飞向冥王星的“新视野号”

2018-11-29文/

百科探秘·航空航天 2018年11期

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2006年1月19日,新视野号探测器在美国肯尼迪宇航中心以有史以来最快的初始速度16.5千米/秒离开地球,运载火箭为大力神V型火箭。新视野号将成为继“先驱者”双子星和“旅行者”双子星之后第五个离开太阳系的探测器。这一次,人类把目光聚焦到了柯伊伯带,新视野号将代表人类第一次拜访柯伊伯带天体。

遥远而陌生的天体群

遥远的海王星轨道之外是什么?从1846年人类发现海王星起,这个问题一直困扰着人类。我们知道,海王星是一颗通过计算被发现的行星,在海王星被成功发现后,人们开始投入寻找第九大行星的热潮之中。1930年,一位名叫汤博的年轻人发现了海王星之外的冥王星,然而冥王星实在太小了,完全不符合人们对第九大行星的预期。20世纪50年代,美籍荷兰裔天文学家柯伊伯在冥王星被发现的20年后,提出冥王星应该不是一个孤立的天体,而是一群天体中最亮的一个。直到1992年,人们才在冥王星附近的区域发现了第二颗天体,随后越来越多的天体在这一带被发现,柯伊伯的预言由此被证实。于是,人们将这一片海王星轨道之外的邻近区域称为柯伊伯带。

◎ 柯伊伯带天体概念

2005年,冥王星遇到了一个尴尬的同伴,人们当时测得另一颗柯伊伯带天体——阋神星比冥王星更重(后测得冥王星还是略大于阋神星)。2006年,在国际天文联合会代表大会上,冥王星被正式降级为矮行星。如今,人们已经在柯伊伯带发现了4颗矮行星,科学家们估计柯伊伯带或许存在着上百万颗直径超过100千米的矮行星。

与火星和木星之间的小行星带充满岩石不同,柯伊伯带是一个冰冻的世界,充满了冰、干冰、固态甲烷、固态氨以及一些难以在内太阳系(太阳与小行星带之间的区域)见到的物质成分。柯伊伯带的天体可以用一个形容彗星的词来描述——一个个脏雪球。

柯伊伯带富含那些远离太阳、冰冷的小天体,研究它们有利于人们了解太阳系早期的一些情况、物质尘封的信息等,这些都是内太阳系所缺乏的。

冥王星——柯伊伯带的代言人

作为柯伊伯带目前体积最大、发现历史最悠久的天体,冥王星成为柯伊伯带当之无愧的代言人。冥王星虽然是柯伊伯带最大的天体,但放眼整个宇宙,其实它还是很小的,其质量只有月球的六分之一,体积则是月球的三分之一。

冥王星个头儿虽小,挥发性却很强。因它围绕太阳公转的轨道黄道倾角高达17度,轨道有很高的离心率,所以它会离太阳时近时远,表面温度、挥发物以及大气等就很容易受到影响。人们断定冥王星上存在大量的挥发物,并且由于自身引力小,挥发物会逃逸到太空中。地球的大气被认为曾经历过大量的挥发,最终演化成地球生命的保护伞。在地球之外,冥王星是人类发现的唯一一个具有挥发性的天体,所以研究冥王星的高挥发性有助于人类了解早期的地球。

虽然科学家知道冥王星以及柯伊伯带中蕴藏着很多宇宙奥秘,但因为这些天体距离地球太遥远了,体积又太小,从地球上很难观测它们的细节。这时候,人类就需要派遣一位使者前去探秘,这位远征的使者就是新视野号探测器。

探索柯伊伯带的秘密武器

新视野号探测器长2.7米,宽2.1米,高0.7米,重478千克,在卫星和探测器中属于个头儿偏小的,毕竟它要跑很远,小巧的身材比较轻便。值得一提的是,新视野号携带了约28克冥王星发现者汤博的骨灰进入太空。

新视野号要进行太空远征,高科技装备当然少不了。我们首先来看看它的通信装备——抛物面天线。抛物面天线就是新视野号头顶的那口大锅,它是一种高增益天线,直径有2.1米。此外,科学家还在地面设置了三个70米直径的抛物面天线用于收发信息。星-地之间的通信速率一直很低,在木星时是38千字节/秒,在冥王星时是1千字节/秒,这个速度要传回一张高清照片需要很长的时间。

新视野号这趟旅程最重要的任务当然是找到冥王星,然后探测它。但如何找到冥王星又不迷路呢?这就要说到探测器上的一个测量恒星的装置了——星敏感器。这个测星的装置装载约3 000颗恒星的天经坐标,可以通过测量恒星的相对位置来帮助新视野号确定自身的位置。此外,新视野号还有16个推进器,用于姿态调整和控制,可以实时调整自己的方向,校准轨道、校准天线对地球的朝向以及避开大的障碍物等。

新视野号最上面类似水轮的东西就是探测器的能量来源——RTG热核电池装置。这个核电池装载了11千克钚238,它是靠放射性同位素衰变产生的热能来发电的。为了确保安全,这些燃料被分置在18个舱室里。在2015年新视野号近距离飞掠冥王星时,热核电池装置能提供30伏、200瓦左右的电能,而其最初功率,即最大功率为240瓦。

2007年2月,新视野号抵近木星,借助木星的引力加速,探测器的速度从10千米/秒提升到14千米/秒。在飞离木星后,新视野号开启了休眠模式,只保留了主要的如测星等功能正常开启。这样做不仅能延长探测器的寿命,还可以降低地面深空探测网络的负担。2015年初,新视野号在逐渐靠近冥王星的过程中也在不断观测冥王星,以确定最终的飞掠路径。2015年7月14日,新视野号以13千米/秒的速度成功飞掠冥王星,最近距离达到12 500千米!这次飞掠使新视野号一举成名,由新视野号发回的冥王星高清照片瞬间传遍世界,科学家们兴奋不已,因为新视野号真的不负众望,为人类研究太阳系打开了新的视野!

◎新视野号探测器结构示意

新视野号探测器打开的“新视野”

新视野号探测发现,冥王星的直径约为2 370千米,远大于之前的预估值,这意味着它的密度小于预期,大气也要比预期的稀薄,而且冥王星其实非常寒冷,比如它的北极存在极冠,其主要成分是氮冰和甲烷冰。要知道,甲烷从液态结成冰,温度需要降到零下183摄氏度,而氮气在零下196摄氏度才能成为液氮,从液氮固结成冰则须达到零下218.9摄氏度,所以冥王星极冠上分布的氮冰和甲烷冰,足以说明那里冷到了何种程度。不仅如此,冥王星的心形区域(汤博区)也被证实存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰。在冥王星赤道附近区域,新视野号还发现了一条高达3 500米的年轻山脉矗立在冰原之上。科学家猜测该区域的冰山很可能是由水冰作为“基岩”筑成的,因为水冰比甲烷冰和氮冰更加坚硬,在冥王星如此低温状态下,水冰的性质就像岩石一样。

◎冥王星结构示意

以往从地球附近观测冥王星,我们只能观测到高出冥王星表面约50千米,最高到约270千米的大气层,而此次新视野号观测到了从冥王星表面到1 600千米高处的大气分布,帮助科学家建立了完整的大气剖面图。很多人戏称“九年的日夜兼程,只为了看你一眼”,新视野号代表人类看向冥王星的这一眼,真的值回了七亿美元的票价!未来,随着研究的不断深入,还会有更多关于冥王星的消息涌现。