本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。
“美国宇航局的新视野号宇宙飞船发射升空,开始了为期十年的拜访冥王星及其更远目标的旅程!”
2006年1月19日,当强大的220英尺高的阿特拉斯五号火箭,携带着这艘小型的星际飞船,从佛罗里达州的蓝色天空射向太空时,这些话从扬声器中响起,激动了在卡纳维拉尔角聚集的成千上万的人们,以及更多通过电视和互联网观看的人们的心灵。这是有史以来从地球起飞速度最快的一次发射,因为有效载荷的目标是有史以来太空探测器所针对的最遥远的天体。当庞大的阿特拉斯火箭清除发射塔时,最后三个词——“及其更远目标”——可能在人们对冥王星的狂热中并没有引起太多的注意,但现在,近13年后,我们即将揭晓这意味着什么。
柯伊伯带是一个广阔而遥远的区域,其中包含数百万个冰冻的原始天体。当美国宇航局在1990年首次研究一项前往冥王星的任务时,人们推测存在着柯伊伯带,但尚未发现它。20世纪90年代初的发现表明,冥王星不仅仅是太阳系边缘的一个怪异天体,而是海王星轨道之外一个完全未开发的区域的一部分。这一发现帮助获得了科学界对一项任务的支持,该任务被重新定义为探索冥王星和柯伊伯带。
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在我们的科幻幻想节目中,未来世纪的宇宙飞船总是通用的,能够前往他们勇敢的船长所指挥的任何地方。在21世纪,我们仍然处于一个时代,我们的深空飞行器是单次使用的,设计只能到达特定的目标,而且通常携带的燃料和资源勉强足以到达。我们曾几次能够将我们的一些飞行器送往额外的“扩展”任务,以访问另一颗彗星或小行星。
然而,“新视野号”的众多卓越特性之一是,它从一开始就被设计为在飞掠冥王星后继续前进,探索在发射时甚至尚未被识别的更远的世界。这是必要的,因为在发射时,没有已知的柯伊伯带天体是“新视野号”在访问冥王星后可以到达的。然而,我们关于柯伊伯带的统计知识表明,应该存在许多这样的天体,它们可能会在“新视野号”飞行途中被发现。一旦发生这种情况,“新视野号”将被重新定向以访问其中一个。
这项搜索并没有按计划进行。事实证明,找到冥王星后的目标比预期的要困难得多。这主要是因为,事情的安排是,需要探索的天空区域靠近银河系的中心——这是在密集的背景恒星中寻找新的、微弱天体的最糟糕的天体区域。“新视野号”在穿越太阳系的九年旅程中,使用最好的地面望远镜进行了多年的观测,未能发现合适的天体。情况到了,扩展的柯伊伯带任务的成功确实令人怀疑。
只有使用哈勃太空望远镜的计划外搜索才可能挽救局面。2014年6月,就在飞掠冥王星的前一年,哈勃望远镜被投入使用,“新视野号”团队设法找到了两个他们的飞行器可以用现有燃料访问的天体。其中,天体MU69,现在被昵称为天涯海角(一个希腊-拉丁混血词,意思是“已知世界之外”),处于更有利的轨道上进行拦截。
因此,自2015年7月围绕冥王星飞行以来,并向我们展示了那颗矮行星及其5颗卫星的所有令人惊讶的、多种多样的荣耀,“新视野号”一直在直线飞向天涯海角,它绕地球的轨道比冥王星远10亿英里。在除夕夜,进入2019年时,天涯海角将成为迄今为止人类飞行器探索过的最遥远的世界,“新视野号”在柯伊伯带寒冷、黑暗的远方又行驶了三年半的时间,将掠过其表面数千英里。
最近的接近将在美国东部时间午夜过后33分钟到达,但成功或失败的消息直到第二天早上才会传到地球。在40亿英里处,这次相遇的前所未有的距离也意味着比以往任何一次飞掠都要大得多的通信延迟:地球和航天器之间光速往返需要12个小时。在执行最后一次机动时,航天器将真正地独自飞行。与我们的日历翻页同步完全是偶然的,但这应该会带来一个特别值得庆祝的相遇:终于,有一个真正的原因可以在除夕夜熬夜到午夜之后!
从来没有过如此迅速地从对一个全新的太阳系天体的无知过渡到相对清晰的认识的前景。通常,我们在进入飞掠相遇时,对我们的目标的了解比现在对天涯海角的了解要多得多。我们所知道的只是它的大致尺寸(大约20英里宽),它似乎具有双叶形状,它甚至可能是两个相互环绕的独立天体,并且它的整体颜色比冥王星稍红。
因为它太遥远、太小且太暗,我们甚至没有关于其表面成分的详细光谱线索。而且由于它是一个如此小的目标,“新视野号”移动速度如此之快,直到相遇前几天,它才会被解析成多个像素。即使与其他第一次飞掠相比,这些飞掠总是忙碌的发现爆发,这一次也将很快发生。
三年前向我们展示冥王星的同一套七个精密科学仪器现在将被用来快速但详细地研究天涯海角及其环境。它是陨石坑遍布吗?均匀还是多样?粗糙还是光滑?多岩石还是冰冷?很快我们就会有答案和线索,不仅是关于这个神秘天体的历史,而且还会对太阳系失落的起源故事有新的认识。因为柯伊伯带是太阳系遥远的建筑仓库,是制造行星剩下的建筑材料被保存在阴凉干燥的地方。到目前为止,它一直是被禁止的,等待着有足够好奇心和聪明的人去那里,发现它所保留的关于行星最初建造的原始材料和过程的遗迹。
通过飞掠冥王星,最后一个经典已知的行星从斑点过渡到世界,从望远镜点过渡到精细拍摄的景观。随着即将到来的天涯海角飞掠,我们太阳系的另一个巨大领域将从仅仅对遥远、未解析的点进行天文研究,转变为对各种天体的表面、形状和历史进行地质研究。
这将是我们第一次近距离观察如此遥远的天体,并且很可能是我们多年甚至几十年来的最后一次。但也可能不是。自飞掠冥王星以来,人们对可能进行新的柯伊伯带任务的兴趣日益浓厚,而天涯海角的新结果可能会增加动力。甚至“新视野号”也可能在其穿越柯伊伯带的过程中访问更多天体。燃料有限,但可以进行一些重新定向。核电池正在缓慢衰减,但航天器应该可以运行,并在未来十年内保持与地球的通信。“新视野号”上的机载望远镜相机可以用来搜索其路径上的更多目标。
如果运气好的话,这艘旅途遥远的航天器可能会在它永远漂流到星系之前找到另一个可以访问的世界,这艘废弃的航天器已经完成了它的任务,是21世纪人类好奇心和勇气的遗迹。