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"新地平线"号临近冥王星 有望对其进行精确探测

http://www.kexue.com 2013-08-19 16:31:12 网易探索  发表评论


“新地平线”号有望帮助人类首次精确测定冥王星

  飞行了10年并穿越50多亿公里后,美国宇航局(NASA)的“新地平线号”探测器将会掠过冥王星。

  天文学家望远镜中的冥王星再不会是一只模糊的光球,展现在大家眼前的将是一个精致详细的世界。冥王星的狂热爱好者近日聚集在一起,预测了2015年7月14日与该星球的邂逅。新地平线项目的主要研究者、美国科罗拉多州西南研究所(SwRI)的Alan Stern将这称为“太阳系探索的里程碑”。

  《科学》杂志8月16日报道称,这将是划时代的,因为人们对那个世界所知甚少。作为一颗冰雪矮行星,冥王星是漫游在太阳系外数十亿冰球的原型。哈勃太空望远镜显示它仅仅是有着一个特大号卫星的污迹斑斑的星球,冥卫一和其他几颗小卫星围绕着其运行。

  从距冥王星表面仅12500公里的上空飞过会发现什么?也许会发现冥王星内部的热源可能为冰火山提供了燃料,尽管这里的表面温度仅在绝对零度以上40度;或许冥王星从地质学角度看来毫无生气的外表会令人感到失望;或者悲剧的是,一块微小的冰块将毁掉新地平线号探测器,结束探测任务。“我们期待着惊喜。”得克萨斯州月球和行星协会行星地质学家Paul Schenk在会上说,“我们将为之着迷,我们也将感到迷惑。”

  双面星

  那些曾大胆预言新地平线号探测器将在冥王星表面有所发现的科学家将面临着严酷的选择:冥王星是否保留着地质学奇观,就像旅行者2号于1989年在海卫一上发现的那样?或者它有一个古老的、满是火山口的表面,就跟旅行者1号和2号在木卫四探测到的一样?

  这些问题都取决于在冥王星形成时期,其内部产生和保存的热能有多少。海卫一与冥王星有许多相似之处,它们有相似的大小和成分,而海王星只是偶然间捕获了海卫一,进而使其进入轨道成为一颗行星。

  据旅行者2号近飞探测图像判断,海卫一也有丰富的内部热能,或许其岩石核心储存的放射性元素为这些内部热能添加了燃料。在过去的数千万年里,只有一个内部热源将促使冰火山岩浆到达地表,形成广阔的平滑表面,这些岩浆填平了其路径上的大部分撞击坑。同时,高温还能驱动固体地壳冰的缓慢搅拌,从而产生海卫一斑驳的“哈密瓜”地形。

  确实,从地质学角度看,海卫一仿佛是精力充沛的,很多研究人员相信它或许有一个仍具流动性水体的海洋深藏在冰层外壳下方。而哪里有水,哪里就可能有生命。

  而木卫四则完全是另外一回事。除了大小和成分与海卫一不同,它也从未被加热到如此程度。科学家尚不确定原因,但是这里甚至没有足够的温度将其岩石和冰分开,形成岩心。旅行者探测器发现,其表面几乎每平方公里都伤痕累累,已经累积了数十亿年。没有人猜测木卫四内部会存在海洋。

  在会上,SwRI行星地质学家John Spencer表示,如果冥王星是非常多坑的,他将“十分惊讶”。因为冥王星与海卫一在尺寸和成分上相似,也可能存在内部热源,有能力驱动地质活动。

  加州大学圣克鲁兹分校行星地球物理学家Francis Nimmo预测:“假如冥王星表面毫无生气,我将一点也不惊讶。”现在,他认为与海卫一进行类比的方法是有缺陷的。

  越来越红

  尽管从地质学上看,冥王星死气沉沉,但它的大气层却不是这样。SwRI的Marc Buie表示,冥王星“确实在改变颜色,变得更红”。并且Buie发现,发生在2000年至2002年间的颜色变化,涉及到一种人们在地球上看不到的冥王星气象学。

  冥王星的大气压是地球大气压的1/100000,它实际上是冥王星的地壳“岩石”升华到接近真空的一种状态。其表面是冻结的分子态氮,并有甲烷和一氧化碳的痕迹。最近几年中,冥王星北半球已经逐步转向太阳,日渐温暖的夏季可能会融化冬季储存的甲烷或氮的冰霜,那将使氮冰下的微红泥土暴露出来。

  新地平线号探测器将揭露霜冻分布规律的细节,这将帮助解释近来的变红现象。霜冻的变化模式也有助于解释冥王星的双面印痕:一个像烟灰般黑的近赤道物质斑点,以及一个亮如白雪的斑点。Buie相信他能够看到。

  从某种意义上说,摄像机还可能窥探冥王星的内部。精确测量其重力场的形状可能是探索其内部本质的最好方式。新地平线号探测器将不会靠得足够近,但是相机将测量冥王星的形状和尺寸。一个明确的尺寸将能确定它的密度—这是冥王星总成分的关键指标。

  一个精确的形状还将帮助发掘冥王星加热和冷却的历史。一颗扁圆的冥王星可能标志着它仍保存着足够的热度以维持液体存在其中,从而形成一个内部海洋。或者更极端的扁圆程度可能说明在冥王星旋转速度更快时,一个早期海洋曾被从上至下冻结,并在这颗矮行星上留下了痕迹。

  新地平线项目团队成员期盼的不仅是测量冥王星的形状,还有它的“尾巴”。它起源于行星形成的冻结残骸,这连同它的岩石和冰成分共同显示,冥王星本质上是一颗非常大的彗星。太阳风磁场和带电粒子(主要是质子)每秒大约吹散140公斤的冥王星大气氮,可假定成为了一条彗星状尾巴,科罗拉多大学太空物理学家Frances Bagenal提到,但是“我们完全不知道这看上去像什么”。

  冥王星外部—太阳到地球距离30倍的地方,太阳风包裹的磁场十分无力,Bagenal说,带电的氮能够自由遨游。这将使冥王星成为一个特殊的空间物理体系,且从未在其他彗星上看到过,这也是新地平线号探测器上的两台设备将要探索的一个领域。“它是一个扭动物理学门把手的有趣方式。”她说,不可能在任何实验室中完成。

  危险尘埃

  然而因一次撞击而脱离冥王星卫星的一颗毫米级的冰粒尘埃,将可能终止一切科学成果。但是新地平线项目的设计者们是乐观的,他们相信这架探测器将在冥王星附近幸存下来。

  天文学家使用哈勃太空望远镜虽然未能发现任何危险尘埃,但是他们可能会漏掉罕见却致命的微粒。之后,计算显示,冥卫一能够迅速收拾干净混入其轨道的所有粒子,因此设计者决定从冥卫一的轨道送探测器穿越冥王星系统。项目科学家、应用物理实验室的Hal Weaver在会议上表示,其团队现在“很有信心,我们(的探测器)将很安全”。他还用数字表明了信心:任务失败的几率少于0.3%。

  假设新地平线号探测器能从冥王星旅行中幸存下来,它还将穿过柯伊伯带中心。 柯伊伯带中包含数千颗类似冥王星及更小的星体。

  如果有后续投资,在接下来的十年中,探测器将远距离观测其中一些星体。该项目团队已经发现了31个候选天体,它们或许足够接近当前的轨道,从而使小型推进器能够将探测器推至与其中1~2颗近距离接触。

  总而言之,对于Buie而言,冥王星的形象正在逐渐塑造起来。当他在1984年的论文中谈及这颗星体时,他说:“我知道将会有很好的机会,一瞥教科书背后的东西,并找到答案。”现在机遇来了。

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