冥王星的秘密揭曉

2015年7月14日晚上9點臨近時，我與時任美國宇航局局長查爾斯·博爾登以及其他人在位於馬里蘭州約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的任務控制中心站在一起。大約一分鐘後，我們將收到來自“新視野號”探測器的首批訊號，該探測器在勇敢地一次性飛越冥王星及其五顆衛星系統後，距離我們約30億英里。

這個以光速傳播到地球上美國宇航局巨型天線的訊號，將告訴我們這次飛越是否成功。它會揭示我們的任務已經出錯還是成功——或者只是沉默？一切皆有可能。

附近還有近2000名受邀嘉賓也在等待訊息。在世界各地，無數其他人也在電視和網路上觀看。為了實現這一目標，我們花費了超過26年的時間——14年“推銷”這個專案，又花了四年時間建造和發射它，然後又花了九年多的時間飛越太陽系。對於作為專案負責人的我，以及我們的任務和科學團隊來說，我們為之努力的一切都取決於我們即將從收到的訊號中瞭解到的資訊。

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突然，通訊訊號到達了。幾秒鐘後，任務控制中心巨大的計算機顯示器開始將它們解碼成探測器健康報告。我們的飛行工程師逐一評估他們的資料並彙報，每個人都確認探測器系統工作正常。“新視野號”在歷史性的飛越中倖存下來，並且執行完美。歡呼聲在任務控制中心爆發，人們舉起雙手揮舞旗幟，擁抱在房間裡蔓延。我們近三十年來探索有史以來最遙遠的世界——行星探索的珠穆朗瑪峰——的努力成功了！

到第二天早上，“新視野號”已經將它的第一批高解析度影像發回地球，揭示了冥王星是一個令人驚歎的複雜世界。在隨後的幾天和幾個月裡，探測器的資料持續傳來，並且一直持續到2016年末。總而言之，“新視野號”使用七種科學儀器進行了400多次獨立的觀測——這一收穫產生的資料量大約是美國宇航局首次火星任務“水手4號”的5000倍。

這組資料的科學寶藏徹底改變了我們對冥王星系統的認識，並顛覆了關於小行星可以多麼複雜和充滿活力的普遍看法。公眾對這次任務的熱烈反響——包括我們任務網站上超過20億的頁面瀏覽量，飛越當週近500篇報紙頭版報道，以及數十篇雜誌專題報道、谷歌塗鴉等等——也出乎意料地受歡迎。

事後看來，很容易看出冥王星的探索對研究和公眾對行星科學的欣賞都非常有價值。但說實話，這項任務幾乎從未啟動。

2001：太空漫遊

美國宇航局在1999年首次宣佈了執行冥王星任務的堅定意向，當時它邀請全國各地的團隊提出在冥王星柯伊伯帶快車（PKE）任務中搭載儀器的建議。我領導的團隊提交了一份主要的相機和光譜儀儀器套件提案，但到2000年9月，PKE的估計成本已經增長到如此之高，以至於在美國宇航局甚至可以選擇搭載的儀器之前，該機構就取消了這項任務。

行星科學界立即採取行動，譴責取消並要求美國宇航局撤銷決定。公眾也提出了抗議，向美國宇航局打來了無數電話，並寄來了超過10000封抗議信。甚至有一位青少年駕車橫跨全國，親自呼籲美國宇航局恢復對第九行星的探索。（儘管存在常見的誤解，但我，以及我認識的大多數其他行星科學家，都將冥王星稱為行星，並且在演講或研究論文中不使用國際天文聯合會的行星定義，該定義將冥王星排除在外。）最終，在2000年12月，美國宇航局宣佈將為新的冥王星飛越任務概念進行競爭。提案仍然必須滿足為PKE任務設定的目標，並且必須制定在2020年之前到達冥王星的計劃，但它們的成本必須大致低於PKE成本的一半。最終，美國宇航局收到了來自各個團隊的五份電話簿厚的提案，每份提案都提供了此類任務的詳細計劃。我領導了其中一個團隊。我們將我們的任務稱為“新視野號”，因為我們提出的將是美國宇航局自20世紀70年代的“旅行者”任務以來首次探索一顆新行星。

我們的團隊，總部設在我工作的西南研究院和我們的探測器將在那裡建造和控制的約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室，在行星任務方面的經驗比我們的主要競爭對手少得多，但我們用獨創性彌補了這一點。為了控制成本，我們建議派遣一艘而不是兩艘探測器進行這次旅程——這種風險極高，在首次行星探索中幾乎是前所未有的。我們還建議在前往冥王星的近10年旅程中休眠探測器，以降低人員配備成本，並將重點放在科學能力上，犧牲飛越後快速返回資料的能力。我們堅持不懈地完善我們的提案，並使其經歷了無數次審查，以確保它在各個方面都完美無缺——從技術實施到科學團隊組成，再到管理計劃、教育和公眾宣傳、成本控制，甚至應急計劃。在2001年11月下旬，美國宇航局宣佈已選擇“新視野號”而不是我們所有的競爭對手。我們贏了！但我們幾乎不知道接下來會發生什麼。

為了趕上我們在2006年1月的預定發射視窗，我們必須在短短四年零兩個月內設計、建造和測試我們的探測器——而過去美國宇航局的任務，如“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”，則需要8到12年的時間。我們也將只有“旅行者”預算的20%。但是，正當我們準備應對這些挑戰時，在我們被選中不到三個月後，布什政府提議透過在2002年初發布的聯邦預算中將其排除在外，從而完全取消“新視野號”。此舉引發了國會和白宮之間曠日持久的資金爭奪戰，這場爭奪戰直到2002年夏天國家科學院將冥王星探索評為最高“十年調查”優先事項時才得到解決，這足以說服立法者該任務是值得的。然後，正當我們認為我們可能已經走出困境時，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的兩次為期數月的關閉危及了我們獲得足夠鈽來為我們探測器的核動力發電機提供燃料的能力。

美國宇航局和科學界的許多人並不認為“新視野號”團隊能夠經受住如此多的挫折。但我們真的夜以繼日、每週52周、連續四年地工作，以克服這些障礙。因此，我們按時到達發射臺，準備飛往冥王星。

計劃一次長距離一桿進洞

“新視野號”配備了在短暫飛越冥王星系統期間儘可能多地瞭解其所需的一切。 “新視野號”的業務端是其七種儀器的有效載荷。其中包括黑白和彩色相機、兩個光譜儀（將光線分離成各種波長以繪製大氣和表面成分圖），以及一個探測器，用於研究撞擊探測器的塵埃。船上還有兩個空間等離子體感測器，用於測量冥王星大氣層的逃逸速度和逃逸氣體的成分，以及一個無線電科學軟體包，能夠測量表面溫度並分析大氣溫度和壓力隨高度的變化。

與20世紀60年代和70年代建造的早期首次飛越任務（如雙胞胎“旅行者”號探測器）相比，這種儀器有效載荷為首次飛越一顆新行星帶來了比以往任何時候都更強大的科學火力，這主要是因為我們使用的是21世紀的技術。例如，“旅行者1號”表面成分繪圖光譜儀只有一個畫素，而“新視野號”上的成分繪圖儀有64000個畫素。這些能力的進步，再加上探測器的記憶體可以儲存比“旅行者”號磁帶記錄器多100倍的資料，意味著“新視野號”可以比以前的首次飛越任務更有效。

儘管我們的探測器在飛往冥王星的大部分時間裡都處於“休眠”狀態，但飛越計劃佔據了我們團隊在旅程中的大部分時間。為了實現其飛越目標，“新視野號”需要在從地球出發飛行9.5年後，在精確的九分鐘時間視窗內到達。它還需要飛過一個空間視窗，該視窗的尺寸僅為約35英里乘60英里。這聽起來可能像一個很大的目標，但從30億英里外發射擊中那個視窗，相當於從洛杉磯向紐約市擊打高爾夫球並一桿進洞。

我們還必須設計、測試和程式設計我們希望“新視野號”在整個為期六個月的飛越期間執行的每一項活動，飛越將從2015年1月中旬持續到7月中旬。這些活動包括我們的七種科學儀器對冥王星及其所有五顆衛星進行的400多次觀測；在接近過程中搜索可能危害“新視野號”的危險和碎片；搜尋新的衛星和環；觀測以三角測量冥王星的位置，以幫助我們瞄準它；發射我們的發動機以確保精確瞄準飛越；以及傳輸在接近過程中記錄的所有資料。我們還必須計劃不僅一次，而是三次冥王星飛越，每次都沿著單獨的軌跡，以防我們發現危險碎片並需要轉移探測器。最後，我們需要編寫車載智慧軟體來處理探測器或其儀器的150多種可能的故障，並且我們還必須建立任務控制程式來處理探測器軟體無法處理的數十種潛在故障。

一顆新行星

由於冥王星的體積小且軌道遙遠，在“新視野號”飛越之前，科學家對它知之甚少。即使是哈勃太空望遠鏡也幾乎無法分辨出它的圓面。基本上清楚的是，它的直徑約為1400英里，至少有五顆衛星，一個稀薄的大氣層，一個紅色的表面，其中包含甲烷、氮氣和一氧化碳的冰，以及極地冰蓋和其他大規模表面標記的證據。這些事實暗示它可能比我們外太陽系中大多數冰凍世界更令人感興趣和複雜。但“新視野號”揭示了一顆比大多數科學家預期的更為複雜、地質多樣化和活躍的行星。

在我們的發現中，我們發現冥王星的大氣層延伸到數百英里的高空，並且有數十個同心霧霾層，但幾乎沒有雲層。“新視野號”首次測量了冥王星表面的大氣壓，發現它只有11微巴——大約相當於地球中間層頂部的壓力，大約在太空邊緣上方50英里處。我們還發現，冥王星大氣層的逃逸速度比預期的慢500到1000倍，更類似於火星和地球上的逃逸速度，而不是飛越前模型預測的彗星狀逃逸速度。令人驚訝的是，我們發現冥王星的霧霾將其大氣層染成藍色，使其天空呈現出與地球明顯相似的顏色。

“新視野號”還揭示冥王星比大多數飛越前估計的要大，真實直徑為1476英里。這一測量結果明確地確立了冥王星作為柯伊伯帶中小行星中最大的一顆的地位。它更大的尺寸，加上冥王星已知的質量，降低了它的密度，這意味著雖然它仍然是一個主要由岩石組成的世界，外層是冰，但岩石成分更接近66%，而不是我們飛越前預期的70%以上。在冥王星剩餘的（非岩石）質量中，大部分是水冰，表面只有微量的更奇異的冰。基於飛越測量的冥王星的大小、質量和形狀的內部模型現在提供了有力的間接證據，表明冥王星隱藏著一個液態水海洋層，該層位於地下數百英里處，那裡的溫度和壓力達到水的熔點。

多年來，行星科學家一直在爭論冥王星的表面是否會包含陡峭的地形。答案取決於其頂層氮冰的厚度。這種冰構成了冥王星表面的大部分，它很脆弱，即使在冥王星的減弱重力下也會在其自身重量下坍塌，因此厚厚的一層冰會阻止高大的地質特徵形成。然而，當“新視野號”到達冥王星時，它的一些最早的高解析度影像顯示，山脈高達15000英尺，這表明冥王星的表面氮可能只是薄薄的一層覆蓋在我們後來確認為水冰地殼的東西之上。

“新視野號”還揭示了冥王星上令人驚歎的其他地質多樣性。我們看到了廣闊的冰川、綿延數百英里的斷層系統、由巨大的冰塊破碎造成的混亂和山脈地形、退縮的甲烷懸崖、一些山脈上的甲烷雪蓋，以及數千個直徑一到六英里寬的坑，據推測這些坑是由冥王星赤道平原上升華的氮冰形成的。

冥王星最大的冰川，一個名為斯普特尼克平原（以第一顆太空任務斯普特尼克命名）的氮冰特徵，覆蓋面積超過308000平方英里——大於得克薩斯州和俄克拉荷馬州的總和。太陽系中任何其他地方都沒有已知的類似特徵。此外，斯普特尼克平原顯然在地質上是活躍的，這可以透過其中的冰流以及指示熱源位於下方的圖案來揭示。我們還看到了明顯的跡象表明，它的冰正在透過來自周圍山脈的冰川或雪崩來補充，這些山脈聳立在其上方。

但冥王星的地質驚喜並沒有止步於此。透過計數其隕石坑，我們可以估計其地形形成的時間（表面越年輕，隕石坑積累的時間就越少）。在這樣做之後，我們發現行星表面存在廣泛的年齡範圍——從古老的、遭受嚴重撞擊的地面，年齡超過40億年，到中年區域，年齡為1億到10億年，再到斯普特尼克本身，它沒有可識別的隕石坑，並且必然小於——可能遠小於——3000萬年。這個年齡範圍是出乎意料的，因為科學家普遍預測冥王星相對較小的體積會使其在其歷史早期冷卻，從而失去形成新地表覆蓋物的能力。事實證明，傳統的智慧是錯誤的。冥王星今天仍然在地質上活躍，儘管為所有這些變化提供動力的能量來源尚不清楚。

然而還有更多。我們團隊的地質學家發現了甲烷冰塔，這些冰塔攀升到冥王星天空1000多英尺的高度，並在數百英里的範圍內形成有組織的系統。如果一個世界的所有這些還不夠，我們還觀察到似乎是大型冰火山，年齡僅為1億到3億年，這表明它們在冥王星的近期過去曾活動過。我們團隊中的一些人，包括我自己，看到了排水溝網路和一個冰凍湖泊的證據，這可能表明冥王星過去的大氣壓要高得多——甚至高於今天的火星——允許液體流動甚至聚集在表面。

簡而言之，冥王星令人驚歎的大氣和表面特徵讓科學界震驚，這表明小行星的複雜性可以與地球和火星相媲美。

探索冥王星的衛星

與冥王星本身一樣，在“新視野號”探索它們之前，冥王星的五顆衛星基本上是未知的。卡戎是這些世界中迄今為止最大的一個（直徑幾乎正好是冥王星的一半），由行星天文學家吉姆·克里斯蒂和羅伯特·哈靈頓於1978年使用地面望遠鏡發現。在“新視野號”之前，已知它覆蓋著惰性水冰，幾乎沒有大氣層，並且比冥王星的顏色和反射率都低得多。四顆較小的衛星——斯提克斯、尼克斯、科波洛斯和許德拉——分別由“新視野號”團隊的成員在2005年至2012年間使用哈勃太空望遠鏡發現。在冥王星飛越之前，科學家對它們知之甚少，除了它們的軌道特性，並且他們知道它們的顏色與卡戎一樣相對中性。即使是它們的大小也只是粗略估計。沒有任何望遠鏡能夠分辨出它們——它們只是繞冥王星執行的光點。

“新視野號”使我們能夠建立卡戎的詳細地質、顏色、成分和地形起伏圖，更靈敏地搜尋那裡的大氣層，測量其紫外線反射率，並精確確定其大小和形狀。探測器無法像靠近卡戎那樣靠近四顆小衛星中的任何一顆，因此我們能夠了解到的關於它們的資訊必然較少。但即便如此，“新視野號”也揭示了它們的大小、自轉週期和形狀，並製作了每顆衛星的粗略黑白地圖。在尼克斯和許德拉的情況下，“新視野號”還生成了彩色地圖、成分測量和表面年齡估計。

由於這些發現，我們現在對卡戎的基本瞭解可以與美國宇航局的“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”任務收集到的關於巨行星大型冰衛星的知識相媲美。卡戎根本沒有大氣層，也沒有表面揮發物，儘管我們確實在那裡發現了奇異的氨或銨冰露頭。根據隕石坑計數，它的表面看起來已經超過40億年，年齡變化不大，這意味著它的地質引擎在耗盡自身之前只運行了很短的時間。然而，在那短暫的時間裡，卡戎在其南半球創造了廣闊的冰淹平原、一條比大峽谷深五倍的巨大峽谷帶、山脈和一個紅色的北部“極地冰帽”，這與太陽系中其他任何特徵都不同。那個紅色極點似乎是由甲烷和氮氣組成的，這些氣體隨著時間的推移從冥王星的大氣層中逃逸出來，然後重新沉積在卡戎寒冷的極點上，在那裡，紫外線輻射將這些物質化學轉化為紅色烴副產品。卡戎的峽谷帶似乎是由於卡戎內部的水在其形成後冷卻時凍結和膨脹而產生的巨大應力造成的。

我們發現冥王星的四顆小衛星都與冥王星的反射率大致相同，大約是卡戎反射率的兩倍；當它們的表面似乎與卡戎的材料相同時，它們為何如此具有反射性仍然是一個謎。它們都不夠大，無法保留大氣層。儘管它們各自都有一些隕石坑，這些隕石坑很可能在隕石坑中的物質被噴射出來形成時，在冥王星周圍形成了臨時的環，但我們發現今天冥王星周圍沒有這樣的環。

尼克斯和許德拉的軌道表明，它們的形成是冥王星上導致卡戎形成的同一次大規模撞擊的結果。我們繪製的這些衛星地圖具有足夠的解析度來發現各種隕石坑。對這些隕石坑的年代測定表明，它們的表面大約有40億年的歷史——與卡戎相同。這一發現證明，形成它們的撞擊發生在太陽系歷史的早期，不可能是為冥王星當前地質活動提供動力的當前能量來源。我們還了解到，冥王星所有四顆小衛星的自轉週期都比它們的軌道週期快——這是一個令人驚訝的結果，表明它們都沒有像巨行星的衛星那樣，穩定地進入如此常見的自旋和軌道的潮汐平衡狀態。某些東西，可能是冥王星和卡戎雙星系統相互繞軌道執行的引力牽引，正在影響它們的自轉。

儘管“新視野號”現在已經將來自其飛越冥王星系統的資料全部傳輸回地球，但我們仍然幾乎沒有檢查其測量的許多方面。我預計，隨著我們的科學團隊和其他人開始消化這組令人難以置信的資料集，關於冥王星的表面、內部、起源和大氣層，以及關於其衛星的更多科學發現將會出現，這將是一個多年的過程。

下一步：柯伊伯帶

“新視野號”對冥王星系統的探索已經完成，但探測器的任務仍在繼續。 2016年，美國宇航局批准了一項為期五年的延期，持續到2021年中，在此期間，探測器將進一步探索柯伊伯帶——柯伊伯帶是小天體和小行星的延伸環，它在海王星之外的遙遠軌道上繞太陽執行。這次探索的亮點將是2019年1月1日近距離飛越小柯伊伯帶天體（KBO）2014 MU₆₉。這顆古老的、紅色的岩石，在遠離太陽的宇宙深冷中儲存了超過40億年，將是迄今為止探索過的太陽系形成過程中最原始的殘留物。它只有大約19英里寬，但它可能擁有自己的衛星，並且據信是冥王星和柯伊伯帶中其他小天體形成的典型組成部分。

當“新視野號”距離太陽的距離約為地球距離的44倍時，它將遇到MU₆₉。探測器將使用其全套儀器在飛越期間研究該天體的成分和地質。它將尋找活動和大氣的證據，搜尋衛星和環，並測量其溫度。

除了近距離飛越MU₆₉之外，“新視野號”還將在2016年至2021年間從近距離研究至少二十幾個柯伊伯帶天體。這些觀測將使我們能夠將我們的MU₆₉結果置於背景中，並搜尋這些天體的衛星，研究它們的表面特性並確定它們的形狀。“新視野號”還將測量柯伊伯帶遙遠區域的空間環境特性——研究太陽影響範圍這個遙遠區域的氦氣、太陽風和帶電粒子。我們還將追蹤柯伊伯帶中塵埃的密度，直到地球-太陽距離的50倍，剛好超過冥王星橢圓軌道的極端範圍。

在2021年之後，我們樂觀地認為美國宇航局將選擇進一步延長“新視野號”的任務。探測器狀況良好，並且擁有繼續執行並與地球通訊到2030年代中期或更長時間的燃料和電力。在那段時間裡，“新視野號”可以研究更多的柯伊伯帶天體，甚至可能能夠再次近距離飛越其中一個。

未來的視野

在經歷了坎坷的開發時期和穿越太陽系的漫長飛行後，“新視野號”完成了對太空時代曙光時期已知最後一顆行星的探測，併成為首個探索柯伊伯帶小天體的任務。

在我們計劃和執行任務的15年裡，我一直挑戰我們的科學團隊，要求他們運用在探索其他行星中獲得的所有視角和知識來預測我們將在冥王星上發現什麼。事實證明，大自然讓我們感到驚訝，揭示了一顆比我們預期的更加多樣化和活躍的行星。

事實上，冥王星非常複雜和充滿活力，以至於我們“新視野號”上的許多人，以及科學界的更多人，都希望看到另一個任務被派往那裡，從軌道上進一步探索它及其衛星。我們還希望看到更多像“新視野號”這樣的飛越偵察任務探索柯伊伯帶的更多天體，以研究它們的多樣性，就像探測器對內行星和巨行星所做的那樣。我們希望這項任務的巨大成功不是結束，而是探索柯伊伯帶行星和較小天體的開始。