爱华网十年的等待——新地平线号
(2015-07-06 14:59:59)标签：天文冥王星柯伊伯带新地平线号 |
再过不到10天，有史以来第一个人造星空探测器将造访冥王星(Pluto)。2015年7月14日，协调世界时(UTC)11时49分57秒，新地平线号(NewHorizons)将以每秒13.8公里的速度，从离冥王星13695公里处的宇宙深空掠过。
为什么要探测冥王星？
新地平线号飞抵冥王星(艺术想象图)
新地平线号的主要任务是探测冥王星及其卫星卡戎(Charon)构成的双行星系统，这也是最后一个被探测器所造访的传统意义上的行星，这项任务旨在帮助我们了解太阳系的边缘世界。随后，做为探测扩展任务的一部分，新地平线号将继续探测一个或多个游弋在海王星(Neptune)轨道外柯伊伯带(KuiperBelt)中的天体。
科学探索的边界
众所周知，太阳系系统包含三个区域。由岩石行星组成的内行星带，气体巨型行星带以及柯伊伯带。冥王星则是第三个冰冷的区域中最大的一颗行星。21世纪初，美国国家科学院将这一区域——特别是冥王星-卡戎双行星系统——的探测任务列为未来十年中的优先目标。新地平线号就是美国宇航局(NASA)为了完成这一目标而施行的行星探测任务。
在这些区域当中，太阳系中的行星主要分成三类。由岩石和金属组成的行星(水星、金星、地球和火星)，气体和冰组成的巨行星(木星、土星、天王星和海王星)，以及柯伊伯带的冰矮星。目前为止，除去我们现在已经知道的冰矮星外，还有更多的冰矮星等待被发现，这些行星的数量要大大多于岩石和气体行星，到目前为止，也没有任何一艘探测器去探索冰矮星。美国国家科学院认为，这一缺陷导致我们对于行星类型的知识是严重不完整的。我们的首要任务就是去探测这类行星，新地平线号将填补这一重要空白，填充我们对太阳系内行星的认知和知识。
古代遗址
冰矮星是行星的胚胎，它们成长的大小(直径通常在500km到2500km以上)比太阳系内部完全成熟的行星和气体巨行星都要小的多。冰矮星是形成超过40亿年的古遗址，因为它们可以说是外轨道较大的行星尸体聚合在一起形成的，冰矮星将告诉我们行星形成的秘密。新地平线号将寻求这些答案。
双行星系统
冥王星最大的卫星卡戎，有冥王星一半大小。它们形成了一个双星系统，引力平衡点处于这两颗星体之间。虽然双星系统在银河系中是一种常见的现象，但是目前尚未有探测器探测。新地平线号将第一个探测双星系统。
探测任务影响
柯伊伯带是地球上彗星撞击的主要来源，可能像是恐龙灭绝的那次撞击一样。新地平线号将通过测量列编冥王星或者它的卫星上，甚至或许是其他柯伊伯带天体上数目不一的陨石坑及大小，探测并揭开柯伊伯带中的这些撞击物的神秘面纱。
据我们现在了解的知识，冥王星和柯伊伯带富含有机分子(碳)和水原冰，这是生命进化的必需物质。新地平线号将探测研究冥王星及其卫星上，以及其他柯伊伯带天体上的这些物质。
大逃逸
冥王星的大气系统事实上是直接扩散到了宇宙空间之中，在太阳系的其他地方没有这样的存在。这种情况被认为如同地球形成早期，氢-氦组成的大气系统直接扩散到宇宙空间一样的状态。通过研究冥王星大气的逃逸状态，我们可以深刻的洞悉地球大气系统的演变情况。新地平线号将测定冥王星的大气结构以及组成，并首次计算它的大气逃逸率。
探索的需要
做为第一个探测太阳系边缘冰矮星的探测器，新地平线号探测器履行的是一次历史性的任务。我们已经探测了从水星到海王星所有的行星系统，新地平线号探测冥王星及柯伊伯带，是NASA继30年前的旅行者任务之后的又一次深空行星探测任务，这也使我们完成了对传统意义上的太阳系的探索任务。
冥王星之旅
任务设计
飞机直飞可能是你达到目的地最快的方式，然而到达冥王星最快的路线则必须绕道木星一趟。巨行星的引力可以将探测器像“弹弓”一样弹向太阳系之外。
有两个原因令科学家希望可以尽快探测冥王星及卡戎。第一是因为冥王星的大气层。自从1989年以来，冥王星向着离太阳越来越远的轨道方向运行，这样一来它从太阳得到的热量将越来越少。随着冥王星变得越来越冷，科学家预计冥王星的大气将会“冻住”，所以研究小组想尽快到达那里，可以探测到密度大一些的大气层状态。
第二个原因是希望得到尽可能大的冥王星及卡戎的地图。在地球上，北极以及北极圈以北的地区有半年的黑夜以及半年的白天。同样的，冥王星和卡戎有一部分地区几十年中将看不到阳光。如果等待时间越长，冥王星和卡戎呆在“北极夜”中的时间就越长，这将会严重阻碍探测器拍摄到的行星表面图片的质量。
新地平线号飞行轨迹
绝佳的机会
通过计算得出，如果在2006年1月发射，新地平线号可以获得木星的引力弹射的帮助。2007年2月，新地平线号在离木星系统50000英里处掠过，并最终在2015年7月飞抵冥王星。
在从木星飞往冥王星的途中，科学小组监控着飞船的健康状态，并同时规划与计算它与冥王星的汇合路线。与此同时，科学家从地球上通过望远镜观测飞掠冥王星之后的柯伊伯带中的天体情况，将作为此次任务的后续扩展任务。
接近
飞船上的相机将在新地平线号到达冥王星之前几个月就开始启用并工作，冥王星及卡戎刚开始看起来只是两个亮点而已，但是随着飞船的靠近，它们的图像会越来越清晰。当离冥王星掠过日期还有三个月的时候，这时探测器距冥王星有105000000公里远，飞船上的相机可以拍摄第一组地图。在这三个月当中，探测团队将持续拍照并进行光谱测量。
冥王星和卡戎每6.4地球日互相旋转一周，在离冥王星还有两个冥王星日的距离时(11-12个地球日)，探测团队将收集飞船发回的数据并编译地图，每隔半天测量冥王星和卡戎的光谱。通过比较这些地图，团队可以观测冥王星一天中表面的变化，观测的比例将精确到48公里，这些天气的变化有可能是由新的降雪和其他情况造成的。
到达
飞船抵达最近处时，距冥王星有12500公里，而离卡戎则有28800公里。在途中，新地平线号将寻找冥王星大气中的紫外线反射并制作最佳的冥王星与卡戎的地图。同时也将绘制近红外光光谱图，这将告知科学家冥王星和卡戎的表面组成以及不同物质所处地点的温度。
在飞船靠近冥王星最近的半小时中，相机将会绘制冥王星可见光和红外光的特写照片，照片的精度将可以缩小的60米并且包含整个冥王星表面。
当飞船穿越冥王星和卡戎之后，它的任务还远远没有完成。回头观测冥王星及卡戎夜晚的阴暗一面是探测其大气层迷雾的最好方式。观测是否有光环，以及弄清楚其表面是否是光滑还是粗糙。此外，飞船将通过冥王星及卡戎投射的阴影，它可以反过来观测太阳和地球，探测太阳传来的光以及地球发射过来的无线电。
飞离冥王星
在飞离冥王星系统之后，通过批准的扩展任务，飞船将重新定位并探测柯伊伯带天体。柯伊伯带中的哪个天体将会被选中，要等到冥王星探测任务结束时才会知晓。但是科学家已经在研究几个目标，它们的大小可能是直径25-50公里左右的小天体。这次任务与冥王星任务类似，飞船将绘制天体的地图，从红外光谱和四色地图获知其组成，以及探索大气或者卫星。
任务时间线
新地平线号发射升空
发射
发射时间：2006年1月19日
发射运载器：一级火箭：Atlas V 551 ，二级火箭 ：半人马火箭(Centaur)，三级火箭：Star 48B 固体火箭
发射地点：美国弗罗里达卡纳维拉尔角空军基地
轨道：木星引力弹射
航行
发射初期：最初的13个月包括了飞船和仪器校准，轨道修正以及与进入木星引力区时的演练。2006年4月7日，新地平线号掠过火星轨道，2006年6月，它发现了一颗小行星，后来被命名为“APL”。
与木星相遇：2007年2月28日，新地平线号到达离木星最近点。它以每小时约82000公里的速度(每秒钟23公里)从离木星230万公里处掠过，这比卡西尼号探测器(Cassini)离木星的最近点要近3-4倍。
星际航行：在飞越木星到冥王星大约8年的时间中，科学家每年都会给新地平线号做常规检查，包括轨道修正，仪器校准以及与冥王星相遇时的演练。在巡航期间，新地平线号穿越过了土星轨道(2008年6月8日)，天王星轨道(2011年3月18日)和海王星轨道(2014年8月25日)。
新地平线号任务时间线
与冥王星相遇：
从2015年1月开始，新地平线号探测任务进入了一个全新的阶段。2015年7月14日，它将到达与冥王星最近点，此时它距冥王星约12500公里，距卡戎约28800公里。
新地平线号探测冥王星任务时间线
飞离冥王星：
新地平线号飞越冥王星后，将进入柯伊伯带，它携带有额外的燃料将有可能去探测柯伊伯带的星体。在如此远的距离下，它的通讯系统仍然可以继续发回信息，它所携带的科学仪器可以在比冥王星处更暗淡的阳光下继续工作。
因此，新地平线号的科学团队曾特意寻找飞船可以到达的柯伊伯带天体。在21世纪初，科学家还没有找到这样的天体，因此他们决定让新地平线号直接飞入柯伊伯带中，从这些直径20-50公里的天体中间飞过，它们可能是更为原始的，比冥王星构成更为不完整的星体。
新地平线号航行轨迹示意图
2014年，新地平线科学小组利用哈勃望远镜发现了3个柯伊伯带小天体，它们直径都在20-55公里之间，位于冥王星外10亿英里之外的深空，新地平线号可能在2018年底或者2019年与它们相遇。
2015年夏天，当新地平线号飞越冥王星后，科学小组将于NASA合作，从三者中选择最佳的候选者。2015年秋天，操作员将启动新地平线号的发动机，在最合适的时间选择到达目标最佳的路线，开启新的旅程。
科学家发现三个候选柯伊伯带天体
其中的一个小天体与冥王星大小对比图
在主要探测任务完成之后，所有NASA的任务将是寻求更多的探索成果，科学家并因此向NASA提交一份建议以便继续资助扩展任务。探索更多的柯伊伯带天体的提案将在2016年进行，它会通过一个独立的专家小组进行评估。科学家将全面评估飞船的健康程度和仪器的有效载荷，以及探索柯伊伯带天地的科学价值，飞行所花费的成本以及将要探测的目标等等。如果NASA批准了探测任务及资金，新地平线号扩展任务将在2017年展开，科学团队将计划和测试与新的星体相遇的任务(发生在一到两年之后)，并将继续操作控制新地平线号。
新地平线号探测柯伊伯带天体(艺术想象图)
关于冥王星(目前我们知道的)：
距太阳平均距离：39.482AU=5900000000公里
距太阳最近距离：29.658AU=4400000000公里
距太阳最远距离：49.305AU=7400000000公里
公转周期：248年
表面温度：-238到-218摄氏度=35-55开尔文
冥王星卡戎
半径：1140-1200公里603.6+-1.4公里
质量：1.3x1022kg0.153x1022kg
密度：1.8-2.1gm/cm31.66+-0.01gm/cm3
表面组成：冷冻水氮气甲烷一氧化碳冰
大气组成：氮气甲烷一氧化碳未探测到大气
自转周期：6.39天6.39天
公转周期：6.39天
(绕冥王星)
太阳系大家庭
冥王星公转轨道
冥王星公转轨道
大多数行星在同一轨道平面上绕太阳旋转，这个轨道称之为黄道。冥王星的轨道则是倾斜的，轨道倾角大约为17.14度，这在太阳系行星系统中是最大的，其次则是水星的7度。
冥王星和卡戎运动方向
冥王星与卡戎运动情况
大多数行星的自转轴与公转轨道基本是垂直的，而唯二例外的是天王星和冥王星，它们几乎是躺在黄道上进行公转，而像大多数卫星一样，卡戎围绕着冥王星的赤道进行旋转。
自转锁定
冥王星自转和卡戎公转的时间都是6.4天。以上动画演示了把人放在冥王星和卡戎上发生的情况，并想象他们看到天空中的效果。“蓝色”的人将看到同一地点所有时间内天上的一切物体，“红色的人”则看不到任何其他物体。所以如果你是那个红色的人，在冥王星上是看不到卡戎的，同样如果你在卡戎上，则不会察觉冥王星的存在。
柯伊伯带
柯伊伯带示意图
1992年，Dave Jewitt和JaneLuu在夏威夷大学在深空探测中发现了一个小天体，命名为1992QB1，它绕太阳公转的轨道在海王星之外离太阳大约40天文单位的距离。从那时起，在海王星外的这片地带陆续发现了1000多个类似的天体，科学家估计有上百万直径大约为20英里的小天体在这片广袤的深空游弋并且等待着我们去发现。
我们将这片挤满小天体的区域称之为柯伊伯带(Kuiper Belt)，以纪念荷兰裔美国天文学家杰拉德-柯伊伯(GerardKuiper)，他在1950年代经过研究观测，推测在海王星外存在有为数众多的小天体。对此研究成果的归属仍有争论，有人认为应该将其称之为埃奇沃思/柯伊伯带(Edgeworth/KuiperBelt)，用来纪念爱尔兰科学家肯尼斯-埃奇沃思(KennethEdgeworth)在1940年代发表的类似研究成果，或者简单的称之为海王星外天体。在内太阳系内发现的大多数短周期彗星都来自柯伊伯带，它们大多数时间被“冷冻”在那里，直到有随机的扰动情况下，它们才会飞向太阳。
柯伊伯带天体分类
从我们迄今为止发现的柯伊伯带天体来看，基于它们运行的轨道可以分为如下几类：
1“冷”柯伊伯带天体：“冷”在这里不是指温度，而是说这些天体有序并泰然自若的运行轨道。冷柯伊伯带天体占据着一个狭长的地带，大约有6AU宽，位于距太阳42-48AU的区间，并且大约有7AU厚。它们通常比其他的柯伊伯带天体更小且显得颜色更红，说明它们可能有不同的起源。
2“热”柯伊伯带天体：同样的，“热”指的是这些天体狂乱无序的运行轨道。虽然它们到太阳的平均距离与冷柯伊伯带天体类似，但是由于较大的偏心率和轨道倾角导致这些天体游弋在远超过离太阳平均距离的空间。如果大多数柯伊伯带天体一样，它们的大小和颜色各不相同，且比冷柯伊伯带天体更大和更灰暗。
3共振柯伊伯带天体：这些小行星处在海王星的引力影响之下，它们的运行轨道也深受其影响。3：2的共振影响，包括冥王星在内，意味着它们每绕太阳公转两周，海王星则公转三周。这些天体有时被称为“类冥王星”，或者是小冥王星。2：1的共振率则在离太阳更远的地方，这时它们每绕太阳公转一周，海王星会公转两周。
4离散柯伊伯带天体：这些天体在过去运行的轨道很可能靠近了海王星，因为海王星引力的影响导致它们的运行轨道变得非常癫狂，它们离太阳最远可能达到数百个天文单位之外，而最近时甚至比海王星离太阳还要近。
孤独的塞德娜远远望着太阳(艺术想象图)
塞德娜公转轨道(红色)示意图。木星是橙色，土星是黄色，天王星是绿色，海王星是蓝色，冥王星是紫色。
5最后一类是非常新的分类，目前为止只有两个已知的成员，分别是塞德娜(Sedna)和2012VP113——仍然没有正式的名字。事实上，它可能不会被命名并且不会被划分为柯伊伯带的一员。塞德娜的运行轨道比太阳系内任何已知的柯伊伯带天体都要远，它离太阳最近的距离也没有小于76天文单位，而远日点则在1000天文单位之外，公转周期达到了12000年。塞德娜的体积有冥王星一半大小，可能是那些还未被发现的众多类似星体中最大的一个。
柯伊伯带天体大小和颜色
已知柯伊伯带天体大小和颜色区别
最大的两个柯伊伯带天体是冥王星和阋神星(Eris)，直径大约有2380公里。有6个已知的柯伊伯带天体直径在1000-1500公里之间，包括卡戎。科学家认为，还将会发现直径在1000-2000公里之间的柯伊伯带天体，但是大多数天体会小得多。
柯伊伯带天体表现出不同的反射率和颜色。冥王星非常亮，有60%的反射率。相比较，地球和月亮只有10%而已。冥王星较高的反射率意味着表面存在新鲜的冰或者雪，这可能是新近的大气或者地质活动的挥发物冷凝的结果。
其他的柯伊伯带天体则较为暗淡，反射率从4%-20%不等。那些最黑暗的星体表面可能覆盖着复杂的化学富碳聚合物。大多数柯伊伯带天体的颜色呈现出灰色到红色的状态，表明这些星体的表面组成和演化具有广泛的多样性。由于柯伊伯带天体的模糊形态，科学家一直难以得到红外光谱来证明有特定矿物质和冰的存在。在几个柯伊伯带天体表面发现了淡淡的水冰存在，包括冥王星和卡戎。
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冥王星的发现
帕西瓦尔-罗威尔：寻找新行星
帕西瓦尔-罗威尔
冥王星的发现的故事开始于帕西瓦尔-罗威尔(PercivalLowell)，亚利桑那州弗拉格斯塔夫罗威尔天文台的的创始人。罗威尔醉心于“海王星外行星”的假说，他认为可以通过对海王星轨道的计算得出这颗行星的位置。毕竟，海王星是因为天王星轨道的不规则运动，而在1846年被发现的。天文学家推测，天王星和海王星受到了这颗神秘行星引力的明显影响，通过计算应该可以在天空中找到。
罗威尔就是其中的几个人之一(威廉-H-皮克林——William H.Pickering是另一个)，他们通过计算运行轨道并且仔细地在天空中新行星可能出现的地方寻找。罗威尔建立了一个天文台并且资助3个不同的团队进行寻找新行星工作，他于1916年去世，在去世之前没有任何发现，但是天文台的工作仍然在继续。1929年，一个装有13英寸镜头的特制相机被安装到了望远镜之上用于搜寻工作。
克莱德-汤博：发现冥王星
克莱德-汤博
天文台主任维斯托-斯里弗( VestoSlipher)聘请了一名年轻的堪萨斯人对第三次搜索的结果进行研究——一个轻微的抖动令克莱德-汤博(ClydeTombaugh)成为了第一个发现行星的美国人。业余天文学家汤博被雇佣来冲洗新摄像机在夜间拍摄的照片，经过与白天拍摄的照片仔细对比，他通过瞬变比较镜在1930年2月18日，终于找到了他要找的：在双子座方向一束缓慢移动的光投射的小点。
发现图像：
冥王星发现图像
汤博着手从黄道平面寻找一个新的行星。事实证明，罗威尔的计算是基于对天王星轨道的摄动有缺陷的数据。尽管如此，罗威尔计算并预测两个位置之一恰好是正确的，最终导致了冥王星被发现。汤博很幸运，只是寻找了几个月之后便发现了冥王星。根据汤博和摩尔在1980年出版的书《走出黑暗：发现冥王星》中写到，他在间隔了几天时间内拍摄了两组照片，试图寻找有移动的物体。在恒星的背景之中，任何行星的移动都会留下痕迹，因为地球是移动的，在相隔的几天中会移动到一个不同的观察角度。这一发现的拍摄图像只相隔6天，从1930年1月23日到29日。在冥王星被发现后，汤博就开始了对整个黄道的艰苦搜索，转向了在太阳系外的任何其他对象。
冥王星的命名：
维尼西亚-伯尼
这颗新行星随后在1930年被命名为冥王星(Pluto)，这个名字是由英国牛津郡一名11岁的小女孩维尼西亚-伯尼(VenetiaBurney)提出的。这个名字收到了罗威尔天文台的天文学家们的青睐，因为它的前两个字母刚好是帕西瓦尔-罗威尔名字的缩写。现在回想起来，冥王星的发现对于轨道的扰动不能解释罗威尔基于天王星和海王星的轨道扰动计算，因为冥王星的质量太小，不足以产生计算得出的如此大的扰动情况。这一发现应该更归功于汤博在搜寻天空时非凡的毅力和勤奋。
