我們熟悉而又陌生的冥王星

關 丹 （北京空間科技信息研究所）

我們熟悉而又陌生的冥王星

Pluto : the Familiar Stranger

關 丹 （北京空間科技信息研究所）

85年前，它以馬賽克的樣子出現在大眾的視線里，它也曾是我們中小學課本當中的第九大行星，2006年8月因其不符合行星條件而被科學家們除名，“貶為”矮行星。它就是2015年倍受世界天文愛好者矚目的—神秘的冥王星。

1 我們發現你

冥王星的發現是一個幸運、巧合而又富有戲劇性的故事。洛厄爾天文臺是美國已故科學家洛厄爾創辦的，洛厄爾生前認為，在海王星之外還有一顆未知的行星存在，因為海王星并不完全遵循人們根據引力理論預期的軌道運動，很可能在海王星之外還有另一顆行星，它的引力使海王星改變預期的運行軌道。1915年，一份關于海王星之外天體的觀測報告出爐，詳細地描繪了可能存在的神秘天體。就是這個錯誤的推斷使得冥王星被發現。

20世紀初，美國天文學家皮克林主張用照相的方法去搜尋這顆被錯誤計算出的遙遠“行星”。隔幾天就對同一區域拍照，如有位置移動的天體就會從前后兩張底片中找出來。這個對比任務交給了年僅23歲在洛厄爾天文臺工作的克萊德·湯博，但要尋找眾多的底片，且每張底片又有幾萬甚至幾十萬個星點，并將星點逐個核實，簡直是不可能的。正巧，這時德國一家儀器公司發明了“閃視比較儀”。湯博利用這臺儀器，耐心地將底片逐張進行觀察。直到1930年2月18日，功夫不負有心人，湯博發現了這顆遙遠的星球，同時它也被當時的天文學家認定為太陽系的第九大“行星”。

2 逐漸認識你

冥王星，英文名字Pluto，其意是希臘神話中的“地獄之神”，譯為冥王星。鑒于當時人們認為冥王星處于太陽系外圍，那里寒冷黑暗，故因此而得名。該星體被發現后，日本人野尻抱影于1930年以意譯建議命名“冥王星”，東亞多個使用漢字的國家也以“冥王星”來命名。中國于1933年采用該名稱。

想在地球上研究這顆遙遠的冥王星是天文學最艱巨的挑戰之一，需要使用最大的天文望遠鏡和最先進的儀器，即使對“哈勃”空間望遠鏡（HST)來說也是很難的。據當時科學家計算，冥王星的直徑約為2300km，與太陽的平均距離為5.9×109km。冥王星是繞太陽轉的，從地球上看，也會逆行。它的公轉周期為248個地球年，自發現以來，它才轉了1/3圈。它運行在近圓軌道，只有很窄的部分靠近被稱為黃道的其他行星運行平面。相比之下，冥王星的軌道是高度傾斜的，超過了17°，并且有著高離心率，這就意味著在某些區域冥王星比海王星更靠近太陽。事實證明，冥王星曾在1979年1月21日跨入海王星內側成為第二遠的“行星”，在1999年3月14日又跨出海王星軌道，再度成為最遠的“行星”。

發現冥王星的幾十年里，它都一直是星空底片上的一個光點。直到20世紀70年代中期，戴爾·克魯申科和同事一起給基特峰天文臺的一臺望遠鏡加上了紅外濾光鏡，探測器和傳感器的性能得到了提升，還建造了更大的望遠鏡。完成這項任務的科學家在冥王星地表找到了甲烷冰的證據，幾年后，他們又找到了氮氣冰存在的證據。由此推斷，冥王星可能由70%的巖石和30%的冰組成。

1978年，在研究美國海軍氣象天文臺照片底片時，科學家又得出了一個新的結論，冥王星和地球一樣，它也有衛星—冥衛一卡戎。而這顆衛星幾乎是其母星的1/2大，非常巨大，以至于2個天體都是繞著共同的重力中心旋轉，這一點位于冥王星之外。冥王星和冥衛一是我們太陽系內發現的第一對雙矮行星組合，通過它們軌道的基本物理性質以及兩者間的距離，天文學家計算出冥王星的質量和體積，質量為1.290×1022kg，體積為6.39×109km3，表面重力為0.655m/s2。

1985-1990年，天文學家很幸運，冥王星和冥衛一圍繞它們共同的重力中心運行，依次從對方面前穿過，這種互掩互食的天象讓馬克·布伊等天文學家們能夠捕捉到光的變化模式，耐心地制作了一張冥王星地圖。在整個太陽系中有2個天體地表對比度最大，結果冥王星就是其中之一。

2005年，再次觀測冥王星和冥衛一時，天文學家又發現了冥王星2顆暗淡的衛星。2011年和2012年又分別發現了冥衛四和冥衛五。至此，科學家得到的結論是，冥王星是一個真正的多衛星系統。

冥王星

3 你被降級了

冥王星被發現以來，長期被列入太陽系的九大行星之列。但從2000年起，在太陽系的邊緣、海王星外側的柯伊伯帶中不斷發現新的天體，新的天文發現不斷使“九大行星”的傳統觀念受到質疑，特別是2005年發現的鬩神星，當時被認為比冥王星更大。于是國際天文學聯合會（ICU）成立了專門的委員會，重新討論太陽系行星概念。2006年8月通過了新的定義：“行星”必須滿足3個條件，一是位于圍繞太陽的軌道上運轉；二是質量必須足夠大，來克服固體引力以達到流體靜力平衡的形狀，也就是呈球體；三是必須清除軌道附近區域，公轉軌道范圍內不能有比它更大的天體。按照這個標準，冥王星和鬩神星都位于柯伊伯帶中，在自己軌道附近還有其他天體，都不能算作行星。對于這一類星體，天文學界定義了一個新類別—矮行星。于是太陽系九大行星從此變成了八大行星，冥王星被降級為矮行星。為配合新身份，冥王星甚至還被“屈辱”地像小行星一樣被編號為134340。

4 從來沒有如此靠近你

“新視野”探測器在經過4.8×109km的飛行、9.5年的太空穿梭后，在距冥王星12472km的位置上越過。那是我們距離冥王星最近的一刻，冥王星的一切有可能將在這近距離的飛越中成為現實。

“新視野”遠程勘測成像儀傳回的圖片清晰可見，令聚集在約翰-霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家們驚喜的是，在傳回的圖片中發現了一個“心”形的淡色光影地帶和一條巨大的“鯨”形深色光影地帶等一系列信息。

“心”形區域橫跨約2000km，被人們親切地稱為“冥王之心”。這顆冥王之心徹底顛覆了地球人對冥王星從前“孤獨、高冷、荒涼”的印象。同時，美國科學家也將“心”形區域非正式地命名為“湯博”地區，以此來紀念冥王星的發現者湯博。

“鯨”形區域被冠以一個可愛的昵稱“鯨魚”，該區域上的神秘黑斑令科學家們困惑不已，黑斑形狀非常不規則，個別黑點直徑約達480km，黑點到底隱藏著何種物質，科學家們還不確定。

冥王表面的黑色物質

5 重新認識你

“新視野”所收集圖像的分辨率要比人類迄今所看到的任何圖像數據都高，它的飛越將讓我們重新認識這顆在太陽系生活45億年并且沒有太大變化的活化石。

根據最新數據，人類第一次準確地確定了冥王星的大小，其直徑約為2 3 7 0 k m，誤差值為±20km，比之前人們所預想的要大80km左右。但冥王星的絕對尺寸還是個小個子，直徑只有地球的18.5%，大小只相當于地球的0.6%。盡管如此，它依然是柯伊伯帶內最大的天體。同時，冥王星最大的衛星冥衛一卡戎的直徑為1208km，相當于冥王星的51%，地球的9.5%，算體積的話就是地球的0.086%。冥衛二尼克斯的直徑約為35km，冥衛三許德拉直徑約為45km。“新視野”還在對它們做進一步觀察，包括冥衛四科波若斯和冥衛五斯提克斯。

“新視野”傳回的最新圖像表明，冥王星赤道附近有超級“年輕”的高大冰峰。科學家們在冥王星“心”形區域的西北部發現了一片廣漠的冰凍平原。從冰凍平原地形來看，年齡沒有超過1億年，且很有可能仍處在地質形成過程中。科學家們推測，覆蓋這片冰凍平原的區域很可能是雪，但并非我們地球上傳統意義上的雪，而是冥王星上存在的氮氣、一氧化碳或者甲烷等氣體凝結成的固態雪。因為冥王星與太陽平均距離達到5.9×109km，表面溫度極低，只有-220℃。

在這顆冰質星球的表面，山脈、峽谷清晰可見，赤道附近還發現了一條大約高達3500m的山脈。令科學家們驚喜的是，這些山脈的形成時間非常短，這表明冥王星表面部分地區地質活動仍然非常活躍。“新視野”地質、地球物理和成像團隊（GGI）的杰夫·摩爾表示，“這條山脈是人類在太陽系中觀測到的最年輕的地表之一。”

美國航空航天局（NASA）增強分析了“心”形和“鯨”形圖片的地貌結構，又發現了一條長約1600km的不明多邊形地形，這個結構幾乎橫跨了冥王星的赤道，是個非常龐大的地貌，到底是由什么物質構成以及何以形成，仍然是個謎。

以上種種跡象表明，冥王星上有著多變的地形，是有地質活動的，并非一塊“死石頭”。而冥王星直徑大于預期，意味著它的密度小于預期，說明它的含冰量比預想的更多，還說明冥王星的大氣要比預期的稀薄，因為冥王星的直徑也會影響其大氣層的尺寸。“新視野”還觀測到，冥王星的大氣層中離子氮向太空逃逸出來，且速度超出了預想，這意味著要么大氣逃逸率比預想高，要么有什么別的機制在起作用。

“新視野”近距離拍攝的冥王星冰山

6 你身邊的伙伴

“新視野”關注的不只是冥王星，還有冥王星的“伙伴”，也是它的“衛士”。觀測數據表明，冥衛一卡戎有它多變的地形，一條長達1000km的懸崖從左向右延伸，一道深達7～9km的峽谷沿其彎曲邊緣分布。其北極還有一大片黑色區域，似乎甲烷含量更低。令科學家驚訝的是，卡戎并沒有像月球表面那樣有眾多的隕石坑，而是在赤道上有一個巨大的撞擊坑。

冥王星的小“衛士”—冥衛三許德拉自2005年被發現以來，一直是一個形狀、大小、反照率都不明確的模糊光點。此次“新視野”上的相機分辨出了這顆小衛星的不規則形狀，按照公布圖片的分辨率計算，該衛星的大小約為43km×33km。

7 結束語

從1930年被發現，到2001年NASA批準“新視野”計劃，再到航天器于2015年抵達冥王星，耗時良久，但時光流逝在我們身邊的故事將影響深遠。“新視野”已駛向冥王星，在未來的2年中，它將不斷地傳回關于冥王星的最新圖片和最新資料，隨之而來的是科學家們對冥王星不斷的、更新的認識。讓我們拭目以待，當人類最新的圖像處理技術與嘔心瀝血的堅持相結合，必將贏得更重要的發現。屆時，冥王星的地形，甚至是星球內部的構成，有沒有生命，有沒有海洋……這些問題都可能得到回答。地球人將帶著對冥王星長達85年的憧憬，揭開這顆擁有傳奇經歷星球的神秘面紗。