新視野號探測冥王星全解讀

(「科學美國人」中文版《環球科學》雜誌報導）2006年1月19日，美國國家航空航天局（NASA）發射了探測冥王星的「新視野號」飛船（New Horizon）。

當「新視野號」出發時，冥王星還是與地球平起平坐、風光無限的太陽系第九大行星。

而發射之後僅僅7個月，冥王星居然因國際天文學聯合會的一紙決議，被逐出了行星隊伍，降級為矮行星，成為國際天文聯合會天體資料庫中第134340號小行星。

「新視野號」的使命之一，就是探測冥王星及其最大的衛星卡戎，之後將繼續探測柯伊伯帶其他天體。

北京時間7月14日19:49，經過9年半、50億公里的飛行，「新視野號」終於抵達最接近冥王星的位置，為它拍攝了一張迄今為止最為清晰的照片。

雖然，此時的冥王星已經從行星隊伍中被除名，但它表面可愛的心形圖案一下子引發了公眾在社交平台上爭相轉發。

人們腦洞大開，在冥王星照片上進行再創作，曾經了無生趣的「冥王星」成為了年輕人口中的「萌王星」。

新視野號探測冥王星和卡戎。

圖片來源：NASA

尋找未知的X行星

1766年，德國天文學家提丟斯發現以日地距離為1個單位（即天文單位），太陽系各大行星的軌道半徑近似地滿足一個非常簡單的數學關係式，這一規律被稱為提丟斯-波得定則（Titius-Bode Law）。

但在海王星發現之後，天文學家在外太陽系沒有發現新的行星，這一規律似乎不靈了。

1906年，美國富商兼天文學家帕西維爾•羅威爾開始尋找海王星之外的太陽系第九大行星，羅威爾稱之為X行星。

為搜尋火星上的運河和未知的X行星，這位痴迷的天文愛好者斥巨資在亞利桑那州的沙漠中興建了一座天文台。

遺憾的是，直到1916年羅威爾去世，都沒有發現這顆未知行星。

其實在1915年3月19日的觀測中，已有天文學家拍攝到了兩張帶有模糊的冥王星圖像的照片，但冥王星並沒有從這些圖像中被辨認出來。

羅威爾終其一生尋找的火星運河後來也被證實純屬子虛烏有。

科學研究是對未知世界和未知領域的探索，其發現往往具有不可預知性。

羅威爾沒有實現的願望，將有後來的天文學家在其建立的天文台繼續實現。

美國天文學家帕西維爾•羅威爾（1855年3月13日—1916年11月12日）

羅威爾致力尋找的火星運河，實際上是根據早期觀測的火星表面模糊結構臆想出來的

痴迷的天文愛好者

羅威爾去世後，又一位痴迷的天文愛好者、年僅23歲的克萊德•湯博受聘到羅威爾天文台當觀測助理，他每天的任務是對不同天區開展巡天觀測，繼續羅威爾未盡的事業——搜尋X行星。

連續8個月的觀測努力幸運地有了收穫，1930年，湯博通過兩張照片的對比，發現了一個可能在移動的天體。

他知道天空中的亮點絕大部分是恆星，恆星在天空中的位置是固定不變的，這種移動的天體很有可能是行星或彗星。

湯博的這一發現很快確認，隨後宣布太陽系第九大行星誕生。

但湯博發現的冥王星其實並不是羅威爾所定義的那顆能影響海王星運行軌道的X行星。

2006年，在湯博誕辰100周年之際，為紀念他對拓展人類認知疆界所作的貢獻，人們把湯博的28克骨灰嵌入「新視野號」飛船，讓他們一同奔赴冥王星，讓在天之靈的湯博可以親眼見證人類探索宇宙的偉大時刻。

天文學家湯博以及他發現的小亮點——冥王星

小女孩與地府之神

太陽系第九大行星發現後，羅威爾天文台向全世界征名，11歲英國小女孩威妮夏•伯尼在爺爺讀報時聽到這一消息。

她非常喜歡神話故事，建議以神話中人們死後靈魂世界的主宰者冥王普魯托（Pluto）命名該行星。

伯尼的爺爺是牛津圖書館的圖書管理員，他並沒有敷衍了事地對待孫女的提議，而是把這個命名建議告訴了他的天文學家朋友，最終被提交到征名委員會。

征名委員會當時收到三項命名提議：Minerva（密涅瓦，希臘神話中掌管工藝品的女神）、Cronus（克羅諾斯，希臘神話中宙斯的父親）、Pluto（希臘神話中的地府之神）。

Minerva的名字已被一顆小行星占用，由於Pluto的前兩個字母（PL）正好是羅威爾天文台創始人帕西瓦爾•羅威爾的首字母縮寫。

最終，英國小女孩伯尼的提名建議獲得全票通過，湯博發現的這顆新行星被命名為冥王星。

有些像彗星的矮行星

天文學上用星等表示星星的亮度，星等越小說明星越亮，星等數相差1，星的亮度約相差 2.512 倍。

天空中肉眼所能看到的最暗的星為 6 等星，而冥王星的亮度為13.64—16.3星等，完全不可能用肉眼看到。

「新視野號」的探測發現，冥王星表面主要由氮冰、甲烷冰和水冰組成。

這些冰物質的顏色較淺，反射率較高，因此冥王星整體上看起來比較亮。

冥王星繞太陽運轉的軌道是一個很扁的橢圓，離太陽最近的距離為30個天文單位（約45億公里。

一個天文單位等於日地平均距離1.5億公里），最遠的距離為49個天文單位（約74億公里）。

當冥王星運行到近日點附近時，表面的氮冰和甲烷冰就會蒸發，形成非常稀薄的大氣層，表面大氣壓約為地球大氣壓的百萬分之一到十萬分之一。

當冥王星逐漸遠離太陽抵達遠日點時，冥王星的大氣成分會凝固和沉降。

冥王星大氣的蒸發和逃逸的過程很像彗星，冥王星的質量也會像彗星那樣逐漸減少，由於冥王星所在的地區異常寒冷，所以冥王星質量損耗的程度不會像彗星那麼明顯。

冥王星繞太陽運轉的軌道周期為90465個地球日，相當於地球上的247.68年。

從1930年發現冥王星至今，已經過去了85年，而冥王星還只在自己的軌道上只繞太陽運行了三分之一圈。

同樣，冥王星的自轉周期也比地球長，冥王星上的一天相當於地球上的6.39天。

當冥王星與地球在太陽同一側，且冥王星位於近日點時，冥王星距離地球最近，約為29個天文單位。

當冥王星與地球位於太陽的兩側，且冥王星位於遠日點時，冥王星距離地球最遠，約為50個天文單位。

因此，探測器最好選擇在冥王星最接近地球時飛赴冥王星，有利於用較短的時間抵達冥王星。

冥王星、鬩神星、鳥神星三顆矮行星與海王星的軌道示意圖

行星地位備受爭議

2005年，柯依伯帶發現了另一顆矮行星——鬩（音「xi」）神星，根據早期觀測結果，估計鬩神星的直徑約為3000千米，比冥王星還大25%。

因此，有科學家呼籲鬩神星成為太陽系繼冥王星之後的第十大行星。

鬩神星的發現，以及這之後在柯依伯帶發現了多顆直徑在2000—3000千米之間的天體，促使國際天文學聯合會不得不重新考慮行星的定義。

要麼把它們統統納入行星，則太陽系將有十三顆行星；要麼冥王星和鬩神星都不是行星，而專門為這些天體設立一個新的天體分類。

由於地球本身是一顆行星，所以人類其實不希望行星的數量太多。

但什麼樣的天體才能稱之為行星，這一問題在天文學上一直備受爭議。

根據國際天文學聯合會2006年8月通過的決議：行星必須是圍繞恆星運轉的天體；行星的質量必須足夠大，能夠克服固體應力成為球狀天體；行星必須有足夠的引力，能清除公轉軌道附近的其他天體，不能有比它更大的天體。

冥王星的質量是其軌道上其他所有天體質量之和的7%，在其運行軌道中並沒有占據主導地位，也就是它的質量不足以清空其運行軌道。

冥王星因此被降級為矮行星。

據2011年10月27日出版的《自然》雜誌上發表的新觀測結果顯示，鬩神星的直徑2326千米，誤差±12千米。

此次「新視野號」飛抵冥王星，探測數據的最新分析表明其直徑約為2370.6公里，誤差±20公里，冥王星的最大衛星卡戎的直徑為1208公里。

這表明冥王星和鬩神星的大小非常接近，冥王星的直徑比之前推測值大80公里左右，超過了長期被認為比冥王星更大的鬩神星。

在柯伊伯帶已發現天體中，冥王星的個頭最大，得以繼續保持繞太陽運轉的第九大天體的美名。

新視野號測得冥王星的體積比之前推測的要胖，使得很多對冥王星被降級憤憤不平的天文愛好者和天文學家又有了新的理由，希望用這一證據作為冥王星重返行星隊伍的「籌碼」。

然而，冥王星的直徑只有地球的18.5%，體積只有地球的0.6%。

地球衛星月球的直徑為3476公里，比冥王星大1000多公里。

從1930年冥王星被首次發現開始，科學界就有許多人一直對冥王星的行星地位很不服氣，一心想把它從九大行星寶座上拉下來，並最終如願以償。

柯依伯帶的矮行星及其衛星與地球和月球的大小比較

哥倆好的雙矮行星系統

冥王星有五顆已知的天然衛星，其中冥衛一卡戎離冥王星最近，其餘四顆衛星都位於冥衛一軌道外。

在羅馬神話中，卡戎是冥王普路托的役卒，專門負責向亡魂收錢，幫助他們划船渡過冥河。

卡戎實際上並非圍繞冥王星的質量中心旋轉，而是圍繞冥王星和卡戎共同的質量中心旋轉。

因此嚴格來說，卡戎並不是冥王星的衛星，冥王星與卡戎的關係不是行星與衛星之間的從屬關係，而是哥倆好的雙矮行星系統。

矮行星作為太陽系內一個新的天體類型，目前還只有冥王星、鬩神星、穀神星、鳥神星、妊神星5個天體被分類為矮行星。

隨著柯依伯帶新的天體的發現，冥衛一和柯依伯帶中的類冥王星天體很可能被接納成為新的矮行星。

冥衛二和冥衛三的體積很小，未能成球體，只能被認定是冥王星的衛星，更準確地說是冥王星-卡戎系統的衛星。

「新視野號」的新發現

「新視野號」飛船的主要任務是探測冥王星、冥衛及柯依伯帶的其他天體，此次飛越冥王星只觀測了冥王星和冥衛，在完成此次飛越之後，「新視野號」將奔赴柯依伯帶，進行為期15年的探索之旅。

由於「新視野號」探測數據傳回地球的傳輸速率僅為每秒1.68kb（千字節），因此此次飛越獲得的大量觀測數據還需要16個月才能傳回地球。

未來一年多，科學界將不斷會有新的發現公布出來。

「新視野號」獲得的初步結果，讓大多數人驚喜不已。

他們發現，冥王星從望遠鏡中觀測到的暗弱的小亮點，變成了生動、活潑的萌王星，一下子拉近了與人們之間的心理距離。

「新視野號」最新發現主要包括：

一，冥王星上發現的心形區域出乎大多數人的意料，原本冷冰冰的冥王星居然如此有愛心。

現在，這一區域已經被非正式命名為「湯博」，以紀念冥王星的發現者。

二，冥王星表面的撞擊坑比較少，說明其地質活動比較強烈，表面年齡比預期的年輕。

但冥王星上各種冰物質含量較高，內部放射性元素含量較低，因此，支撐冥王星地質活動的內部能量來源還是未解之謎。

可能冥王星這一類冰態矮行星的內部能量來源，完全不同於火星、水星等類地行星和月球以放射性元素衰變產生能量的過程。

三，新視野號在冥王星表面發現了高大的冰山，高度達3500米，如此高的冰山不太可能是甲烷冰或氮冰，因為它們的強度不夠。

冥王星上的冰山很可能是水冰築成。

初步估算，冥王星上這一冰山的地質年齡不超過1億年，跟45.6億年「高齡」的太陽系相比，算是「年輕人」，說明冥王星還有比較活躍的地質活動。

四，首次測得冥王星的直徑約為2370千米，約為地球直徑的18.5%。

確定了土豆狀的冥衛三的大小為43千米×33千米，表面有一個直徑約為10千米的圓形深色區域，成分未知。

五，冥王星上存在一條長達3000公里、橫貫東西的「鯨魚」狀斷裂帶，也說明冥王星仍然在發生地質活動。

行星科學家對月球和火星等岩石星球上的地質活動了解較多，但對冥王星這一類冰態矮行星的地質活動的方式和能量來源均知之甚少。

六，新視野號近距離拍攝到了卡戎的照片。

卡戎的直徑為1208千米，相當於冥王星直徑的51%，地球直徑的9.5%。

卡戎表面分布著很多平坦光滑的區域，說明它的地質活動上比較活躍。

冥王星上發現的冰山。

圖片來源：NASA

作者介紹：鄭永春是國家天文台月球與深空探測研究部、中國科學院月球與深空探測重點實驗室副研究員，他也是首屆香江學者、中國科學院青年創新促進會首批會員和國家科普專家。

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