯伊伯帶當之無愧的代言人。冥王星雖然是柯伊伯帶最大的天體,但放眼整個宇宙,其實它還是很小的,其質(zhì)量只有月球的六分之一,體積則是月球的三分之一。

冥王星個頭兒雖小,揮發(fā)性卻很強。因它圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道黃道傾角高達17度,軌道有很高的離心率,所以它會離太陽時近時遠,表面溫度、揮發(fā)物以及大氣等就很容易受到影響。人們斷定冥王星上存在大量的揮發(fā)物,并且由于自身引力小,揮發(fā)物會逃逸到太空中。地球的大氣被認為曾經(jīng)歷過大量的揮發(fā),最終演化成地球生命的保護傘。在地球之外,冥王星是人類發(fā)現(xiàn)的唯一一個具有揮發(fā)性的天體,所以研究冥王星的高揮發(fā)性有助于人類了解早期的地球。

雖然科學(xué)家知道冥王星以及柯伊伯帶中蘊藏著很多宇宙奧秘,但因為這些天體距離地球太遙遠了,體積又太小,從地球上很難觀測它們的細節(jié)。這時候,人類就需要派遣一位使者前去探秘,這位遠征的使者就是新視野號探測器。

探索柯伊伯帶的秘密武器

新視野號探測器長2.7米,寬2.1米,高0.7米,重478千克,在衛(wèi)星和探測器中屬于個頭兒偏小的,畢竟它要跑很遠,小巧的身材比較輕便。值得一提的是,新視野號攜帶了約28克冥王星發(fā)現(xiàn)者湯博的骨灰進入太空。

新視野號要進行太空遠征,高科技裝備當然少不了。我們首先來看看它的通信裝備——拋物面天線。拋物面天線就是新視野號頭頂?shù)哪强诖箦?它是一種高增益天線,直徑有2.1米。此外,科學(xué)家還在地面設(shè)置了三個70米直徑的拋物面天線用于收發(fā)信息。星-地之間的通信速率一直很低,在木星時是38千字節(jié)/秒,在冥王星時是1千字節(jié)/秒,這個速度要傳回一張高清照片需要很長的時間。

新視野號這趟旅程最重要的任務(wù)當然是找到冥王星,然后探測它。但如何找到冥王星又不迷路呢?這就要說到探測器上的一個測量恒星的裝置了——星敏感器。這個測星的裝置裝載約3 000顆恒星的天經(jīng)坐標,可以通過測量恒星的相對位置來幫助新視野號確定自身的位置。此外,新視野號還有16個推進器,用于姿態(tài)調(diào)整和控制,可以實時調(diào)整自己的方向,校準軌道、校準天線對地球的朝向以及避開大的障礙物等。

新視野號最上面類似水輪的東西就是探測器的能量來源——RTG熱核電池裝置。這個核電池裝載了11千克钚238,它是靠放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能來發(fā)電的。為了確保安全,這些燃料被分置在18個艙室里。在2015年新視野號近距離飛掠冥王星時,熱核電池裝置能提供30伏、200瓦左右的電能,而其最初功率,即最大功率為240瓦。

2007年2月,新視野號抵近木星,借助木星的引力加速,探測器的速度從10千米/秒提升到14千米/秒。在飛離木星后,新視野號開啟了休眠模式,只保留了主要的如測星等功能正常開啟。這樣做不僅能延長探測器的壽命,還可以降低地面深空探測網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)。2015年初,新視野號在逐漸靠近冥王星的過程中也在不斷觀測冥王星,以確定最終的飛掠路徑。2015年7月14日,新視野號以13千米/秒的速度成功飛掠冥王星,最近距離達到12 500千米!這次飛掠使新視野號一舉成名,由新視野號發(fā)回的冥王星高清照片瞬間傳遍世界,科學(xué)家們興奮不已,因為新視野號真的不負眾望,為人類研究太陽系打開了新的視野!

◎新視野號探測器結(jié)構(gòu)示意

新視野號探測器打開的“新視野”

新視野號探測發(fā)現(xiàn),冥王星的直徑約為2 370千米,遠大于之前的預(yù)估值,這意味著它的密度小于預(yù)期,大氣也要比預(yù)期的稀薄,而且冥王星其實非常寒冷,比如它的北極存在極冠,其主要成分是氮冰和甲烷冰。要知道,甲烷從液態(tài)結(jié)成冰,溫度需要降到零下183攝氏度,而氮氣在零下196攝氏度才能成為液氮,從液氮固結(jié)成冰則須達到零下218.9攝氏度,所以冥王星極冠上分布的氮冰和甲烷冰,足以說明那里冷到了何種程度。不僅如此,冥王星的心形區(qū)域(湯博區(qū))也被證實存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰。在冥王星赤道附近區(qū)域,新視野號還發(fā)現(xiàn)了一條高達3 500米的年輕山脈矗立在冰原之上。科學(xué)家猜測該區(qū)域的冰山很可能是由水冰作為“基巖”筑成的,因為水冰比甲烷冰和氮冰更加堅硬,在冥王星如此低溫狀態(tài)下,水冰的性質(zhì)就像巖石一樣。

◎冥王星結(jié)構(gòu)示意

以往從地球附近觀測冥王星,我們只能觀測到高出冥王星表面約50千米,最高到約270千米的大氣層,而此次新視野號觀測到了從冥王星表面到1 600千米高處的大氣分布,幫助科學(xué)家建立了完整的大氣剖面圖。很多人戲稱“九年的日夜兼程,只為了看你一眼”,新視野號代表人類看向冥王星的這一眼,真的值回了七億美元的票價!未來,隨著研究的不斷深入,還會有更多關(guān)于冥王星的消息涌現(xiàn)。

◎新視野號被安裝在大力神V-551型火箭上等待升空

離開冥王星后,新視野號開足馬力,在柯伊伯帶進行了更深入的探測,并且對一些偶遇天體進行了抵近工作。預(yù)計2019年1月1日,新視野號將抵達它的下一個目標,這是一個待命名的小行星系統(tǒng),臨時編號為2014MU69,這一次新視野號還將為我們帶來什么樣的驚喜呢?就讓我們拭目以待吧。