新视野号的新目标:看一眼64亿公里外的原始冰冻星体

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新视野号的新目标:看一眼64亿公里外的原始冰冻星体

2017/11/27 0 幻灯模式

导读:2018年12月31日,当人们即将跨入新年时,远在64亿公里之外的新视野号也将迎来新的探索里程碑。它将以每秒12.8公里的速度飞过一颗柯伊伯带天体,并进行探测,有望揭开太阳系形成的秘密。美国《探索》杂志近日撰文,为我们讲述了搜寻这一新探测目标的背后故事。以下是文章全文:

2017年7月17日,天文学家在阿根廷里瓦达维亚海军准将城(Comodoro Rivadavia)外放置的望远镜旁蹲守。这座城市也被称为风之都,因此研究人员不得不使用SUV和大型卡车来当作放风墙,以稳定他们的望远镜。

7月17日,阿根廷巴塔哥尼亚一片荒凉的海岸上,天文学家艾伦·斯特恩(Alan Stern)躲在一辆半挂卡车后面,为他的望远镜挡风。此时正是南半球深冬,午夜时分当地的风力可以达到时速64公里。

作为新视野号探测冥王星任务的负责人,斯特恩是其中的56名科学家之一。他在阿根廷大西洋沿岸部署了20多台小型望远镜,绵延48公里。然而,大风让望远镜不停的晃动,一些研究人员只好在钢架支撑起的4.5米高防水布后躲避,还有一些人则在海滩上的天然洼地内避风。

斯特恩说:“观测条件非常糟糕。但在太空,天空总是透澈的。”

斯特恩的团队今晚要观测的是一颗编号为2014 MU69(以下简称MU69)的遥远天体,远在64亿公里之外,是一个22公里宽的阴暗世界,几年前才刚刚发现。当天,这个远古天体将从背景恒星的前方经过,届时被遮挡的恒星亮度将降低,这一过程也被称为“掩星”,有点类似一次迷你版的日食。

通过观测“掩星”过程,天文学家就能了解MU69的大小,形状以及反射率等特征,从而让新视野号的团队在明年拜访它时,能够知道如何让飞船定位及校准相机。最为关键的是,“掩星”过程恒星亮度的变化也能反映MU69周围可能存在的碎片情况,它们对于新视野号是致命的。

就像日全食期间,月球投下的影子会在地球表面高速移动一样,“掩星”的投影将以9.6万公里的时速扫过巴塔哥尼亚,因此,要捕捉到“掩星”过程不那么容易。况且,斯特恩团队前两次的观测尝试都失败了,7月17日将是他们最后的机会。

好在功夫不负有心人。斯特恩的24台望远镜中有5台捕捉到MU69遮蔽恒星的过程,还原出它的一些细节特征,而这是通过其他方式无法获取的。

2017年6月3日,7月10日,7月17日,总共有三次机会观测MU69的掩星过程。但前两次新视野号团队都失败了。7月17日在阿根廷的观测是最后一次机会,好在他们成功了。

实际上,MU69到地球的距离比冥王星还要远16亿公里,远远超出八大行星的轨道,它将有望成为迄今人类探测器造访过的最遥远天体。

MU69只有十几公里长、大小与曼哈顿相当,现在它已经做好了被近距离探测的准备。2018年12月31日,美国宇航局的新视野号探测器将以大约每秒12.8公里的速度飞过MU69,并持续探测几个小时。

据悉,MU69已经存在了近40亿年,斯特恩说:“它一直处于零下240摄氏度的极寒冷冻状态,所以它是太阳系诞生后被完好保存的一件遗物,以前从未有人触及这里。”

2年前刚刚飞越冥王星的新视野号将在明年12月31日飞过一个新的天体2014 MU69

我们的邻居

大约一个世纪前,太阳系行星看起来被划分成两类天体:类地行星:水星、金星、地球、火星,以及外围的巨型气体行星。后来,克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)在1930年发现了冥王星,它位于太阳系的边缘,看起来非常孤单。

科学家对这种异样的天体感到疑惑,不少人预言可能还存在类似的天体,并认为它们是第三类行星。但是汤博搜寻多年,也没有再发现过另一颗“冥王星”。

半个世纪后,相关的证据才接踵而至。首条线索就是天文学家发现冥王星的大型卫星——卡戎。他们很快就意识到,太阳系外层的两颗矮行星相撞可能导致了冥王星和卡戎的形成。不过,发生类似碰撞的概率非常小,除非还有很多类似冥王星的所谓“第三类行星”。

早在1991年,斯特恩就做过计算,如果太阳系外层仅有两个类似冥王星的天体存在,它们碰撞的概率不到百万分之一,如果加入附近偶然观测到的一些天体,碰撞概率则会大增。而只有当太阳系外层游弋着成百上千的矮行星时,冥王星和卡戎的成因才解释的通。

1992年,天文学家已经有了证明他们理论推测的工具。借助于夏威夷一台装备有当时最先进数码照相机的望远镜,天文学家发现了一个160公里宽的小天体,编号1992 QB1,也被称作“笑脸(Smiley)”。目前,天文学家已经在该区域发现了1000多个天体,它们所在的这个区域现在也被称作“柯伊伯带”。它位于海王星轨道外,呈盘状,充满冰冷的天体,其中最著名的成员当属冥王星,不过另一位成员也即将走进聚光灯下。

根据地面望远镜的观测,研究人员只能获得MU69中心的大致形状,它可能是一个单体结构,类似像一个土豆(图左),也可能是双体结构(图右)

冰封世界

天文学家怀疑2014 MU69(简称MU69)是一个典型的柯伊伯带冰冻天体。这类天体没有受到太阳的侵扰,一直处于它们形成时所在的轨道上,记录着46亿年前太阳系诞生初期的信息。尽管小行星也是非常好的时间胶囊,但它们会被木星的引力拽过来,从而遭受太阳辐射,导致表面的原始物质受到破坏。

而那些柯伊伯带天体并不存在类似情况。在它们的周围不存在大型行星,由于距离遥远,太阳光与遥远的恒星一般黯淡,难以改变它们的表面。它们因此堪称是早期太阳系原始星云的残骸,这些由气体尘埃构成的星云形成了现在的太阳和行星。科学家认为,在恐龙诞生前甚至是地球形成之前,MU69可能就早已存在了。

美国行星科学研究所天文学家苏珊·雷贝基(Susan Benecchi)就说:“我们即将造访太阳系最古老的天体,这非常令人兴奋,它将为我们提供前所未有的信息。”

遇见红色

MU69是一个典型的柯伊伯带冰冻天体不仅因为它在太阳系的位置,还与它泛红的外观有关。哈勃望远镜观测过上千个类似天体,它们也都呈现相似的红色。科学家曾对MU69比冥王星还红的色彩感到非常惊讶,难怪有人将其称之为“另一个红色星球”。

在实验室中制造的索林(Tholin),它是一种有机化合物,它们可能遍布太阳系。

实际上,这些红色都来自一种碳纤维,卡尔萨根称之为“索林(Tholin)”,它们能够吸收蓝光从而显现红色。北亚利桑那大学天文学家史蒂芬·泰格勒(Stephen Tegler)称:“当你在太阳系外层看到一些红色的天体时,通常说明它们的表面覆盖了一层复杂的有机分子。”

约翰霍普金斯大学的行星科学家萨拉·赫斯特(SarahHörst)曾模拟过冥王星的大气环境,她解释说,如果你能抓一把冥王星表面的红色“索林”,你会发现它们是一种粘性粉末状物质,并且带有大量静电。

如果MU69的表面没有发现太多撞击坑,那么太阳辐射就是塑造其外观和表面颜色的主要因素,这也是形成“索林”的首要条件。赫斯特表示:“太阳辐射可能会形成一层索林,覆盖整个MU69。尽管我对此还不确定,但我们就要去查明到底会怎样,这非常令人激动!”

行星如何形成

近距离的探测MU69还有助天文学家解答另一个基础科学问题:行星是如何形成的?最初的太阳系充满了微小的石块,但后来它们形成了行星、小行星和其他天体,天文学家迫切的希望解开这背后的谜题。

新视野号科学家约翰·斯宾塞(John Spencer)说:“太阳系原始星云能自然形成的卵石大小的物体,再聚集成数十英里甚至数百英里大小的天体,这在理论上很难。“在计算机模型中,这些天体在相撞后更多是粉身碎骨。

天文学家开始猜测,早期太阳系中存在混杂着气体的石块,它们之后聚集到一块,渐渐变大直到和MU69一般大小。为了验证这一猜想,天文学家需要更近距离的研究遥远而微小的柯伊伯带天体,而在地球上不可能做到,就像新视野号团队尝试在巴塔哥尼亚了解MU69的大小和外观一样困难。

斯宾塞说:”我们非常希望期待看到它们的真实样子!“

新视野号飞行路线示意图。在飞行64亿公里之后,新视野号将以每秒12.8公里的速度飞越它的新目标,一个不到32公里宽的柯伊伯带天体。

最遥远的飞越

当然,说起来容易做起来难。即便是当初找到MU69也是一项艰巨的任务。美国西南研究所科学家马克·布伊(Marc Buie)花费了近十年时间,为新视野号寻找冥王星以外的第二探测目标。2006年,新视野号升空2年后,他就开始了这项工作。

然而,这谈何容易!为了能够在九年内,跨越30个天文单位(1天文单位等于日地距离)抵达冥王星,新视野号被设计得非常轻巧,轨道设计也非常精妙,途中得以借助木星引力加速。这一切都意味着新视野号在探测过程中需要最大限度的节省燃料。因此,布伊除了知道冥王星之后的第二目标需要非常靠近新视野号的航线外,其他一无所知。

更为要命的是,搜寻新目标的区域恰好与银河系方向重合,在晚上满是星点。幸运的是,就在新视野号飞越冥王星前一年,布伊的团队有了收获——MU69出现了,其他人也有充足的时间验证其位置,以及调整新视野号的轨道方向。

找到MU69后,布伊和其他人就开始计算它的轨道,测算出它将发生一次”掩星“,并最终让巴塔哥尼亚的海滩出现了那些被风吹打的望远镜。值得庆幸的是,MU69周边没有发现对新视野号构成潜在威胁的情况。

斯特恩说:”所有这一切都需要我们自己完成,没有人会再去做类似的事情。我相信,有一天有人也许会探索得更远,但新视野号的纪录也许会持续几十年,一个世纪……“(dogstar)

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