7月14日新视野号飞船抵达最接近冥王星的

时间:20-09-20 栏目:天文科学 作者:wenkula 评论:0 点击: 46 次



新视野号飞船任务


新视野号飞船任务


(神秘的地球报道)据腾讯太空(郑永春):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。但实际上此次新闻发布会上发布的冥王星照片并非是新视野号在最近距离时拍摄的冥王星照片,而是飞船距离冥王星76.6万千米时拍摄的一幅旧图,14日凌晨传回地球。因为新视野号在飞越冥王星时是没有通信的,无法传回探测数据。


20:04,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和22:18,新视野号先后穿越太阳光被挡住的冥王星和冥卫一的背影区;


7月15日早上9:02分,新视野号有15分钟的时间与地面通信,告知它的设备状态。而真正的高分辨率图像要15日晚上才能传回地球。


由于冥王星与地球相距遥远,即使以光速传播,控制新视野号飞船的信号也需要4个半小时抵达飞船,而地面收到飞船执行完指令的通知又需要4个半小时。就像老北京见面问候一句“吃饭了么”,你回复一句“吃过了”,这么简单的一件事也需要9个小时才能完成。所以,新视野号飞船的控制指令都是很早之前就已经精确计算好了的,一旦开始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。新视野号飞船向地球传回探测数据的下行速率仅为1.68kb每秒,即使用一张用手机拍摄的大小为2M的普通照片传回地球也需要二十分钟,所以新视野号飞船这几天拍摄的照片并不能马上传回地球,而是在完成近距离拍照和观测任务后,利用奔赴柯依伯带其他天体的漫长旅途中的无聊时间来下载这部“大片”,而这些数据完全传回地球需要两年多(26个月)的时间。


根据新视野号的初步探测成果,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-183℃。而氮气在-183℃才能成为液氧,从液氮固结成冰需达到-218.9℃。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。


新视野号探测发现,冥王星的直径约为2370千米,大于之前的预期值。虽然冥王星不再是行星,已经降级为矮行星。但幸运的是,冥王星得以继续保持绕太阳公转的第九大天体的美名。而且说白了,现行的行星定义并非完美无缺,是否承认冥王星是行星,很大程度上取决于天文学家的态度。冥王星虽然体积小了点,但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。太阳系现在有八大行星,未来或许会有十大行星,甚至可能发现新的行星,这实际上取决于我们对太阳系整体的认识。不管怎样,冥王星和冥卫一这哥俩此生只能共进退了。


新视野号飞船上的可见光和近红外相机拍摄的冥王星表面的最高分辨率为约60米,是迄今为止最清晰的冥王星照片,成像质量远超哈勃望远镜拍摄的冥王星。如果幸运的话,“新视野号”还有望拍摄到冥王星表面的地质结构和纹理信息,以及冥王星上的云层等。从现在的情况看,冥王星不太可能有像木星、土星那样具有环带结构。在如此低温之下,冥王星上也不太可能会有冰火山或液态喷泉。


大卫·布莱维特(David Blewett)是来自美国马里兰州的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的行星科学家,目前主要从事信使号探测水星的任务。应用物理实验室成立至今已有70多年的历史,是美国规模最大的大学研究中心,现有员工5300名,其中68%是科学家和工程师。应用物理实验室是新视野号飞船的研制单位,也是这艘飞船的运行机构。大卫虽然没有直接参与新视野号任务,但一直关心和了解它的探测进展。今年夏天,为促进中美科学家在行星科学领域的国际合作,受中国科学院国际访问学者计划的资助,大卫来到中国科学院国家天文台,与中科院月球与深空探测重点实验室的郑永春副研究员开展合作研究。


大卫的中国妻子凌女士已先于大卫回美国,凌女士同为应用物理实验室一员、她告诉笔者,应用物理实验室庆祝新视野号飞越冥王星的活动规模宏大,上千名员工和访客参加了庆典,超百家媒体云集在应用物理实验室的柯萨科夫中心,向全世界现场直播飞越冥王星的过程。而且接下来的几天还将有一系列的科学展示活动,跟踪报道飞越冥王星的最新成果。


留在中国的大卫说:“虽然我没有出席这些庆祝活动,但我同样很高兴能在国家天文台与我的中国同行合作研究嫦娥卫星的探月数据。”


大卫认为,新视野号任务是人类第一次从如此之近的距离观察冥王星,因此这是历史性的一刻。冥王星、冥卫、以及在柯依伯带的他们的姐妹们是太阳系的重要成员,很有必要了解他们。通过研究冥王星的成分、地质、演化历史,可以理解太阳系的形成,甚至其他恒星系统中行星的形成过程。


开展新视野号探测任务的目的部分是为了满足人类对周围环境天生的好奇心。无论这些环境是在山后、地平线上还是在遥远的太阳系空间,都应该去探索它。大卫举例说,假如波利尼西亚人的祖先一直待在亚洲的海滩上,他们可能永远也没有机会发现夏威夷、萨摩亚、马库萨斯群岛、复活节岛以及太平洋上的其他岛屿。


大卫表示,他幸运地生活在一个富裕的国度,可以用它很少量的资源让他们在科学研究、艺术和人文领域追求梦想。实际上,美国国家航空航天局花的钱不到联邦预算的1%。而对太阳系不同行星之间的比较研究有助于我们理解地球是如何运转的。除了科学家,NASA的太空项目还聘用了许多工程师、项目管理者和服务人员。太空探索牵引了新技术的进步,激励年轻一代选择科学、工程和数学作为他们的求学专业或终身职业。这些年轻人将成长为下一代的技术领袖,有助于保持国家的经济竞争力。


正如大卫在科研合作中向我展示了他强烈的求知欲和探索精神,他认为中国正在快速发展,也已经迈出了太阳系探索的关键一步。与美国的太阳系探测任务比较,他本人很赞赏中国在探月工程实施中,从一开始就规划了环绕、着陆、采样返回的绕落回三步走的计划。这种持续一贯的计划有利于技术进步,有利于不断加深对月球的认识。


伟大的国家从事伟大的事业,中国在基础研究上的投入,包括嫦娥工程那样的太空探测项目,是中国作为大国的重要标志。


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星子慢慢从行星胚胎成长为行星,而矮行星是没有长大的侏儒行星,是联系小行星和行星之间的纽带


星子慢慢从行星胚胎成长为行星,而矮行星是没有长大的侏儒行星,是联系小行星和行星之间的纽带


冥王星所在的柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力,值得我们长期守候并努力探索呢?


首先,柯伊伯带作为太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”,而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉,若没有这两个彗星老巢的不断补充,经过漫长的太阳系演化历史,我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过,我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少,对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星,但现在我们知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体,将这片区域的场景清晰地展现出来。


其次,冥王星及其卫星作为行星胚胎,对研究行星的形成具有重要价值。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星、彗星,主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言,深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。


2014年8月,罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚-格彗星,搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面,大大加深了对彗星的认识。除彗星外,柯伊伯带还有数十颗直径200~2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体,其中以冥王星及其卫星最为典型代表。我们知道,太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转,星云逐渐凝聚形成星子,星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎,进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后,太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏,受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱,可以保存更为原始的状态。因此,柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年,保留着太阳系形成时的原始状态,对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测,将有助于揭示行星形成的关键环节。


我们已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行过多次探测,但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,完善了我们对于太阳系天体类型的知识。


再次,随着深空探测的进展,我们对太阳系的认识不断深化,太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界,进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代,我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星;在哥白尼之后,人类逐渐接受太阳是太阳系的中心,认为行星就是围绕太阳运转的天体,因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义,认为行星必须质量足够大,大到能通过自转成球体。再后来,发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等,天文界面临着再次选择,要么将他们统统被纳入行星,要么排除他们。必须承认的是,我们对柯伊伯带的小天体(除了矮行星以外,还包括彗星和小行星)还了解的很少,甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现,我们将不得不再次修改行星的定义。


最后,远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年,为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用,探测器有2/3的时间是在休眠中度过的;为实现早日抵达冥王星,“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测,并借助木星引力进行加速;由于距离遥远,地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到,数据传输链路和测控精度要求均大大提高;柯伊伯带寒冷而黑暗,太阳辐射强度仅为地球上的千分之一,冥王星表面温度低至零下212~234摄氏度,因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术,将是中国航天努力突破的重要领域。


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深空探测的目标大多远离地球,开展深空探测一方面将牵引航天技术的提升,另一方面将扩大人类的认知边界。与商业航天和应用航天不同,深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动,是全人类的共同使命。因此,在深空探测的任务实施中,应想方设法吸引公众的关注,尽可能让普通人获得亲身参与感,以争取民众支持。在这一过程中,勇敢探索未知世界的科学精神被润物细无声地传递到每一个人身边,从而提升公众的科学素养。


由于冥王星和柯伊伯带远离太阳,太阳辐射强度只是地球上的千分之一,太阳光要经过4个多小时长途跋涉才能来到冥王星。“新视野号”所需的电力无法通过太阳能电池发电提供。为此,“新视野号”探测器携带了一台放射性同位素温差发电机。


许多人谈核色变,其实40多年来,核能发电机已经在25次太空探测中使用,其中包括6次阿波罗载人登月,2次探测木星和土星的飞行,2次探测火星的飞行。


核能发电机位于“新视野号”的尾部,内装10.9千克二氧化钚,其中的钚-238衰变时会释放出热量,通过温差发电提供稳定的电力。所有的探测设备都将依赖这台核能发电机供电,其产生的电力相当于一对100瓦灯泡。


由于担心太空遭受核污染,在“新视野号”发射前夕,曾有数十名抗议者自发组织起来进行抗议。但科学家们解释,“新视野号”探测器的燃料箱非常坚固,核能发电机所用的燃料被封装在特制的球形防火陶瓷中,这种陶瓷有抗分解能力,不易与其他物质发生化学反应,而且外面的密封箱完全能经受住坠地撞击或空中爆炸的冲击,发生意外灾难的几率很小,即使发生意外,核燃料外泄的可能性微乎其微。为了应该可能的风险,NASA和能源部做了详细的预案,组建了16个移动跟踪小组,部署了33个空气取样装置和监控器,以检测可能的核辐射。


为扩大新视野号任务的影响力和全民参与度,任务团队结合工程实施将其打造成一项科普盛事。2005年,“新视野号”任务团队发起了一个问候冥王星的征集活动,他们设立了一个网页,全世界天文爱好者只需要通过访问这个网页,就可以将自己的名字输入电子卡片内,让自己的问候搭载在“新视野号”,一起飞向柯伊伯带。活动期间共征集到了超过43万人的问候,这些问候被刻在光盘上,放入探测器内。在完成探测任务后,“新视野号”上的计算机将会被重置,上传“同一个地球,来自‘新视野号’的问候”,上面收集了有关地球的各种信息,包括世界各地的人们发来的照片、声音、文字,甚至是计算机程序。“新视野号”将带着这些来自地球的人类信息飞向遥远的星际空间。


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“新视野号”飞越冥王星和卡戎示意图


“新视野号”飞越冥王星和卡戎示意图


在“新视野号”任务论证和发射时,冥王星还被视作行星,作为太阳系中唯一没有被航天器探测过的行星,“新视野号”被赋予重要的象征意义。随着天文学家在柯伊伯带不断获得新的观测发现,“新视野号”的主要任务从冥王星扩展到整个柯伊伯带。


近距离飞越冥王星及其已知的五个卫星。虽然哈勃空间望远镜此前的观测没有发现冥王星有新的卫星或环带系统,但如果它们太过暗弱,从遥远的距离上是很难被发现的。因此,“新视野号”将探测冥王星是否存在未被发现的卫星,调查冥王星是否拥有环带系统,观察冥王星表面是否存在撞击坑或撞击坑的多少,判断柯伊伯带天体相互碰撞的几率。


考察柯伊伯带的其他天体:柯伊伯带的天体自太阳系形成之初已存在,是太阳系各大行星形成后的残渣,记录着太阳系最初形成时的历史,有助于理解太阳系和地球生命的起源。如果不了解柯伊伯带,就很难理解太阳系的起源。对于太阳系里的这片新大陆,“新视野号”首席科学家艾伦•斯特恩指出:“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。探索冥王星和柯伊伯带就像是在太阳系新大陆进行的考古发掘工作。通过考察可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”


柯伊伯带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星。其中,彗星主要由甲烷、氨和水等冰冻物质组成,也有石块和尘埃。柯伊柏带是短周期彗星的老家,著名的哈雷彗星就产于该带;小行星主要由岩石和金属组成,其成分可能非常不同于火星和木星之间小行星带中的小行星,有些小行星可能是彗星中的挥发物逃逸后形成的;矮行星是直径上千公里、成球体的行星,由于没有足够的小天体供其碰撞、吸积,成为一颗长不大的侏儒行星。


除此之外,一些巨行星的卫星,如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九,可能最早也起源于柯伊柏带,后来受引力摄动才进入巨行星附近。柯伊伯带的天体是太阳系演化的遗迹,记录着太阳系形成之初的信息。


1992年,人类才艰难地首次观测到除冥王星外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的QB1,那时我们还不知道是否存在柯伊伯带。而现在,探测柯伊伯带的深空探测器新视野号已经飞抵那里亲临探测。一切秘密都要等7月14号“新视野”号飞掠之后传回的数据才能揭晓。


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短锹状的“新视野号”飞船


短锹状的“新视野号”飞船


由于冥王星远离太阳,飞往冥王星和柯依伯带遥远天体的探测器需要至少需要十年左右的飞行时间,十年以上的探测寿命,那么,“新视野”号有何长寿秘诀呢?


为实现长寿命,新视野号飞船上不仅几乎所有的探测器系统都要有备用设备,以确保系统出现问题时及时启用备份系统;还有一个重要的手段,就是让探测器长期处于休眠状态,为了避免由于长期不活动,腿脚变得不利索,也为了避免探测器一睡不醒,地面控制人员需要每隔一段时间叫醒他,让他锻炼锻炼筋骨。


自2006年1月20日发射升空后,除了用四个月探测木星及其卫星,“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态,以节约能源,延缓设备老化,特别是降低地面维护和运营人员的开支。不过地球上的控制人员仍密切关注新视野的运行情况,每隔几个月,探测器上的设备都会定期被唤醒以接受例行检查,进行轨道校正和仪器校准,以保障航线正确和设备正常。此外,“新视野号”还会每周发回一个信号,这个信号被称作“绿色信号灯”,目的是让控制人员知道它仍然活着。


2014年8月,地面对“新视野号”进行了一次例行检查,上传指令要求它按计划于12月7日苏醒。12月7日,地面收到了它从遥远的深空传来的回复,确认此指令已经得到执行。这次唤醒标志着“新视野号”此行的主要目的——探测冥王星及其卫星的任务正式开始了。从此,“新视野号”将一直保持“清醒”状态,直到2015年7月14日,它在这一天抵达距离冥王星的最近位置。


唤醒后的数周内,地面团队全面检查了探测器的身体状况,测试了在飞越冥王星时需要用到的各种程序,确保探测器各系统正常工作。结果表明,“新视野号”现在很健康,正安静地在深空漫游。


2015年1月15日,“新视野号”上的所有系统将被唤醒,开始对冥王星和卡戎进行探测。


2015年7月15日,新视野号飞船抵达与冥王星最近距离的位置,随着探测器的逐渐靠近,冥王星和卡戎将从望远镜观测中的小亮点,展现出越来越多的细节。我们将得以一窥这些养在深闺的天体们的芳容。


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“新视野号”发射时的质量为453千克。探测器外形像一把短锹,其中锹把是它的核电站,锹身是探测器本体,锹身上顶着的大锅则是它的天线。探测器本体为三角形,长2.1米,最宽处约2.7米,高0.7米,大小相当于一架钢琴。


“新视野号”探测器的通信采用X频段,包括一副直径达2.1米的高增益碟型天线、一副中增益碟型天线和两副低增益宽波束天线。“新视野号”的天线比大多数深空探测器要大得多,这是由于距离遥远,信号微弱,所以需要一个很大的天线来接收和发送数据和信号。


“新视野号”有两种姿态控制模式,在科学探测阶段采用三轴稳定和自旋稳定模式;在巡航阶段的休眠期和轨道修正机动时采用自旋稳定,额定转速为5次/秒。


“新视野号”的推进系统由16个单元肼推进器组成,其中4个推力为4.4牛的推进器主要用于修正飞行轨道,12个推力为0.8牛的推进器主要用于使探测器自旋加速或减速。“新视野号”共携带77千克推进剂,用于在航行过程中修正轨道或改变航向。在飞赴冥王星的过程中,它利用木星引力进行辅助加速;在抵达冥王星的时候,它采用飞越方式探测,因此在靠近冥王星时无需减速使之进入环绕轨道。这两个因素使得“新视野号”携带的燃料比较少。


“新视野号”为什么不环绕冥王星进行长时间观测呢?主要原因有两个,一是由于探测器的飞行速度必须非常快,这样才能确保在9.5年内到达距离地球50亿千米的冥王星。如果“新视野号”要进入冥王星轨道,必须将速度降低90%,这就需要多1000倍的燃料消耗,而“新视野号”携带的燃料不足以供减速和进入环冥王星轨道之用。二是“新视野号”一旦进入环绕冥王星的轨道,就无法将来脱离冥王星引力去探测其他的柯伊伯带天体。


2014年12月7日,在行星际飞行了48亿千米的“新视野号”被成功唤醒,此刻距离地球46.6亿千米、离抵达冥王星还有2.6亿千米。


2015年1月15日,当“新视野号”距离冥王星约100万千米时,探测器上的各种设备开始工作,对冥王星和卡戎进行全方位的探测并传回探测数据。以光速传输的探测数据传到地球需要4小时25分钟。当距冥王星16万千米时,探测器上的相机开始绘制第一批地图,并在随后的3个月里不断拍摄照片和测量光谱。如果那时冥王星的大气是冻结的,“新视野号”还能够观测到季节的变化。


2015年7月15日,“新视野号”将近距离飞越冥王星,与冥王星的最近距离为9600千米;与卡戎的最近距离为2.7万千米,持续时间约为半小时。届时,探测器将用可见光和近红外相机拍摄最高分辨率为60米、迄今为止最清晰的冥王星和卡戎照片。图像质量远远超过哈勃空间望远镜拍摄的冥王星。如果幸运的话,“新视野号”有望拍摄到冥王星上的云层或喷发的冰火山。虽然科学家推测冥王星表面可能存在这些现象,却从未被证实过。当近距离飞过冥王星时,“新视野号”采集的数据量异常庞大,根本来不及向地球回传。因此只能暂时存储这些数据,并在随后的1年多时间里陆续发送。


“新视野号”对冥王星和卡戎的飞越观测将持续6个多月,2015年7月之后将逐渐远离。在飞离冥王星和卡戎时,“新视野号”还将调转镜头回望,利用低太阳照射角造成表面地形明暗的优势,证实冥王星和卡戎表面是否平坦,是否拥有类似彗星那样的“尾巴”,是否拥有环带,是否有未被发现的卫星。


在完成对冥王星及其卫星的飞越考察后,“新视野号”将在2017~2020年探测柯伊伯带的其它天体,其中至少2个直径为40~90千米,这一阶段可能持续5~10年。如果一切顺利,“新视野号”的寿命将在15年以上。


对于从事太阳系探测的科技工作者而言,最幸运的科学家一辈子能从事两个半的探测项目,从科学思想酝酿、探测计划获得批准、到具体实施,能完整参与一项太阳系探测计划已经非常不易。假设一位科学家从三十岁入职到六十岁退休,他只有三十年的工作经历。而冥王星探测计划历经五年酝酿,新视野号飞船历经六年研制、九年飞行、十五年运营,时间跨度已经超过了很多科学家的整个科研生涯。科学家们这种前赴后继的不懈探索,恰恰是推动人类文明进步的不竭动力。


作者简介:


郑永春


国家天文台月球与深空探测研究部、中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员、首届香江学者、中国科学院青年创新促进会优秀会员、国家科普专家。



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