新视野号的冥王星初探
随着新视野小组陆续公开在冥王星系统中的新发现，世人也又一次（对于包括本人在内的很多人来说恐怕还是第一次）体验到了目睹新世界时的兴奋——上一次这样的事件出现在1989年旅行者2号抵达海王星的时候，但如今的年轻人当时还年纪尚幼，根本不知道探索为何物，甚至压根就没有出生。何况气态海王星在图像中呈现出的复杂性比不上有着固态地表的冥王星，轰动性比起这次怕是要逊色很多。而随后一系列的彗星和小行星探测器目标终究不如大型天体那样吸引人，小天体坑坑洼洼的不规则外观也并不算太出乎意料。更合适的类比也许还要数50年前用遍布环形山的火星影像让民众震惊的水手4号。虽然当时的新闻媒体远远没有今天这般发达迅捷，但荒芜的火星风景彻底扫清了风靡已久的火星人传说，让有关行星地貌的研究真正成为了一门科学。如今新视野号所展现出的这个挑战常识又不同于其他任何天体的星球也完全超出了探测器发射之前最大胆的预期，这毕竟是第一次在考察独立的大型柯伊伯带天体，打开通向太阳系外围的窗口。考虑边疆地带太多的未知数，提早进行过多的猜测总归不是明智之举，意外频出也实属正常。
新视野号（左）和水手4号（右）飞掠后的纽约时报头版。
要一瞥这些成果，就从本文开头提到的颜色说开去好了。冥王星与火星的颜色固然接近，但二者的致色原因完全不同，后者是简单的氧化铁（不过说简单也未必真的很简单，因为氧化铁的出现往往暗示了水分的存在，只是这并非本文要涉及的话题），而前者据信是复杂的索林（Tholin），也就是甲烷等简单有机物与紫外线以及高能宇宙线粒子相互作用的产物。在地球上，索林很可能就是生命起源之前有机物混合汤的主要成分；而这种关键的化合物也出现在土卫六、海卫一等巨行星的大型卫星上，它可能还是众多颜色偏红的柯伊伯带天体的着色剂。
叠加在冥王星可见光图像之上的红外光谱图（左），图中以红色表示存在强烈甲烷冰吸收特征的2.3到2.33微米波段，绿色表示不存在甲烷冰吸收的1.97到2.05微米波段，蓝色表示存在中等甲烷冰吸收特征的1.62到1.7微米波段，还用虚线方框标出了两处甲烷冰富集的地带。右侧是相应两处区域的光谱，绿色和红色分别表示北极以及赤道富集区。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
索林在冥王星表面的分布并不均匀，以颜色偏暗的北极冠一带最为集中。在红外光下，北极冠也是整个星球上甲烷冰最集中的两个地点之一，这与索林源自甲烷倒也相符。另一处甲烷冰的富矿位于冥王星朝向冥卫一的半球上，分布在赤道附近。在可见光下，这里几乎等距地排列着4个大小相近（各宽480千米左右）的暗斑，引发了研究者的无数猜想。
冥王星上存在甲烷不是什么新鲜事，这一点早在40年前就已经得到了确认，这种成分可能是太阳系形成之前的星云即已具备的。但新视野号率先描绘出了甲烷在冥王星地表的具体分布。光谱观测表明，两处甲烷富集区的成分相差很大。从上图可见，北极冠附近的甲烷吸收特征较赤道区域的暗斑更强。初步分析认为，北极的甲烷冰可能是分散在厚厚的红外透明氮冰中的，而暗斑内的甲烷分散度较差，这或许与两处冰层结构不同有关。但可惜的是，受冥王星缓慢自转周期的限制，飞掠之时新视野号并不能对暗斑周边进行高分辨率观测，所以下图就是今后数十年内这片神秘地带最清晰的图像了：
新视野号在2015年7月11日拍摄的冥王星暗斑照片，此时探测器距离冥王星还有400万千米。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
这些暗斑的真实身份仍旧是争论的焦点。单凭上图的分辨率，研究者无法完全确定其上的地势。不过与早先的模糊影像相比，这样的照片还是展示出了暗斑的一些结构，如不规则但清晰的边缘、彼此交错的线状地貌，以及多边形轮廓存在的迹象。暗斑内部的颜色似乎也并不均匀，而是具有深浅不同的层次分布。
赤道地带颜色更暗的区域是所谓的“鲸鱼”，这是一条暗带，也是冥王星表面最暗的地方之一。整条鲸鱼长达3000千米，这一数字比冥王星的直径还要大。鲸鱼尾部围起了一个直径350千米的面包圈状明亮结构，看上去貌似环形山或是火山口。夹在鲸鱼和暗斑两片暗色地带之间的，就是新视野号掠过冥王星之后红极一时的心型区域了（具体形态可参见本文的第一张图片）。这片亮区宽约1600千米，内里的成分以新鲜的冰雪（包括氮冰、一氧化碳冰和甲烷冰）为主。其上颜色偏灰，复杂有机物成分较为缺乏。
新视野小组在2015年7月初公布的冥王星地图，图中左半可见沿赤道分布的暗色“鲸鱼”，最左侧是“面包圈”；右侧是让人费解的4个暗斑。与上图对比，可以发现暗斑的结构并不简单。夹在“鲸鱼”与暗斑之间的则是著名的“桃心”。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
这个大大的“桃心”应该称得上是整个冥王星上最突出的结构，甚至环绕地球运行的哈勃空间望远镜从数十亿千米之外都可以将将分辨出它的轮廓。当然，人们早年对桃心两侧的暗区也有所认知，只是单凭地球轨道上的观测，根本无法解析出太多的细节。不妨比较一下哈勃与新视野号眼中所见的桃心：
图片提供：左：NASA/ESA/M. Buie；右：NASA/JHU-APL/SwRI
从上图可见，桃心两侧形态大致对称，不过西半（也就是图中的左侧）形态明显较东半更加完整、规则。假彩色影像更是表明心型的两侧其实是存在成分差异的，之间界线明显：左侧具有冥王星上唯一的牛眼状冻结一氧化碳集中区，颜色也较右侧更红。左侧的冰雪可能正在通过某些渠道向右侧以及桃心南侧偏蓝的区域流去。（因而桃心的真实外形应该是一朵三叶草，只是现有图像都受制于飞掠期间探测器的视角，尚不能展示它的全貌？）这个外观简单的区域内在的结构与成因或许很复杂，不过个中细节还有待利用更多的数据进行分析。
冥王星的假彩色图像，图中可见桃心区域左右两半颜色截然不同，左侧偏桃红色调，而右侧明显更蓝。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
也许是出于形态突出且公众认知度高的考虑，飞掠过后公布的最早一批图像就包括了桃心地带的细节。桃心中央偏左处存在一片年轻的平原，地表呈不规则块状，以浅浅的暗色沟槽为界，乍看上去颇似地球上干涸的泥塘（个人看来这样的形态也与海卫一的“哈密瓜”很相像）。实际上当前解释这些多边形地块形成的理论之一正是要借助地表物质的收缩，与泥塘类似；此外在冥王星内部微弱热源驱动下的地表冰层对流也可能是其背后的机理。某些地块上还分布着大量的浅凹坑，据信它们是地下冰雪升华的结果。
冥王星的“心中之心”地带。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
这片平原最重要的特点要数它完全不具备环形山。虽说桃心偏中灰色的外观确实意味着短暂的地质历史（否则冥王星上随处可见的冻结甲烷冰长期在阳光或星际弥漫辐射中的紫外线照射下早该转化成红色的索林），但一座环形山都没有露面的事实还是让人大吃一惊。对于太阳系天体而言，环形山的匮乏意味着地表年龄不足1亿年——相对太阳系足足46亿年的演化史，这的确是年轻得惊人，甚至其年轻程度堪称太阳系之最。这样看来，冥王星固然是与海卫一不同，附近不具备可以让其潮汐加热的大行星，但这绝不意味着它在地质学意义上死气沉沉。恰恰相反，业已传回的的数据样本说明，今天的冥王星地表或许依然活跃多变。
多边形平原西北边缘表现出了流动的冰川，成分以冻结的氮气为主，也含有一些甲烷冰或一氧化碳冰。它们从障碍物周围绕过，最终汇入凹陷区域。由于冥王星地表的温度只有不到40开尔文，其上的氮冰可以像地球上的冰河一样流动，甚至可能至今仍旧活跃。也许桃心西侧正在为整个星球充当着新鲜的冰库，自西向东或向南的冰态物质输运正是通过冰河进行的。
桃心西北边缘的氮冰冰川流动方向，图中最上方可见桃心之外较古老的陨击地貌。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
桃心的南侧存在大片高耸的山峦，高度最高达到了3500米。与桃心中央一样，这处山地同样是缺乏环形山，历史很短暂，庞大的山体也应该是在短短1亿年内形成的。根据山脉的体量判断，其基底成分可能是水冰。这一点乍看之下当然超乎常识，不过在冥王星这样一个严寒而又富含水冰的星球上，巨型冰山也还称不上离奇，尚属意料之中。因为甲烷冰或氮冰都是柔性有余硬度不足，难以撑起庞大的群山，而水冰在低温环境下的性质却堪比磐石。但是由于冥王星地表光谱缺乏水冰特征，水分深埋于地下这个发现让人有些诧异。
冥王星桃心地貌南侧的年轻山岭。这是新视野号完成飞掠之后公布的第一张高清晰度照片，图中可见小至1千米宽的细节。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
需要指出的是，并非所有的冥王星地表都很年轻。新视野号也在其他区域（如颜色暗淡的“鲸鱼”头部以及“面包圈”处，还有桃心的北侧）发现了一些貌似环形山的结构，这说明星球的地质历史很复杂。另外现有照片基本属于先期传回的预览图，压缩过程也会不可避免地抹平某些小尺度细节，桃心内部更多的结构还有待稍候高清图像的敲定。
在更大的尺度上，冥王星最基本的参数之一——直径也是由新视野号最终确定下来的。在探测器飞掠之前，冥王星的尺度主要是依靠掩星观测断定的，但是星球稀薄的大气会为地面测量带来很大的误差。之前最佳的直径估测结果是不小于2302千米，但上限不明。新视野号实地拍摄的照片表明，冥王星直径是2370千米，略大于先前的估计值（连带12年前登场搅局并直接引发行星降级风波的阋神星），稳坐柯伊伯带最大天体的交椅。由此带来的推论就很有趣了。第一点是考虑冥王星直径虽有所增加，但质量是不存在什么争议的，这样它的平均密度就更低了，只有每立方厘米1.9克（而非早先估计的2.05克），其冰态物质相对岩石的比例也要高于先前给出的3:7。因此冥王星体积虽大，但比阋神星更轻。另一条推论是冥王星大气底部较为浓密的对流层厚度较估测值更小，所以本来就很稀薄的大气显得更为稀薄了，地表气压只相当于地球大气层外边缘的水平。
但是冥王星大气稀薄归稀薄，其延展范围并不小。新视野号搭载的成像光谱仪在飞掠之后的冥王星掩日期间测量了星球大气的性质，发现它至少达到了1600千米厚。换句话说，将大气考虑在内的冥王星尺度不亚于地球。这可能是冥王星质量小，进而引力场较弱，气体分子可以逃逸到更远处导致的。不过必须说明的是，这一厚度数值并非恒定不变，当冥王星接近远日点时，大气中的气体可能会全部冻结，作为霜降落到星球表面上。除了大气本身的厚度让人吃惊之外，其以碳氢化合物颗粒为主要成分的雾霾也从地表延伸到了160千米高空，内里还存在分层的迹象，这照样超出了预期。
被太阳从背后照亮的冥王星多霾大气，摄于美国东部夏令时7月15日子夜，新视野号开始远离冥王星的时候。这样的雾霾是被紫外线瓦解的甲烷分子重组的结果，最终它们将落到地面上，并被进一步转化为索林，为星球着色。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
其实比起新视野号第一次发现大气逃兵时与冥王星的距离，1600千米的大气厚度真的算不上什么。早在7月8日，探测器离冥王星尚有600万千米的时候，它就检测到了来自冥王星昼半球大气的电离氮。尽管冥王星块头小引力弱，地表逃逸速度只有每秒1.2千米，而大气的损耗率相对其密度而言极高，达到了每秒数吨，但其中的成分能够逃逸到如此远的地方也称得上是一大意外。更妙的是，还有证据表明在距离冥王星数万千米的区域分布着浓密的电离气体，而且它们在冥王星背后拖曳出了等离子体尾迹，这是太阳风剥蚀冥王星大气的明证，足见太阳的影响范围之广。另外冥王星地表存在一些平行条纹，它们暗示大气中可能存在风力活动，但具体情况仍需进一步考察。至于大气的主要成分——氮气是如何从地表逃逸出来的，乃至氮元素是如何从地下被带到地表的，这些都还是未决的问题，毕竟现在研究者尚未在冥王星上明确识别出冰火山或间歇泉。
看过冥王星之后，不妨再浏览一番冥卫们。最大的冥卫一与冥王星算得上是双行星，因为二者质量相差较小，共同环绕的质心介于彼此之间，而不是位于冥王星内部。但冥卫一与冥王星虽然共处同一系统中且大小接近，它们的区别却不小。首先是冥卫一并不具备明显的大气（所以新视野号测量到的直径数据与地面观测一致，都是1208千米），且水冰含量更高。颜色方面，冥卫一的整体色调更灰，对比度较差，地表成分则以水冰和含氨物质为主，而非冥王星的甲烷和氮冰。种种差异说明，这两个天体更有可能是分别形成，随后才组成了一个系统的。只是冥卫一的北极冠处集中分布着红褐色有机物，与周边色彩格格不入。鉴于这一区域的边缘较为模糊，有理由认为有机物只是沉积薄层，根源来自冥王星大气逃逸掉的甲烷。这些甲烷凝集在了冥卫一寒冷的北极，经过长期紫外线照射之后转化成了暗色的索林。
冥卫一全球图。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
冥卫一的地表也具备地质活动与陨星轰击留下的痕迹。这颗卫星上存在深达7到9千米的峡谷、长达1000千米的裂隙，证明冥卫一的地壳是存在断层的。随处可见的环形山踪影又讲述了过往的陨击史，暗色的北极冠区域外观也类似于环形山。同时，冥卫一地表同样具备缺乏环形山的年轻平原，这连同断层的存在一道，都佐证了地质上的活跃性。
体积较小且形态不规则的冥卫二与冥卫三则是另一番景象了。这两颗由哈勃空间望远镜在新视野号升空之前的那年发现的卫星在飞掠之前还只是照片上的暗淡光点，但新视野号第一次辨认出了它们的轮廓和大型地貌。长42千米、宽36千米的冥卫二颜色略呈灰色，但其上存在一个明显的红色牛眼状结构，可能对应一座大型环形山所在。长55千米、宽40千米的冥卫三则至少拥有两座大型环形山。由于它们的尺度都偏大，冥卫三更是处在地面观测估计值的上限，这两颗卫星表面必然以明亮的冰态物质为主，尤其是水冰。更晚些时候发现的冥卫四与冥卫五现在都尚处犹抱琵琶半遮面状态，相应的照片需要等到今年秋天才能传回地球，因为它们并非探测重点，而且尺度更小。
冥卫二的增强色照片（左）与冥卫三的黑白照片（右）。受到它们自身不规则的形态外加冥王星—冥卫一复杂的双行星引力场的影响，这两颗卫星正在混沌地翻滚着，自转轴方向和自转周期都不确定。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
接下来呢？除了陆续传回在冥王星系统中的见闻，并持续监测太阳风与高能粒子之外，新视野号日后可能还要改变航向，飞往另一个柯伊伯带天体。去年秋天，哈勃空间望远镜为新视野号找到了几个可供造访的目标。这些天体的尺度都只有冥王星的1%到2%左右，但又比典型的彗星大上10多倍。预计明年年底，新视野小组将向NASA提交探测器延展任务的规划。如果最终获得批准，新视野号将继续飞行数年，最终遭遇这其中的一个目标，将小型柯伊伯带天体的面貌第一次展现出来。
而冥王星系统飞掠之后，为成员星球地貌命名是另一项艰巨任务。今年春天，新视野小组的Mark Showalter组织了“我们的冥王星”公众征名活动，并最终根据投票结果为冥王星以及冥卫一上若干突出地貌初步拟定了名字：冥王星赤道附近的明亮桃心叫做汤博区（Tombaugh Regio），这个名称源自冥王星的发现者；汤博区中部的平坦地带以第一颗人造卫星命名为人造地球卫星平原高地（Sputnik Planum），南部的山脉得名于成功攀登珠穆朗玛峰的先驱Edmund Hillary爵士与助手Tenzing Norgay；而暗色“鲸鱼”则被称作美国著名科幻兼恐怖小说作家H. P. Lovecraft笔下的Cthulhu；此外挑战者号和哥伦比亚号航天飞机、Star Trek剧集中的企业号船员，还有包括中国的孟婆在内的一众冥神也都榜上有名。但是这些名称在得到国际天文学联合会的正式批准之前，首先需要明确每个地貌的具体结构，因为地名所采用的主题取决于所描述的地貌种类——归根结底，命名工作最终还是需要等待新视野号的数据传输完毕，让研究者能够判明地形属性之后才能进行。
初步拟定的冥王星（上）与冥卫一（下）地名，点击可见大图。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI）
末了是人类对冥王星认识的演变，从1930年发现时的照片再到近年哈勃空间望远镜的影像，最后是从今年4月起直到飞掠时分新视野号的观测。眼看着几十年里一直只是底片上一个小光点的星球最后在短短几天内演变成了独具特色的天体，又展示出了惊人的细节，实在震撼。
图片来源：NASA
末了的末了再附上新视野号探测器的3D打印模型图纸一份，有条件者不妨一试。下载地址：http://nasa3d.arc.nasa.gov/detail/new-horizons。
新视野号的3D模型。（图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI/David Napolillo）
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