[解密] “新视野”号 破解太阳系形成之初的秘密


  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


  文/郑永春


  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。


  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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