——“新視野號”飛越冥王星最新成果解讀

原本你只是希望出去散散步，沒想到卻一路驚喜不斷。“新視野號”獲得的初步結果，讓冥王星從望遠鏡中的暗淡圓點，變成了活力四射的萌王星，拉近了與人類之間的心理距離。

大片上映前的小插曲

經歷了近10年的漫長旅程，就在即將飛越冥王星的前10天，“新視野號”飛船突然與地面控制中心失去了聯(lián)系。NASA官方網站在第一時間貼出了故障通告，一時間科學家們的朋友圈被一片驚嘆號和問號淹沒了，“納尼?。。?？”，“新視野號”到底怎么了？
實際上，僅僅80分鐘后，APL的地面控制中心就與飛船重新建立了通信聯(lián)系。工程師們在分析故障原因時發(fā)現，原來，在“新視野號”即將飛越冥王星之前，地面控制中心給“新視野號”發(fā)了多條指令，要求它穿衣戴帽，防止受涼，干這干那。
“新視野號”飛船當時正執(zhí)行著壓縮已有探測數據的指令，以便為即將飛越冥王星的探測騰出數據存儲空間；工程師們又讓它執(zhí)行飛越冥王星前所需的指令。飛船搭載的計算機需同時并行處理兩條指令，超過了計算機處理器的處理能力，為了自保，飛船自動切換到安全模式，暫停執(zhí)行一切指令。
有人會問，“新視野號”這次出遠門，7.2億美元都花了，為什么不買個好點的計算機？要知道，飛船是十年前發(fā)射的，雖然已經用了當時較先進的硬盤和處理器，但處理能力仍然捉襟見肘。航天器上的計算機屬于高可靠性的航天級產品，需確保能抵抗太空輻射和高能粒子、能抵御發(fā)射時的高頻振動、以及具有數十年的超長工作壽命，不同于中關村賣的民品計算機。而且，航天產品與地面設備的最大差異，在于一旦發(fā)射升空，就很難再檢修，所以要事前考慮到可能出現的各種故障，并提前準備好故障預案。
在中國航天界，航天器一旦出現故障需要進行“歸零”，對故障原因要求做到“定位準確，機理清楚，問題復現，措施有效，舉一反三”，這也是保證我國航天發(fā)射高成功率的重要保障。相信NASA也有相似的航天工程管理規(guī)范和故障歸零制度。不管怎樣，地面控制中心的工程師們經過分析，準確定位了故障原因，在退出安全模式并重啟計算機后，飛船指令執(zhí)行恢復正常。工程師們拍著胸口向首席科學家斯特恩打包票：“在飛越冥王星的時候，不會再出現同樣的問題了。”
當然，新視野號飛越冥王星前這個有驚無險的小插曲，像一部劇情跌宕起伏的懸疑片，吊足了觀眾的胃口，害得我等熱心觀眾浪費了不少口香糖，以緩解緊張情緒。這像極了任何一部好萊塢大片，在最激動人心的高潮到來之前總要折騰一下觀眾的小心臟。

新視野號任務標識

好戲如期上映

“新視野號”飛越冥王星是歷史性的一刻，是人類第一次從如此近距離探測冥王星。應用物理實驗室舉辦了規(guī)模宏大的慶?；顒?，迎接新視野號飛越冥王星。上千名員工和訪客參加了慶典，超百家媒體云集在柯薩科夫中心，向全球直播新視野號飛越冥王星的過程。
北京時間7月14日19：49分，“新視野號”飛船抵達最接近冥王星的位置，距離冥王星表面約為1.25萬千米。APL舉行了第一次新聞發(fā)布會，但發(fā)布會上公布的冥王星照片并非是“新視野號”從最近處拍攝的冥王星照片，而是在距冥王星76.6萬千米時拍攝的老照片， 7月14日凌晨才剛剛傳回地球。這是因為“新視野號”在飛越時需要非常專注地探測冥王星，沒有閑心與地面控制中心對話，所以無法傳回探測數據。
20：04分，“新視野號”最接近冥衛(wèi)一，距離冥衛(wèi)一表面約為2.88萬千米；
20：51分和22：18分，“新視野號”先后進入徹底黑暗一片的冥王星和冥衛(wèi)一的背影區(qū)；
7月15日上午9：02分，“新視野號”與地面進行了15分鐘短暫對話，告知它一切正常。最近距離飛越時拍攝的高分辨率圖像直到15日晚上才傳回地球。
由于冥王星與地球相距遙遠，以光速傳播的指令要4個半小時被飛船收到，而地面收到飛船發(fā)出的指令完成信號又需要4個半小時。這就像老北京見面打招呼“吃了么”，你回復一句“吃過了”，這么簡單的問候也需要9個小時才能完成。所以，”新視野號”飛船的所有控制指令都是很早之前就已經精確設計好并上傳給飛船，這些指令一旦執(zhí)行就只能聽天由命，無法中途撤回。
移動和聯(lián)通由于網速太慢飽受詬病，不過它們的網速比起“新視野號”飛船的“網速”已經可謂高速。飛船發(fā)回地球的探測數據下行速率僅為1.68kb每秒，即使“愛瘋”手機拍攝的2M大小的普通照片，傳回地球也需要20分鐘。因此，飛船飛越冥王星前后拍攝的大量照片和探測數據都將存儲在飛船上的計算機中，無法立馬傳回地球，而是在完成近距離拍照和觀測任務后，這部“大片”將在新視野號奔赴柯依伯帶其他天體的漫長旅途中下載，這些數據完全傳回地球需要一年多（16個月）的時間。

飛船表現堪稱完美

“新視野號”飛越冥王星的任務完全按原定計劃執(zhí)行，飛船表現堪稱完美，首席科學家斯特恩給“新視野號”打出了“A+”的高分。
“新視野號”攜帶了7臺重30千克的科學儀器。其中包括3臺光學設備（相機），分別是：遠程勘測成像儀（LORRI）、可見-紅外成像光譜儀（Ralph）、紫外成像光譜儀（Alice），分別拍攝可見光、紅外和紫外波段的照片?？梢?紅外成像光譜儀拍出來的是彩色照片，遠程勘測成像儀拍出來的是高清黑白照片，紫外成像光譜儀則拍攝紫外照片。
其它4臺儀器：太陽風測量儀（SWAP）、無線電科學實驗儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）、學生塵埃計數器（SDC），分別測量冥王星附近和表面的太陽風、大氣、能量粒子和塵埃。
“新視野號”此次飛越，搭載的科學儀器一切正常，獲取的總數據量約為50GB，目前探測數據仍在陸續(xù)傳回。
我們從照片中看到了冥王星表面的明亮色彩，但如果親臨冥王星，你會發(fā)現自己被騙了。因為冥王星根本沒有NASA公布的照片那么亮。因為冥王星上的光照僅為地球上的千分之一。甚至比很多地方的黑夜還要黑。之所以能拍出這些明亮的照片，是因為新視野號上的相機實際上是為冥王星特殊的光照條件私人定制的高級相機。

圖1 “新視野號”攜帶的科學儀器

在人類最高科技的深空探測任務中，女性照樣能頂半邊天。在新視野號任務團隊中有四分之一為女性成員（7月11日攝于約翰霍普金斯大學應用物理實驗室）。

從無人問津到超級明星

“新視野號”飛越冥王星獲得的探測數據，至少要數年的時間進行處理和分析，但目前的初步結果就已經獲得了大量的新發(fā)現，讓冥王星從太陽系舞臺邊緣無人關注的龍?zhí)着浣牵蔀榱巳f眾矚目的超級明星，從望遠鏡中曾經的暗淡圓點，變成了年輕人口耳相傳的活力萌王。
可見-紅外成像光譜儀拍攝的冥王星照片的最高分辨率約為60米，成像質量遠超哈勃望遠鏡，是迄今為止最清晰的冥王星照片。不僅拍到了冥王星表面的地質結構和紋理信息，還拍到了冥王星上的云層等。現有結果表明，冥王星沒有像木星、土星那樣的環(huán)帶結構，也沒有像木衛(wèi)二那樣的冰火山和液態(tài)噴泉。

圖1 新視野號任務之前，哈勃空間望遠鏡于2002～2003年間拍攝的質量最好的冥王星真實色彩圖像。圖中的明暗結構可能意味著冥王星表面的成分變化。

新視野號發(fā)現的冥王星表面的心形結構出乎絕大多數人的意料，原本以為冷冰冰的冥王星居然如此有愛心。如今這一區(qū)域已經以冥王星發(fā)現者的名字命名為“湯博”，當然這個命名還未得到正式授權。

 

 

新視野號飛船拍攝的照片顯示冥王星上的一些地形特征，左圖中牛眼狀的環(huán)形區(qū)域可能為撞擊盆地，左下的線狀結構可能為冥王星上的懸崖。與地球一樣，人類也給冥王星定義了它的經緯網格，上圖展示了冥王星的北極、赤道、中央經線（子午線）。

（1）冥王星長“胖”了

新視野號探測發(fā)現，冥王星的直徑約為2370千米，為地球直徑的18.5%，比之前的預期值大80千米。天文界曾經認為直徑2326 12千米的鬩神星（Eris）比冥王星更大，這也是導致冥王星被降級的原因之一。新視野號的這一測量結果再次為冥王星正名，雖然它已降級為矮行星，但仍得以保持繞日公轉的第九大天體之尊，大小僅次于八大行星。月球雖然比冥王星大，但卻并不直接繞太陽運轉。
太陽系現在有八大行星，五顆矮行星，實際上有十三顆行星。隨著我們對太陽系整體認識的深化，未來可能會有天體成為太陽系的新行星，甚至可能發(fā)現新的行星。冥王星的體積雖然小了點，但現行的行星定義并非完美無缺，是否承認冥王星是行星，也取決于天文學家是否認為行星不再是高高在上的稀缺品。一定程度上，冥王星仍然存在咸魚翻身再次成為行星的機會?？紤]到冥衛(wèi)一并非真正圍繞冥王星運轉，冥王星和冥衛(wèi)一都圍繞他們的公共質心運轉。所以冥衛(wèi)一也有升級成為行星的機會。不管怎樣，冥王星和冥衛(wèi)一這哥倆此生只能共進退了。
冥王星的質量僅為地球質量的0.21%，冥王星長胖了，意味著它的體積變大了，而密度變小了。

（2）家族成員排排坐

冥王星的衛(wèi)星系統(tǒng)包括冥衛(wèi)一卡戎（Charon）、冥衛(wèi)二尼克斯（Nix）、冥衛(wèi)三許德拉（Hydra）、冥衛(wèi)四科波若斯（Kerberos）和冥衛(wèi)五斯提克斯（Styx）?！靶乱曇疤枴憋w船測得卡戎的直徑約為1208千米，相當于冥王星直徑的51%，地球直徑的9.5%。冥衛(wèi)二的直徑約為35千米。

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冥王星和冥衛(wèi)一的標準照比較。新視野號飛船上的遠程勘測成像儀（LORRI）分別拍攝了冥王星和冥衛(wèi)一的標準照，這張照片是他們倆的合成圖像。從這張照片可以看出，冥王星和冥衛(wèi)一在亮度和顏色上均存在明顯區(qū)別。冥王星顏色偏紅，較為明亮；冥衛(wèi)一為黑白色，表面較暗淡。

7月13日，遠程勘測成像儀（LORRI）從46.6萬千米遠處拍攝了卡戎的照片，由于圖像經過了壓縮，一些細節(jié)有些模糊。新照片發(fā)現卡戎北極深色區(qū)域的面積很大，但邊界模糊不清。深色物質之下掩埋著一片具有清晰邊界、棱角突出的地形，完全不同于表面特征。科學家推測這片深色區(qū)域很可能是被某種深色物質薄薄地覆蓋在表面導致的。目前，這片區(qū)域已被非正式命名為“魔多”，即指環(huán)王游戲中的那個魔多。
照片中，卡戎的赤道以南，即這張照片的底部，斜射的陽光在冥衛(wèi)一表面投出了陰影，使表面地形易于分辨，但這片區(qū)域卻幾乎看不到撞擊坑。沒有撞擊坑，說明卡戎的表面相對較年輕，它曾經有過十分活躍的地質活動，改變了它的表面地形，使其變得光滑而平坦。

圖上部是一片大面積的深色區(qū)域。右上方彎曲的邊緣可以看到一條深7－9千米的懸崖。中下部有一條巨大的峽谷，自左向右延伸長達1000千米，表明卡戎的地殼存在大范圍破裂，可能是內部地質活動導致了這樣的地形（圖片來源：NASA-JHUAPL-SwRI）

冥王星最外側的小衛(wèi)星、冥衛(wèi)三許德拉（Hydra）2005年才被首次發(fā)現，但不知不清楚它的形狀、大小和反照率，只是一個非常模糊的光點。7月16日，新視野號首次公布了冥衛(wèi)三的照片，可以清楚地確定這些參數。
冥衛(wèi)三為不規(guī)則的土豆狀，大小為43千米 33千米。與卡戎一樣，冥衛(wèi)三不同地區(qū)的亮度具有明顯差異，反照率介于冥王星和冥衛(wèi)一之間，表面可能被水冰覆蓋。
很多網友問，NASA也太不夠意思了，公布一張?zhí)祗w照片還要打上馬賽克。可你要知道，這張照片是新視野號從距離冥衛(wèi)三約64萬千米遠處拍攝的，照片中每個像素的大小是3千米。

冥衛(wèi)三右側有一塊直徑約為10千米的圓形深色區(qū)域，成分未知（圖片來源：NASA-JHUAPL-SwRI）。

（3）極度寒冷的世界

根據初步探測成果，新視野號發(fā)現冥王星的北極存在極冠，主要成分是氮冰和甲烷冰。各位請注意，甲烷從液態(tài)結成冰的溫度為零下183攝氏度。而氮氣在零下183攝氏度才能成為液氮，從液氮固結成冰需達到零下218.9攝氏度。冥王星極冠上分布的氮冰和甲烷冰，足以說明那里究竟冷到了何種程度。
可見-紅外成像光譜儀獲取的光譜數據顯示，冥王星表面分布著大量的甲烷冰，但不同區(qū)域的甲烷冰又有明顯差異。北極極冠的甲烷冰被厚厚的氮冰沖淡了，導致紅外線被強烈吸收。在可見光照片中看起來黑乎乎的赤道區(qū)域，光譜數據中吸收紅外線的程度較弱，表明赤道區(qū)域的冰沒有被氮冰明顯稀釋，當然也可能是該區(qū)域的冰質地不同造成的。

新視野號公布的冥王星紅外光譜圖像，顯示了不同區(qū)域的甲烷冰具有不同的性質（圖片來源：NASA-JHUAPL-SwRI）

新視野號第二次新聞發(fā)布會公布了湯博區(qū)的一氧化碳含量等值線圖。數據顯示湯博區(qū)西側是冥王星上一氧化碳含量最高的區(qū)域，且分布非常集中，而冥王星上的其他區(qū)域沒有發(fā)現如此集中的一氧化碳分布，其成因目前尚不清楚。

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“新視野號”探測到湯博區(qū)存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰，液氮都已經結成了冰，可見冥王星上該有多冷。

（4）正在逃離的大氣層

從地球附近只能觀察到高出表面約50千米，最高到約270千米的冥王星大氣層，其上或其下都無法觀察到。新視野號對冥王星的掩星觀測，觀察到了從表面到1600千米高處的大氣分布，建立了完整的大氣剖面圖。無線電科學實驗儀的探測數據顯示，冥王星的低層大氣主要是甲烷，而高層大氣主要是氮氣，說明冥王星上實在是太冷了，大氣層中的主要成分都被凍成雪花掉下來了。
冥王星的引力遠弱于地球及火星，所以對大氣層的束縛力很弱。新視野號上的太陽風測量儀觀測到冥王星身后有條離子成分的尾巴，這就是被太陽風裹挾帶走的電離大氣，表明大氣正在逃離冥王星。

從光環(huán)可以看到冥王星具有稀薄的大氣層。