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千古“奇观”:探索太阳系边疆

时间:2015年07月15日 信息来源:科技日报 点击: 【字体:

飞了9年半时间、48亿公里,美国研制的“新视野”(New Horizons, 又译“新地平线”)号探测器,在北京时间14日晚间,从位于太阳系边缘的冥王星身边掠过,最近时相距1.25万公里。

航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩叹道。“新视野”的主要任务是探测冥王星及其卫星卡戎,此后还将飞向柯伊伯带(Kuiper Belt),寻找太阳系起源和地球生命起源的线索。

几经周折赶上“末班车”

冥王星与地球的距离较太阳系其他行星更远,以前一直没有探测器走近过它。上世纪90年代末,NASA(美国航空航天局)曾制定名为“冥王星—柯伊伯快车”的计划,但因经费超支等原因被勒令下马。

几经周折,美国得克萨斯州西南研究院和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室提出的“新视野”计划获得批准。这项计划实际耗资7亿美元,但能发回比柯伊伯快车计划多10倍的观测数据。

然而该计划的实施,却面临苛刻的要求。庞之浩介绍,2004年至2006年是发射冥王星探测器的最佳时间,其间发射,探测器能借助木星引力更快地飞向冥王星,大大节省燃料、缩短飞行时间,探测冥王星上没有冻结的大气。如果错过此次“助推”,下次木星的理想位置要到2018年才出现。但那时冥王星离太阳更远,其大气层已经冻结,无法了解到大气层的详细状态,再次大气解冻则要等到23世纪。

同时,冥王星及其卫星表面有阴影区,离太阳越远,阴影区就越大,这会对绘制完整的冥王星及其卫星地图造成困难。此外冥王星和卡戎上的极夜也会妨碍探测器的拍摄和探测。

为此,科学家争分夺秒地研制“新视野”探测器,2006年1月19日,它终于升空,赶上了“末班车”。“这是人类有史以来速度最快的飞行器。”庞之浩说,它以5.8万多公里的时速,只用了9小时就飞过月球,而当年美国“阿波罗”飞船抵达月球则用了3天时间。接下来,“新视野”用13个月飞到木星,借助木星的引力将速度提升至每小时7.5万公里,向冥王星飞去。

最后阶段曾失联

飞越木星以后,“新视野”携带的绝大部分仪器处于休眠状态,以节约电力、延缓设备老化并降低运营开支。

庞之浩说,该探测器每年仅被唤醒一次,每次大约50天左右,进行设备检测和轨道跟踪。剩下的时间,它处于慢自旋状态,每周发回一次信标信号,报告自己是否正常。

2014年12月7日,“新视野”又一次结束了休眠,这时它距离冥王星还有2.6亿公里,这次唤醒标志着探索冥王星及其卫星的活动正式开始。此后它一直保持“清醒”状态,快速向冥王星靠近。

庞之浩介绍,“新视野”对冥王星的探测共分为三个阶段。

从今年1月15日起,它陆续启动尘埃计数器等设备,十天后开始用远程勘测成像仪从远处对冥王星拍照,不断增强对冥王星的了解,并帮助自己导航,确定冥王星的具体方位。接下来的几个月,它拍摄了数百张冥王星图像,尽管这些图像都只是小亮点,却对科学家们设定适当的轨道修正参数提供了帮助。此外它还执行了一系列重要的科学操作,其搭载的科学载荷连续采集了行星际空间的环境数据,包括测量从太阳发出的高能粒子流、柯伊伯带内侧空间弥漫的尘埃颗粒性质等。

4月起,“新视野”的重点不再是导航,而开始集中精力“搞科研”。它对冥王星的观测工作大大加强,5月中旬以后,其搭载的相机和光谱仪获得质量和分辨率空前清晰的冥王星图像,并拍到分辨率达1千米的冥王星表面图像,从而可以用于对冥王星及其卫星进行精确度前所未有的全球地图测绘。此前所获得的冥王星图像最高分辨率为500千米左右,由“哈勃”空间望远镜拍摄。

6月下旬,“新视野”进入最后冲刺阶段。7月1日,它进行了最后一次目标定位,微调飞往冥王星路线,以探测冥王星表面冰冻甲烷。

不幸的是,4日“新视野”突然失联了。好在1小时21分钟后通信恢复,但它由于故障而进入了安全模式。此次故障原因是两条指令冲突,同时要求电脑进行大量运算,导致电脑不堪负荷。经过处理,它在三天后恢复正常,重新开始工作。此次故障让它损失了30次观测机会,不过在4日到16日这一重点观测时间段内,这个损失还占不到预定总观测量的1%,所以影响不大。

8日,美国接到“新视野”传回的冥王星照片,图中的褐色星球上有一个巨大桃心形明亮区域,宽度达2万公里,还有一条巨大“鲸”形阴影。在赤道的另一侧,还有四个神秘的“异形”黑点。这令天文学家们又激动又迷惑。

13日,“新视野”做了探测前的最后准备。它把对冥王星的初始观测数据传回地球,以防自己在飞掠时发生不测。

任务期间暗藏风险

14日北京时间19点49分59秒,“新视野”将以49568公里的时速,到达此行最接近冥王星的位置,距离为1.25万千米;15分钟后靠近卡戎,最近距离为27358公里。

庞之浩介绍,飞掠期间,远程勘测成像仪能获取两道幅宽约80公里的冥王星地表遥感图像,覆盖整个正面半球,最高能拍摄分辨率达80米的冥王星地貌;研究冥王星的大气层,寻找冥王星上的云和雾;是否还有未被发现的卫星。为了可以集中精力搜集冥王星和卡戎的数据,“新地平线”探测器大多数时间都会保持无线电沉默,这段时间不会向地球传回数据。

此间,它还将探测冥王星大气层发出的紫外线辐射,分别在绿、蓝、红和对甲烷霜敏感的特殊波段,绘制冥王星和卡戎清晰的地图;还要在近红外波长上获取光谱图,以了解冥王星及卡戎表面成分和这些物质的分布及温度等。

庞之浩说,此次任务暗藏风险。任务中,“新视野”需避开可能存在碎片环,防范未发现的卫星。人类已知冥王星有5颗卫星,但它要观测是否有第6颗卫星存在,假如发现了,就要计算是否会干扰到探测器的轨道。另外,此次飞掠大约会在21点02分结束,如果它没有及时收到信号,有可能会与某个小碎片撞击。

如果任务成功,“新视野”会从15日起将冥王星和卡戎的照片和科学数据传回地球。但受美国深空通信网络限制,探测器下行速率仅为每秒1.68千比特。这意味着,虽然冥王星和卡戎的“近景特写”能很快发布,但地面要接收完全部数据,可能要花费超过1年零4个月时间。

完成对冥王星的考察后,“新视野”将在2017年至2020年进入柯伊伯带,探测至少两个直径为40公里至90公里的柯伊伯带天体。庞之浩介绍,柯伊伯带是位于海王星轨道外侧,散布大量冰冻小天体的稀疏环形区域,此项探测可能会持续5年至10年。

之后,“新视野”上的电脑将会被重置,上传由“一个地球新地平线信件(One Earth:New Horizons Message)”项目收集的有关地球的各种信息,包括世界各地的人提交的照片、声音、文字甚至电脑程序。它将带着这些来自地球的信息,飞向遥远的恒星际空间。

在NASA发布的照片中,我们总算是看到了比过去细节都更加丰富的冥王星,以前的影像中是看不到坑洞之类的部分的,同时也让我们看到了暗黑赤道带。

(作者:付毅飞)
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