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鄭永春，博士，中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測研究部、中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室副研究員。2000年起參與探月工程、深空探測等國家重大科技任務(wù)。主要研究領(lǐng)域為行星地質(zhì)與遙感。
首批香江學(xué)者計劃入選者，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會首批入選者，中國青年科技工作者協(xié)會代表。先后獲中國科學(xué)院院長獎、我國首次月球探測工程有功人員獎、探月工程嫦娥二號任務(wù)突出貢獻者獎、香江學(xué)者獎、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員等。
新視野號再探柯依伯帶
鄭永春
2015年08月30日
7月14日，新視野號飛船歷史性飛越冥王星和冥衛(wèi)一。目前，飛船正在快速飛離冥王星、進入柯依伯帶中心地帶。8月29日，美國宇航局今天公布了這艘飛船的下一個目的地：編號為2014 MU69的柯依伯帶天體。2014 MU69的昵稱是PT1，即潛在目標一號的英文縮寫，運行在冥王星以遠16億千米的軌道上。
哈勃太空望遠鏡的觀測，2014-MU69直徑約為45公里，比彗星大一些.jpg)
按照合同規(guī)定，新視野號已經(jīng)圓滿完成了探測任務(wù)，探測柯依伯帶其他天體不是合同規(guī)定的任務(wù)，也沒有經(jīng)費支持。鑒于新視野號飛船目前狀態(tài)良好，還有能力進行拓展任務(wù)，新視野號團隊將向美國宇航局提交建議書，申請拓展任務(wù)的經(jīng)費。獨立專家團隊將于明年評估該建議書，美國宇航局根據(jù)專家評估結(jié)論，才最終決定是否同意資助。
雖然美國宇航局已經(jīng)確認2014 MU69作為新視野號飛船的下一個探測目標，但還需要經(jīng)過完整的評估程序后。曾經(jīng)擔(dān)任航天員的美國宇航科學(xué)任務(wù)部主任John Grunsfeld介紹說，是否同意新視野號的拓展任務(wù)，需要在更高層面的行星科學(xué)工作會上討論，我們希望拓展任務(wù)比主任務(wù)花錢更少，但仍然確保做出新的令人振奮的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
新視野號探測的區(qū)域光線非常暗弱，太陽輻射能量只有地球上的千分之一，飛船沒有太陽能電池板，無法靠太陽能發(fā)電。新視野號安裝了一個反應(yīng)堆，攜帶了10.9公斤二氧化钚，通過放射性燃料衰變發(fā)電，提供給飛船上的各種儀器使用。新視野號攜帶的常規(guī)燃料只有66公斤，通過常規(guī)燃料點火給飛船提供動力，改變飛行軌道。這66公斤燃料就像一個液化氣罐，每點火一次，燃料就變少一點。因此，新視野號下一個探測目標只能在原先的飛行軌跡附近選擇，不能偏離原軌跡太遠，否則它攜帶的燃料不足以進行軌道調(diào)整。
由于燃料有限，新視野號飛船的下一個探測目標需要盡早確定。10月下旬和11月上旬，飛船將開展一系列的軌道機動，使其朝著2014 MU69飛行，并于2019年1月1日飛越探測目標，慶祝地球新年的到來。但如果遲遲未能決策的話，延遲實施這些軌道調(diào)整動作將需要消耗更多的燃料，并增加任務(wù)風(fēng)險。
2014 MU69是柯依伯帶中的一種古老天體類型，形成于其現(xiàn)在所在的軌道區(qū)域。據(jù)新視野號首席科學(xué)家、西南研究院研究員斯特恩介紹，去往該柯依伯帶天體只需要消耗很少的燃料，比其他候選目標的燃料消耗要少得多。由于新視野號下一步要去的目標了解很少，所以需要盡可能節(jié)省燃料，以應(yīng)付這些難以預(yù)見的意外情況。
新視野號飛船最初的設(shè)計目的是飛越冥王星及其衛(wèi)星，在可能的情況下探測其他柯依伯帶天體。設(shè)計時，飛船攜帶了飛越柯依伯帶其他天體所需的肼燃料，通信系統(tǒng)的設(shè)計可以滿足比冥王星更遙遠天體的探測，飛船上相機和光譜儀都可以在比2014 MU69更暗弱的光照水平下成像。新視野號的心臟——放射性同位素溫差電池，至少可以保證新視野號正常工作到2030年。目前，新視野號目前距離地球49億公里，剛剛開始向地球發(fā)送飛越冥王星時存儲在飛船硬盤中的大量圖像和其他數(shù)據(jù)，飛船運行一切正常，狀態(tài)良好。
與火星和木星之間的主帶小行星不同的是，柯伊伯帶天體離太陽更遙遠，只受到很微弱的太陽光照加熱，因此得以保存完好，記錄著46億年前太陽系剛剛形成時的歷史。2003年，美國科學(xué)院曾經(jīng)發(fā)布了行星科學(xué)十年規(guī)劃報告——“太陽系中的新前沿”，這也是指導(dǎo)美國宇航局太陽系探測的綱領(lǐng)性文件。該報告強烈推薦未來的探測任務(wù)去飛越冥王星和其他的小型柯依伯帶天體，盡可能了解這片未探索區(qū)域不同的天體類型。PT1是柯依伯帶中完全不同于冥王星的天體類型，因此新視野號的拓展任務(wù)選擇飛越這種類型的天體，有助于實現(xiàn)規(guī)劃報告提出的目標。
尋找新視野號下一步探測目標的努力實際上四五年前就已經(jīng)開始了，但要找到合適的柯依伯帶天體絕非易事?？茖W(xué)家用地球上最大的地面望遠鏡從2011年開始搜索，發(fā)現(xiàn)了幾十個柯伊伯帶天體，但沒有一個是新視野號的剩余燃料可以到達的。2014年夏天，科學(xué)家不得不借助功能更強大的哈勃太空望遠鏡來搜尋目標，共發(fā)現(xiàn)5個目標，但根據(jù)新視野號的飛行軌跡，只有兩個目標符合要求，2014 MU69就是其中之一，也是新視野號團隊向美國宇航局建議的唯一目標。
據(jù)估算，PT1的直徑約為45公里。雖然PT1的體積僅為冥王星的0.5-1％，質(zhì)量僅為冥王星的萬分之一，但已經(jīng)比羅塞塔任務(wù)探測的典型彗星（楚-格彗星）的直徑大10倍，質(zhì)量大上千倍。因此科學(xué)家相信，PT1可能是太陽系中用于構(gòu)筑像冥王星這樣的大型天體的磚塊原料。
域可能是冰升華后形成的麻點狀地形。.png)
現(xiàn)的冰山。這張照片拍攝于新視野號從最近點飛越冥王星前約1個半小時，探測器距離冥王星表面約77萬千米。.png)
生最喜歡的行星，其行星地位不保引起了世界范圍的人們帶感情色彩的反應(yīng)。.jpg)
根據(jù)哈勃太空望遠鏡的觀測，2014 MU69直徑約為45公里，比彗星大一些
新視野號總投資7億美元，是美國宇航局的小型太陽系探測任務(wù)。該項目由馬歇爾太空飛行中心總體負責(zé)，約翰 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室負責(zé)飛船的設(shè)計、建造和任務(wù)運行，西南研究院負責(zé)科學(xué)探測任務(wù)規(guī)劃和科學(xué)儀器操作。
按照合同規(guī)定，新視野號已經(jīng)圓滿完成了探測任務(wù)，探測柯依伯帶其他天體不是合同規(guī)定的任務(wù)，也沒有經(jīng)費支持。鑒于新視野號飛船目前狀態(tài)良好，還有能力進行拓展任務(wù)，新視野號團隊將向美國宇航局提交建議書，申請拓展任務(wù)的經(jīng)費。獨立專家團隊將于明年評估該建議書，美國宇航局根據(jù)專家評估結(jié)論，才最終決定是否同意資助。
雖然美國宇航局已經(jīng)確認2014 MU69作為新視野號飛船的下一個探測目標，但還需要經(jīng)過完整的評估程序后。曾經(jīng)擔(dān)任航天員的美國宇航科學(xué)任務(wù)部主任John Grunsfeld介紹說，是否同意新視野號的拓展任務(wù)，需要在更高層面的行星科學(xué)工作會上討論，我們希望拓展任務(wù)比主任務(wù)花錢更少，但仍然確保做出新的令人振奮的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
新視野號探測的區(qū)域光線非常暗弱，太陽輻射能量只有地球上的千分之一，飛船沒有太陽能電池板，無法靠太陽能發(fā)電。新視野號安裝了一個反應(yīng)堆，攜帶了10.9公斤二氧化钚，通過放射性燃料衰變發(fā)電，提供給飛船上的各種儀器使用。新視野號攜帶的常規(guī)燃料只有66公斤，通過常規(guī)燃料點火給飛船提供動力，改變飛行軌道。這66公斤燃料就像一個液化氣罐，每點火一次，燃料就變少一點。因此，新視野號下一個探測目標只能在原先的飛行軌跡附近選擇，不能偏離原軌跡太遠，否則它攜帶的燃料不足以進行軌道調(diào)整。
由于燃料有限，新視野號飛船的下一個探測目標需要盡早確定。10月下旬和11月上旬，飛船將開展一系列的軌道機動，使其朝著2014 MU69飛行，并于2019年1月1日飛越探測目標，慶祝地球新年的到來。但如果遲遲未能決策的話，延遲實施這些軌道調(diào)整動作將需要消耗更多的燃料，并增加任務(wù)風(fēng)險。
2014 MU69是柯依伯帶中的一種古老天體類型，形成于其現(xiàn)在所在的軌道區(qū)域。據(jù)新視野號首席科學(xué)家、西南研究院研究員斯特恩介紹，去往該柯依伯帶天體只需要消耗很少的燃料，比其他候選目標的燃料消耗要少得多。由于新視野號下一步要去的目標了解很少，所以需要盡可能節(jié)省燃料，以應(yīng)付這些難以預(yù)見的意外情況。
新視野號飛船最初的設(shè)計目的是飛越冥王星及其衛(wèi)星，在可能的情況下探測其他柯依伯帶天體。設(shè)計時，飛船攜帶了飛越柯依伯帶其他天體所需的肼燃料，通信系統(tǒng)的設(shè)計可以滿足比冥王星更遙遠天體的探測，飛船上相機和光譜儀都可以在比2014 MU69更暗弱的光照水平下成像。新視野號的心臟——放射性同位素溫差電池，至少可以保證新視野號正常工作到2030年。目前，新視野號目前距離地球49億公里，剛剛開始向地球發(fā)送飛越冥王星時存儲在飛船硬盤中的大量圖像和其他數(shù)據(jù)，飛船運行一切正常，狀態(tài)良好。
與火星和木星之間的主帶小行星不同的是，柯伊伯帶天體離太陽更遙遠，只受到很微弱的太陽光照加熱，因此得以保存完好，記錄著46億年前太陽系剛剛形成時的歷史。2003年，美國科學(xué)院曾經(jīng)發(fā)布了行星科學(xué)十年規(guī)劃報告——“太陽系中的新前沿”，這也是指導(dǎo)美國宇航局太陽系探測的綱領(lǐng)性文件。該報告強烈推薦未來的探測任務(wù)去飛越冥王星和其他的小型柯依伯帶天體，盡可能了解這片未探索區(qū)域不同的天體類型。PT1是柯依伯帶中完全不同于冥王星的天體類型，因此新視野號的拓展任務(wù)選擇飛越這種類型的天體，有助于實現(xiàn)規(guī)劃報告提出的目標。
尋找新視野號下一步探測目標的努力實際上四五年前就已經(jīng)開始了，但要找到合適的柯依伯帶天體絕非易事?？茖W(xué)家用地球上最大的地面望遠鏡從2011年開始搜索，發(fā)現(xiàn)了幾十個柯伊伯帶天體，但沒有一個是新視野號的剩余燃料可以到達的。2014年夏天，科學(xué)家不得不借助功能更強大的哈勃太空望遠鏡來搜尋目標，共發(fā)現(xiàn)5個目標，但根據(jù)新視野號的飛行軌跡，只有兩個目標符合要求，2014 MU69就是其中之一，也是新視野號團隊向美國宇航局建議的唯一目標。
據(jù)估算，PT1的直徑約為45公里。雖然PT1的體積僅為冥王星的0.5-1％，質(zhì)量僅為冥王星的萬分之一，但已經(jīng)比羅塞塔任務(wù)探測的典型彗星（楚-格彗星）的直徑大10倍，質(zhì)量大上千倍。因此科學(xué)家相信，PT1可能是太陽系中用于構(gòu)筑像冥王星這樣的大型天體的磚塊原料。
冥王星上的龜甲地形，箭頭所指為冥王星表面平原上的泥裂狀溝渠和山丘，紅圈區(qū)域可能是冰升華后形成的麻點狀地形。1英里=1.61千米。圖/NASA，JHUAPL，SwRI[/caption]
冥王星上發(fā)現(xiàn)的冰山。這張照片拍攝于新視野號從最近點飛越冥王星前約1個半小時，探測器距離冥王星表面約77萬千米。圖/NASA，JHUAPL，SwRI
“就像新視野號飛越冥王星時帶給我們非常震撼的科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，近距離飛越柯依伯帶天體，可以讓我們了解很多地球上永遠無法獲知的信息，”新視野號科學(xué)家團隊成員、西南研究院研究員約翰 斯賓塞認為，“新視野號飛越柯依伯帶天體將獲得清晰的圖像和其他數(shù)據(jù)，將從根本上改變我們對柯依伯帶和柯依伯帶天體的認識?！?
行星的表情說明了冥王星被降級后的不滿情緒。非正式民意測驗顯示冥王星是美國小學(xué)生最喜歡的行星，其行星地位不保引起了世界范圍的人們帶感情色彩的反應(yīng)。