目标：冥王星

谢懿

矮行星、行星、冰质天体，无论你怎么称呼，它一直是太阳系中最神秘也最令人着迷的有待探索的星球之一。2015年7月，即在被发现超过80年之后，当“新地平线”号抵达冥王星时，我们终于得到了一些答案。为了实现这一目标， 人类花费了几十年的努力。这堪称人类历史上最伟大的太空探索历程之一。

冥王星本身就是一个为神秘所笼罩的天体。当然，还有争议。当“新地平线”号于2006年1月19日发射时，冥王星仍被冠以太阳系第九大行星的头衔。然而，在同年8月，一切都发生了变化。在海王星轨道之外发现了一颗比冥王星还大的天体——阋神星——之后，国际天文学联合会通过决议将它降级成了一颗矮行星。

“我为此感到羞愧，”美国航空航天局西南研究所的科学家、“新地平线”任务的领导者艾伦·斯特恩当时说，“全世界只有不到5%的天文学家参与了投票。它不会长久的。这是一场闹剧。”

斯特恩的不安完全可以理解。他一直致力推动探测冥王星的空间任务。1989年，“旅行者2”号成为第一个造访海王星及其最大卫星海卫一的航天器，在此期间发回了许多惊人的图像。海卫一被认为是一颗被海王星俘获的矮行星，可能与冥王星有许多相似之处。当时斯特恩还是一名参与“旅行者”计划的研究生，他为此深深着迷，成立了一个小组来推动对冥王星的探测。26年后，他终于看到了自己的劳动成果。

但冥王星的降级丝毫没有减弱科学家对这一任务的热情。 我们对冥王星的认识非常有限，虽然已经知道它的轨道特性和大小等信息，但对其表面和物质成分知之甚少。它也是太阳系中有待探测的最后一批较大的天体之一。

我们知道，冥王星的直径约为月球的2/3。它位于太阳系外围的柯伊伯带中，绕太阳公转一周需要248年，平均距离约为59亿千米。在柯伊伯带里充满了成千上万个小型冰质天体，它们被认为是早期太阳系的遗存。因此，对冥王星的探访其实是一个对这一类罕见天体进行研究的难得机会，因为它们根本就不会运动到地球附近。

冥王星的轨道是一个巨大的椭圆形：到太阳的距离在29.7个天文单位至49.3个天文单位之间，前者甚至比海王星到太阳的距离还要小。事实上，1979年至1999年，冥王星就位于海王星的轨道之内，为更细致的研究提供了良机。有天文学家认为，在它的表面之上有一个由氮组成的稀薄大气层，而冻结的甲烷和氮会在表面形成霜。在绕太阳公转的过程中，它的表面和大气会反复地融化和封冻。

当然，关于冥王星的许多未知（比如，它的表面看上去会是什么样子？是像木卫二一样平坦，还是像土卫二那样崎岖？它有哪些独有的特征？它是如何与其卫星，例如卡戎，相互作用的？），都是“新地平线”号抵达时需要回答的问题。

而这只是天文学家想要了解的首批问题。“冥王星赋予了我们第一个探测太阳系‘第三区’中天体的机会，它们远在类地行星和巨行星之外。”西南研究所的约翰·斯潘塞当时说，“冥王星是那里成千上万个天体中最大的，它与我们之前探测过的天体都有巨大的不同。”

“新地平线”任务的成形历经了许多年。一开始美国航空航天局曾考虑派遣“旅行者1”号在2 0世纪8 0年代末飞掠冥王星。但是，该任务被认为风险过高，而土星的卫星土卫六被认为是一个更现实也更为有趣的目标。因此，最终将冥王星排除在外。

不过这倒激励了斯特恩和其他几个年轻的行星科学家，他们在1989年成功说服美国航空航天局开始研究冥王星任务的可行性，该项目被称为“冥王星-350”。

该任务提案始于一个相对简单的探测器，重350千克，携带四台仪器设备。即便只有“旅行者”探测器一半的重量，它也被认为具有争议且高风险。随后的方案则计划发射一个类似于“卡西尼”号的航天器，携带一个子探测器，后者将被投放到冥王星上。然而，在1992年美国航空航天局削减预算期间，该任务被指成本过高。

“新地平线”号

紧随其后的是摇摆不定的近10年时间，美国航空航天局手上握着数个冥王星探测提案。美国航空航天局认为，携带仪器较少的小规模任务、非核动力且耗时的任务以及携带大气探测器等过于复杂的任务都是要不得的。身为冥王星任务的主要倡导者之一，斯特恩试图说服美国航空航天局批准有关的提案，他甚至寻求与俄罗斯和欧盟之间的多国合作，但

这一切都石沉大海。

之后，在2001年，事情终于有了突破。来自科学界和公众的压力最终说服美国航空航天局主管空间科学的副局长爱德华·韦勒，开始接受飞掠冥王星和柯伊伯带任务的提案。

这些提案的目标是设计一个可纳入美国航空航天局“新前沿”项目的中型航天任务。该任务可以用“宇宙神V”型火箭或者“德尔塔IV”型火箭发射，能在2020年前完成对冥王星的飞掠，成本不超过5亿美元。相比之下，“发现”项目的成本更低，而“旗舰”项目的成本更高。

2001年4月6日，美国航空航天局共收到五份提案，其中之一便是由斯特恩领导、美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室和西南研究所共同参与的“新地平线”项目。 2001年6月6日，“新地平线”项目和美国喷气推进实验室的“冥王星和外太阳系探测器”提案被选中进入下一步深入研究。

在9月24日递交了第二份提案之后，斯特恩便开始焦急地等待美国航空航天局做出最终的决定。2001年11月29日，他接到美国航空航天局的电话，被告知“新地平线”项目被选中将前往冥王星。

一个雄心勃勃的探险任务就此开始。在此之前，还从未有人认真思考过这么遥远的飞掠任务，更不用说去尝试了。研发和主导这一任务的应用物理实验室和西南研究所都是行星探测方面的“新人”，降低探测器的风险就显得十分必要。因此，成本和进度就成为重中之重。与此同时，在“新地平线”号研发的过程中，有关冥王星系统的新发现不断涌现，例如冥王星的新卫星。

“一旦获得了资金，最大的技术挑战包括设计一个能可靠运转近10年的航天器，”斯潘塞解释说，“然后它还要能自主且完美地完成探测任务。”在冥王星的距离上，无线电通信信号往返需要8个多小时。所以，“新地平线”号必须在没有地面控制人员帮助的情况下应对飞掠冥王星的过程中遇到的任何问题。

在“新地平线”号研发的过程中，总共有2500人参与。最初计划于2004年发射，最终发射时间定在了2006年年初。在2006年1月19日的第二次倒数计时时，“宇宙神V”型火箭将其送入太空，当时冥王星的发现者克莱德·汤博已去世9年。

为了在可承受的时间内抵达冥王星，这次发射必须达到人类历史上最快的速度。离开地球大气层时，“新地平线”号的时速达到了58 536千米，是喷气式飞机的100倍。它仅用了短短9小时便飞过了月亮，而同样的旅程“阿波罗”任务要花3天。发射后13个月，它就抵达木星。利用木星的引力助推，它进一步加速前往冥王星。

随着其最终抵达时刻的临近，“新地平线”号进入了其任务的关键阶段。2014年8月25日，“新地平线”号越过了海王星的轨道。海王星是它抵达冥王星前越过的最后一颗行星。8月29日，任务工程师再次让其进入休眠状态。“新地平线”号每年大约有10个月处于休眠状态，以此来节省电力和燃料。这并不是说它处于无人看管的状态，每个月工程师都会接收它发回的遥测信号来检查其子系统的状况。同时，如果需要的话，每年会有2个月的时间对其仪器进行校准，对航向进行修正。

2014年12月6日，“新地平线”号从休眠中醒来，并将在之后的2年里保持清醒。它为抵达冥王星做好了准备，然后实现飞掠并把数据发送回地球。在完成对冥王星的飞掠之后，它将重新设定航向，去往柯伊伯带内的其他目标。在这之前，哈勃空间望远镜已经完成了对这些后续探测目标的初步认定。这些探测可以为了解太阳系漆黑而冰冷的外围区域中的天体提供新的认识。

“新地平线”号与冥王星的相遇从2015年年初开始，持续约200天。这包括约170天的进近阶段，两者的距离会缩小到只有10000千米，然后是30天的飞离阶段。

在最靠近的时候，“新地平线”号上的一台照相机会以每像素250米的分辨率拍摄冥王星及其卫星卡戎的图像，而另一台仪器能获得的图像分辨率更高，可达每像素50米。它们会向我们展现许多冥王星和卡戎的重要特征。冥王星的大气层也会被仔细研究，同时“新地平线”号还会探测卡戎周围是否有大气。

在最接近冥王星之后14分钟，“新地平线”号以27 000千米的距离飞过它最大的卫星。此后约36分钟，在回望冥王星的过程中，它进入冥王星的影子，由此可以看到太阳光是如何与冥王星大气层发生相互作用的。85分钟后，它进入卡戎的阴影中。

尽管这些行进路线和观测可以事先确定，但“新地平线”号在冥王星上究竟会看到什么仍有争议。“没有意外才是真正的意外！”斯潘塞兴奋地说，“我想它的表面看上去会非常有趣且富于变化，有些地方黑如沥青，有的则洁白如雪。那里可能有至少三种不同的霜冻。我们知道，冥王星有一个稀薄的氮大气层且正在外泄，它还有至少五颗卫星，所以那里肯定有许多值得一看、值得去研究的东西。”

在探访了冥王星之后，“新地平线”号会有什么新的工作也同样令人感兴趣。世界各地的天文学家正在试图寻找可供它造访的柯伊伯带天体。待目标最终确定之后，“新地平线”号才有可能进行扩展任务。

但无论结果如何，“新地平线”号都有望成为历史上最不可思议的太空任务之一。当冥王星的第一张照片被传回地球的时候，毫无疑问它成了全球媒体追逐的焦点，就像此前“罗塞塔”号登陆彗星一样，只不过这一次的目标要大得多。