冥王星及其衛(wèi)星卡戎示意圖
“新地平線”探測冥王星藝術(shù)想象圖
新聞背景
經(jīng)過約9年的長途跋涉，美國研制的世界第一個冥王星探測器“新地平線”，將在1月15日來到距地球約47億千米遠(yuǎn)的冥王星附近，開始探測太陽系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星，然后飛向柯伊伯帶，去尋找關(guān)于太陽系起源和地球生命起源的線索。
好事多磨波折不斷
錯過發(fā)射窗口要再等200年
冥王星曾是太陽系中離太陽最遠(yuǎn)的一顆行星，后來因為個頭小被降格為矮行星。它與地球的最近距離也有47億千米，最遠(yuǎn)達(dá)100多億千米，因此目前雖然人造探測器已經(jīng)走近了太陽系里的所有大行星，以及一些小行星、彗星甚至炎熱的太陽進行探測，從那里獲取了許多寶貴的信息，但至今還沒有一個空間探測器光顧過冥王星。
到了20世紀(jì)90年代末，隨著空間探測技術(shù)達(dá)到了較高水平，美國航空航天局曾制定過一個名為“冥王星-柯伊伯快車”的計劃，內(nèi)容是探測冥王星和其衛(wèi)星卡戎以及柯伊伯帶天體。它原計劃于2004年12月18日發(fā)射，但后來由于研制經(jīng)費超支等多種原因，又被美國航空航天局勒令下馬了。
不過，此舉遭到了很多天文學(xué)家的激烈反對，他們堅持要讓探測冥王星計劃再次上馬。美國行星學(xué)會還發(fā)動了“拯救冥王星計劃”運動，最后美國航空航天局終于在2000年12月20日發(fā)表了聲明。他們將不采用原計劃，而是向全球征集新的方案，并提出了比較苛刻的要求：一是要在2015年前飛抵冥王星，另一個是花費金額不能超過5億美元，公開征集方案的截止日期是2001年3月19日。由美國航空航天局之外的研究小組公開地參與太空計劃的競標(biāo)，這在其歷史上還是首次，目的是為了堵住批評者的嘴。
經(jīng)過多番評審，最后來自美國西南研究院和霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的一個聯(lián)合小組提出的“新地平線”計劃被認(rèn)可。該計劃總預(yù)算額為4.88億美元，它能發(fā)回比原來的“冥王星-柯伊伯快車”計劃多10倍的觀測數(shù)據(jù)，如果2006年2月以前發(fā)射，它能于2015年夏天抵達(dá)冥王星。于是，美國航空航天局2001年12月宣布，重新啟動冥王星探測計劃。
“新地平線”計劃必須按時完成，2004至2006年是最后的發(fā)射冥王星探測器的最佳時間，如果錯過了這次機會，需要等200年以后才有理想的發(fā)射窗口。為此，專家們開始爭分奪秒地研制“新地平線”探測器。盡管中間還是出現(xiàn)了一些波折，但最終都被克服了。
日夜兼程披星戴月 至今發(fā)射后飛行最快的航天器
2006年1月19日，美國終于發(fā)射了 “新地平線”冥王星探測器。其主要任務(wù)有兩個：一是探測位于太陽系邊緣的冥王星及其衛(wèi)星卡戎；二是探測位于柯伊柏帶的小行星群。
這個像三角鋼琴般大小的探測器以5.79萬千米/小時的速度飛行，是至今發(fā)射后飛行最快的航天器，目的是按時走近遙遠(yuǎn)的冥王星進行探測，獲得有價值的信息。它在發(fā)射后9小時內(nèi)就飛過了月球，而當(dāng)年美國“阿波羅”載人登月飛船用了3天的時間才抵達(dá)月球。然后，“新地平線”又僅飛了13個月就走近了木星，目的是以木星作為引力跳板進一步提速，從而更快地飛向遙遠(yuǎn)的冥王星。
到了木星后，“新地平線”通過借力加速到7.5萬千米/小時，而且此后其上的絕大部分儀器都處于休眠狀態(tài)，這就像個人電腦待機一樣，以便節(jié)約電力，延緩設(shè)備老化并降低運營開支。不過，每年其上的設(shè)備都會被喚醒，目的是接受例行檢查及軌道校正和儀器校準(zhǔn)，或者是執(zhí)行一些特定的觀測任務(wù)。此外，“新地平線”還會每周發(fā)回一個信號，它被稱作“綠色信號燈”，其目的是讓地面控制人員知道它還活著，沒有死掉，它只是睡著了。
2014年12月7日，美國“新地平線”從休眠中被喚醒，以準(zhǔn)備執(zhí)行探測冥王星的任務(wù)。此時，它距離冥王星約有2.6億千米，但距離地球已超過46.6億千米，這意味著該探測器發(fā)送的信號要“走”上4小時26分鐘才能傳回地球。它從遙遠(yuǎn)的深空給地球傳來的信號表明，“新地平線”目前很健康，現(xiàn)正安靜地在深空中漫游。
在喚醒后的數(shù)周里，“新地平線”的地面團隊全面檢查這個空間探測器，測試了它在飛越冥王星時需用的各種電腦程序，以確保各種系統(tǒng)和科學(xué)儀器在2015年1月開始探測冥王星的工作。
不斷靠近牽手七月 能分辨冥王星達(dá)60米地貌
從2014年12月7日到2015年7月底，“新地平線”的所有系統(tǒng)一直處在“清醒”狀態(tài)。剛開始探測時，冥王星和其衛(wèi)星卡戎是不能分辨的亮點，但是隨著探測器的逐漸靠近，就能看到它們越來越多的細(xì)節(jié)。
當(dāng)“新地平線”距離冥王星約100萬千米時，其上的各種設(shè)備開始對冥王星和其衛(wèi)星進行全方位的探測，向地球傳回圖片。當(dāng)“新地平線”距冥王星有16萬千米時，其上的相機能繪制出冥王星及其衛(wèi)星卡戎的第一批地圖。以后的幾個月里，它將不斷地拍攝照片，進行光譜測量。
“新地平線”與冥王星的最近距離為9600千米；與卡戎的最近距離為2.7萬千米。處于最近距離的時間約半個小時。此間，探測器將用可見光和近紅外相機拍攝最為清晰的冥王星和卡戎“特寫”，甚至能分辨出冥王星上達(dá)60米的地貌。而現(xiàn)在所獲得的冥王星圖像的最高分辨率為500千米左右，它是由 “哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的。
2015年7月，“新地平線”將飛越冥王星和卡戎，時間約為1個地球日。其間，它將探測冥王星大氣層發(fā)出的紫外線輻射，還將在近紅外波長上獲取光譜圖，以了解冥王星及卡戎表面成分和這些物質(zhì)的分布及溫度。
當(dāng)探測器飛過冥王星到達(dá)它的陰面時，探測器可借助卡戎反射過來的光線繼續(xù)對冥王星陰面的地表情況進行探測。此外，將從地球向冥王星發(fā)射無線電波。那些穿過冥王星大氣層的無線電波可被探測器上的高增益天線接收，然后，“新地平線”上的儀器會根據(jù)無線電波的折射情況推算出冥王星大氣層的溫度和密度。
不入軌道直接飛越 柯伊伯帶有更多秘密需破解
那么，為什么“新地平線”不進入冥王星的軌道進行長時間觀測呢？其原因有兩個。一是其飛行速度必須非常快，這樣才能用9.5年時間到達(dá)距離地球約50億千米的冥王星，如果“新地平線”要進入冥王星軌道，它必須將速度降低90%，這就要求多攜帶1000倍的燃料，從而會導(dǎo)致成本猛增。二是如果進入冥王星軌道，“新地平線”將無法繼續(xù)前行，探測柯伊伯帶。
在2015年7月考察冥王星任務(wù)結(jié)束后，“新地平線”會繼續(xù)向離地球更遠(yuǎn)的宇宙空間地方飛，并將在2017至2020年抵達(dá)一個由彗星和其他宇宙碎片構(gòu)成的中間環(huán)帶