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七大武器助新视野号探测冥王星,新视野号新发

发布时间:2019-05-03 06:25编辑:www.599588.com浏览(190)

    www.599588.com 1冥王星的大气层顶要比地球还要大,尽管冥王星本身还不到地球大小的一个零头。图片来源:约翰斯·霍普金斯大学

    www.599588.com 2这张照片上可以看到冥王星边缘的大气层中大约有20层薄薄的雾霾。这些雾霾层在水平方向上通常延伸达数百千米,但又并非严格平行于地表。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

    www.599588.com 3北京时间今天傍晚,新视野号探测器就将近距离飞掠冥王星和冥卫一。图片来源:wikimedia

    虽然冥王星的个头还不到地球的一个零头,但冥王星的大气延伸的范围却超过地球大气。

    一年前,冥王星不过是美国航空航天局(NASA)新视野号探测器(New Horizons)相机里拍到的一个明亮光点,看上去与克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)自1930年发现这颗当时所谓的第九大行星以来,它在望远镜里一贯的模样并没有太大的不同。

    从2006年1月19日发射升空至今,新视野号探测器已在茫茫太空中漫游了九年零五个月。这段漫长的旅程即将在今天(7月14日)迎来高潮——新视野号将从矮行星冥王星(Pluto)以及冥卫一卡戎(Charon),以及尼克斯(Nix)和许德拉(Hydra)等众多小卫星身旁擦肩而过,为我们展现旧太阳系版图中缺失的最后一块拼图的模样。

    根据NASA新视野号探测器发回的数据,包裹在这颗矮行星周围的气体向外延伸达1600千米。这个数据是地球大气的13倍,因为地球大气只延伸到地表以上大约120千米。此前在地球上对冥王星的观测,只记录到冥王星大气向外延伸达270千米。

    然而本周,在《科学》(Science)期刊上,新视野号科学家首次发表了一组细致全面的科学论文,详细描述了去年夏天新视野号飞掠冥王星所取得的成果。来自美国西南研究院的新视野号首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)说,“这5篇细致入微的论文彻底改变了我们对于冥王星的认识——揭示了这颗前‘第九大行星’的真实面貌,有着多样和活跃的地质活动,奇特的表面化学构成,复杂的大气层,与太阳谜一般的相互作用,还有迷人的小卫星系统。”

    下面就让我们一起来看看,新视野号身上携带了哪些重量级装备,这些装备又将给我们带来怎样的期待吧!

    在飞掠冥王星大约1个半小时之后,新视野号利用紫外线成像光谱仪(Alice)收集了有关冥王星大气的信息。这样的数据必须在一个特殊的时刻才能收集,也就是新视野号穿过冥王星阴影、这颗矮行星完全处在逆光的时候。这一事件被称为掩日,能够让光谱仪测量穿透冥王星大气后阳光的波长。这些波长中发生的变化,将帮助研究者确定冥王星的大气由什么气体构成。

    经过长达9年半、近48亿千米的太空旅行,新视野号探测器于2015年7月14日飞速掠过冥王星。新视野号上的7台科学仪器记录了大约50 GB的数据,存储在了探测器的数据记录仪中,其中绝大多数都是飞掠前后最忙碌的9天内采集的。

    www.599588.com 4新视野号上的仪器载荷。图源:nasa.gov

    在最高处,冥王星大气主要由氮分子构成。稍稍靠近冥王星,氮气中就会甲烷混入。而在最低处,还会有更多碳氢化合物出现。

    第一张近距离照片揭露了“镶嵌”于冥王星地表的一大块心形特征,向科学家透露了这样一个信息,这一类“全新”的行星级天体,也就是遥远而又神秘的、被称为太阳系“第三地带”的柯伊伯带中首次被近距离探测的最大、最明亮的天体,很可能远比理论模型之前的预言要更加有趣和令人困惑。

    远距离侦察成像仪(LORRI):大概是本次探测行动中最吸引眼球的设备,因为它将拍摄冥王星和卡戎的高清长焦单色影像,精度可达每像素100平方米。它安设在探测器的遮阳板后方,由一台卡塞格林望远镜和一块分辨率为1024×1024的CCD组成。为了在极低温度下保持刚性,同时尽可能减轻重量,这台望远镜选用轻质的碳化硅材料构建而成,也是目前世界上最大的碳化硅材质望远镜。

    www.599588.com 5新视野号在冥王星身后探测到了一条离子尾。图片来源:NASA

    www.599588.com 6上图是新视野号拍摄的冥王星表面非正式命名为斯普特尼克平原的冰原,下图则是冥卫一卡戎表面非正式命名为武尔坎平原的地形。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI

    拉尔夫望远镜(Ralph):另一台在本次行动中唱主角的装置,它将拍摄冥王星和卡戎的彩色可见光和近红外影像。它的光圈直径达6厘米,装有可见光CCD、彩色滤波片和近红外光谱仪,可以从可见和近红外波段详细探知两颗星球表面的温度分布和物质构成。

    这些气体混合物中,有很大一部分还在逃往太空——每小时大约逃逸500吨的物质。NASA新视野号团队成员弗朗·巴格纳尔(Fran Bagenal)指出,大气中的气体之所以能够逃入太空,主要是因为冥王星的引力太弱。不过她也表示,太阳风可能在不断撞击这些逃逸的大气,裹挟着它们逃入到太空之中。新视野号上的冥王星太阳风分析仪(SWAP)发现了证据,表明冥王星的身后拖着一条离子长尾——这是来自太阳的电离粒子与大气混合,推动气体向太阳系边缘逃逸的结果。

    《科学》上新发表的一系列论文证明了这一点,其中最重要的结果罗列如下:

    www.599588.com 77月8日,新视野号上的LORRI拍摄的冥王星和冥卫一,两颗星球的颜色则是根据Ralph望远镜得到的数据添加的。图片来源:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

    目前,新视野号已经越过冥王星,距离冥王星超过300万千米,探测器传回地球的数据还不到飞掠时采集全部数据的2%。巴格纳尔说,随着新视野号上其他科学设备采集的更多数据传回地球,他们将能够推断出更多有关冥王星大气的信息。到下个星形在,我们应该能够接收到5%的全部数据,所有数据回传完毕,则要等到16个月之后了。(编辑:Steed)

    1. 对冥王星地表陨击坑计数而测定年代的方法表明,冥王星在过去40亿年里始终存在着地质活动。此外,被非正式命名为斯普特尼克平原的冥王星地表特征,即一块比美国得克萨斯州还大的冰原,不存在任何能够检测到的陨击坑,因此它的地质年龄估计相当年轻,不会超过1000万年。  
    2. 冥卫一卡戎则拥有相当古老的地表。举例来说,冥卫一赤道区域被非正式命名为武尔坎平原(Vulcan Planum)的广阔平坦地貌,很可能是大约40亿年前喷发到卡戎表面的巨大冰火山“熔岩”流。这些“熔岩”流很可能与卡戎地下海洋的冻结有关,这一海洋的冻结导致了卡戎地壳的全球性破裂。  
    3. 冥王星表面的化学组分分布惊人地复杂,这为理解冥王星的气候和地质历史提出了诸多谜团。冥王星表面化学组分的挥发,是外太阳系其他地方前所未见的。  
    4. 冥王星上层大气的温度(约为20℃)远远低于此前地面研究得出的结论,对于冥王星大气逃逸率有着重大影响。为什么冥王星高层大气如此低温,仍然是谜。  
    5. 冥王星大气中一些重要气体(包括氮气、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷)的组分分布随高度的变化,首次被测量出来。  
    6. 形成冥王星大气雾霾层的可能机制也头一次被人发现。这一机制涉及到大气重力波对雾霾颗粒的汇聚作用,而大气重力波则是由风吹过冥王星上的山地地形而产生的。  
    7. 飞掠之前,冥王星4颗小卫星的存在使得人们担心冥王星系统中存在对新视野号有威胁的物质碎屑。但新视野号上的学生制宇宙尘埃计数器在飞掠前后的5天内只记录到一粒尘埃颗粒。这与外太阳系开阔空间内尘埃颗粒的密度(每立方千米大约1.5粒尘埃)相类似,表明冥王星周围区域其实并没有充斥着物质碎屑。  
    8. 新视野号上的带电粒子设备揭示,太阳风与冥王星大气之间相互作用的区域局限在冥王星向阳面大约6倍冥王星半径以内,也就是大约7000千米以内。这一范围要比飞掠前人们的预测小得多,可能的原因在于冥王星大气逃逸率比预期减低了不少。  
    9. 冥王星小卫星的高反照率(大约50%到80%),与柯伊伯带常见小天体较低的反照率(大约5%到20%)截然不同。这一差异进一步支持了如下想法,即这些小卫星并非俘获自柯伊伯带小天体,而是在一场巨大的天体碰撞之后,在由此产生的物质盘中聚积形成的——正是这场天体碰撞形成了整个冥王星卫星体系。

    紫外线成像光谱仪(Alice):它负责接收由冥王星及卡戎发出的远紫外和极紫外波段的信号,分析出冥王星及卡戎大气的化学组成。不仅如此,在探测器飞掠冥王星后,它还可以从背面继续接收和分析由冥王星大气透射过来的太阳光信号。

    地质学论文第一作者、NASA艾姆斯研究中心的杰夫·莫尔(Jeff Moore)说,“近距离观察冥王星和冥卫一卡戎(Charon),已经导致我们彻底重新评估了对这样一个问题的思考,即什么样的地质活动才能够在太阳系如此遥远区域的孤独行星级天体上持续至今,而我们先前以为这样的天体自柯伊伯带形成以来就几乎不再发生变化了。”

    冥王星太阳风分析仪(SWAP):太阳风是对太阳发出的高能粒子流的形象称呼。这台仪器通过分析冥王星附近的太阳风强弱,可以探知冥王星是否有磁场。由于冥王星附近的太阳风强度很弱,这台仪器也是同类仪器中光圈直径最大的一台。

    研究冥王星化学成分的科学家说,冥王星地貌的多样性源于亿万年来高度易挥发的甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰与惰性的水冰之间的相互作用。化学成分分析论文的第一作者、美国洛威尔天文台的威尔·葛兰地(Will Grundy)说,“我们看到了冥王星上易挥发的冰在地理分布上的变化,表明在升华和凝结之间存在迷人的循环。这些循环远比地球上的类似循环丰富得多,在地球上其实只有一种物质在凝结和蒸发,那就是水。而在冥王星上,至少有3种物质在循环,虽然它们相互作用的方式我们还没有完全理解,但我们确凿无疑地看到了它们的作用遍布于冥王星的表面。”

    冥王星活性粒子频谱科学调查装置(PEPSSI):是一台时差测距离子/电子接收器,可以侦测到冥王星上层大气中受太阳风激发逃逸的高能阳离子与中性粒子成分,进而推测冥王星的大气组成。相比于测量范围可达6.5千电子伏的SWAP,PEPSSI的测量范围高达1 兆电子伏。

    www.599588.com 8这幅色彩增强图像展现了冥王星地表的多样性。左下方,古老的地形遍布陨击坑,上面覆盖着深色发红的托林。右上方,易挥发的冰填充了斯普特尼克平原,改变了地表,创造出了杂乱排布的冰山。易挥发的冰还填充了附近少数较深的陨击坑,而在一些区域,易挥发的冰面上散布着升华而形成的小坑。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI

    无线电科学实验装置(REX):实际上是一组安装在通讯系统内的电路板,主要用于中继由地球传过去的下载讯号,确保资料不会遗失。而另一个用途,就是进行太空无线电科学实验,测试相关的通讯技术。它主要由一个超稳晶体振荡器组成。由于探测器有两组冗余通讯系统,因此REX实验装置也有两组。

    而在地表之上,科学家发现冥王星的大气包含多层雾霾,而且要比之前预期的更寒冷,也更致密。这影响了冥王星高层大气逃逸到太空的方式,也影响了大气分子与来自太阳的带电粒子流(即太阳风)相互作用的方式。粒子及等离子体分析论文的第一作者、美国科罗拉多大学博尔德分校的弗朗·巴格纳尔(Fran Bagenal)说,“我们发现,新视野号飞掠之前所作的估算大大高估了物质从冥王星大气中损失的速度。先前我们认为,冥王星的大气正在流失,就像一颗彗星拖着尾巴,但实际上,它的大气流失率更像是地球的大气层。”

    www.599588.com 97月13日,新视野号上的LORRI拍回的冥王星影像。图片右侧类似牛眼的结构将转出视场,因此不会在飞掠时拍到它的清晰影像。不过,画面左侧那块白色心形,应该会在近距离飞掠时入于有利的观测位置。图片来源:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

    美国西南研究院的兰迪·格莱斯顿(Randy Gladstone)是描述冥王星大气发现的科学论文的第一作者。他补充说,“我们还发现,从冥王星大气中逃逸的主要气体是甲烷,而非氮气。这实在令人惊讶,因为冥王星地表附近,大气中超过99%都是氮气。”

    学生制宇宙尘埃计数器(SDC):这是一个由美国科罗拉多大学博尔德分校师生主导的研究项目,它被安设在探测器的遮阳板上,由14块聚二氟乙烯面板拼合而成,其中12块用于测量,另两块作为参照。当宇宙尘埃撞击到这些面板时就会产生电势差,从而记录下宇宙尘埃的相关参数。这将是首台运行在天王星轨道以外的尘埃计数器,它将帮助我们建立柯伊伯带宇宙尘埃的基本模型。

    科学家还在分析冥王星小卫星的首批近照。这些小卫星发现于2005年到2012年间,其中冥卫二(Nix)和冥卫三(Hydra)较大,直径约为40千米,冥卫四(Kerberos)和冥卫五(Styx)较小,直径仅有10千米。任务科学家进一步观察到,这些小卫星的自转速率高度不正常,自转轴指向也异常不统一,此外它们冰质地表的亮度和颜色也与冥王星和冥卫一截然不同。

    此外,在阳光等同于星光的外太阳系航行,能源和通讯也是大问题。新视野号的尾端装备了初始功率为250W的圆柱形放射性同位素热电机(俗称的“核电池”),可以为探测器提供电压为30V的直流电,目前功率衰减到200W左右。

    他们已经找到证据表明,其中一些小卫星由更小的天体并合而来,而且它们地表的年龄可以追溯到至少40亿年以前。关于冥王星小卫星的论文的第一作者、美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的新视野号项目科学家哈尔·韦弗(Hal Weaver)说,“这两个结果强化了这样一个假说,即这些小卫星是创造出冥王星-冥卫一双行星系统的那场天体碰撞事件的产物。”

    另一大引人注目的部件“锅盖”则是用于确保探测器与地球之间通讯的高增益天线,它的直径足有2.1米,可与NASA的深空网保持联系。在飞掠冥王星之时,1kbps的通讯带宽已是极限,况且还要经受4.5小时的延时。

    到目前为止,新视野号飞掠冥王星所获取的数据大约半数已经传回了地球。由于距离遥远,无线电信号以光速从新视野号传回地球也需要花费近5个小时的时间。其他数据预计将在2016年年底全部传回地球。

    在飞掠冥王星的前后24小时之内,新视野号探测器会专心收集科学数据,并将数据暂存在存储器中。至少要到明天(7月15日),我们才能一睹近距离飞掠时这些设备拍回的照片。至于全部科学数据,则要到将近半年之后才会全部传输完成。

    NASA总部的新视野号项目科学家柯特·尼尔伯(Curt Niebur)说,“这正是我们要去探索的原因所在。来自新视野号的许多发现代表了人类最美好的一面,激励着我们在探索太阳系及更遥远宇宙的旅途上继续前行。”(编辑:Steed)

    最后,预祝新视野号探测器,今天飞掠冥王星,成功!(编辑:Steed)

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