冥王星的秘密揭晓

2015年7月14日晚上9点临近时，我与时任美国宇航局局长查尔斯·博尔登以及其他人在位于马里兰州约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的任务控制中心站在一起。大约一分钟后，我们将收到来自“新视野号”探测器的首批信号，该探测器在勇敢地一次性飞越冥王星及其五颗卫星系统后，距离我们约30亿英里。

这个以光速传播到地球上美国宇航局巨型天线的信号，将告诉我们这次飞越是否成功。它会揭示我们的任务已经出错还是成功——或者只是沉默？一切皆有可能。

附近还有近2000名受邀嘉宾也在等待消息。在世界各地，无数其他人也在电视和网络上观看。为了实现这一目标，我们花费了超过26年的时间——14年“推销”这个项目，又花了四年时间建造和发射它，然后又花了九年多的时间飞越太阳系。对于作为项目负责人的我，以及我们的任务和科学团队来说，我们为之努力的一切都取决于我们即将从收到的信号中了解到的信息。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事。

突然，通信信号到达了。几秒钟后，任务控制中心巨大的计算机显示器开始将它们解码成探测器健康报告。我们的飞行工程师逐一评估他们的数据并汇报，每个人都确认探测器系统工作正常。“新视野号”在历史性的飞越中幸存下来，并且运行完美。欢呼声在任务控制中心爆发，人们举起双手挥舞旗帜，拥抱在房间里蔓延。我们近三十年来探索有史以来最遥远的世界——行星探索的珠穆朗玛峰——的努力成功了！

到第二天早上，“新视野号”已经将它的第一批高分辨率图像发回地球，揭示了冥王星是一个令人惊叹的复杂世界。在随后的几天和几个月里，探测器的数据持续传来，并且一直持续到2016年末。总而言之，“新视野号”使用七种科学仪器进行了400多次独立的观测——这一收获产生的数据量大约是美国宇航局首次火星任务“水手4号”的5000倍。

这组数据的科学宝藏彻底改变了我们对冥王星系统的认识，并颠覆了关于小行星可以多么复杂和充满活力的普遍看法。公众对这次任务的热烈反响——包括我们任务网站上超过20亿的页面浏览量，飞越当周近500篇报纸头版报道，以及数十篇杂志专题报道、谷歌涂鸦等等——也出乎意料地受欢迎。

事后看来，很容易看出冥王星的探索对研究和公众对行星科学的欣赏都非常有价值。但说实话，这项任务几乎从未启动。

2001：太空漫游

美国宇航局在1999年首次宣布了执行冥王星任务的坚定意向，当时它邀请全国各地的团队提出在冥王星柯伊伯带快车（PKE）任务中搭载仪器的建议。我领导的团队提交了一份主要的相机和光谱仪仪器套件提案，但到2000年9月，PKE的估计成本已经增长到如此之高，以至于在美国宇航局甚至可以选择搭载的仪器之前，该机构就取消了这项任务。

行星科学界立即采取行动，谴责取消并要求美国宇航局撤销决定。公众也提出了抗议，向美国宇航局打来了无数电话，并寄来了超过10000封抗议信。甚至有一位青少年驾车横跨全国，亲自呼吁美国宇航局恢复对第九行星的探索。（尽管存在常见的误解，但我，以及我认识的大多数其他行星科学家，都将冥王星称为行星，并且在演讲或研究论文中不使用国际天文联合会的行星定义，该定义将冥王星排除在外。）最终，在2000年12月，美国宇航局宣布将为新的冥王星飞越任务概念进行竞争。提案仍然必须满足为PKE任务设定的目标，并且必须制定在2020年之前到达冥王星的计划，但它们的成本必须大致低于PKE成本的一半。最终，美国宇航局收到了来自各个团队的五份电话簿厚的提案，每份提案都提供了此类任务的详细计划。我领导了其中一个团队。我们将我们的任务称为“新视野号”，因为我们提出的将是美国宇航局自20世纪70年代的“旅行者”任务以来首次探索一颗新行星。

我们的团队，总部设在我工作的西南研究院和我们的探测器将在那里建造和控制的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室，在行星任务方面的经验比我们的主要竞争对手少得多，但我们用独创性弥补了这一点。为了控制成本，我们建议派遣一艘而不是两艘探测器进行这次旅程——这种风险极高，在首次行星探索中几乎是前所未有的。我们还建议在前往冥王星的近10年旅程中休眠探测器，以降低人员配备成本，并将重点放在科学能力上，牺牲飞越后快速返回数据的能力。我们坚持不懈地完善我们的提案，并使其经历了无数次审查，以确保它在各个方面都完美无缺——从技术实施到科学团队组成，再到管理计划、教育和公众宣传、成本控制，甚至应急计划。在2001年11月下旬，美国宇航局宣布已选择“新视野号”而不是我们所有的竞争对手。我们赢了！但我们几乎不知道接下来会发生什么。

为了赶上我们在2006年1月的预定发射窗口，我们必须在短短四年零两个月内设计、建造和测试我们的探测器——而过去美国宇航局的任务，如“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”，则需要8到12年的时间。我们也将只有“旅行者”预算的20%。但是，正当我们准备应对这些挑战时，在我们被选中不到三个月后，布什政府提议通过在2002年初发布的联邦预算中将其排除在外，从而完全取消“新视野号”。此举引发了国会和白宫之间旷日持久的资金争夺战，这场争夺战直到2002年夏天国家科学院将冥王星探索评为最高“十年调查”优先事项时才得到解决，这足以说服立法者该任务是值得的。然后，正当我们认为我们可能已经走出困境时，洛斯阿拉莫斯国家实验室的两次为期数月的关闭危及了我们获得足够钚来为我们探测器的核动力发电机提供燃料的能力。

美国宇航局和科学界的许多人并不认为“新视野号”团队能够经受住如此多的挫折。但我们真的夜以继日、每周52周、连续四年地工作，以克服这些障碍。因此，我们按时到达发射台，准备飞往冥王星。

计划一次长距离一杆进洞

“新视野号”配备了在短暂飞越冥王星系统期间尽可能多地了解其所需的一切。 “新视野号”的业务端是其七种仪器的有效载荷。其中包括黑白和彩色相机、两个光谱仪（将光线分离成各种波长以绘制大气和表面成分图），以及一个探测器，用于研究撞击探测器的尘埃。船上还有两个空间等离子体传感器，用于测量冥王星大气层的逃逸速度和逃逸气体的成分，以及一个无线电科学软件包，能够测量表面温度并分析大气温度和压力随高度的变化。

与20世纪60年代和70年代建造的早期首次飞越任务（如双胞胎“旅行者”号探测器）相比，这种仪器有效载荷为首次飞越一颗新行星带来了比以往任何时候都更强大的科学火力，这主要是因为我们使用的是21世纪的技术。例如，“旅行者1号”表面成分绘图光谱仪只有一个像素，而“新视野号”上的成分绘图仪有64000个像素。这些能力的进步，再加上探测器的内存可以存储比“旅行者”号磁带记录器多100倍的数据，意味着“新视野号”可以比以前的首次飞越任务更有效。

尽管我们的探测器在飞往冥王星的大部分时间里都处于“休眠”状态，但飞越计划占据了我们团队在旅程中的大部分时间。为了实现其飞越目标，“新视野号”需要在从地球出发飞行9.5年后，在精确的九分钟时间窗口内到达。它还需要飞过一个空间窗口，该窗口的尺寸仅为约35英里乘60英里。这听起来可能像一个很大的目标，但从30亿英里外发射击中那个窗口，相当于从洛杉矶向纽约市击打高尔夫球并一杆进洞。

我们还必须设计、测试和编程我们希望“新视野号”在整个为期六个月的飞越期间执行的每一项活动，飞越将从2015年1月中旬持续到7月中旬。这些活动包括我们的七种科学仪器对冥王星及其所有五颗卫星进行的400多次观测；在接近过程中搜索可能危害“新视野号”的危险和碎片；搜索新的卫星和环；观测以三角测量冥王星的位置，以帮助我们瞄准它；发射我们的发动机以确保精确瞄准飞越；以及传输在接近过程中记录的所有数据。我们还必须计划不仅一次，而是三次冥王星飞越，每次都沿着单独的轨迹，以防我们发现危险碎片并需要转移探测器。最后，我们需要编写车载智能软件来处理探测器或其仪器的150多种可能的故障，并且我们还必须创建任务控制程序来处理探测器软件无法处理的数十种潜在故障。

一颗新行星

由于冥王星的体积小且轨道遥远，在“新视野号”飞越之前，科学家对它知之甚少。即使是哈勃太空望远镜也几乎无法分辨出它的圆面。基本上清楚的是，它的直径约为1400英里，至少有五颗卫星，一个稀薄的大气层，一个红色的表面，其中包含甲烷、氮气和一氧化碳的冰，以及极地冰盖和其他大规模表面标记的证据。这些事实暗示它可能比我们外太阳系中大多数冰冻世界更令人感兴趣和复杂。但“新视野号”揭示了一颗比大多数科学家预期的更为复杂、地质多样化和活跃的行星。

在我们的发现中，我们发现冥王星的大气层延伸到数百英里的高空，并且有数十个同心雾霾层，但几乎没有云层。“新视野号”首次测量了冥王星表面的大气压，发现它只有11微巴——大约相当于地球中间层顶部的压力，大约在太空边缘上方50英里处。我们还发现，冥王星大气层的逃逸速度比预期的慢500到1000倍，更类似于火星和地球上的逃逸速度，而不是飞越前模型预测的彗星状逃逸速度。令人惊讶的是，我们发现冥王星的雾霾将其大气层染成蓝色，使其天空呈现出与地球明显相似的颜色。

“新视野号”还揭示冥王星比大多数飞越前估计的要大，真实直径为1476英里。这一测量结果明确地确立了冥王星作为柯伊伯带中小行星中最大的一颗的地位。它更大的尺寸，加上冥王星已知的质量，降低了它的密度，这意味着虽然它仍然是一个主要由岩石组成的世界，外层是冰，但岩石成分更接近66%，而不是我们飞越前预期的70%以上。在冥王星剩余的（非岩石）质量中，大部分是水冰，表面只有微量的更奇异的冰。基于飞越测量的冥王星的大小、质量和形状的内部模型现在提供了有力的间接证据，表明冥王星隐藏着一个液态水海洋层，该层位于地下数百英里处，那里的温度和压力达到水的熔点。

多年来，行星科学家一直在争论冥王星的表面是否会包含陡峭的地形。答案取决于其顶层氮冰的厚度。这种冰构成了冥王星表面的大部分，它很脆弱，即使在冥王星的减弱重力下也会在其自身重量下坍塌，因此厚厚的一层冰会阻止高大的地质特征形成。然而，当“新视野号”到达冥王星时，它的一些最早的高分辨率图像显示，山脉高达15000英尺，这表明冥王星的表面氮可能只是薄薄的一层覆盖在我们后来确认为水冰地壳的东西之上。

“新视野号”还揭示了冥王星上令人惊叹的其他地质多样性。我们看到了广阔的冰川、绵延数百英里的断层系统、由巨大的冰块破碎造成的混乱和山脉地形、退缩的甲烷悬崖、一些山脉上的甲烷雪盖，以及数千个直径一到六英里宽的坑，据推测这些坑是由冥王星赤道平原上升华的氮冰形成的。

冥王星最大的冰川，一个名为斯普特尼克平原（以第一颗太空任务斯普特尼克命名）的氮冰特征，覆盖面积超过308000平方英里——大于得克萨斯州和俄克拉荷马州的总和。太阳系中任何其他地方都没有已知的类似特征。此外，斯普特尼克平原显然在地质上是活跃的，这可以通过其中的冰流以及指示热源位于下方的图案来揭示。我们还看到了明显的迹象表明，它的冰正在通过来自周围山脉的冰川或雪崩来补充，这些山脉耸立在其上方。

但冥王星的地质惊喜并没有止步于此。通过计数其陨石坑，我们可以估计其地形形成的时间（表面越年轻，陨石坑积累的时间就越少）。在这样做之后，我们发现行星表面存在广泛的年龄范围——从古老的、遭受严重撞击的地面，年龄超过40亿年，到中年区域，年龄为1亿到10亿年，再到斯普特尼克本身，它没有可识别的陨石坑，并且必然小于——可能远小于——3000万年。这个年龄范围是出乎意料的，因为科学家普遍预测冥王星相对较小的体积会使其在其历史早期冷却，从而失去形成新地表覆盖物的能力。事实证明，传统的智慧是错误的。冥王星今天仍然在地质上活跃，尽管为所有这些变化提供动力的能量来源尚不清楚。

然而还有更多。我们团队的地质学家发现了甲烷冰塔，这些冰塔攀升到冥王星天空1000多英尺的高度，并在数百英里的范围内形成有组织的系统。如果一个世界的所有这些还不够，我们还观察到似乎是大型冰火山，年龄仅为1亿到3亿年，这表明它们在冥王星的近期过去曾活动过。我们团队中的一些人，包括我自己，看到了排水沟网络和一个冰冻湖泊的证据，这可能表明冥王星过去的大气压要高得多——甚至高于今天的火星——允许液体流动甚至聚集在表面。

简而言之，冥王星令人惊叹的大气和表面特征让科学界震惊，这表明小行星的复杂性可以与地球和火星相媲美。

探索冥王星的卫星

与冥王星本身一样，在“新视野号”探索它们之前，冥王星的五颗卫星基本上是未知的。卡戎是这些世界中迄今为止最大的一个（直径几乎正好是冥王星的一半），由行星天文学家吉姆·克里斯蒂和罗伯特·哈灵顿于1978年使用地面望远镜发现。在“新视野号”之前，已知它覆盖着惰性水冰，几乎没有大气层，并且比冥王星的颜色和反射率都低得多。四颗较小的卫星——斯提克斯、尼克斯、科波洛斯和许德拉——分别由“新视野号”团队的成员在2005年至2012年间使用哈勃太空望远镜发现。在冥王星飞越之前，科学家对它们知之甚少，除了它们的轨道特性，并且他们知道它们的颜色与卡戎一样相对中性。即使是它们的大小也只是粗略估计。没有任何望远镜能够分辨出它们——它们只是绕冥王星运行的光点。

“新视野号”使我们能够创建卡戎的详细地质、颜色、成分和地形起伏图，更灵敏地搜索那里的大气层，测量其紫外线反射率，并精确确定其大小和形状。探测器无法像靠近卡戎那样靠近四颗小卫星中的任何一颗，因此我们能够了解到的关于它们的信息必然较少。但即便如此，“新视野号”也揭示了它们的大小、自转周期和形状，并制作了每颗卫星的粗略黑白地图。在尼克斯和许德拉的情况下，“新视野号”还生成了彩色地图、成分测量和表面年龄估计。

由于这些发现，我们现在对卡戎的基本了解可以与美国宇航局的“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”任务收集到的关于巨行星大型冰卫星的知识相媲美。卡戎根本没有大气层，也没有表面挥发物，尽管我们确实在那里发现了奇异的氨或铵冰露头。根据陨石坑计数，它的表面看起来已经超过40亿年，年龄变化不大，这意味着它的地质引擎在耗尽自身之前只运行了很短的时间。然而，在那短暂的时间里，卡戎在其南半球创造了广阔的冰淹平原、一条比大峡谷深五倍的巨大峡谷带、山脉和一个红色的北部“极地冰帽”，这与太阳系中其他任何特征都不同。那个红色极点似乎是由甲烷和氮气组成的，这些气体随着时间的推移从冥王星的大气层中逃逸出来，然后重新沉积在卡戎寒冷的极点上，在那里，紫外线辐射将这些物质化学转化为红色烃副产品。卡戎的峡谷带似乎是由于卡戎内部的水在其形成后冷却时冻结和膨胀而产生的巨大应力造成的。

我们发现冥王星的四颗小卫星都与冥王星的反射率大致相同，大约是卡戎反射率的两倍；当它们的表面似乎与卡戎的材料相同时，它们为何如此具有反射性仍然是一个谜。它们都不够大，无法保留大气层。尽管它们各自都有一些陨石坑，这些陨石坑很可能在陨石坑中的物质被喷射出来形成时，在冥王星周围形成了临时的环，但我们发现今天冥王星周围没有这样的环。

尼克斯和许德拉的轨道表明，它们的形成是冥王星上导致卡戎形成的同一次大规模撞击的结果。我们绘制的这些卫星地图具有足够的分辨率来发现各种陨石坑。对这些陨石坑的年代测定表明，它们的表面大约有40亿年的历史——与卡戎相同。这一发现证明，形成它们的撞击发生在太阳系历史的早期，不可能是为冥王星当前地质活动提供动力的当前能量来源。我们还了解到，冥王星所有四颗小卫星的自转周期都比它们的轨道周期快——这是一个令人惊讶的结果，表明它们都没有像巨行星的卫星那样，稳定地进入如此常见的自旋和轨道的潮汐平衡状态。某些东西，可能是冥王星和卡戎双星系统相互绕轨道运行的引力牵引，正在影响它们的自转。

尽管“新视野号”现在已经将来自其飞越冥王星系统的数据全部传输回地球，但我们仍然几乎没有检查其测量的许多方面。我预计，随着我们的科学团队和其他人开始消化这组令人难以置信的数据集，关于冥王星的表面、内部、起源和大气层，以及关于其卫星的更多科学发现将会出现，这将是一个多年的过程。

下一步：柯伊伯带

“新视野号”对冥王星系统的探索已经完成，但探测器的任务仍在继续。 2016年，美国宇航局批准了一项为期五年的延期，持续到2021年中，在此期间，探测器将进一步探索柯伊伯带——柯伊伯带是小天体和小行星的延伸环，它在海王星之外的遥远轨道上绕太阳运行。这次探索的亮点将是2019年1月1日近距离飞越小柯伊伯带天体（KBO）2014 MU₆₉。这颗古老的、红色的岩石，在远离太阳的宇宙深冷中保存了超过40亿年，将是迄今为止探索过的太阳系形成过程中最原始的残留物。它只有大约19英里宽，但它可能拥有自己的卫星，并且据信是冥王星和柯伊伯带中其他小天体形成的典型组成部分。

当“新视野号”距离太阳的距离约为地球距离的44倍时，它将遇到MU₆₉。探测器将使用其全套仪器在飞越期间研究该天体的成分和地质。它将寻找活动和大气的证据，搜索卫星和环，并测量其温度。

除了近距离飞越MU₆₉之外，“新视野号”还将在2016年至2021年间从近距离研究至少二十几个柯伊伯带天体。这些观测将使我们能够将我们的MU₆₉结果置于背景中，并搜索这些天体的卫星，研究它们的表面特性并确定它们的形状。“新视野号”还将测量柯伊伯带遥远区域的空间环境特性——研究太阳影响范围这个遥远区域的氦气、太阳风和带电粒子。我们还将追踪柯伊伯带中尘埃的密度，直到地球-太阳距离的50倍，刚好超过冥王星椭圆轨道的极端范围。

在2021年之后，我们乐观地认为美国宇航局将选择进一步延长“新视野号”的任务。探测器状况良好，并且拥有继续运行并与地球通信到2030年代中期或更长时间的燃料和电力。在那段时间里，“新视野号”可以研究更多的柯伊伯带天体，甚至可能能够再次近距离飞越其中一个。

未来的视野

在经历了坎坷的开发时期和穿越太阳系的漫长飞行后，“新视野号”完成了对太空时代曙光时期已知最后一颗行星的探测，并成为首个探索柯伊伯带小天体的任务。

在我们计划和执行任务的15年里，我一直挑战我们的科学团队，要求他们运用在探索其他行星中获得的所有视角和知识来预测我们将在冥王星上发现什么。事实证明，大自然让我们感到惊讶，揭示了一颗比我们预期的更加多样化和活跃的行星。

事实上，冥王星非常复杂和充满活力，以至于我们“新视野号”上的许多人，以及科学界的更多人，都希望看到另一个任务被派往那里，从轨道上进一步探索它及其卫星。我们还希望看到更多像“新视野号”这样的飞越侦察任务探索柯伊伯带的更多天体，以研究它们的多样性，就像探测器对内行星和巨行星所做的那样。我们希望这项任务的巨大成功不是结束，而是探索柯伊伯带行星和较小天体的开始。