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“新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体

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“新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体“新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体 “新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、 柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体 巨大的火箭静静地耸立在美国 佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航 天中心的第14号发射台上,很快, 它就将伴着轰鸣腾空而起,飞向令 人神往的宇宙深处.白色箭体上的 火箭箭体上的"新地平线"任务的标志 "新地平线:冥王星一柯伊伯带任 务"的标志明白地告诉人们,这是一 次史无前例的远航,它的目的地是 太阳系最偏远和最黑暗的地方,那 里隐藏着人类尚未知晓的众多秘 密:冥王星,卡戎,夸欧尔,赛...
“新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体
“新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体 “新地平线”号飞船启程——目标:冥王星、 柯伊伯带和太阳系边缘的未知天体 巨大的火箭静静地耸立在美国 佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航 天中心的第14号发射台上,很快, 它就将伴着轰鸣腾空而起,飞向令 人神往的宇宙深处.白色箭体上的 火箭箭体上的"新地平线"任务的标志 "新地平线:冥王星一柯伊伯带任 务"的标志明白地告诉人们,这是一 次史无前例的远航,它的目的地是 太阳系最偏远和最黑暗的地方,那 里隐藏着人类尚未知晓的众多秘 密:冥王星,卡戎,夸欧尔,赛德娜… … 以及传说中由数十万颗彗星组成 的庞大的柯伊伯带和其他未知的神 秘天体. 这将是一次漫长的旅行,"新地 平线"号此行需要花费近十年时间, 跋涉上百亿公里,首次探索我们太 阳系家园最遥远的疆域.人们期待 它能够揭开那些深藏的秘密. 新"地理大发现" "新地平线"足一项酝酿已久的 太空探测行动计划. 自从人类在1930年发现冥王 星以来,至今对它仍知之甚少,甚至 连一张较清晰的照片都没有获 得.以往人类发射的探测飞船也从 来没有光顾过这颗离太阳最远的行 星,有关冥王星的情况一直是个 谜.人们只知道它的性质怪异,由冰 构成,运行在海王星外侧的一个特 殊轨道上,不像其它行星那样符合 以往人们对太阳系结构的规律性认 识. 上世纪5O年代,美籍荷兰天文 学家杰拉德?柯伊伯提出,冥王星 可能并不是一颗独立的行星,而是 在同一区域内运行的大量天体中最 大和最亮的一颗,这些天体后来被 统称为柑伊伯带,被认为是太阳系 早期行星生成过程的残留物质,许 多短周期的彗星都出自这里. 1978年,美国天义学家通过仔 细观察发现,原来冥王星还有,颗 卫星,取名为"卡戎(Charon)".由于 这两个天体大小非常接近,这在其 他太阳系行星中是绝无仅有的,天 ? 探索? 文学家因此将它们称为"双行星". 最近,哈勃太空望远镜又隐约看到 了冥王星的另两颗较小的卫星,这 更增加了其神秘色彩. 进入9O年代后,科学家们在天 文望远镜上配备了带高灵敏度光电 传感器的数码相机,使观测分辨率 较以前使用感光胶片底版时提高了 很多.1992年,发现了第一个柯伊 伯带天体.从那以后,此类的发现相 继不断,迄今天文学家们已经发现 了1000多个柯伊伯带天体,直径从 5O到3000公里以上的都有,一些 甚至超过了冥王星.科学家们相信, 仅在踞离太阳3O到100天文单位 之间的柯伊伯带,大约有5O万个直 径超过3O公里的天体;而在更遥远 的奥尔特云区域,可能含有数千亿 个天体. 这些众多而遥远天体的发现证 实了科学家很早前的推测.打破了 人们传统上认为太阳系只存在九大 行星的观念,将太阳系的疆域一下 子扩大到原先的几百倍甚至上千 倍,极大开拓了我们的视野,是一次 真正的新"地理大发现".它重新改 变了我们对太阳系结构的认识,带 来了"经典柯伊伯带天体","冥王族 天体","半人马族天体","冰矮星", "奥尔特云"等许多新的名词和概 念,甚至由此引发了科学界有关"大 行星"的界定和是否应该撤销冥王 星作为"九大行星"称号的争论,同 时令人们重新审视我们地球在太阳 系及宇宙中所处的地位. 尘封l3年的计划 上世纪8O年代后期,美国的两 艘"旅行者"号飞船依次拜访了太阳 系外侧的木星,土星,天王星和海王 星,传回这些行星的近距离清晰画 面,使人们顿时眼界大开,极大地丰 富了对外太阳系行星的了解.此后, 人们很自然地将目光投向更远处的 冥王星和当时 尚处于推测中 的柯伊伯带天 体. 由于认识 到太阳系这一 区域的重要价 值,早在1992 年,美国航空航 天局就开始研 究各种探测方 案,从类似"卡 西尼"号那样重"新地平线"号近距离飞掠冥王星和冥卫卡戎 达数吨,游艇般大小的飞船,到只带 有摄像机的仓鼠般大小的简易飞行 器都考虑过,准备在1998年发射, 在7至8年之后到达目的地.飞船 的任务是详细描绘出冥王星和卡戎 的面图,并收集有关它们的构成 的基本资料.但由于庞大的预算得 不到政府支持,计划被束之高阁. 9O年代未,美国航空航天局又 确定了一个名为"冥王星一柯伊伯 快车(Pluto—KuiperExp~ss)"的中 等规模的,准备在加州帕萨迪 纳的喷气推进实验室建造,定于 2004年12月18日发射,2006年3 月9日飞临木星并借助其引力飞向 冥王星,于2012年l2月24日与冥 王星相遇.但这项计划的预算达到 了8亿美元,超出了希望投资的数 额,最终在2000年秋天被放弃了. 取消这项计划引起了科学家, 民众中空间探侧的拥护者以及许多 在校学生的不满.为了不错过探测 冥王星的最佳时机,美国行星协会 还带头发动了"拯救冥王星使命"运 动,联合全世界的天文学家和天文 爱好者,要求重新考虑这项计划. 2000年,由美国国家科学院组成的 一 个咨询机构,在向美国航空航天 局提交的一份有关下一个十年行星 科学战略的研究中,高度评价 了对冥王星和柯伊伯带天体的探索 计划,并列为科学优先的最高级. 经过权衡,美国航空航天局作 出了一项新的决定,不再重新上马 "冥王星一柯伊伯快车"计划,而是 让各个大学,实验室和航天公司在 对冥王星及其卫星以及柯伊伯带的 低成本探测方案上展开竞争.像这 样让企业和大学都参与竞争的做法 在美国航空航天局的历史上还是首 次. 美国航空航天局对探测方案提 出的要求是,在2020年以前完成指 定的科学探测目标,同时预算不能 超过5亿美元,如果所有方案都未 能达到这个要求,它将放弃这方面 的计划. 2001年11月,经过一番严格 的筛选,美国航空航天局最终选定 了名为"新地平线"(NewHorizons) 的行星探测方案.该方案使用较为 经济的方式来建造和运行外太阳系 探测飞船,总成本是4.88亿美元, 其中还包括8000万美元的贮备预 算,满足了美国航空航天局所规定 的条件."新地平线"号飞船可望在 2015年夏天到达冥王星,而且飞船 上将会搭载更多的仪器,能够向地 球送回1O倍于被取消的"冥王星一 柯伊伯快车"计划的观测数据. 该计划由位于得克萨斯州的西 南研究院和约翰?霍普金斯大学应 用物理实验室共同领导,来自十余 所大学,研究所和美国航空航天局 各研究中心的科学家在一起深入地 研究这项探测计划.西南研究院负 责对项目进行管理,并承担责科研 仪器的开发.约翰?霍普金斯大学 应用物理实验室负责"新地平线"号 飞船的建造和运行,鲍尔宇航公司 (BallAerospace),美国航空航天局 戈达德航天飞行中心和斯坦福大学 负责制造飞船上搭载的部分仪器, 美国航空航天局帕萨迪纳喷气推进 实验室负责飞船的跟踪控制与导 航.整个项Et耗资预计将最终超过 6.5亿美元,包括研制和发射飞船, 运载火箭以及为保障其顺利完成对 冥王星及其卫星"卡戎"的探测任务 所需的后续操作预算. 美国航空航天局对"新地平线" 的探测行动规定了三项重点任务: 首先,飞船必须对冥王星及其卫星 的表面进行平均分辨率为1公里的 测绘(相比之下,哈勃太空望远镜对 冥王星及卫星拍照时最高分辨率只 能达到500公里左右);其次,飞船 必须探明这两个星球上各种不同地 质区域的表面成分组成;再次,飞船 必须确定冥王 星大气的组 成,结构以及 逃逸率.另外 还给出了几项 次要的任务, 包括测量其表 面温度,搜索 冥王星的其他 卫星或光环 等,并要求飞"新地平线"号飞船经过木星 船除冥王星之外至少对一个柯伊伯 带天体完成相同的观测. 赶上"末班车" 科学家希望尽快实施"新地平 线"计划,主要是因为冥王星的运行 轨道是一个偏心率很大的椭圆形, 目前它刚刚离开近Et点,正在逐渐 远离太阳,从太阳那里获得的光照 和热量也开始减少,而且由于冥王 星过于倾斜的极轴,会造成冥王星 及其卫星的北极附近区域像地球北 极圈出现"白昼"那样有半年左右见 不到阳光.科学家希望绘制冥王星 及其卫星卡戎的详细地图,为此必 须在有充足反射光的条件下给它们 飞船到迭冥王星2015发射"新地平线"号飞船 冥王星的轨道 王星的大气层有可能最后完全消 失,彻底变成一个"冰球",抹去原先 地表的一切痕迹.科学家们希望能 够抢在冥王星的大气层彻底冻结前 对其一探究竟. 第三,冥王星表面大气最外层 的分子可以通过太阳辐射获得足够 的能量,挣脱冥王星的引力作用而 逃逸出去.这与彗星表面形成彗发 有相似之处,被称为"流逸"现象.尽 管目前在太阳系其他任何一颗行星 上都看不到这种"流逸"现象,但现 有理论认为,地球表面之所以能形 成如今这种适合人类居住的地理和 气候环境,就在于行星形成早期的 "流逸"现象使得地球表面大量氢元 素得以释放,因此对"流逸"现象的 研究也许可以帮助找到其他适合人 类居住的星球.对冥王星探测越晚 越不利于这种研究. 从飞行时间上讲,要到达冥王 星,飞船需要飞行7至14年的时 间,飞行时间的长短取决于飞行的 轨道和飞船的质量.假设飞船沿着 最短的直线轨道飞行,将飞越54亿 公里,但这需要消耗极大的能量以 达到极快的起飞速度,很不现实.为 达到最佳效果,将借助于木星的引 力,即首先朝向木星飞行,借助飞掠 木星时产生的引力加速效应来获得 额外推力,以便缩短行程,尽早赶赴 冥王星. 不过,要走这条路线必须在 冥越射随片会冥冷在已在太行无时冥 . 阳反将照就,寒正,结在大一着,片太,度,度次围层厚冻这九独随逝照离远亮小晰其 周气越始,的是.流摄星越的减清低星大积开起系中的的 拍王来光之的降王的越经一阳星二间 戎 卡 ? 探索? 完成组装的"新地平线"号飞船 2006年1月底前出发.如果届时飞 船来不及发射升空,那么太阳系各 大行星的排列位置将发生变化,飞 船无法再利用木星这一天然助推器 的"弹射"作用飞向冥王星.那样的 话,科学家们就不得不再等上许多 年.而到那个时候,冥王星表面将有 400多万平方公里的面积被冰雪覆 盖,表面温度也将明显下降.如果那 样的话,"新地平线"号将无法完成 预定的地表和大气探测工作,而要 等到公转周期248年的冥王星再次 运行到近日点附近适合探测的位 置,恐怕要到23世纪了. 整装待发 2005年4月,"新地平线"号飞 船在约翰-霍普金斯大学应用物理 实验室完成了所有设备和仪器的组 装工作,开始进行各种综合性能测 试. 6月13日,飞船被转移至美国 航空航天局戈达德航天飞行中心进 行严格的空间环境测试,包括硬件 和软件匹配测试,飞行软件测试,模 拟运行任务测试,飞船各分系统测 试,仪器性能测试,深空网络通讯测 试,热性能测试,振动测试,自转平 衡测试和模拟发射试验. 9月24日,"新地平线"号完成 了所有的环境测试工作,被运抵美 国佛罗里达卅卜纳维拉尔角的肯尼 迪航天中心,开始在无尘室中进行 最后的调试和火箭装配工作. 运载火箭的第一级采用洛克希 德?马丁公司重量级的阿特拉斯 (Atlas)5型大推力火箭,外加5个 捆绑式固体火箭助推器;第二级为 半人马座(Centaur)火箭,最顶端的 第三级为波音公司的STAR48B型 固体燃料火箭.这些大推力火箭将 使"新地平线"号飞船达到每秒13 公里的第三宇宙速度,成为人类历 史上速度最快的行星际探测飞船. 它只需9O分钟时间就能够穿越月 球轨道,而当年"阿波罗"号飞船宇 航员则整整花了12个小时才走完 这段路程.但即便如此,"新地平线" 号也需要飞行1O年时间才能到达 冥王星,而且中途还需要借助木星 强大的引力作用实现再次加速.以 往飞越这么远距离的人类飞行器只 有"先驱者"10号,11号与"旅行者"1 号和2号,其中速度最快的"旅行者" 2号仅飞至海王星就用了12年. 2005年12月底,飞船安置在 运载火箭顶端的组装工 作全部完成,剩下的就 是发射前的准备工作, 等待2006年1月的最 后发射时刻. 根据此次飞赴冥王 星的飞行轨道设计,"新 地平线"号发射的发射 窗口为2006年1月11 日至2月14日之间.其 中2月2日以前为最佳 日期,飞船在此期间发 射可以在2007年2月 至3月抵达木星,并借 助木星的引力作用,将 速度提升到每秒21公 里,在2015年的夏天抵达冥王星, 在2016至2020年前后穿越柯伊伯 带. 如果错过了这一时机,在2月 2日之后发射,美国航空航天局将 选择另一条飞行路线,让飞船直接 飞往冥王星;由于无法借助木星引 力加速,"新地平线"号飞船最早到 达冥王星的时间将推迟到2018年 至2020年前后. 此次探测计划决定不让飞船进 入环绕冥王星的轨道,因为冥王星 距地球有5O亿公里之遥,"新地平 线"号即使以极快的速度飞行也要 花近1O年的时间.如果要进入环绕 冥王星的轨道,必须将飞行速度降 至90%以上,飞船需要进行变轨操 作,所需的燃料将是目前所携带燃 料的1000倍.其次,科学家们不希 望飞船在冥王星的轨道止步,他们 希望"新地平线"号能够继续飞向柯 伊伯带. 飞向冥王星 如果一切顺利,"新地平线"号 飞船在2006年1月底之前发射升 空后,将沿着一条双曲线轨道直接 向木星的方向飞行.在飞行的前11 运戢火箭将"新地平线"号送入太空 "新地平线"号飞往冥王星的行星际轨道 个月中,将进行飞船及仪器的自检 和校正,轨道修正等操作. 在2007年2月25Et至3月 2Et飞临木星期间,"新地平线"号将 从距离木星表面210万公里的地方 飞掠而过,这比当年"卡西尼"号飞 船飞掠木星时的距离要近3至4 倍.在此期间,"新地平线"号将对木 星进行为期4个月的集中观测,内 容主要包括人们感兴趣的木星辉 光,大气和磁层,以及木星2O多颗 卫星的特性等.探测结束后,这些观 测数据将以每秒38千比特的传输 速率发回地球. 在木星引力的帮助下,"新地平 线"号将加快速度,在茫茫太空中继 续飞行8年,于2015年6月到达冥 王星和冥卫附近.在从木星到冥王 星漫长旅途的大部分时间里,飞船 将处于电子休眠状态,关闲不需要 的系统,减少飞船与地球联系的次 数,以便降低设备失灵的几率,同时 也可以大幅度地降低运行成本.在 整个休眠期中,飞船将会定时向地 球发送简单的状态信号,如果出现 意外的问,地面监控人员将会立 即做出反应.每年飞船会被唤醒大 约5O天时间,对系统进行彻底的检 查,校正航线,并对仪器进行校准. 整个航程中,"新地平线"号将利用 飞船携带的 火箭推进器 进行至少5 次轨道修 正. 当"新地 平线"号距到 达冥王星还 有4个月的 路程时,地面 控制人员将 唤醒飞船上 的相机,开始 捕捉冥王星 与冥卫的身影,此时它们还只是一 个朦胧的光点.随着飞船的驶近,这 些光点逐渐变得清晰起来.当飞船 距离冥王星还有3个月的路程时, 此时距离冥王星约1亿公里远,飞 船上的相机开始拍摄冥王星的第一 幅全景图,光谱仪也开始进行光谱 测定.在离冥王星还有约12周路程 时,飞船所拍摄的图像质量将会超 过哈勃太空望远镜;随着距离的接 近,清晰度会越来越好. 在离到达最近点还有4周时, 此时飞船距离冥王星还有100万公 里,地面观测小组将开始每天对冥 王星和冥卫的细节进行测绘,并且 可以通过比较各个时刻的行星画面 来观测冥王星的天气等现象.利用 远距离光学望远镜(LORRI)的高清 晰度成像能力,研究人员可以得到 冥王星及卫星的变焦距画面,这些 图像可以帮助人们确定哪些地质特 征值得进行特别的研究.此外,高分 全部数据发:变套后10周全部教据发送田地球,交套后周 辨率成像仪还将寻找行星环和直径 在1公里以上的冥王星的新卫星. 冥王星与冥卫卡戎的自转周期 为6.4天.在距离冥王星最近点还 剩下最后两个"冥王星Et"(一个冥 王星Et相当于11至12个地球Et) 时,飞船上的成像光谱仪将每半天 拍摄一幅冥王星与冥卫的图像并进 行光谱测量,科学家们希望能够对 冥王星上每天的降雪和其他天气变 化情况作一比较. 预计与冥王星相会的Et期是 2015年7月14Et,其间,距离冥王 星最近的时刻是美国东部时间12 时20分,距离冥卫卡戎最近的时刻 是美国东部时间l2时34分."新地 平线"号将以每秒13.78公里的速 度,在距离冥王星最近约9600公里 的地方与之"擦肩而过".这之前和 之后的12小时是飞船仪器最忙碌 的时候,紫外成像光谱仪(Alice)将 摄取冥王星的紫外光谱,可见光与 红外线成像/光谱仪(Ralph)此时将 获得冥王星及其冥卫卡戎向阳面的 最佳图像,确定表面成分和甲烷冰 雪的分布,测定这些物质的温度,而 远距离光学望远镜将会侧重对冥王 星及冥卫表面数十个较小的区域进 行观测,拍摄分辨率最高为60米的 地表画面. 当"新地平线"号飞过距冥王星 的最近点后,它将掉转头来拍摄冥 王星背向太阳的阴面,借助冥卫卡 戎反射的微弱光线来辨识地面特征 亮,飞船的仪器将探测冥王星大气 中的霾雾层,测量表面的地形起伏 交会后观测分析结束1'\.最近交会 咄姐卫 每前12周开始每日观测分析,-前周 雕雅蛐地鲥 "新地平线"号与冥王星交会期问任务安排 《 { ? 探索? 程度."新地平线"号将利用冥王星 与冥卫卡戎恰好位于飞船与太阳之 间形成"掩星"的机会,通过紫外成 像光谱仪(Alice)透过冥王星的大 气层和霾雾拍摄太阳光谱,分析冥 王星大气分子对日光紫外线的吸收 光谱特征,以便确定冥王星的大气 成分,同时确定冥卫卡戎上是否存 在大气. 此外,"新地平线"号还将利用 冥王星与冥卫卡戎分别位于飞船与 地球之间的机会,通过高增益天线 接收透过冥王星大气层传来的来自 地球的强大无线电波信号,借以分 析大气层对无线电波的折射情况, 绘制出冥王星大气层从高空到表面 "新地平线"号飞船探测柯伊伯带 "新地平线"号利用"掩里"观测冥王星和冥卫 的温度和密度曲线. 由于"新地平线"号飞船的速度 很快,与冥王星和冥卫"密近交会" 的全部时间只有大约36个小时.但 对冥王星和冥卫的后继观测工作一 直要持续到飞船远离冥王星l0周 后才结束,而将这些观测数据全部 发往地球则需要近9个月的时 间.因为冥王星距离地球实在遥 远,以光速传播的无线电信号 大约需要4个小时才能从冥王 星附近来到地球上.利用飞船 上2.1米直径的高增益天线, 数据传输率一般只能达到每秒 300至600比特,仅发送一幅高 分辨率的照片就需要l2个小 时,与冥王星和冥卫"密近交 会"期间获得的10000兆比特 数据需要整整4O天才能发送 完.因此,科学家们将偿试采用 ll095公里 1378公里,静 船飞行路径 西南研究院科学运行中心,科学家 们将在那里对这些数据和图像进 行分析. 在驶离冥王星及冥卫之后,接 下来的5年里,"新地平线"号飞船 立即会转入对柯伊伯带天体进行一 系列类似的飞掠探测,研究人员希 望能够对两到三个直径在50至 100公里的柯伊伯带天体进行类似 一 种无损数据压缩,争取 把发送数据的时间缩短至10天. 在整个探测飞行期间,通过美 国航空航天局在世界多个地点的 "深空网络"巨型天线接收到的飞 船状态和方位,速度等信息将立即 传送至设在约翰?霍普金斯大学 应用物理实验室的"新地平线"任 务运行中心,而有关探测冥王星和 冥卫的仪器科学数据则转交给位 于科罗拉多州伯尔德(Boulder)的 美国航空航天局"深空网络"天线 对冥王星的考察,拍摄图像并利用 红外光谱确定其成分,确切的次数 将取决于飞船在完成冥王星探测之 后剩余的燃料量.不过,以"新地平 线"号的飞行能力,此行只能涉足柯 伊伯带的一个很小的角落,无法到 达"夸欧尔(Quaoar)",体积超过冥 王星的"2003UB313"和更远的"塞 德娜(Sedna)",那些将是人类下一 个十年的探测目标.
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