史上最清晰的冥王星照片，30億英里的尋夢—新地平線號的故事

歷時9年半，行程30億英里，只為和你相見。2015年7月15日新地平線號不負眾望，發回了史上最清晰的冥王星照片。讓我們跟隨國家地理的鏡頭一起揭秘新地平線號（The New Horizon）的冥王星之旅。冥王星的直徑僅有1200英里，體積為月球的1/3，質量為月球的1/6，由於和地球距離相當遙遠，我們對於冥王星的了解也相當有限。新地平線號也是有史以來最激進的太空計劃之一。在此之前我們已經探訪過月球、火星、木星和水星，看到過土星、海王星和天王星和金星。冥王星成為太陽系中最後一個處在神秘狀態的「行星」。這個星球可能蘊含了豐富的內容，也許我們還能從中找到了解我們自身星球起源的線索。

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圖1、2015年1月，新地平線號拍攝的冥王星和冥衛一照片

新地平線號的團隊由全球的精英太空科學家組成，項目由艾倫·斯特恩（Alan Stern）博士領銜，他投入這個項目長達26年。在經過幾個發射點的延誤之後，新地平線號於2006年1月19日在卡納維拉爾角發射，隨後直接進入地球和太陽逃逸軌道，展開了它史詩般的征程。在最後關閉發動機時相對於地球的速度是16.26公里/秒，或58,536公里/小時，這一速度也是史上以最快發射速度離開地球的人造物體。

圖2、新地平線號於2006年1月19日在卡納維拉爾角發射

一年之後，它便掠過了木星，這一年蘋果推出iPhone。新地平線的運營團隊利用這個機會來測試系統的照相機，看是否能夠清楚的拍到木星和木星的衛星，結果出乎意料，它拍到了有史歷來最清晰的火山噴發的畫面。

圖3、新地平線號在2007年2月28日通過木星的近木點。

新地平線號重470千克，以子彈的10倍速率迅速穿過太陽系，速度之快使得到達冥王星時無法降落。新地平線號與冥王星交匯時，它將在冥王星表面快速掠過，在不到兩個小時內拍下重要的照片和完成重要的測量任務，控制中心必須爭分奪秒才能在如此緊迫的時間中完成任務。他們要讓新地平線號傳回冥王星在周圍星體間的照片，再利用這些照片繪製出太空地圖。在新地平線號之前，人類擁有的最清晰的冥王星照片還只是一堆馬賽克組成的圖片。但即便是在一片模糊當中，科學家也從不同波長的光線中看出有氮、甲烷和一氧化碳的蹤跡。冥王星遠離太陽，科學家預計這裡的氣溫只有華氏零下390度，地球上的氣體如果在冥王星上出現會直接凍成固體，冥王星上出現的冰和地球大不相同，而是由氮冰、一氧化碳並和甲烷冰組成。科學家猜測在微弱的陽光照射下，冥王星表面某些冰層的溫度會升高，直接變成氣體。冥王星可能充滿了奇特的冰塊和原始的岩石組成的地面，表面噴出氣體，看起來會像液態氮在地球表面蒸發的樣子。

圖4、新地平線號之前最清晰的冥王星圖像

通過哈勃望遠鏡我們發現冥王星也有衛星，其中最大的一顆名叫冥衛一，大小只有冥王星的一半。冥王星是一個很原始的星球，一直都處於冰封的狀態，它也收藏了太陽系的一些構成要素，冥王星可以讓我們更為深入了解更大型的行星如何形成。

圖5、新地平線計劃的LOGO

追根溯源，提起冥王星不得不說它的發現者：克萊德·湯博，1930年美國太空學家克萊德用一部望遠鏡拍下兩張夜空的照片，6天之後其中的一個點移動了，1月21日一張質量不佳的照片確認了該天體的存在，在得到天文台進一步的認證後，他將發現第九大行星的消息發送到了哈佛大學天文台，更為深入的研究直到艾倫主導的團隊才開始。在太空航行9年半之後，新地平線號的冥王星任務被濃縮為兩個小時擦肩而過。

圖6、冥王星的發現者克萊德·湯博

冥王星和地球的距離相當遙遠，是太陽到地球距離的40倍，不過這還只是最近的狀態。因為冥王星獨特的運行軌道狀態，類似於橢圓形的軌道軌跡，最近的距離為30億英里，最遠的時候達50億英里。上一次冥王星距離地球最近位置的時間還要追溯到1989年，從那之後就越來越遠，2015年是一次絕佳的時間窗口。

圖7、冥王星距離太陽示意圖

新地平線號的任務在2001年才獲得批准，看似可以有14年的時間籌備此事，實際中的問題卻不少。整個團隊只有三周時間的發射窗口，這和計劃批准的時間只有4年時間，所以團隊只能依靠現有的科技去打造飛行器，它還必須符合嚴格的標準要求。設計團隊為此設計了一個輕盈的三角形外框以減輕整體質量，不使用機械裝置以避免潛在的機械故障。飛行器還需要穩定的電力供應，冥王星的位置能夠接收的太陽能量只有地球的千分之一，所以它的動力來源是核能電池 - 放射性同位素熱電機（RTG），這台發電機利用放射性同位素二氧化鈈自然衰變時所釋放出來的熱能，以電熱隅形式發電。但這也會帶來一些負面影響，電力的來源會釋放出一些對電子設備有害的輻射線，所以設計師也盡量減少發電功率。飛行器的電力甚至不足以驅動電子馬達，這可以讓無線電天線朝向地球的方向。由於能源的局限性，新地平線號只能「單線程」工作，當它工作的時候，飛行器的照相機和儀器對準冥王星，這也意味著飛行器背對著地球，此時就切斷了和任務控制中心的聯絡。

圖8、新地平新號示意圖

新地平線號即將接近冥王星，它只有一次機會能夠拍攝到如此清晰的表面圖像，所以要盡量拍到高解析度影像和光譜。新地平線號搭載的七部儀器可以收集到冥王星的極冠、大氣和天氣等數據，這些可以幫組我們解開陣陣謎團。收集這些數據可沒有說說那麼簡單，因為缺乏足夠的電能同時使用所有的儀器，團隊必須設計交匯時的啟動序列，新地平線號就能知道什麼時候該開啟何種設備，傳回的數據即使以光速的速度前進，都需要花費4.5個小時才能達到地球。控制中心需要提前幾天將指令傳送到新地平線號上，在交匯前一周的時間內已經無法改變它預計的運行軌跡了。交匯時的啟動順序確定之後，剩下的只能交給「上帝」了。

圖9、新地平線號於2015年7月14日掠過冥王星時的飛行路徑

準確的預測新地平線號從冥王星上空穿越的時機也是科學家們面臨的一個難題，新地平線號上沒有任何輔助對焦的工具，這個時候只能讓儀器自己決定何時轉身，如果時機錯過了，一切都無可挽回。唯一能夠預測交匯時冥王星位置的辦法就是準確掌握冥王星的運行軌跡，不可思議的是當年新地平線發射的時候，團隊卻沒有掌握這條關鍵的信息，因為冥王星繞地球一圈需要248年。從它被發現到現在冥王星只走完了軌道的1/3，而且大部分的資料並不太正確。從1930年到1950年獲取的資料都很不準確，1990年之後才擁有較為精確的數據，直到2012年新地平線號還是有可能完全錯過冥王星。

圖10、新地平線號製作的冥王星表面地圖

由於事關整個任務的成敗，科學家來到羅威爾天文台（Lowell Observatory），這也是發現冥王星的地方。驚喜的是科學家在這裡發現了許多前人拍攝冥王星周圍夜空的照片，科學家在對比了1千多張照片之後，創造出第一部冥王星運行軌跡的影像，在準確追蹤了這個目標點之後，科學家將新地平線號的位置引導距冥王星表面8千英里內的位置，他們能夠準確的預計2015年7月14日兩者相交匯的準確位置。

圖11、羅威爾天文台的天文望眼鏡

就在新地平線號向冥王星急速奔跑的時候，這個世界上最難以捉摸的行星，突然變為世界上最具爭議性的行星，國際天文學協會投票否決了冥王星的行星身份。美國方言學會於2006年第17屆年度辭彙投票上將plutoed選為年度辭彙。to pluto意為將「某人或某事降級」。問題似乎不在冥王星本身，而是冥王星周圍的物體。天文學家在冥王星附近發現了另一個小物體……數千顆類似行星的物體，有些甚至和冥王星差不多大，這個新的地區被稱為柯伊伯帶天體。柯伊伯帶天體被發現之後，就有可能出現數千顆和冥王星相似的新行星，這些行星都需要命名。最終他們決定將柯伊伯帶最大的物體稱為矮行星，就這樣冥王星變成了矮行星。行星的重要性不在於大小，而是對於解釋我們的起源有何幫助。柯伊伯帶的岩石都是太陽系在形成的時候留下的殘骸，這可以幫組我們了解行星是如何形成。

圖12、在一次宣傳活動上表演的冥王星「抗議示威」。左側為反對IAU新定義的一方，右側為支持IAU新定義的一方。

新地平線號傳回的影像資料顯示它前進的路線上障礙重重，有一張照片顯示冥王星周圍有5顆衛星，有冥衛一核其他4顆更小的物體，科學家發現這些並不是圓形的物體，而是異形的岩石，並在冥王星周圍的軌道上無規律的運行。科學家認為冥衛一和其他較小的衛星是冥王星在剛形成時受撞擊留下的。他們在早期發生過某種巨大的撞擊，兩個物體撞擊後開始繞著彼此運行，如果新地平線號距離這些物質足夠近，就有可能證明冥王星和其衛星群是如何形成的。這也可能幫助我們了解地球和月球之間的關係。兩個物體必須相互撞擊，才能創造出一個衛星。新地平線的團隊認為在數十億年前巨大的岩石撞擊冥王星彈開之後，被冥王星的重力牽引，因此成為冥王星的衛星。如果冥王星和它的衛星群是這樣形成的，它的表面上就會被留下證據。

圖13、新地平線號在2015年6月26日拍攝的冥王星系統圖

不負眾望經過9年半的奔襲，這架造價7億美元的新地平線號將讓我們看到有史以來最清晰的冥王星圖像，我們終於看清了冥王星的「臉龐」。探索無止境，隨著科技的進步，人類的視角會拓展的越遠。

圖14、2015年7月13日由新地平線號上搭載的長程勘察相機（LORRI）拍攝的冥王星的彩色照片

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