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2019-1-29

Ultima Thule:太阳系的新边疆

2015年8月底,就在完成冥王星系统的历史性飞掠之后,新视野号小组向NASA提交了下一步的考察方案——让探测器在2019年的第一天抵达一个名叫2014 MU69的目标,以实现与柯伊伯带小型天体的第一次近距离交会。其实早在新视野号立项之初,任务计划就已经明确指出要一次性造访冥王星与另一个柯伊伯带天体(KBO),以进一步了解太阳系外围的多样化生态;探测器本身也被设计成可以至少持续工作数十年、能够在冥王星轨道以远仍旧正常维持对地通信的。不过因为柯伊伯带的小天体普遍极为暗淡、搜索不易,究竟哪一个KBO最适合新视野号的需要,直到探测器上路8年半之后还不见眉目。要说在整个航天史上,深空探测任务已经走到了如此阶段,目标天体却仍旧完全不确定的情况,就算不是绝后,也称得上是空前了。

要想成为新视野号的柯伊伯带新目标,条件很严格。首先探测器所携带的燃料有限,所以离开冥王星后并不能进行太多的变轨机动,所以这个天体距离新视野号的飞行路径要足够近。此外既然一开始说要去了解柯伊伯带的多样性,那么下一个目标天体的体积也不宜过大(其实从位置这一点来看,已知的柯伊伯带大天体也都不合要求),同时距离太阳还要足够远,只有这样才能保证它的原始性——柯伊伯带一向被认为是太阳系形成之初的残余,但更近一些的小天体多少都被阳光加热过,保留了多少早期的面貌很难说。2014年夏天,在新视野小组使用大型地面望远镜巡视多年却一无所获之后,哈勃空间望远镜赶来救场了。

PT1的轨道(红色)相对新视野号飞行路径(黄色)的关系。图中还以白色标出了冥王星轨道,以蓝色标出了部分其他大行星的轨道(对,你没有看错,是其他大行星,本人至今并不赞成IAU的冥王星降级决议)。(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI/Alex Parker)

哈勃发现了5个可能满足需要的KBO,后来任务小组又将选择目标缩小到了2个。其中一个任务组编号PT1(PT是Potential Target即“潜在目标”的缩写)、后来获得小天体临时编号2014 MU69的KBO正好处在新视野号的飞行路线上,距离冥王星约有15亿千米(折合成飞行时间则是3年半),显得格外适宜。除了位置之外,它的大小根据当时的估计只有45千米不到,正好介于大型冥王星和典型宽度只有数千米的彗核之间,有助于我们认识边疆地带中间尺寸天体的状态。2014秋季,新视野号完成了一系列发动机点火和航向修正,对准2014 MU69继续前行。3年后,在2014 MU69环绕太阳系运行的轨道得到进一步的确定之后,这个天体得到了486958的正式编号;而同年晚些时候,在新视野号小组成员、加州SETI研究所的Mark Showalter的主持下,NASA启动了2014 MU69的公众征名活动,最终中标的是一个响当当的名称——Ultima Thule,意为超越已知世界的疆域。

Ultima Thule这个词组源于图勒(Thule),也就是古希腊/罗马记载中的终北之地。根据古典记载,图勒位于不列颠以北,那里既没有陆地也没有海洋或空气(或者说那里是地、水与风的混合体),无法航行也不能踏步,连太阳也只能永远安歇,稍晚些的描述甚至还称在此有巨兽出没。对于古人来说,有着如此诡秘特征的图勒无异于认知的极限。当然对于今人来说,太阳的安歇不过是极夜的表征,陆地或海洋的混合更可能是对北冰洋浮冰的形容,所以图勒一般被解释为靠近北极的某处,而如今位于格陵兰西北角、距离北极点只有1000多千米的图勒空军基地,还有279号小行星图勒和69号元素铥正是得名于此。

坐落在地球终北之地雪原中的图勒空军基地鸟瞰。与地球的终北之地遍布冰雪一样,太阳系的边疆也分布着大量冰态物质。(图片提供:Thule Air Base)

而Ultima Thule,超越图勒,那恐怕是用“天涯海角”四字也不能准确形容其中所蕴含的陌生感了。既然我们对柯伊伯带小天体的具体模样一无所知,以此命名2014 MU69还是相当合适的——先前的冥王星飞掠将人类的认知边界拓展到了海王星轨道以外,而2014 MU69正代表了下一个有机会详查的目标,有望揭示出一类全新天体的模样。不过要说明的是,Ultima Thule现在还是一个非正式的名称,只是为了提升任务的公众认知度而取,并未得到国际天文学联合会的批准。

与此同时,新视野小组也利用2017年和2018年间2014 MU69掩星的机会,对这个天体的外形、体积和周边环境作了初步判断。根据期间被掩恒星的亮度变化,研究者得出的最吸引人的一个结论是,这个标示着新边疆的天体应该具有双瓣状的外观。对于源自太阳系外围的小家伙来说,这样的面貌倒也不是第一次见到,早些时候罗塞塔号探测器造访过的丘留莫夫-格拉西缅科彗星也呈双瓣状,甚至研究者还猜测,有几分钟一的经典KBO可能都是如此。但是限于地面和近地轨道观测的分辨率,当时还不能判断出2014 MU69究竟是由两个天体相撞形成的相接双星,还是两个靠得非常近的非相接双星,抑或从恰当视角看到的椭球形天体。

左:2017年7月17日2014 MU69掩星期间,被掩背景恒星的光度变化(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI);右:根据掩星光变曲线推测出的2014 MU69可能外观(黑色阴影),图中每条彩线均代表被不同望远镜观测到的一颗被掩恒星(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI/Alex Parker)。

与冥王星飞掠类似,新视野号今年元旦前后的Ultima Thule飞掠,其主要目的也是以测绘地表结构、温度,搜索可能的地质活动、卫星、光环系统,并且测定该天体的尺寸和大小为主。从2018年6月起,探测器就走出了在漫长的星际航行期内为节约能源而进行的休眠,航天器本体从旋转稳定切换为三轴稳定,为半年后的飞掠做最后的准备。8月16日开始飞掠期之后,探测器进行了最后的路线精细调整,其所搭载的长程勘察成像仪(LORRI)也从8月中旬起开始记录目标天体的影像。不过那时的Ultima Thule还看不出什么名堂,只是在人马座星空背景上略有移动、亮度随着新视野号的接近而逐渐增大的一个光斑而已。

LORRI在2018年8月16日到12月24日间拍摄的Ultima Thule影像,左为原始图,右为较差图,也就是扣除背景恒星、突显小天体本身的图像。在第一张照片拍摄时,探测器所见的这个KBO只有20等的亮度,在12月中下旬则上升到了15等左右。(图片提供:NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Henry Throop)

去年圣诞节翌日,探测器进入了所谓的“飞掠模式”。在正常情况下,当探测器遇到偶发故障时,它将停止工作,将状态报告给地球上的工作人员并听候处理。但是飞掠时间有限,新视野号与地球的通信又需要十余小时才能完成一个来回,如果期间真的遇到了什么情况,对科学数据的损失是不可估量的。引入飞掠模式在一定程度上就能解决这样的困境——此时探测器将依赖自身的软件系统修正问题,毋需地面干预。这个模式自然存在风险,但关键时刻又是不得已而为之。好在当年飞掠冥王星期间,任务小组就已经放手这套软件自己下决定,经实践证明效果还是很不错的,所以这次遭遇Ultima Thule时它又被派上了用场。

新视野号在元旦当天世界时5时33分抵达了离Ultima Thule最近的地方——3500千米,此时这个天体与太阳的距离是43.4天文单位。这是什么概念呢?要知道,旅行者号探测器在29年前拍摄著名的“暗淡蓝点”照片时,距离地球也不过40.5天文单位(因此和太阳的距离差不多是这个数字加1),可以说新视野号刷新了深空探测器拍摄影像时的距离。再考虑飞掠时刻相对预期只差了10余秒,这不仅仅对于行星考察来说意义深远,也创下了长距离航天测控和通信技术的新里程碑。不过地面控制系统知道飞掠成功完成,探测器数据记录正常已经是差不多10小时之后的事情了。

新视野号从2018年12月31日到2019年1月1日拍摄的Ultima Thule图像,上方为在此期间Ultima Thule在LORRI眼中的相对大小变化,下方将这些图像调整到了统一尺寸。(图片提供:NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/National Optical Astronomy Observatory)

与根据掩星推断出的结论一样,新视野号眼中的Ultima Thule由两个靠在一起的近似球状结构组成,明显是一对相接双星。两个球体的总宽度约为34千米,但两瓣的体积差异倒是没有鸭状的丘留莫夫-格拉西缅科彗星那样大(各宽约19.5和14.2千米),再考虑柯伊伯带天体的主要组分是冰雪物质,因此国外有网友昵称这个天体为“雪人”。新视野小组私下里将较小的球体称为“Thule”,较大的就是“Ultima”了。只是这只雪人的表面极暗,整体的平均反照率只有10%不到,与深色的月海相当;颜色方面又极红,让人不禁想到了冥王星系统的色彩——那是由索林等有机物染就的红褐色。不过与冥王星和冥卫一色调迥异不同的是,Ultima Thule的两大部分倒是不存在明显的整体色差。

左:新视野号拍摄的Ultima Thule增强色图像;右:Ultima Thule的地表反照率分布图。(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI)

但“不存在明显的整体色差”不意味着没有色差。Ultima Thule的“颈部”,也就是两个球体相接的地方明显要亮于其他部分。这要么是因为颈部的物质组分的确与主体不同,要么是在引力的作用下来自他处的亮色小颗粒滚到了整个天体的引力中心附近并将地表的本色覆盖。此外在两个球体之上也斑斑驳驳地散布着一系列的暗区。总的来说,其上的暗区也较包括颈部在内的亮区更红。

根据目前已经传回的最高分辨率影像,Ultima Thule的两个部分都分布着一些准线性的反照率地貌,而且明暗分界线处也明确表现出了一些直径数千米的圆形凹坑。新视野小组对这些结构的成因还不是很明确,初步的猜测是反照率的差异或许关乎太阳系诞生之初该天体的成型过程,而凹坑则是陨击或地表在地下物质挥发后坍塌皆可。不过总的来说,这个KBO的表面还是较为光滑的,边缘区最大的起伏约有1千米左右,其余位置则因为现有数据光照角度的问题而暂时还不得而知。

业已传回的分辨率最高的Ultima Thule影像之一,原始图像的分辨率是每像素对应135米。(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI)

有些出乎意料的是Ultima Thule的自转行为。这个天体的自转轴位于两瓣相交、更加靠近较大一瓣的地方。如果认为这类相接双星形成于两个密近天体的低速碰撞,在碰撞前二者环绕着共同质心运行,这样的位置倒也颇为合理。问题出在长达15.9小时的自转周期上。按照双天体碰撞的假说,碰撞产物的转速要比这个数字快得多,其中经历的减速过程超出了行星科学家的当前认知。不过对于保持双瓣状外观来说,慢速自转绝对是好消息——它保证了两部分不至于因为转得过快而分崩离析。

Ultima Thule的外轮廓与自转轴位置示意。(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI,示意图由James Tuttle Keane绘制)

除此之外,新视野号的尘埃计数器这次并未在Ultima Thule的希尔半径之内记录下任何撞击事件,这可能能够部分解释这个KBO乍看较为光滑的地表——连撞击源都很少见,谈何密密麻麻重重叠的的陨击坑。至于卫星或环系,现在任务小组尚未开展系统性的排查与搜寻,所以还不好断言其存在与否。

现在我们其实只获得了Ultima Thule相关数据的极少一部分。新视野号探测器在飞掠之后的传输速率最高也只有每秒1-2pbs,以这样的速度,传输LORRI的一张图像(分辨率1024×1024像素)也需要42分钟之久。更加不巧的是,因为这个KBO与地球一时分处太阳两侧的缘故,飞掠过后有好几天根本无法进行数据传输。所以这次的观测结果也需要等到明年下半年才能如数传回,好在今年2月底之前,我们应该就可以看到其中分辨率最高、最感兴趣的那一部分了。

其实除了新视野号除了飞掠Ultima Thule之外,沿途还拍摄了大量其他KBO有史以来最为清晰的照片。在未来一年多的时间里,除了数据传输之外,探测器也将继续进行这项工作,为其他小天体拍照。虽然同冥王星或Ultima Thule相比,这些小天体在图像中所能展示出的细节非常很有限,但新视野号与它们的距离已然比地球近太多了,所能揭示出的信息不容小觑;何况探测器与地球的视角不同,由此还能够一瞥这些小家伙散射光线的性质。

LORRI在2017年12月拍摄的柯伊伯带天体2012 HZ84(左)2012 HE85(右)。(图片提供:NASA/JHUAPL/SwRI)

至于Ultima Thule最终的正式名称,任务小组将在完成必要的数据处理、充分了解其本质之后再拟定并交由IAU批准。同时,新视野号的首席科学家Alan Stern还计划在明年向NASA提交新一轮任务延长申请,让探测器再飞掠靠近柯伊伯带外边缘的第三个目标,不过这项计划能否实施取决于近期能否找到合适的天体。如果可行,我们会更好更全面地认识太阳系外围的真面目。无论如何,这一次的考察让人见识了太多的新知,新视野号拓荒边疆的目标已经不打折扣地实现了。

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