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“新地平线号”与行星标准

2006-03-06 13:49 作者:吴戈 2006年第7期
要到达太阳系已知最远的行星——冥王星,即使是有史以来速度最快的人造航天器——“新地平线号”探测器,也需要飞行九年半

也许你在电脑上几个小时就能经历一场“星际争霸”,但在真实世界,要到达太阳系已知最远的行星——冥王星,即使是有史以来速度最快的人造航天器——“新地平线号”探测器,也需要飞行九年半。但漫长的等待是值得的,世界著名行星学家阿兰·斯特恩(Alan Stern)承认:“我可以把对冥王星全部的确切知识在三张扑克牌上写完。这次任务的发现将改写我们很多认识,我们甚至不知道我们还不知道什么。”

第一个飞向外星的人

2月4日是美国天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)诞辰100周年。此时,“新地平线号”探测器正在飞往他发现的冥王星。汤博在76年前的1930年2月18日完成这一历史性发现时,年仅24岁。他揭开的这个冰冻的未知世界,引发了行星探索的一场革命。

为纪念这位美国第一个发现太阳系行星的人,钢琴状的“新地平线号”探测器携带了一个约5厘米宽、1厘米高的小铝盒,装有家属捐献的一些汤博的骨灰。随着探测器2015年7月14日飞过冥王星,然后飞向柯伊伯带,以至最终飞出太阳系,进入星际空间,汤博也将成为第一个飞往外星的人。在盒子上还有“新地平线号”计划首席研究员、美国西南研究所太空科学与工程部执行官阿兰·斯特恩的亲笔题词——这里面装着美国人克莱德·汤博的遗骨,他是冥王星和太阳系“第三区”的发现者。阿德尔和穆隆的儿子、帕特里夏的丈夫、安妮特和奥尔登的父亲、天文学家、教师、大贫嘴和好朋友:克莱德·汤博(1906~1997)。

汤博是堪萨斯西部小镇伯迪特附近长大的农场小子。发现冥王星时,他在亚利桑那州弗兰格斯达夫的洛威尔天文台工作,当时的任务是搜索一颗穿过海王星轨道的行星,为此他拍摄了2/3的天空,花了数千小时研究了成百万的天体图像。看到冥王星时,起初他以为是一个行星的异常现象,因为其尺寸很小,具有奇怪的椭圆轨道。斯特恩在2月4日纪念汤博的会议上说:“汤博对天文学非常入迷,他一直写观察日记。但发现冥王星后,他在长达数月的时间内没有宣扬,以便再三检查他的工作,结果表明他是完全正确的。”

冥王星的发现揭开了发现柯伊伯带的序幕,据此人们认识到小型冰矮星在太阳系内并不少见。柯伊伯带是太阳系边缘、海王星轨道以外的一个环状区域,由太阳诞生时残留的大量岩石和冰态物质组成,有数千个天体,冥王星是其中最主要的天体。难怪斯特恩说:“克莱德·汤博是个伟大的美国人。”不过,即使有此成就,汤博还是决定需要一个学位,才能在天文学上有自己的地位,他于1936年获堪萨斯大学天文学学士学位,1939年获硕士学位。汤博于1997年1月17日逝世,距他91岁的生日不到几周。

十年磨一剑

目前,“新地平线号”探测器已飞行了三个星期,一切正常。虽然完成的旅程不到1%,还需要492个星期才能抵达目的地,但风险最大的阶段已经过去。设在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的控制中心正忙于测试探测器的通讯、导航装置,今后几个月将校验探测器上的7种科学仪器。也许是受了点博客的影响,阿兰·斯特恩每周在官方网站上写一篇“首席研究员观察”,介绍主要的工作和进展。

斯特恩本人曾在NASA约翰逊航天中心、马丁·玛丽埃塔公司、科罗拉多大学大气与太空物理实验室等部门参与飞船研制、天体物理和太空天文学研究,90年代初开始在西南研究所任职。他有超过20年的天文仪器研制经验,探空火箭、航天飞机、罗塞塔彗星轨道器、“月球侦察轨道器”、“深空一号”、火星和金星探测器、哈勃太空望远镜、“新地平线号”探测器上都使用了他研制的仪器。

斯特恩也是个作家,著有《“挑战者号”之后的美国航天计划》和《冥王星与“卡戎”:太阳系边缘的冰世界》两本书,出版过三本科学专集。他还拥有商业飞行员、飞行教官和滑翔机飞行员执照,1998到2002年间多次驾WB-57高空侦察机和F-18战斗机试验机载天文研究设备,1995和1996年分别入选航天飞机任务专家和有效载荷专家名单。

2001年获得NASA批准的“新地平线号”并非首次飞往冥王星的任务,此前的20年中类似任务至少有4次夭折,最近一次是2000年夏被NASA取消的“冥王星快车”计划。为此,美国行星协会多次发起向国会写信和集会、万人签名活动,才挽救了冥王星探测计划。因此,“新地平线号”探测器上携带了一张CD,记载着所有行星协会会员、来自全球的支持者共计50万人的名字。行星协会还邀请全世界公众提供2006年拍摄的地球事物照片,到2006年7月15日探测器飞越木星时封存在一张DVD上,当探测器到达冥王星时,以它发回的冥王星照片作为信号打开,展示世界十年间的变化。

“新地平线号”的旅程将毕其功于一役。在长达48亿公里的路程中,它基本处于休眠状态,一旦抵达目标附近,最重要的数据搜集阶段只有数十天。由于速度高达49889公里/小时,冥王星的引力太弱,“新地平线号”没有足够的燃料减速进入环绕轨道,只能看到冥王星及其最大卫星“卡戎”的一侧。即使如此,它在接近过程中拍下的两个天体背面图像仍将比现在清晰1000倍,正面照片能分辨25米以上的物体。

地位问题

在评价汤博的贡献时,斯特恩说过一句话:“从很多角度来看,他的工作超越了当时的时代几十年。”在他之后,1978年美国天文学家才发现了“卡戎”,大约1992年发现了柯伊伯带的第一个天体,但到去年,汤博的伟大发现终于被超越。

2005年7月,加州理工大学的米切尔·布朗宣布:他在冥王星以外发现的编号2003 UB313的天体初步估计直径约为2700公里,比冥王星的2300公里大得多,可以考虑作为太阳系的“第十大行星”,由此引发了关于冥王星地位和行星标准的激烈争论。

在2006年2月2日出版的《自然》杂志上,德国波恩普朗克射电天文学研究所的天文学家弗兰克·贝托蒂提出:“既然2003 UB313肯定比冥王星大,如果它都不算行星的话,现在越来越难把冥王星称为行星。”

测量暗淡而遥远的天体的大小非常具有挑战性,这也是为何要发射“新地平线号”探测器的原因之一。如果根据光学亮度分析天体尺寸,取决于天体表面反射率的不同,由此对2003 UB313直径的估计从2300公里到超过8000公里不等。从地球上看,冥王星与“卡戎”的距离只有0.9弧秒,要把它们发出的热量区分开,相当于从48公里外测量一支铅笔的长度。贝托蒂领导的一个研究小组测量了2003 UB313的表面温度,估计其直径为2986公里,比冥王星大30%,即使最保守的估计也有2759公里,仍比冥王星大。

因此,有的科学家主张:要么2003 UB313和冥王星都算行星,要么都不算。也就是说,要么只有八大行星,要么就有第十大行星。也有科学家主张:冥王星、UB313和海王星以外的柯伊伯带的其他冰冻星球都不能算行星。不过至少在堪萨斯大学,冥王星肯定要算作行星。在2月4日纪念汤博的会议上,该校教授巴巴拉·安东尼-特华罗格说:“过去将冥王星重新分类的努力在科学界和公众中间都遭到了反对。我们有自己的立场,我们总是向学生强调,这是我们学校天文学史上的重要部分。”当然,她也承认:“从科学上说,冥王星是个模棱两可的事。”

这个问题之所以模棱两可,主要是因为对行星没有正式的定义。其实,地球的卫星月球直径就有3475公里,因此有人认为如果设立尺寸标准来定义行星,会将门开得太大。米切尔·布朗认为:德国的测量可能不准确,他的小组正在用哈勃太空望远镜直接观察。

当然,行星标准只是名分之争,详细地研究成果更有实质意义。在2003 UB313附近,人们又发现了2003 EL61和2005 FY9两个与冥王星大小接近的天体,以倾斜度很大的轨道绕太阳旋转,目前它们被命名为圣塔和伊斯特巴尼。斯特恩等人还发现:除“卡戎”外,还有两颗小卫星在围绕冥王星运行。看来,天文学要将这一堆乱糟糟的冰块理出个头绪,还需要不少时间,但如果有助于发现太阳系起源和演变的秘密,花10年时间和7亿美元无论如何是值得的。

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