十年前的今天 地球人对冥王星做了一件大事

　　文/杭田园 （微信公众号：太空梦想）

　　2006 年 1 月 19 日，人类发射了首个冥王星探测器——“新视野号”（又译“新地平线”号探测器）；2015 年 1 月 15 日，经过 9 年长途跋涉的“新视野号”，到达距地球约 47 亿千米远的冥王星附近，开始触手探及太阳系最后一块未开垦的“处女地”，打开人类的新视野，探测太阳系边缘的冥王星及其卫星，然后飞向柯伊伯带（Kuiper Belt），去寻找关于太阳系起源和地球生命起源的线索。

　　2016 年 1 月 19 日，“新视野号”冥王星探测器发射十周年！多么重要的日子。

　　想说爱你不容易

　　冥王星在太阳系的边缘，要想专门探测它很困难，所以一直没有探测器走近它。在 20 世纪 90 年代末，NASA 曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”的计划，目的是探测冥王星和其卫星卡戎以及柯伊伯带天体。它原计划于 2004 年 12 月 18 日发射，但由于研制经费超支等多种原因被 NASA 下马了。

　　不过，此举遭到了很多天文学家的激烈反对，他们坚持要让探测冥王星计划再次上马。美国行星学会还发动了“拯救冥王星计划”运动，最后 NASA 终于改变策略，于 2000 年 12 月 20 日发表了声明。他们将不采用原计划，而是向全球征集新方案，并提出了比较苛刻的要求：一是要在 2015 年前飞抵冥王星，另一个是花费金额不能超过 5 亿美元。公开征集截止日期为 2001 年 3 月 19 日。而这公开地由 NASA 以外的研究小组参与太空计划的竞标，在美国历史上还是首次。评论家们认为此举是为堵住批评者的嘴。

　　为这项任务，美国行星学会自掏 400 万美元研制“宇宙”1 号太阳帆，试图用太阳光压做动力来实现冥王星的探测。从理论上讲，一个太阳帆式航天器在其飞行 3 年后能达到约 16 万千米每小时，按此速度飞行，它能在 5 年内抵达冥王星。但“宇宙”1 号太阳帆任务执行得并不顺利，先后 2 次发射失败。

　　最后，来自美国西南研究院和霍普金斯大学应用物理实验室的一个联合小组提出的“新视野”计划被认可。该计划总预算额为 4.88 亿美元，它能发回比原来的“冥王星-柯伊伯快车”计划多 10 倍的观测数据，如果 2006 年 2 月以前发射，它能于 2015 年夏天抵达冥王星。于是，NASA 于 2001 年 12 月宣布，重新启动冥王星探测计划。

　　2006 年 1 月 19 日，美国终于发射了名为“新视野”的世界首个冥王星探测器。这个三角钢琴般大小的探测器以 5.79 万千米每小时的速度飞行，接近第 3 宇宙速度，因此成为人类有史以来发射的最高速飞行器。

　　“新视野”在发射后 9 小时内飞过月球，而当年美国发射的“阿波罗”系列飞船需要用 2.5 到 3 天的时间。即使这样，它从地球到木星也需要 13 个月，然后借助木星的巨大引力进一步提速，飞向遥远的冥王星，行程总计 48 亿千米， 2015 年 7 月将到达距冥王星最近的地方，对它及其卫星开展人类首次近距离探测活动，然后，去探测冥王星之外由一个彗星和其他宇宙碎片构成的中间环带——柯伊伯带。

　　“三明治”拓荒边疆

　　“新视野”号主体形状犹如一块三角形三明治，其全名叫“新视野－拓荒边疆”，也被译成“新地平线”。

　　它有两大主要任务：一是探测位于太阳系边缘的冥王星及其卫星卡戎；二是探测位于柯伊柏带的小行星群带。

　　具体说来，“新视野”至少要完成 3 项工作：一，利用平均分辨率达 1 千米的望远镜观测并描绘冥王星和卫星卡戎的表面情况（现在分辨率最高的“哈勃”望远镜的分辨率为 500 千米左右）；二，测定冥王星和卡戎表面土壤的构成情况；三，测定冥王星大气层的组成情况和流逸现象发生情况。

　　此外，美国还希望“新视野”能够监测到冥王星的表面温度波动情况以及将至少一个柯伊伯带天体作为冥王星的对照天体，并对其进行与冥王星完全相同的研究，以获得对照资料，从而进一步了解太阳系。

　　一年前，“新视野号”到达冥王星时，项目负责人斯特恩说：“此次抵达冥王星，感觉会像走进糖果店的小孩子一般兴奋。因为，冥王星及其卫星以及太阳系中的这一区域存在如此多谜团。探索冥王星和柯伊伯带就像是对太阳系外层进行考古挖掘工作。通过考察这片区域，我们可以一窥行星形成的古老时代。”

　　“新视野”装有放射性同位素热电发电机。这是由于冥王星距离太阳太过遥远，太阳光要经过 4 个多小时长途跋涉才能来到冥王星，而且其亮度只是地球上所看到的太阳光亮度的千分之一，所以在其漫漫征途中，“新视野”所需的电力无法由太阳能电池提供。为此，它依靠所携带的 10.9 千克钚丸提供稳定的电力。这个发电机位于探测器的尾部，内装的钚-238 衰变时会释放出热量形成温差从而发电。在此前的 40 多年里，放射性同位素热电发电机曾在 25 次太空探测中使用，其中包括 6 次“阿波罗”探月飞行任务，2 次探测木星和探测土星的飞行，以及 2 次探测火星的飞行。

　　外表倾斜的“新视野”探测器发射时的质量为 453 千克，介于 2 位前辈之间：它重于“先驱者”探测器，却比“旅行者”轻，与“卡西尼”或者“伽利略”相比，算是一个中等大小的行星探测器。这个看上去像一把短锹和铁锅组合的家伙一共携带了 30 千克的科学仪器和 77 千克的推进剂，后者用于在航行过程中修正轨道或改变航向。由于可利用木星引力进行辅助加速，并且在冥王星附近无需减速，所以“新视野”没有携带过多的燃料。

　　“新视野”高 0.7 米，长 2.1 米，最宽处约 2.7 米。其推进系统包括 16 个单元肼推力器，其中 4 个 4.4 牛推力器用于轨道修正，另外 12 个 0.8 牛推力器用于对探测器的自旋进行加速或减速。通信采用X频段，包括 1 副直径 2.1 米的高增益碟型天线、1 副中增益碟型天线和 2 副宽波束低增益天线。大部分情况下，探测器采用X频段高增益天线与地面通信。当探测器到达冥王星时，即距离地球 49 亿千米，数据率仅为 700 比特每秒，将整套数据传回地球需要 9 个月。其上的放射性同位素热电发电机在任务初期功率为 240 瓦，2015 年功率降为 200 瓦。

　　它采用三轴稳定（科学探测阶段）和自旋稳定（巡航阶段）2 种姿态控制模式。其中，自旋稳定控制模式用于轨道修正机动和巡航阶段的休眠期，额定自旋速率为 5 转/秒。它是世界上首个使用“深空网信标侧音”（beacon tone）系统的探测器，该系统曾在 1998 年的“深空”1 号任务中进行了飞行验证。

　　由于冥王星与太阳相距太远，所以“新视野”有 2 个特点：探测器平台及所载遥感设备的寿命必须很长，至少为 10 年以上；其各分系统必须能耐得住低温，并且不能用太阳能电池为探测器提供电力。

　　拓展视野 7 只眼

　　“新视野”携带了 7 台科学探测仪器：3 架照相机分别用于拍摄可见光、红外线和紫外线照片；3 台光谱仪用来研究冥王星大气及地表物质的成分和温度；还有一部尘埃计数器。它们将获得 25 米分辨率的图像，1.6 千米分辨率的 4 色全球白天图片，7 千米分辨率的超光谱近红外全球图像和对选择区域 0.6 千米分辨率的图像，还可获得大气层的特征。

　　这 7 台科学探测仪器，犹如“新视野”的 7 只眼，其具体结构和效能如下：

　　1、可见光－红外成像光谱仪，代号拉尔夫（Ralph）。它由多光谱可见光成像仪（MVIC）和线性标准成像光谱阵列（LEISA）组成，前者工作在可见光范围内，并拥有 4 个不同的滤光镜以拍摄彩色地图，后者工作在红外波段。该仪器用于绘制冥王星和卡戎表面的高分辨率黑白和彩色地图，收集其表面物质成分和温度图，以及柯伊伯带深处的天体图像。这台仪器是鲍尔宇航技术公司研制的，是“新视野”号任务的核心载荷，有望改变人类对冥王星、卡戎和柯伊伯带天体的了解。由于冥王星距离太阳十分遥远，拉尔夫的数字成像能力被设计成在比地球上日光弱 1000 倍的光亮级别上获得数据。它重约 10.9 千克，虽小但结实，运行时耗电量不足 7 瓦。

　　2、远程勘测成像仪，代号 LORRI。它是探测器上分辨率最高的成像仪器，由一台光学望远镜组成。该仪器用于拍摄冥王星和卡戎表面某些特定地区的最高分辨率图片。

　　3、冥王星周围太阳风分析仪，代号 SWAP。该仪器用于探测冥王星附近的太阳风带电粒子，以确定冥王星是否具有磁场和它的大气逃逸率。

　　4、紫外成像光谱仪，代号 Alice。它不仅能像分光计那样把不同波长的光分离，还可以拍摄到在不同波长的光照射下的目标照片。该仪器用于探测冥王星大气组成成分。

　　5、冥王星高能粒子光谱仪，代号 PEPSSI。该仪器用于探测从冥王星大气中逃离出的中子，这些中子最终会在太阳风的作用下带上电荷。

　　6、无线电科学设备，代号 REX。该仪器用于探测冥王星大气层的温度和密度。

　　7、学生尘埃计数器，代号 SDC。它是在科学家的指导下由美国科罗拉多大学的学生研制的，将在探测器的整个旅程中，沿途统计宇宙尘埃的数量并测量它们的大小。这些尘埃主要是彗星的脱落物及柯伊伯带天体的相互碰撞形成的物质。

　　我们期待着“新视野”带来冥王星以及柯伊伯带的大量信息，为我们打开一个新的视野。

　　“神探”千里走单骑

　　“新视野”航行的头 13 个月的任务主要是通过遥测来检测探测器、校准仪器和修正航线。它于 2007 年 2 月底接近木星，飞到离木星最近处约 227 万千米的位置，即比“卡西尼”土星探测器还要接近的距离飞过木星，以借助木星的引力为自身加速到 7 万到 7.5 万千米每小时，然后再直飞冥王星。此外，利用飞越木星的机会，探测器对这颗行星和其卫星进行了考察。

　　在此后从木星飞往冥王星的 8 年时间里，“新视野”上的绝大部分仪器将处于电子休眠状态。以便节约电力，延缓设备老化并降低运营开支。不过，每隔几个月，其上的设备都会定期被唤醒以便接受例行检查及轨道校正和仪器校准，或是执行一些特定的任务，如 2007 年路过木星附近时，“新视野”对木星进行了考察。此外，“新视野”每周还会发回一个信号，被称作“绿色信号灯”，其目的是让控制人员知道它还活着，没有死，只是睡着了。

　　在接近冥王星时，所有系统都会被唤醒，并开始探测。刚开始，冥王星和卡戎是不能分辨的亮点，但随着探测器逐渐靠近，就能看到越来越多的细节。

　　当“新视野”距离冥王星约 100 万千米时，其上的各种设备会开始工作，对冥王星和其卫星进行全方位的探测，并向地球传回图片。当“新视野”距冥王星还有 16 万千米时，其上的相机就可开始绘制第一批地图。以后的 3 个月里，它将不断地拍摄照片，进行光谱测量。如果那时冥王星的大气是冻结的，“新视野”还能观测到季节的变化。

　　“新视野”与冥王星的最近距离为 9600 千米；与卡戎的最近距离为 2.7 万千米。它处于最近距离的时间约为半个小时。此间，探测器将用可见光和近红外相机拍摄最为清晰的冥王星和卡戎“特写”，最清晰时能分辨冥王星上达 60 米的地貌！

　　2015 年 7 月，“新视野”飞越冥王星和卡戎，时间约为 1 地球日。其间，它将探测冥王星大气层发出的紫外线辐射，并分别在绿、蓝、红和对甲烷霜敏感的特殊波段绘制冥王星和卡戎清晰的地图。它还将在近红外波长上获取光谱图，以了解冥王星及卡戎表面成分和这些物质的分布及温度。当探测器飞过冥王星到达其阴面时，探测器将借助卡戎反射过来的光线继续对冥王星阴面地表情况进行探测。此外，科研人员将从地球向冥王星发射无线电波，那些穿过冥王星大气层的无线电波被探测器上的巨型天线接收后，其上的仪器会根据无线电波的折射情况推算出冥王星大气层的温度和密度。

　　随着与冥王星的距离逐渐减小，“新视野”拍摄的冥王星图像会越来越清晰。到 2015 年 5 月份，“新视野”拍摄的冥王星图像质量将超过“哈勃”太空望远镜；而到 7 月份，这颗探测器或许将拍摄到冥王星上漂浮的云层或冰火山喷发（科学家们认为这类现象可能存在于冥王星表面）。

　　更远的使命

　　其实，让“新视野”按计划于 2014 年 12 月 7 日苏醒的指令，早在 2014 年 8 月地面对它进行一次例行检查期间就上传了。但这次唤醒是一次分水岭事件，标志着“新视野”此行的主要目的——2015 年探索冥王星及其卫星的活动正式开始了。从此，“新视野”将一直保持“清醒”状态，直到 2015 年 7 月 14 日，“新视野”在这一天抵达距离冥王星的最近位置。

　　唤醒后的数周里，“新视野”的地面团队全面检查了这个探测器。其上的科学探测设备都由放射性同位素热电式发电机供电，这一核电源提供的电力仅能供一对 100 瓦灯泡使用，却可支撑近 6 个月的探测任务。

　　由于冥王星自身的独特性，在考察过程中“新视野”可能存在着诸多不确定性——或许那里还有更多卫星尚未被发现，甚至或许冥王星拥有光环。当它近距离掠过冥王星时，观测采集的数据量将会异常庞大，探测器根本来不及向地球回传。因此它将会暂时存储这些数据，然后陆续向地球回传。

　　那么，为什么“新视野”不进入冥王星轨道进行长时间观测呢？其原因有两个：一是，其飞行速度必须非常快，这样才能用 9.5 年时间到达距离地球 50 亿千米的冥王星，因此，如果“新视野”要进入冥王星轨道，它必须将速度降低 90%，这就要求多携带 1000 倍的燃料，而“新视野”所携燃料又不足以供减速和进入环冥王星轨道之用；二是，如果进入冥王星轨道，“新视野”将无法继续前行，探测柯伊伯带。它将在与冥王星及其卫星“亲密接触”后，继续前行并一去不返。

　　当飞离冥王星和卡戎后，“新视野”还将回视冥王星和卡戎最为阴暗的部分，这是观察冥王星大气中的雾及辨认冥王星和卡戎表面是否平坦的最好方法。

　　2015 年 7 月 14 日，在完成对冥王星的考察工作后，“新视野”将于 2017 到 2020 年进入柯伊伯带，探测至少 2 个直径为 40 到 90 千米的柯伊伯带天体，这一阶段可能会持续 5 到 10 年。

　　在那之后，“新视野”上的计算机将会被重置，上传由“一个地球新视野信件”项目(One Earth：New Horizons Message)收集的有关地球的各种信息（由全世界各地的人们提交的各种材料，包括照片，声音，文字，甚至是计算机程序），“新视野”将带着这些来自地球上人们的各种信息一直飞向遥远的恒星际空间！