關(guān)于作者
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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yàn)樾行堑刭|(zhì)與遙感。
首批香江學(xué)者計(jì)劃入選者，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)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(xiàn)者獎、香江學(xué)者獎、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員等。
破解太陽系形成之初的秘密
鄭永春
2015年08月06日鄭永春
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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員
首屆香江學(xué)者，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員，國家科普專家
星子慢慢從行星胚胎成長為行星，而矮行星是沒有長大的侏儒行星，是聯(lián)系小行星和行星之間的紐帶，新視野號對冥王星的探測有助于揭示太陽系最初階段行星形成的歷史
冥王星所在的柯伊伯帶位于太陽系的邊緣，寒冷而陰暗，探測難度很大。這些遙遠(yuǎn)的冰凍天體究竟有何吸引力，值得我們長期守候并努力探索呢？首先，柯伊伯帶作為太陽系的新大陸，“新視野號”的發(fā)現(xiàn)將極大地改變我們對太陽系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識?？乱敛畮嵌讨芷阱缧堑摹袄霞摇保鴬W爾特云是長周期彗星的“老家”。由于彗星經(jīng)過太陽附近時質(zhì)量會消耗掉，若沒有這兩個彗星老巢的不斷補(bǔ)充，經(jīng)過漫長的太陽系演化歷史，我們可能早就看不到彗星了?？乱敛畮Ш蛫W爾特云這兩大區(qū)域至今還沒有被航天器探測過，我們對太陽系新大陸的廣闊空間仍知之甚少，對太陽系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識仍然不夠清晰。我們一直把冥王星視為太陽系中一顆未長大的“侏儒”行星，但現(xiàn)在我們知道冥王星是通往柯伊伯帶這片全新大陸的大門。“新視野號”的主要目標(biāo)就是探測以冥王星及其衛(wèi)星為代表的柯伊伯帶天體，將這片區(qū)域的場景清晰地展現(xiàn)出來。
其次，冥王星及其衛(wèi)星作為行星胚胎，對研究行星的形成具有重要價值。太陽系不僅有行星，還有數(shù)以億計(jì)的小天體，包括小行星、矮行星、彗星，主要存在于小行星帶、柯伊伯帶、離散盤、奧爾特云。從科學(xué)角度而言，深空探測就是探測太陽系的各種天體類型和主要區(qū)域，如同盲人摸象般逐漸了解太陽系的全貌，所有的深空探測任務(wù)的終極科學(xué)目標(biāo)都是為了回答太陽系起源、行星的起源這些關(guān)鍵問題。
2014年8月，羅塞塔號剛剛探訪了同樣來自柯伊伯帶、飛越到太陽附近的楚-格彗星，搭載的菲萊著陸器還實(shí)現(xiàn)人類首次登陸慧核表面，大大加深了對彗星的認(rèn)識。除彗星外，柯伊伯帶還有數(shù)十顆直徑200～2000千米不等、由巖石和冰塊組成的天體，其中以冥王星及其衛(wèi)星最為典型代表。我們知道，太陽系起源于一個彌漫著氣體和塵埃的星云團(tuán)。由于快速旋轉(zhuǎn)，星云逐漸凝聚形成星子，星子之間相互碰撞、吸積增大而形成行星胚胎，進(jìn)一步彼此吸引增大形成數(shù)量較少、質(zhì)量較重的原始行星。行星形成后，太陽星云的殘留物形成了數(shù)量眾多的小天體。而矮行星就是沒有長大成行星的“侏儒”行星。由于遠(yuǎn)離太陽系的柯伊伯帶天體稀疏，受到的撞擊、太陽輻射等太空風(fēng)化較弱，可以保存更為原始的狀態(tài)。因此，柯伊伯帶的天體相當(dāng)于在太陽系的“冷庫”中保存了46億年，保留著太陽系形成時的原始狀態(tài)，對了解太陽系的起源具有極大的作用。通過“新視野號”對冥王星、冥衛(wèi)一等柯伊伯帶天體的探測，將有助于揭示行星形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
我們已經(jīng)對巖石行星（地球、金星、水星和火星）和氣液態(tài)巨行星（木星、土星、天王星和海王星）進(jìn)行過多次探測，但在“新視野號”之前還沒有探測器對柯伊伯帶的冰態(tài)矮行星進(jìn)行過探測。因此我們對矮行星這一新的天體分類的認(rèn)識是嚴(yán)重不完整的。而“新視野號”的探測將填補(bǔ)這一重要的空白，完善了我們對于太陽系天體類型的知識。
再次，隨著深空探測的進(jìn)展，我們對太陽系的認(rèn)識不斷深化，太陽系的邊界不斷拓展。這些科學(xué)成果改變了人類的知識邊界，進(jìn)而影響和改造著我們的世界觀。在古希臘時代，我們認(rèn)為地球是宇宙的中心、太陽、月球都是繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)的行星；在哥白尼之后，人類逐漸接受太陽是太陽系的中心，認(rèn)為行星就是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的天體，因此地球是行星而月球不是。后來大量小行星的發(fā)現(xiàn)迫使人們修改了行星的定義，認(rèn)為行星必須質(zhì)量足夠大，大到能通過自轉(zhuǎn)成球體。再后來，發(fā)現(xiàn)了許多與月球大小相近的谷神星、智神星、鬩神星、妊神星、婚神星等，天文界面臨著再次選擇，要么將他們統(tǒng)統(tǒng)被納入行星，要么排除他們。必須承認(rèn)的是，我們對柯伊伯帶的小天體（除了矮行星以外，還包括彗星和小行星）還了解的很少，甚至是才處于大發(fā)現(xiàn)的初期。我們不清楚柯伊伯帶的小行星與火星和木星之間的小行星有何不同。隨著深空探測獲得的新發(fā)現(xiàn)，我們將不得不再次修改行星的定義。
最后，遠(yuǎn)征太陽系邊緣的深空探測將顯著牽引航天技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破?！靶乱曇疤枴北几翱乱敛畮У穆猛鹃L達(dá)9年，為延長探測器的壽命和減少地面維護(hù)的費(fèi)用，探測器有2/3的時間是在休眠中度過的；為實(shí)現(xiàn)早日抵達(dá)冥王星，“新視野號”先飛抵木星開展飛越探測，并借助木星引力進(jìn)行加速；由于距離遙遠(yuǎn)，地面發(fā)出的指令要4.5小時之后才能被探測器接收到，數(shù)據(jù)傳輸鏈路和測控精度要求均大大提高；柯伊伯帶寒冷而黑暗，太陽輻射強(qiáng)度僅為地球上的千分之一，冥王星表面溫度低至零下212～234攝氏度，因此必須研發(fā)高效核能系統(tǒng)以提供飛行動力和保溫?！靶乱曇疤枴痹谔栂颠h(yuǎn)征中涉及的超長壽命航天器設(shè)計(jì)、行星借力飛行、超遠(yuǎn)距離測控通信和數(shù)據(jù)傳輸、太空核動力和能源供應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，將是中國航天努力突破的重要領(lǐng)域。