今天人类将触摸太阳系边缘，收获迄今最遥远新年祝福

Daphane · 发表于 2019-1-2 18:27:52

来源：科研圈

2019 年 1 月 1 日，曾经成功飞掠冥王星的宇宙漫游者新视野号（New Horizons）探测器将要“触摸”太阳系边缘——它将开始近距离观测距离地球 64 亿公里的柯伊伯带小天体“天涯海角”（Ultima Thule），并向地球传回相关数据。这份特殊的“新年问候”会给我们带来怎样的发现？

概念图：新视野号航天器遭遇 2014 MU69 ——它是一个运行轨道在冥王星外侧 16 亿公里处的柯伊伯带天体，人们给它起了个绰号叫天涯海角（Ultima Thule）。图片来源：emily.furfaro / Nasa / JHUAPL / SwRI

　　在地球 64 亿公里之外，一群微小世界勾勒出了太阳系的黑暗边界。由于太阳距离这个区域过于遥远，因此这些天体并没有夜空中的星星那般闪亮。这就是柯伊伯带（Kuiper belt），一个由多冰物质组成的甜甜圈形状区域，它是我们的太阳系周围最神秘，也是最具科学吸引力的空间区域之一。
　　柯伊伯带由数十亿年前太阳系行星形成时残留下的碎片构成，这些碎片是太阳系诞生的化石记录者。几十年来，研究人员一直梦想着近距离观察这些碎片，但却被横亘在地球和柯伊伯带之间的漫长距离所阻挡。

太阳系最外圈的柯伊伯带示意图。图片来源：NASA‘s Solar System Exploration

　　现在，这种科学上的无知状态即将结束。2019 年 1 月 1 日，美国天体探测器新视野号（New Horizons）经过 13 年面向太阳系边缘的长途跋涉，将飞掠柯伊伯带天体 2014 MU69，并在接下来的 24 小时内，使用相机、探测器和扫描装置仔细观查这个微小世界的细节。在这场交汇结束后，这个在天文学家望远镜中只是一个点的天体就会变成一个拥有天文学和地质学细节的世界。
　　“我们准备弄清楚这个天体是由什么物质组成的，”新视野号任务的首席研究员艾伦·斯特恩（Alan Stern）说。“它的结构如何？是否拥有大气层和天体环？没人知道我们会发现什么。”
　　在此过程中，MU69 将成为人类遥控探索过的最遥远的物体。这是一次不同寻常的相遇–发现这个天体的探测任务工作人员最近决定给这个“小家伙”一个比当前单调的天文目录编号更令人难忘的头衔。他们将其改名为“天涯海角”（Ultima Thule），古代的地理学家用这个词来称呼那些人类世界中最偏远的地区（格陵兰岛和冰岛都是Ultima Thule原址的候选者）。
　　新视野号与天涯海角的交汇只有不到 24 小时，这段时间里它要用各种仪器对其进行调查。随后这些发现将会被回传给地球，为科学家们提供有关太阳系早期历史的宝贵数据。在完成这项极具历史意义的任务后，新视野号将沿着射手座所在方向进一步突入太空深处。
　　“至关重要的是，现在新视野号的一切设备都运转得非常完美，”斯特恩说。“我们刚刚对其当下的行进路线进行了一次修正。但是我不确定这些是否必要——我们已经非常接近需要遵循的正确轨道。”
　　冥王星观测者
　　新视野号于 2006 年 1 月从卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）发射，并于 2007 年 2 月飞越巨行星木星时将其速度提高到 48，000km/h 以上。在接下来的八年里，它背对太阳，向外飞向其主要目标：矮行星冥王星及其五个卫星——卡戎（Charon），斯提克斯（Styx），尼克斯（Nix），科波若斯（Kerberos）和许德拉（Hydra）。
　　2015 年 7 月 14 日，新视野号终于完成了 48 亿公里的漫长旅程，飞到了冥王星及其卫星身边，并开始向地球发送数据。这些信息以光速传送，但仍需要四个多小时才能到达任务控制中心。当地球上的天文学家们终于将这些信息收集完毕时，他们从中收获了许多惊喜。

2015 年 7 月，新视野号团队的工作人员在它接近冥王星最近观察点时开始倒计时。现在，新视野号已经向宇宙深处又推进了 16 亿公里。图片来源：Bill Ingalls / AP

　　许多人曾认为到冥王星及其卫星会是一个充斥着冰冷和死亡的地方。而事实与之相反，新视野号发现了许多地质活动的迹象以及最近冰川流过冥王星表面的证据。这个星球上有高耸的水冰山峰和广阔的、氮冰对流形成的平原（冥王星的心形区域），而卡戎的红棕色“帽子”则被发现由有机分子组成，这些有机分子可能是生命的重要组成部分。

由新视野号拍摄、在太阳系遥远角落里默默比心的冥王星一度成为了网红。图片来源：Space.com

　　冥王星还被发现拥一层富含氮的稀薄蓝色大气层。对于距离太阳如此遥远的距离而言，这颗行星以及它的卫星拥有令人惊讶的活力。
　　“我们原来认为冥王星是一个简单的、不活跃的世界，但事实上它并不比地球或火星简单，”斯特恩说。“我们还发现它具有地质活性，这是我们没想到的。我们以为冥王星很久前就已经失去了地热能，但事实并非如此。”
　　然而，最令斯特恩兴奋的是公众的反应。“我意识到探测器做出的发现非常受公众欢迎。这是自上个世纪 80 年代以来人类探测器第一次飞掠一个新行星，人们对此非常热衷。他们真的被我们做出的发现所吸引。公众对太空探索真的很感兴趣。这鼓励了我们。“
　　天涯海角的秘密
　　在揭示了冥王星及其卫星的奇妙真相之后，新视野号继续沿着它的路径向柯伊伯带出发。这是一次附加的行程，将为其旅行记录增加 16 亿公里。这个目标并无不妥——因为柯伊伯带中的天体可以告诉我们不少太阳系诞生时的情况。

这张合成图像中十字准星标出的天体即为柯伊伯带中的小天体天涯海角。2018 年 8 月 16 日由新视野号制作。图片来源：AP

　　然而，研究这些小天体与审视冥王星或卡戎是完全不同的。冥王星的直径约为 2，365 公里，卡戎则有 1，207 公里。相比之下，新视野号的目标——天涯海角的直径大约只有 32 公里，对于柯伊伯带中的天体来说这是个有代表性的典型尺寸[柯伊伯带以荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）的名字命名，他于 1951 年的一篇论文中提出了它的存在]。
　　2014 年，使用哈勃太空望远镜扫描柯伊伯带的天文学家发现了天涯海角，他们一直在为新视野号寻找潜在的观测目标。当时共有五个候选对象被精确定位，天涯海角成了最合适的那一个。“这是我们最容易接近的柯伊伯带天体，”斯特恩说。“我们可以使用最少量的燃料来接近它，这样可以最大程度上节约我们的储备，这对于处理新视野号未来任何不可预见的行动至关重要。”
　　有趣的是，选择天涯海角作为观测目标为新视野号增添了另一个成就：它将成为天文学历史中第一个在观测对象被发现前，就被发射出去的航天器。
　　自从天涯海角被发现以来，科学家一直在努力寻找关于这个微小的、及其遥远的世界的更多信息，因为新视野号正向它飞去。哈勃太空望远镜在继续观测，天文学家则试图利用恒星掩星（stellar occultations）现象去了解它——当像天涯海角这样的小天体在恒星前经过并干扰它投射在地球上的光线时就会发生这种情况。
　　根据这些观察，科学家认为天涯海角要么是一个直径约 32 公里的天体，要么由两个相互旋转的天体组成——每个天体的直径为 14 ~ 19 公里。它甚至可能拥有一个或数个卫星。
　　“天涯海角可能有大气层、天体环或者几个卫星，”斯特恩说。“我们当然对这次探测抱有希望，因为新视野号飞掠达冥王星时带来了很多惊喜。但是，我们必须等到 1 月 1 日才能发现真相。“
　　在新视野号的第一个数据下个月到达地球后，科学家们应该能对天涯海角的许多关键特性有更清楚的了解。不过，在获得总体图景之前，他们将面对一个漫长的等待时间——虽然 1 月 1 日起新视野号要在 3，540 公里的飞行区间内对天涯海角进行观测，但将它获得的数据传回地球需要好几个月的时间。
　　之所以耗时如此之长，是因为新视野号距离地球过于遥远以至于它的无线电信号极其微弱，这就意味着较低的数据传输速率——每秒 1 千比特。按照这个速度，需要一年多的时间我们才能准确了解对天涯海角的探测结果。
　　“我们将在观测后从新视野号收获大约 50 千兆字节的信息，”斯特恩说。“这与我们从冥王星及其卫星中收集到的数据量大致相同，这些数据花费了 16 个月以上的时间才回到地球。”要知道新视野号飞掠冥王星是 3 年半前的事情了，现在它和地球的距离又增加了 16 亿公里，这意味着天涯海角的数据需要更长时间才能传送回科学家手上。
　　斯特恩说：“我预计这次需要大约 20 个月才能获得这些数据。这意味着，在 2020 年 9 月，我们就能了解到我们计划获取的、关于天涯海角的所有信息，这可需要点耐心。另一方面，天涯海角本身是太阳系诞生早期留下的化石记录，因此我认为我们可以等待一段时间来研究它。“
　　看来天涯海角将会把太空探测器造访过的最遥远天体这个头衔保留很长一段时间，除非斯特恩和他的同事选择打破自己创造的这一记录。他们会在下一个 10 年着手探索另一个柯伊伯带天体。
　　“一旦我们获得了天涯海角的全部数据，我们就会开始考虑下一个目标，”斯特恩说。“新视野号拥有核能电池，可以提供未来 20 年的电力，因此它可以轻松地飞向其他天体，我们有能力做到这一点。不过我们不排除未来对新天体进行飞掠观测的可能，当然这在某种程度上取决于我们在天涯海角上能做出什么样的发现。”

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