——“新视野号”飞越冥王星最新成果解读

原本你只是希望出去散散步，没想到却一路惊喜不断。“新视野号”获得的初步结果，让冥王星从望远镜中的暗淡圆点，变成了活力四射的萌王星，拉近了与人类之间的心理距离。

大片上映前的小插曲

经历了近10年的漫长旅程，就在即将飞越冥王星的前10天，“新视野号”飞船突然与地面控制中心失去了联系。NASA官方网站在第一时间贴出了故障通告，一时间科学家们的朋友圈被一片惊叹号和问号淹没了，“纳尼！！？？”，“新视野号”到底怎么了？
实际上，仅仅80分钟后，APL的地面控制中心就与飞船重新建立了通信联系。工程师们在分析故障原因时发现，原来，在“新视野号”即将飞越冥王星之前，地面控制中心给“新视野号”发了多条指令，要求它穿衣戴帽，防止受凉，干这干那。
“新视野号”飞船当时正执行着压缩已有探测数据的指令，以便为即将飞越冥王星的探测腾出数据存储空间；工程师们又让它执行飞越冥王星前所需的指令。飞船搭载的计算机需同时并行处理两条指令，超过了计算机处理器的处理能力，为了自保，飞船自动切换到安全模式，暂停执行一切指令。
有人会问，“新视野号”这次出远门，7.2亿美元都花了，为什么不买个好点的计算机？要知道，飞船是十年前发射的，虽然已经用了当时较先进的硬盘和处理器，但处理能力仍然捉襟见肘。航天器上的计算机属于高可靠性的航天级产品，需确保能抵抗太空辐射和高能粒子、能抵御发射时的高频振动、以及具有数十年的超长工作寿命，不同于中关村卖的民品计算机。而且，航天产品与地面设备的最大差异，在于一旦发射升空，就很难再检修，所以要事前考虑到可能出现的各种故障，并提前准备好故障预案。
在中国航天界，航天器一旦出现故障需要进行“归零”，对故障原因要求做到“定位准确，机理清楚，问题复现，措施有效，举一反三”，这也是保证我国航天发射高成功率的重要保障。相信NASA也有相似的航天工程管理规范和故障归零制度。不管怎样，地面控制中心的工程师们经过分析，准确定位了故障原因，在退出安全模式并重启计算机后，飞船指令执行恢复正常。工程师们拍着胸口向首席科学家斯特恩打包票：“在飞越冥王星的时候，不会再出现同样的问题了。”
当然，新视野号飞越冥王星前这个有惊无险的小插曲，像一部剧情跌宕起伏的悬疑片，吊足了观众的胃口，害得我等热心观众浪费了不少口香糖，以缓解紧张情绪。这像极了任何一部好莱坞大片，在最激动人心的高潮到来之前总要折腾一下观众的小心脏。

新视野号任务标识

好戏如期上映

“新视野号”飞越冥王星是历史性的一刻，是人类第一次从如此近距离探测冥王星。应用物理实验室举办了规模宏大的庆祝活动，迎接新视野号飞越冥王星。上千名员工和访客参加了庆典，超百家媒体云集在柯萨科夫中心，向全球直播新视野号飞越冥王星的过程。
北京时间7月14日19：49分，“新视野号”飞船抵达最接近冥王星的位置，距离冥王星表面约为1.25万千米。APL举行了第一次新闻发布会，但发布会上公布的冥王星照片并非是“新视野号”从最近处拍摄的冥王星照片，而是在距冥王星76.6万千米时拍摄的老照片， 7月14日凌晨才刚刚传回地球。这是因为“新视野号”在飞越时需要非常专注地探测冥王星，没有闲心与地面控制中心对话，所以无法传回探测数据。
20：04分，“新视野号”最接近冥卫一，距离冥卫一表面约为2.88万千米；
20：51分和22：18分，“新视野号”先后进入彻底黑暗一片的冥王星和冥卫一的背影区；
7月15日上午9：02分，“新视野号”与地面进行了15分钟短暂对话，告知它一切正常。最近距离飞越时拍摄的高分辨率图像直到15日晚上才传回地球。
由于冥王星与地球相距遥远，以光速传播的指令要4个半小时被飞船收到，而地面收到飞船发出的指令完成信号又需要4个半小时。这就像老北京见面打招呼“吃了么”，你回复一句“吃过了”，这么简单的问候也需要9个小时才能完成。所以，”新视野号”飞船的所有控制指令都是很早之前就已经精确设计好并上传给飞船，这些指令一旦执行就只能听天由命，无法中途撤回。
移动和联通由于网速太慢饱受诟病，不过它们的网速比起“新视野号”飞船的“网速”已经可谓高速。飞船发回地球的探测数据下行速率仅为1.68kb每秒，即使“爱疯”手机拍摄的2M大小的普通照片，传回地球也需要20分钟。因此，飞船飞越冥王星前后拍摄的大量照片和探测数据都将存储在飞船上的计算机中，无法立马传回地球，而是在完成近距离拍照和观测任务后，这部“大片”将在新视野号奔赴柯依伯带其他天体的漫长旅途中下载，这些数据完全传回地球需要一年多（16个月）的时间。

飞船表现堪称完美

“新视野号”飞越冥王星的任务完全按原定计划执行，飞船表现堪称完美，首席科学家斯特恩给“新视野号”打出了“A+”的高分。
“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中包括3台光学设备（相机），分别是：远程勘测成像仪（LORRI）、可见-红外成像光谱仪（Ralph）、紫外成像光谱仪（Alice），分别拍摄可见光、红外和紫外波段的照片。可见-红外成像光谱仪拍出来的是彩色照片，远程勘测成像仪拍出来的是高清黑白照片，紫外成像光谱仪则拍摄紫外照片。
其它4台仪器：太阳风测量仪（SWAP）、无线电科学实验仪（REX）、能量粒子谱仪（PEPSSI）、学生尘埃计数器（SDC），分别测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。
“新视野号”此次飞越，搭载的科学仪器一切正常，获取的总数据量约为50GB，目前探测数据仍在陆续传回。
我们从照片中看到了冥王星表面的明亮色彩，但如果亲临冥王星，你会发现自己被骗了。因为冥王星根本没有NASA公布的照片那么亮。因为冥王星上的光照仅为地球上的千分之一。甚至比很多地方的黑夜还要黑。之所以能拍出这些明亮的照片，是因为新视野号上的相机实际上是为冥王星特殊的光照条件私人定制的高级相机。

图1 “新视野号”携带的科学仪器

在人类最高科技的深空探测任务中，女性照样能顶半边天。在新视野号任务团队中有四分之一为女性成员（7月11日摄于约翰霍普金斯大学应用物理实验室）。

从无人问津到超级明星

“新视野号”飞越冥王星获得的探测数据，至少要数年的时间进行处理和分析，但目前的初步结果就已经获得了大量的新发现，让冥王星从太阳系舞台边缘无人关注的龙套配角，成为了万众瞩目的超级明星，从望远镜中曾经的暗淡圆点，变成了年轻人口耳相传的活力萌王。
可见-红外成像光谱仪拍摄的冥王星照片的最高分辨率约为60米，成像质量远超哈勃望远镜，是迄今为止最清晰的冥王星照片。不仅拍到了冥王星表面的地质结构和纹理信息，还拍到了冥王星上的云层等。现有结果表明，冥王星没有像木星、土星那样的环带结构，也没有像木卫二那样的冰火山和液态喷泉。

图1 新视野号任务之前，哈勃空间望远镜于2002～2003年间拍摄的质量最好的冥王星真实色彩图像。图中的明暗结构可能意味着冥王星表面的成分变化。

新视野号发现的冥王星表面的心形结构出乎绝大多数人的意料，原本以为冷冰冰的冥王星居然如此有爱心。如今这一区域已经以冥王星发现者的名字命名为“汤博”，当然这个命名还未得到正式授权。

 

 

新视野号飞船拍摄的照片显示冥王星上的一些地形特征，左图中牛眼状的环形区域可能为撞击盆地，左下的线状结构可能为冥王星上的悬崖。与地球一样，人类也给冥王星定义了它的经纬网格，上图展示了冥王星的北极、赤道、中央经线（子午线）。

（1）冥王星长“胖”了

新视野号探测发现，冥王星的直径约为2370千米，为地球直径的18.5%，比之前的预期值大80千米。天文界曾经认为直径2326 12千米的阋神星（Eris）比冥王星更大，这也是导致冥王星被降级的原因之一。新视野号的这一测量结果再次为冥王星正名，虽然它已降级为矮行星，但仍得以保持绕日公转的第九大天体之尊，大小仅次于八大行星。月球虽然比冥王星大，但却并不直接绕太阳运转。
太阳系现在有八大行星，五颗矮行星，实际上有十三颗行星。随着我们对太阳系整体认识的深化，未来可能会有天体成为太阳系的新行星，甚至可能发现新的行星。冥王星的体积虽然小了点，但现行的行星定义并非完美无缺，是否承认冥王星是行星，也取决于天文学家是否认为行星不再是高高在上的稀缺品。一定程度上，冥王星仍然存在咸鱼翻身再次成为行星的机会。考虑到冥卫一并非真正围绕冥王星运转，冥王星和冥卫一都围绕他们的公共质心运转。所以冥卫一也有升级成为行星的机会。不管怎样，冥王星和冥卫一这哥俩此生只能共进退了。
冥王星的质量仅为地球质量的0.21%，冥王星长胖了，意味着它的体积变大了，而密度变小了。

（2）家族成员排排坐

冥王星的卫星系统包括冥卫一卡戎（Charon）、冥卫二尼克斯（Nix）、冥卫三许德拉（Hydra）、冥卫四科波若斯（Kerberos）和冥卫五斯提克斯（Styx）。“新视野号”飞船测得卡戎的直径约为1208千米，相当于冥王星直径的51%，地球直径的9.5%。冥卫二的直径约为35千米。

？

冥王星和冥卫一的标准照比较。新视野号飞船上的远程勘测成像仪（LORRI）分别拍摄了冥王星和冥卫一的标准照，这张照片是他们俩的合成图像。从这张照片可以看出，冥王星和冥卫一在亮度和颜色上均存在明显区别。冥王星颜色偏红，较为明亮；冥卫一为黑白色，表面较暗淡。

7月13日，远程勘测成像仪（LORRI）从46.6万千米远处拍摄了卡戎的照片，由于图像经过了压缩，一些细节有些模糊。新照片发现卡戎北极深色区域的面积很大，但边界模糊不清。深色物质之下掩埋着一片具有清晰边界、棱角突出的地形，完全不同于表面特征。科学家推测这片深色区域很可能是被某种深色物质薄薄地覆盖在表面导致的。目前，这片区域已被非正式命名为“魔多”，即指环王游戏中的那个魔多。
照片中，卡戎的赤道以南，即这张照片的底部，斜射的阳光在冥卫一表面投出了阴影，使表面地形易于分辨，但这片区域却几乎看不到撞击坑。没有撞击坑，说明卡戎的表面相对较年轻，它曾经有过十分活跃的地质活动，改变了它的表面地形，使其变得光滑而平坦。

图上部是一片大面积的深色区域。右上方弯曲的边缘可以看到一条深7－9千米的悬崖。中下部有一条巨大的峡谷，自左向右延伸长达1000千米，表明卡戎的地壳存在大范围破裂，可能是内部地质活动导致了这样的地形（图片来源：NASA-JHUAPL-SwRI）

冥王星最外侧的小卫星、冥卫三许德拉（Hydra）2005年才被首次发现，但不知不清楚它的形状、大小和反照率，只是一个非常模糊的光点。7月16日，新视野号首次公布了冥卫三的照片，可以清楚地确定这些参数。
冥卫三为不规则的土豆状，大小为43千米 33千米。与卡戎一样，冥卫三不同地区的亮度具有明显差异，反照率介于冥王星和冥卫一之间，表面可能被水冰覆盖。
很多网友问，NASA也太不够意思了，公布一张天体照片还要打上马赛克。可你要知道，这张照片是新视野号从距离冥卫三约64万千米远处拍摄的，照片中每个像素的大小是3千米。

冥卫三右侧有一块直径约为10千米的圆形深色区域，成分未知（图片来源：NASA-JHUAPL-SwRI）。

（3）极度寒冷的世界

根据初步探测成果，新视野号发现冥王星的北极存在极冠，主要成分是氮冰和甲烷冰。各位请注意，甲烷从液态结成冰的温度为零下183摄氏度。而氮气在零下183摄氏度才能成为液氮，从液氮固结成冰需达到零下218.9摄氏度。冥王星极冠上分布的氮冰和甲烷冰，足以说明那里究竟冷到了何种程度。
可见-红外成像光谱仪获取的光谱数据显示，冥王星表面分布着大量的甲烷冰，但不同区域的甲烷冰又有明显差异。北极极冠的甲烷冰被厚厚的氮冰冲淡了，导致红外线被强烈吸收。在可见光照片中看起来黑乎乎的赤道区域，光谱数据中吸收红外线的程度较弱，表明赤道区域的冰没有被氮冰明显稀释，当然也可能是该区域的冰质地不同造成的。

新视野号公布的冥王星红外光谱图像，显示了不同区域的甲烷冰具有不同的性质（图片来源：NASA-JHUAPL-SwRI）

新视野号第二次新闻发布会公布了汤博区的一氧化碳含量等值线图。数据显示汤博区西侧是冥王星上一氧化碳含量最高的区域，且分布非常集中，而冥王星上的其他区域没有发现如此集中的一氧化碳分布，其成因目前尚不清楚。

？

“新视野号”探测到汤博区存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰，液氮都已经结成了冰，可见冥王星上该有多冷。

（4）正在逃离的大气层

从地球附近只能观察到高出表面约50千米，最高到约270千米的冥王星大气层，其上或其下都无法观察到。新视野号对冥王星的掩星观测，观察到了从表面到1600千米高处的大气分布，建立了完整的大气剖面图。无线电科学实验仪的探测数据显示，冥王星的低层大气主要是甲烷，而高层大气主要是氮气，说明冥王星上实在是太冷了，大气层中的主要成分都被冻成雪花掉下来了。
冥王星的引力远弱于地球及火星，所以对大气层的束缚力很弱。新视野号上的太阳风测量仪观测到冥王星身后有条离子成分的尾巴，这就是被太阳风裹挟带走的电离大气，表明大气正在逃离冥王星。

从光环可以看到冥王星具有稀薄的大气层。