冥王星地下黨和新視野號的故事

出品：科普中國

製作：中國科學院國家天文臺 鄭永春

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

「如果『新視野號』是只貓，它可能已經死了。」「因為據說貓也只有九條命。」 ——新視野號首席科學家斯特恩

飛掠成功，歡呼雀躍

2015年7月14日，新視野號探測器首次成功飛掠冥王星，發回了這顆星球有史以來最清晰的照片。這一成就來之不易，一些人甚至為之付出了一生的努力。神秘的冥王星到底有何魅力，是什麼在吸引他們十年如一日，如此孜孜不倦地追求？

約翰·霍普金斯大學是全美乃至全球知名的研究型大學，成立於1942年的應用物理實驗室（簡稱APL）是美國國防部和國家航空航天局（NASA）的主要合作商之一，負責哈勃空間望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的運行與運營。為表彰應用物理實驗室在太空探索中的卓越貢獻，國際天文聯合會把132524號小行星命名為APL。

2015年7月14日晚上20:52，應用物理實驗室控制中心門庭若市，這一刻是新視野號發射以來最為期待的時刻。為了讓新視野號電力充沛，集中精力開展科學探測，控制中心已連續21個小時沒有與它進行通信聯繫了。

房間內，一位金髮女性的辦公桌上特別醒目地放了一個小熊吉祥物，顯得與眾不同，她就是新視野號的任務運行經理愛麗絲·鮑曼，也是NASA歷史上首位女性任務運行經理。這隻小熊代表著遙遠的新視野號，此刻它正頭戴禮帽，舉著國旗，端坐在顯示屏旁。

當愛麗絲·鮑曼向新視野號任務的首席科學家艾倫·斯特恩報告：「遙測數據接收成功，探測器運行正常」時，房間內一下子歡呼雀躍，大家熱烈鼓掌，相互握手致意，擁抱在一起。外表斯文的斯特恩高舉雙臂，激動地跳了起來，他一把抓起小熊手中的國旗，向眾人揮舞。

尋找未知行星

新視野號任務的緣起，要追溯到86年前。

1929年，22歲的農村青年克萊德·湯博幸運地獲得了羅威爾天文臺觀測助理的職位。中學畢業後一直在家務農的湯博痴迷於天文學，利用家中多餘的農具零件加工成望遠鏡，觀測並繪製了火星和木星的圖片。

作為觀測助理，湯博的主要職責是協助職業天文學家開展觀測，尋找那顆影響海王星運行軌道的未知行星，羅威爾天文臺創始人帕西瓦爾·羅威爾曾窮其一生去尋找這顆行星。湯博尋找行星的方法是當時最普遍的方法——閃視比較法，他在不同的夜晚拍攝各個天區的星空，然後將不同夜晚拍攝的同一天區照片進行快速切換，從固定不變的恆星背景中發現那些移動了位置的物體。

憑著認真細心和堅忍不拔的品質，1930年2月18日，湯博終於從當年1月份拍攝的照片底片中發現了一顆極為暗淡的移動天體。這顆移動天體後來被證實是一顆新行星，根據11歲英國小女孩的提議，這顆新行星被命名為冥王星——「普魯託」（Pluto），即羅馬神話中掌管冥界的地府之神。這個重要發現，將太陽系的邊界從海王星擴展到了冥王星軌道。自1846年發現海王星以來，人類已經整整84年沒有發現過新行星了。

自首次發現並被視為行星以來，冥王星在九大行星中一直爭議不斷。冥王星既不屬於類地行星，也不屬於類木行星，而是一顆冰態行星，表面平均溫度低至零下228℃，沉浸在遠離太陽的黑暗天空中。因此，冥王星一直被認為是太陽系的「孤兒」，在空曠、寒冷、黑暗的太陽系邊緣靜靜地運行。

柯依伯帶——太陽系「新大陸」

事情的轉機源於一些科學家認為，冥王星所在的太陽系空間不應該是如此空曠，即冥王星應該有它的夥伴。

地球上不時可以觀測到的彗星和小行星都是太陽系中行星形成之後的殘留物。

我們知道，彗星每次經過太陽附近時都會被加熱而喪失一部分質量，由於太陽系形成至今已有46億年，若沒有彗星倉庫不斷補充新的彗星，現在的人類不可能再觀測到彗星。由此，荷蘭裔的美國天文學家傑拉德·柯伊伯1951年提出，在冥王星以遠存在一個由大量天體組成的天體盤，由於天體之間的引力擾動，導致一些彗星被驅逐出天體盤而飛臨太陽附近，不時光臨地球的短周期彗星即來源於此地，這個天體盤後來被命名為「柯伊伯帶」。

由於柯依伯帶遠離地球，太陽輻射十分微弱，沉浸在黑暗中的這些小天體很難觀測。直到20世紀90年代，「柯伊伯帶」還只停留在推測階段，缺乏實際觀測證據的支持。

1992年，越南裔美國天文學家劉麗杏與她的導師大衛•朱維特，利用並不先進的夏威夷大學毛納基山天文臺的88英寸望遠鏡，歷經5年的努力，終於在1992年發現了第一個冥王星的小夥伴，臨時編號為「1992 QB1」的15760號小行星。

柯依伯帶的大門一經打開就再也無法關閉。隨後，天文學家在柯伊伯帶發現了越來越多的小天體。至2006年新視野號探測器發射前，人類已經發現了1000多顆柯伊伯帶天體，而該區域的天體總數可能超過10萬顆。

柯伊伯帶的發現，使科學家們不得不對傳統的太陽系形成理論進行修正。根據計算機數值模擬的結果，柯伊伯帶天體是太陽系形成初期的原始冰凍天體殘留至今的，曾經它們應該在更靠近太陽的位置，由於海王星的運行軌道向太陽遷移，為了維持角動量的平衡，柯伊伯帶天體被趕向遠離太陽的軌道。以冥王星為首的柯依伯帶天體，被冰封在遠離太陽的天體盤內，組成了類地行星和類木行星之外的太陽系「第三區」。

作為柯伊伯帶已知的最大天體，冥王星幫助人類打開了這片太陽系新大陸的大門。「太陽系中的這一區域存在諸多謎團。」新視野號首席科學家艾倫·斯特恩指出：「探索冥王星和柯伊伯帶就像是在太陽系新大陸進行的考古發掘工作，可以窺探到太陽系行星形成時的最初狀態。」

冥王星「地下黨」

1989年5月5日，還在科羅拉多大學攻讀博士學位的斯特恩，見到了時任NASA行星探索部主管的傑夫·布裡格斯。

斯特恩問，為什麼美國沒有探索冥王星的任務？

布裡格斯回答，因為從來沒有科學家提出想去探索冥王星。

確實，儘管那時離人類發現冥王星已過去約70年，但由於冥王星遠離地球，探測難度巨大，加之科學家普遍認為探索冥王星對研究地球和行星的形成缺乏借鑑意義。因此，在斯特恩之前還真的沒有人提出要去探索冥王星的建議。

於是，這一難得的機會留給了當時年輕的博士生斯特恩。

1989年8月25日，旅行者2號探測器飛越海王星，傳回了海王星和海衛一的清晰照片。此時，旅行者2號調查太陽系的主要任務已經完成，本來可以調轉飛行方向，順便探訪冥王星。但當時參與旅行者2號項目的科學家們對這顆懸蕩在外太陽系的孤獨天體實在沒有興趣，所以旅行者2號失去了創造第一的機會，繼續飛往太陽系深處。

NASA主管的回答無疑激勵了斯特恩。當然，斯特恩也並非心血來潮，「我從小就對這些感興趣。」在《冥王星之年》的紀錄片中，他回憶說，他一直沉浸在這一興趣中。在崇尚探索和冒險的美國年輕人中，斯特恩不是唯一對冥王星感興趣的人。很快，一群對未知世界充滿好奇、熱衷於探索宇宙的年輕人開始聚集在一起，自發組成研究小組，經常在一起探討探索冥王星的可行性。這一小組後來被人們戲稱為冥王星「地下黨」。

「冥王星就在那兒，這是驅使我的最大動力。」 冥王星「地下黨」元老級成員馬克·布伊（MarcBuie）在《冥王星之年》中說：「因為我們對它實在了解得太少了。」20世紀90年代航天技術的快速發展，讓年輕人開始思考哪裡是太陽系探索的極限。這一問題的答案也呼之欲出，那就是唯一未被太空飛行器探測過的行星，太陽系最遙遠的行星——冥王星。

申請立項，困難重重

1985年至1990年冥王星與冥衛一（卡戎）出現行星互掩，即兩者交替從對方前面經過。利用行星互掩過程中的光度變化，冥王星「地下黨」和其他天文學家合作繪製了第一張冥王星圖像。圖像顯示，冥王星表面的不同區域具有顯著差異，是太陽系中表面對比度最大的天體之一。此後，「冥王星地下黨」成員也藉助哈勃太空望遠鏡，第一次用直接成像法觀測了冥王星表面。

這些努力顯然有助於推動冥王星探索任務的立項。20世紀90年代末， NASA曾制定了一項名為「冥王星-柯伊伯快車」的探測計劃，原計劃2004年12月18日發射，主要探測冥王星、卡戎及其他柯伊伯帶天體。但由於研製經費超支，NASA宣布取消該計劃。

消息公布後遭到了包括冥王星「地下黨」在內的眾多天文學家強烈抗議，他們四處遊說，希望再次啟動冥王星探測計劃。美國行星學會甚至發起了「拯救冥王星計劃」。2000年12月20日，NASA宣布重新論證冥王星計劃。

冥王星「地下黨」自然不能錯過這個百年一遇的機會，斯特恩所在的美國西南研究院團隊開始了積極的申請籌備工作。他們的競爭對手共有4家，其中包括大名鼎鼎的、已經成功探索過除冥王星外所有太陽系行星的噴氣推進實驗室（JPL）。

為了實現超遠距離的測控通信，傳統的太空飛行器測距方法是由地面控制中心發射信號，太空飛行器接收信號後再回傳至控制中心。但由於冥王星距離遙遠，這種方法回收到的信號微弱，且容易受到環境幹擾。斯特恩團隊設計出了新型信號接收裝置，增加了「降噪」功能，使遙遠距離回傳的測距信號依然保持清晰。

為保證冥王星探索的科研產出，又不突破預算限制，斯特恩為首的設計團隊只設計了三大基本科學目標：拍攝冥王星和卡戎的表面形貌；探測冥王星和卡戎的表面物質成分；測量冥王星大氣的逃逸速率。此外，他們還計劃探測冥王星附近的高能粒子、磁場、電離層、太陽風等環形特性。

但即便如此，第一輪設計的成本核算依然遠超NASA所能提供的經費額度。縮減經費成為設計團隊的核心任務。縮小太空飛行器尺寸，縮減科研內容，優化各項設備，設計團隊甚至考慮過不採用美國的火箭發射，而採用價格便宜的俄羅斯火箭進行發射。但不管怎樣，經費依然超支嚴重。斯特恩走投無路之際，噴氣推進實驗室（JPL）的死對頭、競爭對手——應用物理實驗室（APL）主動聯繫斯特恩，希望與他聯手共同擊敗JPL。應用物理實驗室的加盟，使項目運行的最終成本被壓縮到7億美元。

研製過程，一波三折

斯特恩等好不容易滿足了NASA的要求，卻遇到了NASA也無能為力的事情。2001年2月6日，剛剛上臺1個月的布希政府公布了新一屆政府的預算支出報告，新報告宣布取消冥王星探索任務，而此時離NASA要求提交探索冥王星任務申請書的截止時間僅有40多天。

生死存亡關頭，眼看多年努力的心血即將付諸流水。應用物理實驗室和噴氣推進實驗室也放下多年恩怨，一起動員各方力量，共同遊說國會議員，告訴他們探索冥王星的重要意義。經過努力，國會通知NASA：保留探索冥王星的任務。

2001年4月6日NASA宣布，斯特恩領導的新視野號團隊將與JPL領導的冥王星團隊進行最終角逐，將於當年9月18日舉行最終評審。正當雙方信心滿滿，準備上場答辯的時候，又一個意外發生了，發生在9月11日的「911」恐怖襲擊打亂了整個美國的節奏，應用物理實驗室與噴氣推進實驗室的決戰日期被延至10月19日。11月29日，NASA宣布新視野號團隊的探測方案獲得勝出。

但三個月後，還沉浸在喜悅中的新視野號團隊就接到了另一個不幸的消息，2002年1月，布希政府再次宣布取消探索冥王星的計劃。

這一次，新視野號團隊建立了一個專門網站，用英語、法語等8國語言，請求全球民眾支持他們的冥王星探索計劃，最終他們收集到1萬多個來自全球各地的籤名。負責評價太陽系探索任務在科學上的優先程度的美國國家科學院，這一次也打破沉默，集體決定將探索冥王星及其所在的柯伊伯帶，列為美國需要最優先開展的太陽系探索任務之一。

2003年2月，布希政府終於正式批准新視野號任務。而此時距離探測器發射升空的最佳時間，只有不到3年的時間了。

原以為此後的研製工作可以按部就班進行，但2004年底的一場變故，差點讓新視野號胎死腹中。

在遠離太陽的深空，太陽輻射非常微弱，新視野號探測器無法像月球和火星探測器那樣採用太陽能電池來供電，因此探測器將搭載一個小型核反應堆——同位素溫差電池，利用放射性元素鈽238衰變過程釋放的熱量，來為探測器上的各種電子設備供電。

根據設計方案，新視野號探測器共需要10.9千克富含鈽238的二氧化鈽，釋放的能量相當於一對100瓦燈泡。但在任務研製的緊要關頭，設計團隊突然接到通知，二氧化鈽庫存不足，無法滿足探測器所需。後經多輪緊急協商與公關，NASA終於同意從其他項目的鈽238儲備中挪用一部分給新視野號。

核原料雖然解決了，新的問題又接踵而至。

由於擔心太空遭受核汙染，在新視野號發射前夕，曾有數十名抗議者自發組織起來進行抗議。為此，新視野號團隊舉行數次發布會，告訴民眾，核燃料被封裝在特製的球形防火陶瓷罐中，這種陶瓷有抗分解能力，不會與其他物質發生化學反應。外面包裹的密封箱完全能經受住墜地撞擊或空中爆炸的衝擊，發生意外災難的機率很小，即使發生意外，核燃料外洩的可能也微乎其微。

即使為了應對這微乎其微的可能風險，NASA和美國能源部也做了詳細的預案，並組建了16個移動跟蹤小組，部署了33個空氣取樣裝置和監控器，以檢測可能的核輻射。通過應用物理實驗室與政府部門的共同努力，探測器上的核反應堆最終得以通過。

為了讓探測器在2015年抵達冥王星，需要用到行星借力飛行技術。為實現木星借力，新視野號的發射時機是非常有限的，發射時間需控制在2006年1月11日至27日之間。若晚於1月27日，向木星「借力」的效果將大幅減弱。如果1月29日發射，則新視野號將於2016年6月12日才能抵達冥王星；若2月2日之後發射，新視野號將無法再從木星「借力」，飛抵冥王星的時間將長達12年。

儘管狀況不斷，新視野號卻總能化險為夷。

2005年9月，新視野號終於進入位於佛羅裡達州卡納維拉爾角的甘迺迪航天中心進行最後的裝配和調試，發射時間確定為美國東部時間2006年1月17日13時24分。

但由於地面突然颳起強風，錯過了第一個發射機會；第二個發射機會來臨時，負責探測器地面操作的應用物理實驗室控制中心突然停電。在兩度被推遲發射之後，直到1月19日14時第三個發射機會到來時，斯特恩和他的「冥王星地下黨」們終於目送新視野號飛出地球。

冥王降級，星光黯淡

新視野號發射僅8個月後，任務團隊又突遭變故。2006年8月24日，國際天文聯合會第26屆大會通過第5號決議，修改了行星的定義，冥王星被踢出「九大行星」行列，降級為「矮行星」。

當新視野號發射時，它的使命是探訪太陽系最後一顆未被探測的行星，肩負著NASA實現探索所有太陽系行星的夢想。而如今，雖然探測目標沒有變化，但探測對象卻從位居九大行星之尊的冥王星，變成了編號為134340的小行星，地位一落千丈。

首席科學家斯特恩必須對此表明自己的態度。

正如2010年2月18日他在接受太空科學網站Earthsky採訪時表示，他從小學到的就是太陽系有九大行星，現在發現的許多和冥王星一樣的天體，它們都繞著太陽轉，都是球體，天文學家應該將這些天體都納入行星隊伍，而不是簡單地減少行星數量。他說：「這些天體有內核、有大氣層、有四季變化、有極地冰冠、有衛星，除了質量大小之外，我看不出它們與IAU認可的行星有什麼區別。」斯特恩打了個形象的比方：「吉娃娃再小，它也是條狗。」

天文學家自然有他們的理由，他們認為：行星應該是繞恆星運轉，質量足夠大使之成球體，而不是衛星的天體，必須具有清除軌道區域內大小相當天體的能力。冥王星雖然滿足了其他所有條件，但它的質量僅佔其軌道上所有其他天體質量之和的7%，顯然說明它清空軌道的能力有限，因而不能稱為行星。

稍稍安慰的是，天文學家為冥王星等5顆此類天體新設了一個分類——矮行星，這讓冥王星保留了一點面子。

十年追「星」，漫漫徵途

在新視野號飛赴冥王星的十年漫漫追星途中，不可避免地會出現故障。因此，雖然新視野號可供搭載的重量資源十分有限，但在設計探測器時，工程師們仍然給探測器上的所有設備都至少準備了一套備份。

發射後的第13個月，新視野號抵達木星軌道，被木星引力加速「甩」向冥王星。在此過程中，新視野號對木星及其伽利略衛星進行了成像探測，除了探測木星系統外，也是為了檢驗探測器上各項指令和設備狀態。

在這之後的大部分時間內，新視野號上的大部分設備被關閉，探測器處於「休眠」狀態。每周，探測器定時向應用物理實驗室的地面控制中心發送一個「平安」信號，告知它還活著。每年，探測器會「甦醒」50天進行「年度體檢」。這麼做的目的，一方面節省了探測器上的能源消耗，更重要的是，使得地面控制中心不需要養著大量專業人員，以長期監視和維護新視野號的運行，大大降低了任務運營開支。

新視野號任務運行經理用一隻喜愛冬眠的棕黑色泰迪熊玩具代表探測器，端坐在她的辦公桌上。這只可愛的泰迪熊陪伴著任務團隊度過了無數個孤獨的夜晚。當探測器處於「休眠」狀態時，泰迪熊會戴上睡帽，蓋上被子，表示它正在睡覺；當探測器「甦醒」時，它會戴上聚會帽，等待任務團隊的其他成員來參加聚會。

在飛離地球7年半後，2013年7月5日，新視野號被喚醒，任務團隊開啟了探測器上所有的儀器設備，完整地演練了飛越冥王星時的探索任務，這是最後一次檢查探測器健康狀況、修正錯誤的機會。為期9天的任務預演進展順利，沒有發現問題。2014年12月6日，探測器正式結束「休眠」；2015年1月15日，距離地球48億公裡的探測器進入工作狀態。

從1989年首次提出設想，到2003年獲得批准，再到2006年發射升空，歷經十年漫漫追星途，新視野號探測器終於在2015年7月14日飛越冥王星，而它的探索使命將延續至15年，至2030年左右。

據統計，在太陽系探索領域，足夠幸運的科學家一生中至多能夠參與2.5個探索項目。從斯特恩首次提出探測冥王星的設想開始，已經過去了整整26年。新視野號任務幾乎耗去了他們所有的科學生命，任務團隊中的一些人甚至只經歷了新視野號的播種階段，而沒能等來這收穫的一刻。

在團隊中，擔任首席科學家的斯特恩被稱為冥王星先生。這個中等身材、身體強壯的中年人對探索冥王星擁有異乎尋常的熱情，意志特別堅定，他的激情鼓舞著團隊中的每個人。團隊元老林斯科特說：「我們聚集在這裡，就是因為我們懷著共同的探索冥王星的夢想。」團隊元老馬克·布伊說：「我只能說，這26年，是一段漫長卻十分充實的旅途。」團隊成員申克說：「對我們來說，這是今生唯一的機會。」

強大而純潔的夢想、出類拔萃的才華、堅忍不拔的意志，終於成就了人類歷史上首次探索冥王星的壯舉。冥王星從原本只有望遠鏡中才能觀測到的非常暗淡的小圓點，搖身一變成為具有愛心和活力的「萌王星」，從與我們日常生活毫不相干的、遙遠的外太陽系天體，成為了我們生活樂趣的一部分。這就是太陽系探索的魅力所在，面對一個完全未知的世界，一切都是新發現，極大地滿足了人類好奇和探索的天性。

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本文來源：網易科技報導 責任編輯：王真_NT5228