太阳系远征：新视野号探测柯伊伯带

□ 国家天文台 郑永春

太阳系远征：新视野号探测柯伊伯带

□ 国家天文台 郑永春

提起太阳系，我们立即想到的是太阳和八颗行星。实际上，在太阳系里面，行星的定义和行星的数量一直都在变化，而且将来仍然可能变化。随着地面和空间观测能力的提高，以及深空探测的进展，太阳系的边界也不断扩展，一直拓展到距离太阳两光年左右。不仅观测到的天体数量越来越多，观测精度越来越高，而且天体类型也从行星、小行星和彗星，到增加矮行星的新分类。但是，海王星之外的太阳系空间都有什么天体？它们有什么特殊之处？什么是柯伊伯带和奥尔特云？对于人类生存其中的太阳系，我们的了解还远远不够。

太空和宇宙题材的电影总是很受欢迎，从星球大战、星际迷航、2001太空漫游，到撕裂地平线和地心引力。去年年末，各大影院热播星际穿越，黑洞、白洞、虫洞等天文学前沿概念被人们津津乐道，似乎人类将来可以通过虫洞快速抵达太阳系外的宜居星球。但实际上，星际飞行理论并没有突破性进展，深空探测在可以预见的将来还只能局限于对太阳系内天体的探测。

柯伊伯带（K u i p e r b e l t）在海王星轨道之外，位于距离太阳约40～50个天文单位的黄道面附近，是一个小天体密集的圆盘状中空区域。仅仅23年前的1992年，人类才艰难地首次观测到除冥王星外的第一个柯伊伯带天体，我们甚至根本不知道是否存在柯伊伯带。而今天，探测柯伊伯带的深空探测器新视野号即将飞抵那里亲临探测。

柯伊伯带远离太阳，那里十分寒冷，太阳辐射强度只有地球上的千分之一，探测难度很大。那么，这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力，值得我们长期守候并努力探索呢？

首先，柯伊伯带作为太阳系的新大陆，新视野号的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。在太阳系中，以距离太阳2.3～3.3天文单位的小行星带为界，分为内太阳系和外太阳系。内太阳系包括水星、金星、地球和火星，称为类地行星，均为岩石质天体；外太阳系包括木星、土星、天王星和海王星，称为类木行星，均为气液态巨行星。海王星以远还有什么天体？从距离太阳约为45亿千米的海王星轨道，到距离太阳19万亿千米（2光年）的太阳系边缘，如此广阔的太阳系空间除了冥王星和冥卫一之外就没有其他天体了吗？带着这一疑问，美国麻省理工学院的大卫.朱维特教授和研究生刘丽杏，经过五年的艰苦搜寻，于1992年在冥王星附近发现了一系列新的天体，证明了柯伊伯带的存在，并最终导致冥王星保持半个多世纪的行星地位动摇，于2006年被降级为矮行星。不过幸运的是，冥王星从最具争议的行星，摇身一变成为柯伊伯带数以万计冰冻天体的“领头羊”。柯伊伯带是短周期彗星的发源地。在柯伊伯带之外，距离太阳5万～10万天文单位还有分布着千亿颗冰冻天体的奥尔特云，那里是长周期彗星的发源地。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过，我们对太阳系的广阔空间了解仍然非常有限，对太阳系结构的认识仍然不够清晰。新视野号的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体，将这片区域的场景清晰地展现出来。

2014年8月，“罗塞塔”（R o s e t t a）彗星探测器探测一颗被称为“67P/楚留莫夫-格拉希门克”的目标彗星，11月12日，向彗星投放一个名为“菲莱”（P h i l a e）的小型着陆器。

其次，柯伊伯带探测对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星，还有无数的小天体，主要存在于小行星带、柯伊伯带、奥尔特云。从科学角度而言，深空探测就是要探测太阳系的各种天体类型和主要区域，如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌，因此，深空探测任务的终极科学目标之一就是为了回答太阳系和行星的形成与演化这一关键问题。

2014年8月，罗塞塔号刚刚探访了来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚-格彗星，搭载的菲莱着陆器于11月实现了人类首次登陆彗核表面，大大加深了对彗星的认识。除彗星外，柯伊伯带还有数十颗直径200～2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体，其中以冥王星及其卫星最为典型代表。我们知道，太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转，星云逐渐凝聚形成星子，星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎，进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。太阳星云的残留物形成数量众多的小行星和彗星，它们既是形成行星等大型天体的原料和胚胎，又是行星形成后的残留物。而矮行星是没有长大成行星的“侏儒”行星，同样是太阳星云凝聚成星子，星子碰撞、吸积形成的。由于太阳系目前已经处于吸积作用的最后阶段，太阳系空间已经较为清朗，矮行星受到其他天体撞击、高能射线、太阳辐射等太空风化较弱，可以保存更为原始的状态，相当于从太阳系形成开始在冷库中保存了46亿年，保留着行星形成时的原始状态。而这种原始状态在太阳系其他天体上已经被严重破坏。因此，通过新视野号对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测，将有助于揭示行星形成的关键环节。

再次，随着我们对太阳系认识的深化，将拓展人类的知识疆界，改造我们已有的世界观。在古希腊时代，我们认为地球是宇宙的中心，太阳、月球都是绕着地球运转的“行星”；在哥白尼提出日心说之后，逐渐接受太阳是太阳系的中心，地球是行星而月球不是，即行星是围绕太阳运转的天体。1801年和1802年分别发现了谷神星和智神星，后来又发现了大量小行星，因此行星的定义再增加约束：即行星必须是质量足够大，大到能成球形。再到后来，发现了阋神星、妊神星、婚神星等。天文界面临的选择，要么它们统统被纳入行星，要么排除它们。需要承认的是，我们对于处于太阳系更遥远的柯伊伯带的天体还了解很少，甚至刚刚处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的天体与火木之间的小行星有何不同。相信随着深空探测的进展，仍有可能在柯伊伯带和奥尔特云发现与地球相当大小的天体，届时或许天文学家将不得不再次修改行星的定义。

已经发现的海王星外的大型天体

柯伊伯带及奥尔特云示意图

最后，远征太阳系新大陆将牵引航天技术新突破。新视野号奔赴柯伊伯带的旅途长达9年，为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用，探测器有2/3的时间是在休眠中度过的；为实现早日抵达冥王星，新视野号先飞抵木星开展飞越探测，并借助木星引力进行加速；由于距离遥远，从地面发出指令到接收到探测器应答信号以光速传输也需要4.5小时，数据传输链路和测控精度要求均大大提高；柯伊伯带远离太阳，十分寒冷而黑暗，冥王星表面温度低至零下212～234摄氏度，因此必须研发高效太空核能系统以提供飞行动力和保温。新视野号在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核能供应等关键技术，将是中国航天需要努力突破的重要领域。

作者联系方式：zyc@nao.cas.cn

（责任编辑 张恩红）