“新视野号”远征冥王星（上）
迄今为止最快的宇宙飞船“新视野”号是人类发射的第一个冥王星探测器，它在经过大约九年的星际旅行后，于1月15日抵达离地球约47亿公里的冥王星附近，并开始探测冥王星、冥王星的月亮以及它们所在的柯伊伯带的其他天体。柯伊伯带是太阳系中一个新的大陆，直到1992年才被发现。尽管冥王星现在已经被降级为矮行星，但它已经成为成千上万冰冻小天体的“领袖”。这些冻结的天体在太阳系的冷库中可能有大量的水，这不同于常见的八大行星和小行星。这项任务的发现将直接改变我们对太阳系的理解。
说到太阳系，我们马上会想到太阳和八大行星。事实上，随着地面和空间天文观测能力的提高和深空探测的进展，太阳系的边界已经扩展到奥尔特云之外，与太阳的距离甚至达到约9.5万亿公里(1光年)。不仅观测到的天体数量大大增加，而且天体的类型也从行星、小行星和彗星到增加矮行星的分类。我们对关系到人类生存和延续的太阳系的理解还很不清楚。
2014年底，各大影院正在播放《星际穿越》，黑洞、白洞和虫洞等领先的天文概念被津津乐道。看来人类有望在未来通过虫洞快速到达太阳系外的可居住行星。然而，事实上，星际飞行的理论一直没有突破。在可预见的未来，深空探测只能局限于太阳系天体的探测。
经过几周的准备，2015年1月15日，首个柯伊伯带探测器“新视野”将开始对冥王星及其卫星以及其他柯伊伯带物体进行远程观测。2015年7月14日，新视野号探测器预计在那一天离冥王星最近。冥王星的发现者唐波的部分骨灰被带上了新视野号，也将前往现场。
[图1冥王星降级前太阳系九大行星]
首先，在太阳系中发现了一个新的大陆，当人类降落在一个全新的大陆上时，他们经常会被看到的景象震惊。今天，我们将在太阳系的新大陆——柯伊伯带着陆。
我们的太阳系由三个主要区域组成。一个区域是太阳系内部，包括水星、金星、地球和火星，被称为类地行星，它们都是岩石天体。第二个区域是外太阳系，包括木星、土星、天王星和海王星，它们被称为类木行星，是气液巨行星。第一个区域和第二个区域由距太阳2.3 ~ 3.3个天文单位的小行星带界定(1个天文单位是太阳和地球之间的平均距离，大约等于1.5亿公里)。第三个区域离海王星更远，包括柯伊伯带，它离太阳大约30 ~ 50个天文单位。在柯伊伯带之外，还有一个奥尔特云，由数千亿个太阳天文单位从50，000到100，000的冷天体组成。
[图2太阳系结构]
[图3火星和木星之间的小行星带]
应该指出的是，冥王星和柯伊伯带的发现过程非常困难，是象征人类探索精神的重要事件之一。自1846年首次发现海王星以来，科学家们一直试图寻找新的海外行星(即海王星以外的行星)。冥王星的质量只有地球的0.21%，它的质量不足以影响海王星的轨道，所以根据天体力学方法计算冥王星的轨道基本上是不可能的。大量的轨道计算后来被证明是不确定的。由于冥王星可能的天球的不可预测性，大量的实际观测都失败了。
直到1930年，汤姆博，一个24岁的农家男孩和洛厄尔天文台新招募的观测助理，在寒冷的亚利桑那高原上经过八个月的艰苦观察和仔细比较(寻找移动的物体是发现新行星的重要手段之一。因此，需要对不同时间拍摄的大量照片进行比较，才能找到移动的天体，但可变恒星和彗星经常会干扰这种比较工作。这是美国天文学家利用美国观测设备发现的第一颗新行星。这是标志着世界科学中心从欧洲大陆转移到美国的重要事件之一。美国人充满自豪，亲切地称冥王星为“美国的星球”
1978年，冥王星在冥王星附近被发现(卡戎，它的质心实际上落在两个天体之外，所以它并不真正围绕冥王星运行。而且两者之间的质量差异并不大，所以它们不能被视为幽灵卫士，而是矮行星(与冥王星形成一个双矮行星系统)。冥王星和卡戎所在的太阳系外缘一直被认为是空的，没有其他大型天体。1987年，当时在麻省理工学院工作的天文学家大卫·乔维特不相信外层太阳系如此空旷。1992年8月30日，他和研究生刘丽杏在连续五年观察该区域后，终于发现了除冥王星和卡戎之外的第一个柯伊伯带天体，即直径250公里的小行星15760。六个月后，他们在1993年发现了第二个天体(181708)，从而证实了柯伊伯带的存在。两人因对发现柯伊伯带天体做出贡献而获得2012年肖天文奖。我们现在知道，柯伊伯带是一个环形区域，散布着大量冰冻的小天体，它们位于远离黄道平面的海王星轨道附近，是太阳系中的“冷库”。
冥王星直径2301公里，是柯伊伯带的主要天体，长期以来被认为是太阳系九大行星之一。冥王星的轨道是一个非常平坦的椭圆。它的远地点大约是74亿公里，近日点是44亿公里。它与太阳的平均距离约为59亿公里，是太阳与地球平均距离的40倍。绕太阳一周需要248年。但是就体积而言，冥王星是第十大围绕太阳旋转的天体。这是因为迈克尔·布朗和其他三位天文学家在2005年7月发现了厄里斯，太阳系中最大的矮行星，直径为2326±12公里。波塞冬的质量大约是地球质量的0.27%，比冥王星重27%。它离太阳有97个天文单位，在公转周期中有557年的历史。它位于太阳系中一个比柯伊伯带更远的离散圆盘上，不属于柯伊伯带的物体。除了星，他们还发现了鸟。怀孕的星星在两天后被发现。到目前为止，柯伊伯带至少有三颗矮行星，冥王星、鸟氨酸和白首乌。同年，冥王星的两颗卫星，尼克斯和海德拉，也被发现。2011年和2012年，分别发现了Kerberos和冥河。此外，除了海王星之外，主要的天体还包括塞德娜、小行星22588、造物主和神。
[图4:目前已知的海王星轨道外的主要天体]
[图5冥王星及其三颗卫星。右边是冥王星，冥王星，冥王星，冥王星2和冥王星3。哈勃太空望远镜在2006年拍摄了照片。】
由于比冥王星大，波塞冬曾被认为是太阳系中的第十颗行星。目前，柯伊伯带已经发现了1000多个天体。天体的实际数量可能超过100，000个，其中一些天体的大小与冥王星相似。如果所有行星都被接受为行星，太阳系中的行星家族将继续扩张。如果不被接受，天文学家将不得不对行星做出明确的定义。
2006年8月，国际天文学联盟第26届大会通过了第5号决议，该决议改变了行星的定义:行星是一个球体，其质量足以围绕恒星而非卫星运行，并且必须有能力移除轨道区域内相同大小的物体。尽管柯伊伯带中的这些天体围绕太阳旋转，体积和质量都很大，而且不是行星的卫星，但它们不能被称为行星，因为它们没有能力清空它们的轨道区域。行星的定义要求它的质量在其轨道区域的所有天体中占绝对优势，并且它清除其轨道的能力和程度比矮行星高5个数量级以上。冥王星因此被降级为矮行星，而我们从小就知道的太阳系九大行星被改写为八大行星。2008年，国际天文联合会再次将冥王星划分为深成岩。从那以后，冥王星慢慢从公众视野中消失了。现在冥王星的官方名称是小行星134340。
第二，“新视野”:太阳系新世界的探险者们正经历着一段坎坷的旅程。如果他们错过了，他们将不得不再等一百年。
由于冥王星离太阳和地球很远，它必须飞很远的距离才能探测到它并克服寒冷和黑暗的困难，所以它以前从未被探测器探测到。
20世纪90年代末，美国宇航局开发了一个名为冥王星-柯伊伯快车的探测器项目，最初计划于2004年12月18日发射。它的主要目的是探测冥王星、卡戎和其他柯伊伯带天体。美国国家航空航天局宣布，由于研发经费超支，该计划被取消。
消息一发布，许多天文学家立即强烈*。他们四处游说，要求再进行一次冥王星探测。美国行星协会甚至发起了“拯救冥王星计划”运动。最后，美国宇航局官员终于被说服，于2000年12月20日宣布重新演示冥王星的计划。他们拒绝采纳最初的勘探计划，而是公开向世界各地征集新的勘探计划。这也是美国宇航局历史上第一次公开向世界征集太空计划。
美国宇航局对新计划提出了两个苛刻的要求:一个是在2015年到达冥王星，另一个是花费不到5亿美元。这是因为冥王星的轨道是椭圆形的，围绕太阳运行了248年。2015年是探索冥王星的最佳时机。一旦错过，这个快速到达冥王星的机会只有一百年后才能实现。官员们一定认为等待15年的太空探索计划是公众耐心的极限。
从宣布新的演示到最新的发射时间，科学家们只剩下5年的时间了。2004 ~ 2006年是发射冥王星探测器的最后机会。为了争分夺秒地开发探测器，美国宇航局只剩下三个月的时间来设计新的冥王星计划，直到2001年3月19日。最终，西南研究院与霍普金斯大学应用物理实验室联合团队的设计方案脱颖而出，赢得了多项方案，总预算4.88亿美元。新计划可以传回比最初冥王星-柯伊伯快车项目多10倍的观测数据。如果它在2006年2月前发射，它肯定会在2015年夏天到达冥王星。2001年12月，美国宇航局宣布恢复冥王星的计划。该探测器被称为新视野号。
“新视野”原定于2006年1月17日美国东部时间13: 24在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地41发射台发射，但由于地面强风和负责该项目的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室控制中心突然断电，发射被推迟了两次。到1月19日14时，卡纳维拉尔角上空的云层已经逐渐散去，天气状况适合发射。新视野比原计划晚了半个小时发射。45分钟后，三级火箭脱离，新视野号脱离地球引力，向木星飞去。
[图6宇宙5号火箭发射的“新视野”
太阳系新世界中的“考古学”
当“新视野”被展示和发射时，冥王星也被认为是一颗行星。作为太阳系中唯一没有被宇宙飞船探测到的行星，“新视野”被赋予了重要的象征意义。随着天文学家继续在柯伊伯带获得新的观测结果，新视野号的主要任务从冥王星延伸到整个柯伊伯带:
在冥王星和它的五颗已知卫星附近。尽管之前哈勃太空望远镜的观测没有发现冥王星有新的卫星或环形系统，但如果它们太暗太弱，很难从远距离找到它们。因此，“新视野”将探测冥王星是否有未被发现的卫星，调查冥王星是否有环形系统，观察冥王星表面是否有环形山或有多少环形山，并判断柯伊伯带物体碰撞的概率。
研究柯伊伯带的其他天体。柯伊伯带天体自太阳系形成之初就存在了。它们是太阳系主要行星形成的残余。它们记录了太阳系最初形成的历史，有助于理解太阳系和地球的生命起源。如果不了解柯伊伯带，就很难了解太阳系的起源。关于太阳系中的这块新大陆，“新视野”首席科学家艾伦·斯特恩指出:“在太阳系的这个区域有许多谜团。探索冥王星和柯伊伯带就像是太阳系新世界的考古挖掘。太阳系行星形成的初始状态可以通过研究来观察。”
剑剑戟等18种古董武器
科学仪器是新视野的“眼睛”。新视野号携带了七个重30公斤的科学仪器。有三种光学设备。他们是:罗莉、拉尔夫和爱丽丝，分别拍摄可见光、红外线和紫外线照片。其他四个仪器是:太阳风计(SWAP)、无线电科学实验室(REX)、能量粒子分光计(PEPSSI)和学生尘埃计数器(SDC)，分别用于测量冥王星附近和冥王星上的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。
[图7新视野携带的科学仪器示意图]
(1)可见-红外成像光谱仪(Ralph):拍摄冥王星和卡戎的表面地形，提供高清图像照片，分析表面物理现象和物质组成，绘制地形图，了解冥王星和卡戎的历史。该仪器分为两个部分，一个是多光谱可见光照相机(MVIC)，另一个是红外光谱仪(莱萨)。两者都使用一个6厘米的镜头来调整焦距和收集图像。
可见光照相机使用电荷耦合器件(CCD)，这是近年来所有外层空间探测器的标准设备。在穿过透镜之后，天体的图像穿过四层滤光器，并由电荷耦合器成像。滤光器包括通用的蓝色、绿色和近红外滤光器，以及专门用于观察甲烷的滤光器。
红外光谱仪测量热辐射光谱以获得材料成分信息。根据哈勃的观测结果，冥王星的表面主要由甲烷、氮气、一氧化碳和冰组成，而卡戎主要由冰组成。当探测器接近它们时，通过红外光谱仪的观察可以发现更多的其他物质。
(2)罗莉:它有一个直径为20.8厘米的镜头，也是用电荷耦合器件成像的，但它没有滤光器和移动部件，它的结构比拉尔夫简单得多。目的是为探测器提供详细的空间信息，即飞行期间探测器的精确位置。通过对特定恒星的观测和对观测数据的比较，得到探测器在途中某一点的精确位置和相位，从而控制探测器进行相应的轨道调整。当飞往冥王星时，远程勘测成像仪将同时拍摄冥王星表面的图像，分辨率大致相当于一个标准足球场的面积。
(3)紫外成像光谱仪(Alice):测量来自冥王星和卡戎的紫外辐射或反射，获得不同波长的图像，并研究它们的大气成分、表面物质成分和温度。紫外成像光谱仪有两种工作模式:1)气体辉光探测模式，当探测器接近和离开冥王星时采用。目的是直接测量来自冥王星和卡戎大气的紫外线辐射或反射。这种操作模式大部分时间都被采用。(2)掩星测量模式:当探测器经过冥王星并进入冥王星的日食阴影区时，它是太阳光被冥王星的恒星隐藏的地方。通过测量穿过冥王星大气的太阳光，获得了冥王星大气的成分、浓度和温度分布。
(4)太阳风计(SWAP):主要用于测量冥王星附近的太阳风特征，分析从冥王星大气中逃逸的物质和逃逸率，以及发现冥王星周围的磁层。仪器内部有一个低能等离子体探测器，测量范围为30 ~ 7700电子伏。
(5)无线电科学实验室(REX):当“新视野”位于冥王星背面时，地球的控制者开始向冥王星发送无线电波。由于无线电信号在穿过冥王星大气层时会有一定的折射、失真和延时，所以当穿过冥王星大气层的无线电波被航天器上直径为2.1m的高增益天线接收后，无线电科学实验仪将比较穿过冥王星大气层前后的信号特征，分析大气层中气体分子的组成、密度、温度和大气结构，并绘制冥王星大气层从高空到地面的温度和密度曲线。
当探测器近距离飞越冥王星时，无线电科学实验仪器可以切换到辐射探测模式，直接测量冥王星发出的微弱微波辐射，并精确测量冥王星的阳光面和阴面之间的温度变化。
(6)能量粒子谱仪:该仪器由带电粒子探测器组成，可以测量质子、离子和电子等带电粒子的组成和密度。通过探测大气顶部的中性粒子被太阳风激活并从大气中逃逸的现象，计算出大气的化学成分。
(7)学生尘埃计数器(SDC):由科罗拉多大学学生在专业太空人员的指导下创建，主要用于测量星际尘埃粒子在整个飞行过程中对新视野的影响，包括粒子的大小和数量、撞击航天器时的方向和飞行路径等。这些尘埃粒子主要来自彗星逃逸的物质与柯伊伯带物体碰撞产生的碎片。
待续，太阳系的原始秘密是什么？星际超长距离飞行的关键是什么？请注意以下几点。