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科学家的漫漫追“星”路
2015-12-14 11:26
作者:郑永春
来源: 特写中国
神秘的冥王星到底有何魅力,是什么在吸引科学家们十年如一日,如此孜孜不倦地追求?

美国宇航局“新视野”号探测器在7月14日发回的冥王星照片

 “如果‘新视野号’是只猫,它可能已经死了。”“因为据说猫也只有九条命。”

——新视野号首席科学家斯特恩

飞掠成功,欢呼雀跃

2015年7月14日,新视野号探测器首次成功飞掠冥王星,发回了这颗星球有史以来最清晰的照片。这一成就来之不易,一些人甚至为之付出了一生的努力。神秘的冥王星到底有何魅力,是什么在吸引他们十年如一日,如此孜孜不倦地追求?

约翰·霍普金斯大学是全美乃至全球知名的研究型大学,成立于1942年的应用物理实验室(简称APL)是美国国防部和国家航空航天局(NASA)的主要合作商之一,负责哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行与运营。为表彰应用物理实验室在太空探索中的卓越贡献,国际天文联合会把132524号小行星命名为APL。

2015年7月14日晚上20:52,应用物理实验室控制中心门庭若市,这一刻是新视野号发射以来最为期待的时刻。为了让新视野号电力充沛,集中精力开展科学探测,控制中心已连续21个小时没有与它进行通信联系了。

房间内,一位金发女性的办公桌上特别醒目地放了一个小熊吉祥物,显得与众不同,她就是新视野号的任务运行经理爱丽丝·鲍曼,也是NASA历史上首位女性任务运行经理。这只小熊代表着遥远的新视野号,此刻它正头戴礼帽,举着国旗,端坐在显示屏旁。

当爱丽丝·鲍曼向新视野号任务的首席科学家艾伦·斯特恩报告:“遥测数据接收成功,探测器运行正常”时,房间内一下子欢呼雀跃,大家热烈鼓掌,相互握手致意,拥抱在一起。外表斯文的斯特恩高举双臂,激动地跳了起来,他一把抓起小熊手中的国旗,向众人挥舞。

寻找未知行星

新视野号任务的缘起,要追溯到86年前。

1929年,22岁的农村青年克莱德·汤博幸运地获得了罗威尔天文台观测助理的职位。中学毕业后一直在家务农的汤博痴迷于天文学,利用家中多余的农具零件加工成望远镜,观测并绘制了火星和木星的图片。

作为观测助理,汤博的主要职责是协助职业天文学家开展观测,寻找那颗影响海王星运行轨道的未知行星,罗威尔天文台创始人帕西瓦尔·罗威尔曾穷其一生去寻找这颗行星。汤博寻找行星的方法是当时最普遍的方法——闪视比较法,他在不同的夜晚拍摄各个天区的星空,然后将不同夜晚拍摄的同一天区照片进行快速切换,从固定不变的恒星背景中发现那些移动了位置的物体。

凭着认真细心和坚忍不拔的品质,1930年2月18日,汤博终于从当年1月份拍摄的照片底片中发现了一颗极为暗淡的移动天体。这颗移动天体后来被证实是一颗新行星,根据11岁英国小女孩的提议,这颗新行星被命名为冥王星——“普鲁托”(Pluto),即罗马神话中掌管冥界的地府之神。这个重要发现,将太阳系的边界从海王星扩展到了冥王星轨道。自1846年发现海王星以来,人类已经整整84年没有发现过新行星了。

自首次发现并被视为行星以来,冥王星在九大行星中一直争议不断。冥王星既不属于类地行星,也不属于类木行星,而是一颗冰态行星,表面平均温度低至零下228℃,沉浸在远离太阳的黑暗天空中。因此,冥王星一直被认为是太阳系的“孤儿”,在空旷、寒冷、黑暗的太阳系边缘静静地运行。

柯依伯带——太阳系“新大陆”

事情的转机源于一些科学家认为,冥王星所在的太阳系空间不应该是如此空旷,即冥王星应该有它的伙伴。

地球上不时可以观测到的彗星和小行星都是太阳系中行星形成之后的残留物。

我们知道,彗星每次经过太阳附近时都会被加热而丧失一部分质量,由于太阳系形成至今已有46亿年,若没有彗星仓库不断补充新的彗星,现在的人类不可能再观测到彗星。由此,荷兰裔的美国天文学家杰拉德·柯伊伯1951年提出,在冥王星以远存在一个由大量天体组成的天体盘,由于天体之间的引力扰动,导致一些彗星被驱逐出天体盘而飞临太阳附近,不时光临地球的短周期彗星即来源于此地,这个天体盘后来被命名为“柯伊伯带”。

由于柯依伯带远离地球,太阳辐射十分微弱,沉浸在黑暗中的这些小天体很难观测。直到20世纪90年代,“柯伊伯带”还只停留在推测阶段,缺乏实际观测证据的支持。

1992年,越南裔美国天文学家刘丽杏与她的导师大卫•朱维特,利用并不先进的夏威夷大学毛纳基山天文台的88英寸望远镜,历经5年的努力,终于在1992年发现了第一个冥王星的小伙伴,临时编号为“1992 QB1”的15760号小行星。

柯依伯带的大门一经打开就再也无法关闭。随后,天文学家在柯伊伯带发现了越来越多的小天体。至2006年新视野号探测器发射前,人类已经发现了1000多颗柯伊伯带天体,而该区域的天体总数可能超过10万颗。

柯伊伯带的发现,使科学家们不得不对传统的太阳系形成理论进行修正。根据计算机数值模拟的结果,柯伊伯带天体是太阳系形成初期的原始冰冻天体残留至今的,曾经它们应该在更靠近太阳的位置,由于海王星的运行轨道向太阳迁移,为了维持角动量的平衡,柯伊伯带天体被赶向远离太阳的轨道。以冥王星为首的柯依伯带天体,被冰封在远离太阳的天体盘内,组成了类地行星和类木行星之外的太阳系“第三区”。

作为柯伊伯带已知的最大天体,冥王星帮助人类打开了这片太阳系新大陆的大门。“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。”新视野号首席科学家艾伦·斯特恩指出:“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,可以窥探到太阳系行星形成时的最初状态。”

冥王星“地下党”

1989年5月5日,还在科罗拉多大学攻读博士学位的斯特恩,见到了时任NASA行星探索部主管的杰夫·布里格斯。

斯特恩问,为什么美国没有探索冥王星的任务?

布里格斯回答,因为从来没有科学家提出想去探索冥王星。

确实,尽管那时离人类发现冥王星已过去约70年,但由于冥王星远离地球,探测难度巨大,加之科学家普遍认为探索冥王星对研究地球和行星的形成缺乏借鉴意义。因此,在斯特恩之前还真的没有人提出要去探索冥王星的建议。

于是,这一难得的机会留给了当时年轻的博士生斯特恩。

1989年8月25日,旅行者2号探测器飞越海王星,传回了海王星和海卫一的清晰照片。此时,旅行者2号调查太阳系的主要任务已经完成,本来可以调转飞行方向,顺便探访冥王星。但当时参与旅行者2号项目的科学家们对这颗悬荡在外太阳系的孤独天体实在没有兴趣,所以旅行者2号失去了创造第一的机会,继续飞往太阳系深处。

NASA主管的回答无疑激励了斯特恩。当然,斯特恩也并非心血来潮,“我从小就对这些感兴趣。”在《冥王星之年》的纪录片中,他回忆说,他一直沉浸在这一兴趣中。在崇尚探索和冒险的美国年轻人中,斯特恩不是唯一对冥王星感兴趣的人。很快,一群对未知世界充满好奇、热衷于探索宇宙的年轻人开始聚集在一起,自发组成研究小组,经常在一起探讨探索冥王星的可行性。这一小组后来被人们戏称为冥王星“地下党”。

“冥王星就在那儿,这是驱使我的最大动力。” 冥王星“地下党”元老级成员马克·布伊(MarcBuie)在《冥王星之年》中说:“因为我们对它实在了解得太少了。”20世纪90年代航天技术的快速发展,让年轻人开始思考哪里是太阳系探索的极限。这一问题的答案也呼之欲出,那就是唯一未被航天器探测过的行星,太阳系最遥远的行星——冥王星。

申请立项,困难重重

1985年至1990年冥王星与冥卫一(卡戎)出现行星互掩,即两者交替从对方前面经过。利用行星互掩过程中的光度变化,冥王星“地下党”和其他天文学家合作绘制了第一张冥王星图像。图像显示,冥王星表面的不同区域具有显著差异,是太阳系中表面对比度最大的天体之一。此后,“冥王星地下党”成员也借助哈勃太空望远镜,第一次用直接成像法观测了冥王星表面。

这些努力显然有助于推动冥王星探索任务的立项。20世纪90年代末, NASA曾制定了一项名为“冥王星-柯伊伯快车”的探测计划,原计划2004年12月18日发射,主要探测冥王星、卡戎及其他柯伊伯带天体。但由于研制经费超支,NASA宣布取消该计划。

消息公布后遭到了包括冥王星“地下党”在内的众多天文学家强烈抗议,他们四处游说,希望再次启动冥王星探测计划。美国行星学会甚至发起了“拯救冥王星计划”。2000年12月20日,NASA宣布重新论证冥王星计划。

冥王星“地下党”自然不能错过这个百年一遇的机会,斯特恩所在的美国西南研究院团队开始了积极的申请筹备工作。他们的竞争对手共有4家,其中包括大名鼎鼎的、已经成功探索过除冥王星外所有太阳系行星的喷气推进实验室(JPL)。

为了实现超远距离的测控通信,传统的航天器测距方法是由地面控制中心发射信号,航天器接收信号后再回传至控制中心。但由于冥王星距离遥远,这种方法回收到的信号微弱,且容易受到环境干扰。斯特恩团队设计出了新型信号接收装置,增加了“降噪”功能,使遥远距离回传的测距信号依然保持清晰。

为保证冥王星探索的科研产出,又不突破预算限制,斯特恩为首的设计团队只设计了三大基本科学目标:拍摄冥王星和卡戎的表面形貌;探测冥王星和卡戎的表面物质成分;测量冥王星大气的逃逸速率。此外,他们还计划探测冥王星附近的高能粒子、磁场、电离层、太阳风等环形特性。

但即便如此,第一轮设计的成本核算依然远超NASA所能提供的经费额度。缩减经费成为设计团队的核心任务。缩小航天器尺寸,缩减科研内容,优化各项设备,设计团队甚至考虑过不采用美国的火箭发射,而采用价格便宜的俄罗斯火箭进行发射。但不管怎样,经费依然超支严重。斯特恩走投无路之际,喷气推进实验室(JPL)的死对头、竞争对手——应用物理实验室(APL)主动联系斯特恩,希望与他联手共同击败JPL。应用物理实验室的加盟,使项目运行的最终成本被压缩到7亿美元。

研制过程,一波三折

斯特恩等好不容易满足了NASA的要求,却遇到了NASA也无能为力的事情。2001年2月6日,刚刚上台1个月的布什政府公布了新一届政府的预算支出报告,新报告宣布取消冥王星探索任务,而此时离NASA要求提交探索冥王星任务申请书的截止时间仅有40多天。

生死存亡关头,眼看多年努力的心血即将付诸流水。应用物理实验室和喷气推进实验室也放下多年恩怨,一起动员各方力量,共同游说国会议员,告诉他们探索冥王星的重要意义。经过努力,国会通知NASA:保留探索冥王星的任务。

2001年4月6日NASA宣布,斯特恩领导的新视野号团队将与JPL领导的冥王星团队进行最终角逐,将于当年9月18日举行最终评审。正当双方信心满满,准备上场答辩的时候,又一个意外发生了,发生在9月11日的“911”恐怖袭击打乱了整个美国的节奏,应用物理实验室与喷气推进实验室的决战日期被延至10月19日。11月29日,NASA宣布新视野号团队的探测方案获得胜出。

但三个月后,还沉浸在喜悦中的新视野号团队就接到了另一个不幸的消息,2002年1月,布什政府再次宣布取消探索冥王星的计划。

这一次,新视野号团队建立了一个专门网站,用英语、法语等8国语言,请求全球民众支持他们的冥王星探索计划,最终他们收集到1万多个来自全球各地的签名。负责评价太阳系探索任务在科学上的优先程度的美国国家科学院,这一次也打破沉默,集体决定将探索冥王星及其所在的柯伊伯带,列为美国需要最优先开展的太阳系探索任务之一。

2003年2月,布什政府终于正式批准新视野号任务。而此时距离探测器发射升空的最佳时间,只有不到3年的时间了。

原以为此后的研制工作可以按部就班进行,但2004年底的一场变故,差点让新视野号胎死腹中。

在远离太阳的深空,太阳辐射非常微弱,新视野号探测器无法像月球和火星探测器那样采用太阳能电池来供电,因此探测器将搭载一个小型核反应堆——同位素温差电池,利用放射性元素钚238衰变过程释放的热量,来为探测器上的各种电子设备供电。

根据设计方案,新视野号探测器共需要10.9千克富含钚238的二氧化钚,释放的能量相当于一对100瓦灯泡。但在任务研制的紧要关头,设计团队突然接到通知,二氧化钚库存不足,无法满足探测器所需。后经多轮紧急协商与公关,NASA终于同意从其他项目的钚238储备中挪用一部分给新视野号。

核原料虽然解决了,新的问题又接踵而至。

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。为此,新视野号团队举行数次发布会,告诉民众,核燃料被封装在特制的球形防火陶瓷罐中,这种陶瓷有抗分解能力,不会与其他物质发生化学反应。外面包裹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,核燃料外泄的可能也微乎其微。

即使为了应对这微乎其微的可能风险,NASA和美国能源部也做了详细的预案,并组建了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。通过应用物理实验室与政府部门的共同努力,探测器上的核反应堆最终得以通过。

为了让探测器在2015年抵达冥王星,需要用到行星借力飞行技术。为实现木星借力,新视野号的发射时机是非常有限的,发射时间需控制在2006年1月11日至27日之间。若晚于1月27日,向木星“借力”的效果将大幅减弱。如果1月29日发射,则新视野号将于2016年6月12日才能抵达冥王星;若2月2日之后发射,新视野号将无法再从木星“借力”,飞抵冥王星的时间将长达12年。

尽管状况不断,新视野号却总能化险为夷。

2005年9月,新视野号终于进入位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心进行最后的装配和调试,发射时间确定为美国东部时间2006年1月17日13时24分。

但由于地面突然刮起强风,错过了第一个发射机会;第二个发射机会来临时,负责探测器地面操作的应用物理实验室控制中心突然停电。在两度被推迟发射之后,直到1月19日14时第三个发射机会到来时,斯特恩和他的“冥王星地下党”们终于目送新视野号飞出地球。

冥王降级,星光黯淡

新视野号发射仅8个月后,任务团队又突遭变故。2006年8月24日,国际天文联合会第26届大会通过第5号决议,修改了行星的定义,冥王星被踢出“九大行星”行列,降级为“矮行星”。

当新视野号发射时,它的使命是探访太阳系最后一颗未被探测的行星,肩负着NASA实现探索所有太阳系行星的梦想。而如今,虽然探测目标没有变化,但探测对象却从位居九大行星之尊的冥王星,变成了编号为134340的小行星,地位一落千丈。

首席科学家斯特恩必须对此表明自己的态度。

正如2010年2月18日他在接受太空科学网站Earthsky采访时表示,他从小学到的就是太阳系有九大行星,现在发现的许多和冥王星一样的天体,它们都绕着太阳转,都是球体,天文学家应该将这些天体都纳入行星队伍,而不是简单地减少行星数量。他说:“这些天体有内核、有大气层、有四季变化、有极地冰冠、有卫星,除了质量大小之外,我看不出它们与IAU认可的行星有什么区别。”斯特恩打了个形象的比方:“吉娃娃再小,它也是条狗。”

天文学家自然有他们的理由,他们认为:行星应该是绕恒星运转,质量足够大使之成球体,而不是卫星的天体,必须具有清除轨道区域内大小相当天体的能力。冥王星虽然满足了其他所有条件,但它的质量仅占其轨道上所有其他天体质量之和的7%,显然说明它清空轨道的能力有限,因而不能称为行星。

稍稍安慰的是,天文学家为冥王星等5颗此类天体新设了一个分类——矮行星,这让冥王星保留了一点面子。

十年追“星”,漫漫征途

在新视野号飞赴冥王星的十年漫漫追星途中,不可避免地会出现故障。因此,虽然新视野号可供搭载的重量资源十分有限,但在设计探测器时,工程师们仍然给探测器上的所有设备都至少准备了一套备份。

发射后的第13个月,新视野号抵达木星轨道,被木星引力加速“甩”向冥王星。在此过程中,新视野号对木星及其伽利略卫星进行了成像探测,除了探测木星系统外,也是为了检验探测器上各项指令和设备状态。

在这之后的大部分时间内,新视野号上的大部分设备被关闭,探测器处于“休眠”状态。每周,探测器定时向应用物理实验室的地面控制中心发送一个“平安”信号,告知它还活着。每年,探测器会“苏醒”50天进行“年度体检”。这么做的目的,一方面节省了探测器上的能源消耗,更重要的是,使得地面控制中心不需要养着大量专业人员,以长期监视和维护新视野号的运行,大大降低了任务运营开支。

新视野号任务运行经理用一只喜爱冬眠的棕黑色泰迪熊玩具代表探测器,端坐在她的办公桌上。这只可爱的泰迪熊陪伴着任务团队度过了无数个孤独的夜晚。当探测器处于“休眠”状态时,泰迪熊会戴上睡帽,盖上被子,表示它正在睡觉;当探测器“苏醒”时,它会戴上聚会帽,等待任务团队的其他成员来参加聚会。

在飞离地球7年半后,2013年7月5日,新视野号被唤醒,任务团队开启了探测器上所有的仪器设备,完整地演练了飞越冥王星时的探索任务,这是最后一次检查探测器健康状况、修正错误的机会。为期9天的任务预演进展顺利,没有发现问题。2014年12月6日,探测器正式结束“休眠”;2015年1月15日,距离地球48亿公里的探测器进入工作状态。

从1989年首次提出设想,到2003年获得批准,再到2006年发射升空,历经十年漫漫追星途,新视野号探测器终于在2015年7月14日飞越冥王星,而它的探索使命将延续至15年,至2030年左右。

据统计,在太阳系探索领域,足够幸运的科学家一生中至多能够参与2.5个探索项目。从斯特恩首次提出探测冥王星的设想开始,已经过去了整整26年。新视野号任务几乎耗去了他们所有的科学生命,任务团队中的一些人甚至只经历了新视野号的播种阶段,而没能等来这收获的一刻。

在团队中,担任首席科学家的斯特恩被称为冥王星先生。这个中等身材、身体强壮的中年人对探索冥王星拥有异乎寻常的热情,意志特别坚定,他的激情鼓舞着团队中的每个人。团队元老林斯科特说:“我们聚集在这里,就是因为我们怀着共同的探索冥王星的梦想。”团队元老马克·布伊说:“我只能说,这26年,是一段漫长却十分充实的旅途。”团队成员申克说:“对我们来说,这是今生唯一的机会。”

强大而纯洁的梦想、出类拔萃的才华、坚忍不拔的意志,终于成就了人类历史上首次探索冥王星的壮举。冥王星从原本只有望远镜中才能观测到的非常暗淡的小圆点,摇身一变成为具有爱心和活力的“萌王星”,从与我们日常生活毫不相干的、遥远的外太阳系天体,成为了我们生活乐趣的一部分。这就是太阳系探索的魅力所在,面对一个完全未知的世界,一切都是新发现,极大地满足了人类好奇和探索的天性。

来自:科普中国


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