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2015-7-25

新视野号的冥王星初探

归档于: 天文空间科学, 行星科学 @ 5:38 pm

In every generation, there grows a special breed
Who seeks out new horizons, to fulfill an ancient need
To climb atop the highest hills, to see what lies afar…

—— The Pioneers of Mars, by Lloyd Landa and Karen Linsley

从10年前听到新视野号大名的那天起,想到这架探测器,回荡在耳边的就是The Pioneers of Mars的旋律。这首由加拿大音乐人Lloyd Landa与Karen Linsley填词作曲并演唱的歌曲曾被火星协会选为火星登陆任务的颂歌,多年前更被用于机遇号火星车的唤醒。虽说新视野号前往考察的是位于海王星轨道之外的柯伊伯带而非邻近的火星,但蕴涵在整个任务中的开拓精神却是与歌词不谋而合。

火星环球勘测者号探测器拍摄的火星(左,图片提供:NASA/JPL/Malin Space Science Systems)与新视野号在2015年7月13日飞掠前一天拍摄的冥王星(右,图片提供:NASA/JHU-APL/SwRI),二者都是准真彩色的图像,换句话说,如果有人类搭乘在探测器上,他们眼见的相应星球就应该是图中的模样。

不过从某种意义上说,用这首歌献给新视野号也未尝不可。这一来是因为火星与探测器的首要目标——冥王星有着明显的共性:颜色。火星是众人熟知的红色星球,而很久之前研究者也已经知道冥王星呈红褐色了。在接近冥王星期间,新视野号沿途的观测进一步证实了这一点。实际上新视野号拍摄的高清照片真还与人们对冥王星的最初印象差异甚远,不加注明的话怕是能骗过不少人的。

二来在新视野号飞掠冥王星的50年之前,也就是1965年7月14日,掠过火星并向人类传回第一批异星影像的水手4号开创了太阳系空间探测史的新纪元——虽然1962年底与金星擦肩而过的水手2号是第一架成功的行星际探测器,但是它并没有携带用于拍照的设备;而无论对于科学界还是公众,影像的力量都是无从替代的。整整跨越半个世纪的太阳系天体第一期近距离勘察以飞掠红色火星开始,以飞掠红色冥王星终了,也算是完成了一个循环。

火星(同时也是所有非地球行星)最早的近距离影像,实际上这是当年喷气推进实验室的员工迫不及待地根据印有水手4号数据的纸带人工上色的结果。至于最早的官方影像,还请参见前文。(图片提供:NASA/JPL-Caltech/Dan Goods)

当然你可以辩称,9年之前冥王星就已经被国际天文学联合会(IAU)从行星的行列中除名,因此这次勘察早在1989年旅行者2号遭遇海王星的时候就已经完成了。但是请不要忘记,包括新视野号首席研究员Alan Stern在内的众多行星科学家至今仍不赞同IAU的最新行星定义,当年Stern也正是联名数百位学者向IAU请愿,要求重新考虑行星定义的首要号召者之一。也请不要忘记,这份行星以及矮行星的新定义也还称不上完善,实在是有很大的改进必要。更不得不提的是在新视野号上路之时,冥王星仍旧是堂堂正正的第九大行星;如今它所处的区域也还属于太阳系中无人涉足过的第三区。在NEAR-舒梅克号、隼鸟号黎明号深度撞击号星尘号罗塞塔号等等一系列的小天体探测器陆续填补小行星和彗星空白的背景下,再考虑柯伊伯带对太阳系演化史研究的非凡意义,完整的太阳系勘察根本没有理由去忽略最辽阔的外围。

(关于行星定义,着实是有必要在此多扯几句。当年有学者认为行星定义中的“满足流体静力学平衡,外观呈球形”让普通人难以理解,不利于普及,很是不妥,不过本人以为这一点在严谨性上倒并不存在什么问题。就个人观点,主要还是在跟“清空轨道上的其他天体”过不去。何为清空?如果说行星轨道周边不应该存在大量的小天体,那么对不起,木星、天王星和海王星这3颗巨行星首先就不满足要求,毕竟它们在L4、L5两个拉格朗日点上都拥有大量特洛伊小行星;如果说不能出现轨道类似的大型天体,这里需要指出的就是柯伊伯带范围辽阔,已知几个大型成员的轨道彼此也相距甚远,而且考虑当前的观测能力外加理论预言的柯伊伯带天体尺度分布特征,怕是它们之间的区域也不会存在太多的同级别天体了。所以这个“清空”的要求其实很值得商榷。要说现在的定义有所更新,用“轨道交叉”来代替“清空”,那么近地小天体跟地球,还有海王星跟海外天体的关系也就不好交代了。因此更进一步的个人观点是,冥王星虽然不同于其他八大行星,应该与柯伊伯带天体另归一类,但既然暂时无法提出严格且无争议的行星定义,还是姑且沿袭九大行星的习惯好了,把阋神星鸟神星之类的柯伊伯带大块头当成第十大十一大行星也未尝不可。何况在天文领域,类似这种严谨性稍欠的历史遗留问题并不罕见,对行星定义特殊对待似乎有些小题大作/多重标准嘛。就不提2006年现场参与行星定义投票表决的人员数量很有限,怕是不足以代表整个天文学界了,嗯嗯。)

新视野号在飞掠冥王星期间的转向模拟。

于是9年半的时间,将近50亿千米的征程,一切都只为今年7月14日的近距离飞掠作准备,又一次的“Dream all your life of a moment of glory”。由于新视野号最终会进入更遥远的深空,并不会环绕冥王星系统运行,为了充分利用时间采集尽可能多的数据,高分辨率观测按计划要从7月4日一直持续到20日,期间探测器本体要进行一系列令人惊心动魄又眼花缭乱的转向机动,让更多的仪器对准目标。不过7月初新视野号经历了一次因指令的时间序列冲突而导致的异常,并由此进入了安全模式,白白浪费了4日到7日这几天的观测时间,着实让不少人捏了一把汗。所幸这次故障最终还是有惊无险,数据量的损失也并不太大。

与此同时,配合新视野号的飞掠,诸多空间探测器以及大小望远镜也逐一瞄准了冥王星系统。先是在6月28日南半球可见的冥王星掩星期间,SOFIA机载天文台以及大洋洲南部的诸多观测者都进行了记录。由于在掩星带中心采集的光变曲线明确表现出了中心闪,这意味着冥王星是拥有大气的——要知道新视野号当年匆忙上马的原因之一正是为了能够赶在冥王星大气冻结之前开展研究,这样看来当年的如意算盘并没有落空。另外掩星观测也表明,冥王星并不具备明显的光环;再结合探测器此前7周的沿途观测,新视野小组最终认定冥王星系统对直接飞掠的威胁不大,毋须为了规避潜在的风险来修正航线消耗燃料。进入7月,哈勃、钱德拉、斯皮策、开普勒这几大空间望远镜以及卡西尼号土星探测器都要陆续开始从事冥王星观测,它们的观测结果可以充当新视野号近距离考察的大背景。(话说去年不是还有说法称因为经费不足,斯皮策空间望远镜与SOFIA都要被砍掉么?现在看来它们都也还活得很滋润么?可见哭穷果然是NASA的惯用伎俩,见怪不怪,真的不必太当回事啊……)

新西兰观测者Brian Loader在掩星带中线附近的Canterbury记录下的冥王星掩星光变曲线,可见表现出了中心闪,它是冥王星大气折射并汇聚背景星光的结果。(图片提供:John Talbot/RASNZ)

万众瞩目的飞掠发生在7月14日美国东部夏令时早晨7时49分,世界时上午11时49分。期间探测器的时速接近5万千米,距离冥王星表面最近达到了12500千米左右。虽然这时在新视野号的控制中心——约翰·霍普金斯大学应用物理实验室中,众多小组成员和嘉宾都在热烈地为新视野号接近冥王星进行倒计时(有趣的是,这次不是从国际惯例的“10”,而是从“9”开始),但是探测器在冥王星系统中的所见所闻并无实况转播。这一方面是由于冥王星距离遥远,单程信号传输需要耗时4个半小时;另一方面,在飞掠前后,新视野号也会切断与地球的联络,全力投入到科学观测中;更且此时多台仪器并行进行的数据采集工作效率极高,而新视野号每秒几百比特的通信带宽又堪比龟速(作为比较,当代火星车的数据传输速率是每秒上万比特),光是在短短几小时的飞掠当口获得的观测结果,都要花费100天才能全部传输完毕。因此官方小组直到14日晚间才收到时长15分钟的状态数据,报告探测器情况良好,并未被冥王星系统中的尘埃颗粒所破坏;至于最靠近冥王星前后拍摄的科学影像要等到15日之后才得以陆续公开,而且当下这些照片都还是压缩后的尝鲜预览版,在分辨率方面多少有所妥协。

2015年7月14日在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室为新视野号近距离飞掠冥王星倒计时的人群。(图片提供:NASA/Bill Ingalls)

如前所述,新视野号光是飞掠期间采集的数据总量就相当于平日里100天的通信量,这还不算在此前后几周内的观测,因此现在我们已经接收到的东西还仅仅是冰山一角而已。探测器将所有数据传输完毕总共需要花费16个月的时间,其中压缩后的数据要等到今年11月中旬才能全部传回,而全分辨率信息的传输将一直延续到明年年底。不过当前这少少的观测结果就已经让行星科学界大为惊讶了。

在新视野号造访冥王星系统之前,研究冥王星(以及所有大型柯伊伯带天体)并猜测其地表形态的参照物是巨行星的某些卫星,尤其是海卫一。个中原因一是海卫一据信起源于柯伊伯带;二是上世纪80年代末旅行者2号探测器对其进行过近距离的考察并获得了细节图像;三是海卫一在尺度上接近冥王星。海卫一有着斑驳的色彩以及独特的哈密瓜皮状地貌,其地表年轻而缺乏环形山。但是新视野号展现出的冥王星与海卫一截然不同,前者看上去要更加复杂多样。这恐怕是因为海卫一靠近大型行星,系统中的潮汐加热很大程度上影响了其内部的地质演化;而冥王星是独立存在的星球,潮汐力完全发挥不上用场的缘故。

旅行者2号拍摄的海卫一,图中的绿色区域就是所谓的“哈密瓜”地带。(图片提供:NASA/Voyager 2)

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