「冥界星球」的探索之旅：太陽系邊緣到底有什麼？

美國宇航局其中一項任務就是新地平線號探測器抵達冥王星軌道附近，這是人類第一次近距離詳細研究這顆曾經的第九大行星。自2006年國際天文學聯合會以來，冥王星因為其體積和質量問題被降級成矮行星，這就是說太陽系內只有八大行星了。到目前為止，冥王星從來沒有被專用的探測器調查過，因此美國宇航局的「新地平線」號探測器的任務繁重，將為我們第一次展示這顆太陽系外側軌道的天體世界。此前，美國宇航局的旅行者探測器對海王星進行了調查，但沒有深入研究冥王星，對於大多數人而言，這是一顆「全新」的星球，我們從來沒有見過冥王星表面到底是何模樣，來自科羅拉多州西南研究所的科學家艾倫?斯特恩是該探測器任務的首席研究員，當新地平線號第一次抵達冥王星時，那將是一個令人激動的時刻，其意義不亞於我們登陸火星，這使得我們有機會對冥王星和冥外天體世界進行調查。

2006年，美國「新地平線」號探測器踏上探訪冥王星的漫長旅途。它共搭載了七件科學探測儀器，包括三個光學探測器、兩個等離子體探測儀、一個塵埃感應器和一個無線信號發射接收裝置。這七把「利刃」將幫助人類揭開冥王星的神秘面紗。這是一個歷史性的時刻，到目前為止「新地平線」號已經飛行了近7年之久，如此長距離飛行對星載儀器的穩定性是個極大的考驗。冥王星與太陽的平均距離達到了58.7億公里，雖然哈勃望遠鏡擁有極強的觀測能力，但在其視野中冥王星仍然是個「毛茸茸」的星球，而且冥王星周圍軌道上到底有多少顆衛星仍然無法給出確切的觀測值，這對「新地平線」號來說是個嚴峻的挑戰。

根據科學家觀測結果，冥王星的衛星「卡戎」體積較大，近1200公里，在冥王星上留下了巨大的影子，近年來哈勃望遠鏡發現了4顆冥王星衛星群，有研究指出冥王星周圍可能存在物質環，但這一推論並沒有得到進一步證實，因此「新地平線」號在抵近冥王星軌道時需要進行再次軌道機動，避免撞上這些小衛星。「新地平線」號在探索冥王星之後將進入冥外天體的調查，這讓我們有機會近距離研究這些遊離在太陽系邊緣的冰封天體。美國宇航局「新地平線」號探測器是一艘專門調查冥王星及其衛星系統的航天器，發射於2006年1月17日，地點在著名的佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心，預計在2015年抵達冥王星附近，飛行期間其創造新的速度記錄，只花了9個小時就飛出地月系，成為人類有史以來建造的最快航天器，美國宇航局計劃在冥王星調查任務之後開展延伸任務，對冥王星軌道之外的天體進行探測。「新地平線」號探測器造價達到了7億美元，配備當前最先進的天體觀測設備，可在各種波段上對冥王星進行「掃描」，科學家認為冥王星上存在太陽系早期形成的物質，其天體系統一直以來被神秘所籠罩，作為太陽系最外側軌道的神秘天體，冥王星沒有被專門的探測器調查過，「新地平線」號的航程將接近50億公里，但其進入冥王星軌道後不進行減速，而是飛掠過冥王星，然後進入更加遙遠的深空，去調查冥外天體。

在長達11年的深空飛行中，冥王星探測器幾乎都處於休眠期，這是因為星載設備的啟動需要電力供應，長時間的深空飛行對儀器而言也是個考驗，如果不能按時蘇醒，那麼探測器的調查任務也會失敗。「新地平線」號在飛過木星軌道時拍攝了一些照片，並將這些數據傳回地球，以驗證探測器上的儀器是否處於工作之中。 「新地平線」號的目標很明確，就是調查冥王星天體系統：「新地平線」號的飛行軌跡與旅行者系列探測器不同，後者的軌道涵蓋了各大行星，而「新地平線」號是專門調查冥王星的飛船，因此其目的很明確，目標直指冥王星。在調查完冥王星後，「新地平線」號將與旅行者系列、先驅者系列那樣飛出太陽系。而且「新地平線」號探上還攜帶了與眾不同的載荷，這就是冥王星發現者克萊德·湯博的骨灰，其在1930年代發現了冥王星。

冥王星探測器上攜帶了多種分析儀器，其中包括高清晰可見光成像相機、標準成像光譜陣列等先進儀器，在對冥王星表面以及冥衛一表面進行調查，其熱輻射探測器可對冥王星表面的分布的甲烷物質以及冥衛一「卡戎」表面的冰層進行分析，並推測冥衛一「卡戎」地下是否存在地下海洋，同時繪製出冥衛一的地形分布圖。美國宇航局已經準備好向「新地平線」號發送指令的準備，並接受來自遙遠的無線電信號，深空通信的最大難點在於天線的指向，如果無法準確指向地球，那麼信號傳輸就會出現障礙，美國宇航局強大的深空網以及準備後接收「新地平線」號的傳輸數據，並向其發送信號。

「新地平線」號搭載的紫外成像光譜儀可對冥王星表面物質分布進行探測，並繪製出表面地形的圖像，同時其還會配合星載望遠鏡，形成高解析度的軌道圖像，當「新地平線」號抵達冥王星軌道的最近點時就會啟動。除了這些設備後，科學家還準備了諸如太陽風探測器、高能粒子攝譜儀、彗星等天體塵埃計數器等對遙遠的太陽系空間進行基本參數調查，這是我們較為全面地對冥王星及其軌道環境進行研究的機會。尤其是柯伊伯帶附近的帶電粒子是科學家研究的重點之一，其形成於太陽風與一些中性原子的相互作用，可間接對太陽風在太陽系外側軌道外的行為進行研究。 「新地平線」號可能面臨一場新的挑戰，在2012年10月，哈勃空間望遠鏡發現冥王星周圍還存在數個衛星系統，其周圍至少存在3顆衛星和一些軌道碎片，科學家猜測冥王星周圍還存在類似環的碎片結構，這個消息對「新地平線」號而言是非常不利的，因為其很可能在飛掠的過程中與之相撞，因此美國宇航局也在研究如何改變「新地平線」號的軌道，使之避免與潛在的天體碎片發射碰撞。

「新地平線」號大小有如一架大鋼琴，重454千克，由於它越飛離太陽越遠，所以無法利用太陽能，將依靠所攜的10.9千克鈈丸放射性衰變能源提供動力，而且飛行過程中充分考慮節能。在大部分飛行時間裡，它將處於「休眠」狀態，僅僅每個星期向地球發送一次信號，彙報其狀況。地面上的科學家將每年「喚醒」它一次，對其設備進行檢查。探測器上裝備有7種科學儀器，但這些儀器的總能耗低於一個夜間照明的燈泡。

擁有3級發動機的「阿特拉斯-5」重型火箭以每小時5.79萬公里的驚人速度把「新地平線」號送離地球。這個探測器因此將成為人類有史以來發射的最高速飛行器。「新地平線」號發射後9小時內飛過月球，而當年美國發射的「阿波羅」系列飛船需要用兩天半時間。新地平線」號以這樣的超高速飛行，從地球到木星需要13個月。然後它將藉助木星的巨大引力進一步提速，飛向遙遠的冥王星。即便如此，如果一切還算順利，到達冥王星也將是2015年的事了——路漫漫其修遠兮。「新地平線」號的使命還包括研究冥王星的主要衛星冥衛一，它所攜動力燃料又不足以供其減速和進入環冥王星軌道之用，因此它將在與冥王星及其衛星「親密」接觸後，繼續前行進入冥王星外的柯伊伯帶並一去不復返。按照冥王星探測項目計劃，「新地平線」將在柯伊伯帶進行5年的研究。柯伊伯帶位於太陽系外緣，據信由太陽系形成的早期剩餘物質組成。

冥王星是太陽系中離太陽最遠和最小的行星，「新地平線」將是人類第一個造訪冥王星的探測器。冥王星探測項目耗資約7億美元。科學家認為，研究冥王星有助於加深對太陽系形成的理解。

1.「艾麗絲」(ALICE)，重4.5公斤，平均功率4.4瓦。它是一個高敏感度的紫外圖像分光儀，被設計用來分析冥王星動態大氣層的成分和結構。分光儀能夠像稜鏡一樣將光按照不同的波長「區分」開來，而圖像分光儀的作用是在將光按照不同波長區分開之後，再按照每一個波長生成一幅觀測目標的照片。

2.「拉爾夫」(RALPH)，重10.3公斤，平均功率6.3瓦。它是「新地平線」號上最重要的「眼睛」，其作用是拍下冥王星、冥衛一以及其他柯伊伯帶星體的圖像，好讓人們知道它們究竟長什麼樣。有趣的是，「拉爾夫」與「艾麗絲」實際上是美國電視劇《蜜月期》中的一對伴侶。科學家藉此為這兩個儀器取名，是希望它們能在漫長旅途中「甜蜜合作」。

3、無線科學實驗儀器(REX)，重100克，平均功率2.1瓦。它僅僅由一個印刷電路板構成，包含一些經久耐用的信號處理電子元件，被嵌在「新地平線」號的通信系統中，其作用在於測量大氣溫度和壓力，測量電離層的密度，以及搜尋冥衛一與其他柯伊伯帶星體的大氣。

4、遠程觀測成像儀 (LORRI)，重8.8公斤，平均功率5.8瓦。這是「新地平線」號上的「鷹眼」，是一個高放大倍率的全色成像儀。它猶如一個功能超級強大的數碼相機，除了具有超遠距離拍攝、高精度和全色易感等功能外，還能夠在冥王星附近極端寒冷和惡劣的條件下進行拍攝。

5、冥王星/太陽風測量儀(SWAP)，重3.3公斤，平均功率2.3瓦。該儀器的主要功能，是測量冥王星大氣層在與太陽風(即來自太陽的高速帶電粒子流)交互作用下產生的逃逸狀況。由於冥王星離太陽異常遙遠，因此該儀器是迄今同類儀器中精確度最高的一個。

6、冥王星高能粒子分光儀(PEPSSI)，重1.5公斤，平均功率2.5瓦。它在所有儀器中結構最緊湊，其作用是搜尋那些因與太陽風交互作用而從冥王星大氣層中逃逸出來的粒子，以對冥王星大氣層的密度和組成、從冥王星大氣層中逃逸出來的高能粒子和等離子體的性質等進行觀測研究。

7、塵埃計數器(SDC)，重1.9公斤，平均功率5瓦。這是由美國科羅拉多大學的學生設計和製造的儀器，其作用是在「新地平線」號的漫長旅途中，檢測各類彗星、小行星和柯伊伯帶星體可能碰撞而產生的塵埃微粒。

美國「新地平線」號探測器探訪冥王星這一地球最遙遠「親戚」的漫長旅途。以下是有關此次探測計劃的一些關鍵字：

1、發射窗口。本次發射窗口為2006年1月17日至2月14日。這段時期內，美國佛羅里達州卡納維拉爾角發射中心當地時間每天下午都可能具備發射條件。如果錯過了這段時間，後備發射窗口將推遲到2007年2月2日至15日。

2、發射參數。發射「新地平線」號所用的「阿特拉斯-5」重型火箭，發射時整體高度59.7米，重達57.5噸。而探測器主體結構高約0.7米，長約2.1米，最寬處約2.7米。發射時探測器重478公斤，包括77公斤燃料和30公斤的科學儀器。

3、飛行途徑。根據測算，「新地平線」號只要在2006年1月17日至2月2日之間發射，就能於2007年2月至3月間接近木星。屆時，探測器將以每秒21公里的速度，飛到離木星最近處約227萬公里的位置，以藉助木星引力加速飛赴冥王星。如果在此外的時間發射，探測器將錯失藉助木星提速的機會，需要多耗3年左右的時間才能飛至冥王星。

4、抵達目的地。「新地平線」號最早將於2015年7月飛抵目的地，屆時它將以每秒14公里的速度分別飛抵離冥王星最近處約1萬公里、離冥衛一最近處約2.7萬公里的位置，對它們進行觀測。而在2015年，冥王星離地球的距離是49.2億公里。

5、控制信號。「新地平線」號在發射升空後約47分鐘時脫離火箭，此後約3分鐘，地面控制中心將獲得第一個返回信號。但在2015年7月探測器飛越冥王星及冥衛一時，信號從探測器上傳回地面控制中心至少需要4小時25分鐘。

6、項目耗資。「新地平線」號項目2001年啟動，預計2016年結束。在這一時間段內，該項目總耗資預計為7億美元。

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