 《三思科学》电子杂志
2002年第6期 总第12期
2002年6月1日
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往最远行星的旅程
 S. Alan Stern
10million译自《科学美国人》2002.05
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科学家终于开始准备向我们这个行星系统中最后的未探索区域——冥王星和柯伊柏带发射宇宙飞船。
直到10年前，冥王星还一直被大多数行星天文学家看作一个“古怪的家伙”。所有其它的行星——四颗小的固态内太阳系行星，四颗在较远轨道上的巨大气态行星，还有两者之间的小行星带，都基本符合天文学家们对太阳系“建筑风格”的了解。而遥远的冥王星，是在海王星以外它的特殊轨道上运行着的一个冰冷的谜。有些研究者（其中以荷裔美籍天文学家柯伊柏最为著名）在20世纪40到50年代提出，冥王星或许并非一个孤立的世界，它只是在同一区域的轨道上运行的大量行星体中最亮的一颗。这一被称为柯伊柏带的构想数十年来不断见诸各种科学文献，然而对这些数不胜数的霜寒世界的一再搜索均一无所获。
压题图片：我们无法从地球上清楚地看到冥王星的地貌，天文学家们对其景观的最佳设想表现在这幅艺术想象图中。冥王星的表面据信是由氮气、一氧化碳、甲烷以及水冰组成的。当冥王星驶近其近日点时，这些结晶体将显著熔化和蒸发，成为星体稀薄大气的一部分。不时喷发的喷泉将一束束气体和冰尘喷射到地表以上数千米的高空。冥王星的卫星——冥卫一，隐隐呈现在空中。图：EDWIN FAUGHN
然而在20世纪80年代末，科学家们断定，必须有某种类似柯伊伯带的东西存在，才能为许多短周期彗星轨道接近太阳系轨道平面的事实做出解释。这是对冥王星所在区域内存在一个遥远天体带的间接证据，它促使观测者们回到望远镜旁展开对海王星以外暗弱未知天体的搜寻。到20世纪80年代，天文望远镜装配了光电探测器，搜索工作的精度比从前用摄影感光板时提高了许多，成功便到来了。
第一个柯伊柏带天体（KBO）在1992年由夏威夷的冒纳凯阿天文台的天文学家发现，其大小为冥王星的1/10，而亮度仅为冥王星的1/10,000。从那以后，共有600多颗柯伊柏带天体被发现，它们的直径在50至1200千米之间（而冥王星的直径为2400千米）。
而这些发现只是所谓的冰山一角。由于已经探测过的地方只是天区的一小部分，观测者们推断柯伊柏带含有约100000颗直径大于100千米的天体。这样一来，柯伊柏带摇身一变，成了小行星带的大哥，它含有比后者更多的尘埃和天体（特别是较大的），以及更多在太阳系形成初期遗留下来的古老冰冷的有机物质。
现在可以肯定冥王星并不是什么“异种”，它只是一大群位于距太阳50到至少80亿公里的轨道范围内的小天体中的一份子。由于这一遥远区域可能存在有关太阳系早期演化的重要线索，天文学家们一直对冥王星，其卫星冥卫一以及柯伊柏带天体葆有浓厚的兴趣。不幸的是，这一区域与地球的遥远距离限制了观测的质量。就连极为灵敏的哈勃太空望远镜也只能拍摄到冥王星表面模糊的明暗区域。尽管先驱者号、旅行者号和伽利略号宇宙飞船已为科学家们提供了木星、土星、天王星和海王星的近距离精彩图像，至今还没有探测器拜访冥王星－冥卫一系统或是柯伊柏带。
认识到太阳系中这一部分天体的重要性之后，天文学家从十多年前便开始敦促NASA（美国航空航天局）将冥王星放入其行星探测日程。作为回应，美国航天局已考虑了各种可能的构想——从与卡西尼号土星探测器类似的、大小如同游艇、装载大量仪器的宇宙飞船，到仅带一部照相机、像仓鼠那么小的航天器。在20世纪90年代末，NASA选定了一个尺寸中等的构思“冥王星－柯伊柏特快”，此计划由加州帕萨迪那的喷气推进实验室（JPL）负责。然而这项任务的预期投资很快上升至8亿美元，大大超出了NASA的计划投资范围。冥王星－柯伊柏特快计划因此在2000年秋季被取消。
如果新视界飞船如期发射，往冥王星的旅程将耗费不到十年的时间。飞船将沿图中红线所示轨道飞往木星并利用其摄动力进入图中黄线所示的轨道，直飞冥王星。在2007年的木星探测、2015年的冥王星－冥卫一探测后，飞船将继续勘察柯伊柏带中几个冰封的天体。图: DON DIXON
但是这一取消进行得并不那么容易，科学家、空间探测的拥护者以及学生们希望NASA对此事三思而行的要求纷沓至来。航天局重新考虑了，作了一个出人意料的改变。它并没有重新启动冥王星－柯伊柏特快计划，而是展开了一场由大学、实验室和航天公司参与的投标竞赛，以选择花费更低的冥王星、冥卫一及柯伊伯带探测计划。NASA此前从未允许工业界或大学参与外太阳系探测任务的竞标。在这项前所未有的竞赛中，NASA清楚地表示，如果所有的计划无一能在2020年以前以少于5亿美元的投资达到指定的科学观测目标，航天局没有义务选择其中的任何一个。
去年11月，经过一场严格的筛选，NASA选择了我们这个名为“新视界”（new horizons）团队来实行对冥王星和柯伊柏带的探测计划。该计划由我所在的德州圣安东尼奥的西南研究所以及约翰－霍普斯金大学的应用物理实验室（APL）领导。来自12多所大学、研究机构以及NASA中心的一个科学家队伍正投身于对这一科学观测计划的设计。西南研究所管理整个工程及任务团队，并负责科学仪器的设计。APL将负责修造并操纵“新视界”飞船。鲍尔航空公司、戈达德空间飞行中心和斯坦福大学进行部分设备有效载荷的制造工作，而JPL则负责航天器的轨道设计和导航。
“新视界”计划通过先进的、更便宜的建造和操纵外太阳系空间探测飞船的途径，满足了NASA的条件：整个任务耗资4.88亿美元，这其中包括了不少于8千万美元的预留储备金，而飞行器大约在2015年夏天就能抵达冥王星。同时，与被取消的冥王星－柯伊伯特快计划相比，新视界计划将运载更多的探测仪器，传回相当于前者10倍的数据，花费的钱却少得多。
然而新视界计划的启动仍未确定：布什总统在2月份决定从NASA 2003财政年度预算中扣除此计划所需的1.22亿美元。但我和我的同事们相信，国会既然批准了NASA挑选和开始实施往冥王星及柯伊柏带的计划，就会恢复建造飞行器所需的资金。如果真能这样，新视界计划将不仅仅是第一个探测冥王星的计划。在旅途中，航天器会顺道拜访木星和它的卫星，并在飞过冥王星－冥卫一后对几个柯伊柏带天体进行近距离勘察。
太空考古发掘
天文学家何以对冥王星—冥卫一以及柯伊柏带如此着迷？在此我只能简要的列举其中的几个原因。首先，柯伊柏带的大小、形状、质量以及基本自然条件与一些离我们较近的恒星（如天琴座的织女星和南鱼座的北落师门）周围的岩屑带十分相似。包括我在内的许多研究人员使用计算机模拟技术，模拟了距今约50亿年前柯伊柏带天体的形成过程，那时太阳系正从旋转的气体和尘埃盘中凝聚而生。我们发现，古老的柯伊伯带的质量，曾有冥王星－冥卫一以及今天的柯伊柏带天体质量总和的100倍左右。也就是说，在柯伊柏带中曾存在充分固体原料，足以形成另一颗天王星或海王星这般大小的行星。
天文学家对获取冥王星与冥卫一的近距离照片十分有兴趣。这是根据现有知识绘制的一幅艺术想象图。图：DON DIXON
因为冥王星与冥卫一离地球太远，连哈勃望远镜也只能拍到模糊的照片。其中两个天体的相对尺寸是按比例画的，但距离并不是按比例的。图：NASA/ESA/ESO
冥王星直径：2400千米；冥卫一直径：1200千米；冥王星－冥卫一与太阳的平均距离：59亿千米；公转周期：248年；冥王星与冥卫一平均距离：19600千米；冥卫一公转周期：6.39地球日；冥王星－冥卫一自转周期：6.39地球日；冥王星表面成分：氮，一氧化碳，甲烷和水冰；冥卫一表面成分：水冰，可能有其它物质
同样的仿真过程表明，如果在一定的区域中没有任何干扰存在，像海王星这样的大行星将在很短的时间内由柯伊柏带天体自然形成。很显然，有某种因素在冥王星形成时干扰了柯伊柏带，我们还不知道这种因素是什么，或许它就是离柯伊伯带内部边界较近的海王星的形成。行星的引力作用真的会或多或少的打断更远处另一个气态巨行星的形成吗？果真如此的话，为什么天王星的形成没有以相同的方式将海王星扼杀在襁褓之中呢？或许造成这一切的是大量行星胚胎（由天王星以及海王星在形成时喷射出的固体块）的引力影响。或许真正的原因完全是另一套过程。但不管这原因是什么，总之是柯伊柏带失去了它的大部分质量，其中天体的成长也随之偃旗息鼓。
柯伊柏带体是古老的行星形成过程的遗迹，因而它们掌握着外太阳系形成过程的极为重要的线索。探索冥王星和柯伊柏带相当于是对外太阳系的历史进行一次考古发掘，在此研究者们得以一窥那早已逝去的、行星诞生的纪元。
同时，尽管我们对冥王星和冥卫一了解甚少，目前所知的东西已经展示了它们自己独有的科学奇境。比如冥卫一那令人吃惊的大小——其直径大约有1200千米，约为冥王星的一半。如此接近的大小使冥王星和冥卫一也被看作一对双行星系统，太阳系中无出其右者——事实上大部分卫星的直径只占其围绕的行星直径的很小一部分。但由于近年来双小行星、双柯伊柏带天体不断被发现，像冥王星—冥卫一这样的双行星也许在太阳系及其它行星系都不稀奇，不过我们尚未探访过任何双星系统。
我们迫切地想知道冥王星—冥卫一这样的系统是如何形成的。在较为流行的一种理论中，冥王星在很久以前与另一大天体相撞，相撞产生的碎片绕其旋转，渐渐聚合而形成冥卫一。由于月球似乎也是在这样一场撞击中形成的，对冥王星－冥卫一的研究对月球起源问题可能也会有启发。
研究者们还想弄清为什么冥王星和冥卫一在外面上如此不同。地面观测以及利用哈勃太空望远镜所作的观测表明，冥王星具有反射能力很强的表面，上面还有斑点，表明存在巨大的极冠。然而冥卫一的表面的反射能力相对小得多，同时也没有明显的斑点存在。冥王星有大气，冥卫一显然没有。这两个邻近世界的巨大差异是由趋异演化所造成的吗？或者是由它们不同的大小和成分所致？抑或是不同形成过程的结果？我们不得而知。
冥王星在密度、大小以及表面成分上与海王星最大的卫星——海卫一的惊人相似同样引人注目。旅行者2号探测海王星的最大发现之一，就是海卫一上有着持续剧烈的火山活动。冥王星或柯伊柏带天体上也会有类似的活动吗？就我们目前所知，答案是否定的，然而海卫一上的这种活动也曾经被认为是不存在的。或许海卫一正是在向我们暗示我们尚未理解小天体世界的特性。我们期望能通过对冥王星和柯伊柏带天体的探索得到对这些迷人的天体的进一步认识。
冥王星另一值得注意的特征是其古怪的大气——尽管其密度不及地球大气3万分之一，但仍对行星大气的运作机制提供了新的考察视野。地球大气的组成中只有水蒸气在固相和液相之间进行着有规律的相变，而冥王星的大气中则有三种成分在这样做：氮气、一氧化碳、甲烷。另外，冥王星的表面目前存在50%的温差（40开～60开）。冥王星在1989年经过其近日点。大多数天文学家相信，随着冥王星远离太阳，其表面平均温度将逐步下降，以至大部分大气将凝结成“雪花”飘落。冥王星或许拥有着太阳系行星中最为戏剧性的季节变化。
此外，冥王星的大气正以类似彗星大气的速度向行星际空间喷射，其大气表层的大多数分子都具备了足以摆脱引力束缚的热动能。这一极快的泄漏过程被称为流体逃逸。尽管这种现象在太阳系其它行星上已经不复存在，但它很可能与地球形成初期的氢气散逸有一定关系。这个过程可能促使地球成一个适合生命居住的星球，而冥王星是据目前所知唯一拥有这种过程的行星。
冥王星与地球原始生命的一个重要联系是有机化合物的存在，比如冥王星表面的冰甲烷及其内部的水冰。近期的观测表明，柯伊柏带天体同样很可能蕴藏着大量的冰和有机化合物。据认为，数十亿年前，这类天体可能不时地运行到内太阳系，给年轻的地球提供了构成生命的原始材料。
真正伟大的旅程
既然有这么多引人注目的科学动机，行星研究界对飞往冥王星及柯伊柏带的宇宙飞船的热切期盼也就不难理解了。而探索未知世界的浪漫与冒险，也使公众和学生们对这项前往新疆域的使命激动不已。
NASA对冥王星－柯伊伯带探索计划明确提出了三个首要的观测目标。首先，航天器必须以平均1千米的分辨率获取冥王星及冥卫一的表面图像（与之相比，哈勃太空望远镜只能达到500千米的分辨率）。第二，航天器必须获取这两个天体上不同地理区域的表面构成信息。第三，航天器必须确定冥王星大气的构成，以及其散逸的速度。NASA同样给除了一个次要任务的清单，包括测量冥王星表面温度以及搜寻冥王星的其他卫星及光环。航天局同时要求航天器至少对冥王星轨道外的一颗柯伊柏带天体完成同样的探测。
NASA在去年年末选择了我们的计划，这表明新视界计划不但提供了最有的科学回报，同时也具有最低的日程延误及费用超支的风险。这部分归功于我们设计的航天器的优越性能以及团队成员机构在及时、低成本地执行空间任务方面的经验。
为探测冥王星、冥卫一和柯伊伯带天体，计划中的飞船将携带4组仪器，分别称为REX, PAM, PERSI和LORRI。飞船设计质量为416千克（917磅），大小相当于一艘小型救生艇。在飞往冥王星的旅途中，飞船最高时速可能达到7万公里。飞船上的计算机能存储48G比特的数据，从冥王星以每秒最多770比特的速度向地球传送（从木星传送的速度为每秒16000比特）。图: JUAN VELASCO
我们设计的新视界航天飞船比较“苗条”，其设计质量仅为416千克（917磅）——比先驱者系列飞船重，但比旅行者号轻。这一质量包含了用于矫正飞行轨道误差的N2H4（肼）推进剂。飞船的大多数子系统（如计算机及推进控制系统）是根据APL的“慧核之旅”（CONTOUR）探测器设计的，后者将于今年7月发射以进行一次近距离彗星多重探测。使用CONTOUR的设计将有效地降低技术和日期延误上的风险。飞船几乎所有的子系统都具有备用装置以提高长距离飞行的成功率。
飞船将装载四组仪器。一个绘图和组成分析光谱系统PERSI，将进行红外、紫外、及可见光波段的探测。PERSI的红外成像探测器对了解冥王星及冥卫一表面冰层的构成及物理状况（包括温度）十分重要。一个被称为REX的射电装置将探测冥王星的大气结构，并通过测量飞船2.5米宽的无线电接收天线收到的微波辐射强度估测冥王星及冥卫一卡戎的表面平均温度（包括日面和夜面）。另一组仪器PAM由用于采集冥王星大气逸出成分并测定其速度的荷电粒子探测器组成。第四组仪器LORRI是套用于增强PERSI业已十分惊人的成像能力的高分辨率成像系统。在最接近被探测天体时，PERSI将对冥王星、冥卫一及柯伊伯带天体进行分辨率1千米的整体绘图，而负责拍摄指定区域的LORRI，将能分辨出比这还小20倍的物体！
如果一切照计划进行，飞船将于2006年1月发射，最初将飞往木星以利用其摄动力使航向朝向冥王星。在飞临木星期间，“新视界”将对木星的有趣的卫星系统（超过20颗）、极光、大气以及磁气圈进行长达4个月的集中研究。在木星引力的帮助下，我们的飞船将在2015年飞抵冥王星－冥卫一（确切的时间取决于NASA选定的运载工具及我们在2006年1月发射的具体日期）。
在从木星飞往冥王星的旅途中，新视界将进入电子休眠状态。关闭不必要的系统、减少通信，将减少仪器损坏的风险，并大大降低执行这项使命的花费。在休眠期中飞船将不断向地球发射简单的状况信号；如果发生预计外的状况，我们地面监测组将马上作出反应。飞船每年将被唤醒一次，为期50天，其间我们将对其系统进行全面测试，矫正航线并检测所有科学仪器。
与早期快速飞离冥王星－冥卫一的计划不同，新视界飞船将于其最接近冥王星之前的六个月开始对冥王星－冥卫一的研究。当飞船据冥王星约1亿千米（即抵达近冥王星点的75天之前），它拍摄的图像就将强过哈勃太空望远镜所摄的图像，当然图像的质量还会一天比一天好。在到达近冥王星点附近的一周时间中，我们的团队将能越来越详细地绘出冥王星－冥卫一地图，并通过对比不同时期的行星图像研究冥王星的气候之类的现象。而使用LORRI的高分辨率成像能力，我们获得冥王星和冥卫一部分区域的放大图像，这将有助于我们对哪些地理区域值得进一步勘察做出判断。在过近冥王星点时，“新视界”可能距冥王星仅数千公里，PERSI将获得整个冥王星及冥卫一日照面的最佳图像。与此同时LORRI将全力打造这两个天体上数十个较小区域的高分辨率图像。
新视界飞船飞越冥王星的历程将在最接近它时达到高潮，此时飞船将离冥王星表面只有数千公里。这张图的观察角度是冥卫一绕冥王星公转轨道以内、稍高于轨道平面的地方。Image: DON DIXON
一旦飞船既已经掠过冥王星，它会立即转向以拍摄冥王星被冥卫一反射的阳光微微照亮的“夜面”，同时飞船上的天线将接收到来自地球的一束强大无线电波，电波穿过冥王星的大气，研究其折射情况，我们将能一窥冥王星上从从高海拔到表面的大气温度及密度分布。
在与冥王星－冥卫一交会之后，新视界飞船将几乎立刻转向一系列对柯伊柏天带体长达五年的考察。我们期望这样的考察对象至少能有三个或更多，交会的确切数目取决于飞离冥王星后飞船中还剩余多少燃料。
现在——还是永不？
新视界使命有望给我们对冥王星－冥卫一以及柯伊柏带的认识带来革命。但如果飞船不能于2006年发射，这些发现的可能性也就随之消失。由于行星排列的变化，在2006年之后，飞船将无法利用木星的摄动力朝冥王星加速。如果错过这一“窗口”，NASA就不得不等到2018年木星再度次处于合适位置的时候实施计划，如此一来，交会的时间将至少推迟到21世纪20年中期。
到那时，冥王星与太阳的距离将增加数十亿公里，这将使其比现在寒冷许多。由于冥王星自传轴的严重倾斜，加上其周日运动的作用，冥王星上大于4百万公里的范围——南半球的大部分区域——将会处于在极冠的阴影中，这样一来许多观测就无法进行了。同时，几乎所有的冥王星大气在那时都会凝结，直到23世纪，也就是冥王星再次靠近近日点、温度升高时，才会有研究冥王星大气的机会。
新视界计划意味着NASA又开始了一次令人激动的、首次探索某颗行星的计划。这将是1989年旅行者2号飞过海王星以来，第一次有宇宙飞船载着科学仪器前往未知世界经受考验。这一任务将提供丰富的科学资料并唤起我们对NASA往昔重大探索的追忆。通过选择新视界计划，NASA把探测费用降到了近来的其它外太阳系探测计划的十分之一左右。
如果国会批准建立完成新视界计划的基金，对冥王星－冥卫一以及柯伊柏带的探索将开始于距今12年之后——2015年夏天的一系列与遥远行星体的交会。通过支持这项计划，美国将最终完成开始于1960年水手号历史性的金星和火星之旅的太阳系基本勘测。
Scientific American: Journey to the Farthest Planet
新视界计划 冥王星探测计划 冥王星基本情况
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