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千古“奇觀”:探索太陽系邊疆

  • 發佈時間:2015-07-15 02:31:11  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  飛了9年半時間、48億公里,美國研製的“新視野”(New Horizons, 又譯“新地平線”)號探測器,在北京時間14日晚間,從位於太陽系邊緣的冥王星身邊掠過,最近時相距1.25萬公里。

  航太專家、《國際太空》雜誌執行主編龐之浩嘆道。“新視野”的主要任務是探測冥王星及其衛星卡戎,此後還將飛向柯伊伯帶(Kuiper Belt),尋找太陽系起源和地球生命起源的線索。

  幾經週折趕上“末班車”

  冥王星與地球的距離較太陽系其他行星更遠,以前一直沒有探測器走近過它。上世紀90年代末,NASA(美國航空航太局)曾制定名為“冥王星—柯伊伯快車”的計劃,但因經費超支等原因被勒令下馬。

  幾經週折,美國得克薩斯州西南研究院和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室提出的“新視野”計劃獲得批准。這項計劃實際耗資7億美元,但能發回比柯伊伯快車計劃多10倍的觀測數據。

  然而該計劃的實施,卻面臨苛刻的要求。龐之浩介紹,2004年至2006年是發射冥王星探測器的最佳時間,其間發射,探測器能借助木星引力更快地飛向冥王星,大大節省燃料、縮短飛行時間,探測冥王星上沒有凍結的大氣。如果錯過此次“助推”,下次木星的理想位置要到2018年才出現。但那時冥王星離太陽更遠,其大氣層已經凍結,無法了解到大氣層的詳細狀態,再次大氣解凍則要等到23世紀。

  同時,冥王星及其衛星表面有陰影區,離太陽越遠,陰影區就越大,這會對繪製完整的冥王星及其衛星地圖造成困難。此外冥王星和卡戎上的極夜也會妨礙探測器的拍攝和探測。

  為此,科學家爭分奪秒地研製“新視野”探測器,2006年1月19日,它終於升空,趕上了“末班車”。“這是人類有史以來速度最快的飛行器。”龐之浩説,它以5.8萬多公里的時速,只用了9小時就飛過月球,而當年美國“阿波羅”飛船抵達月球則用了3天時間。接下來,“新視野”用13個月飛到木星,借助木星的引力將速度提升至每小時7.5萬公里,向冥王星飛去。

  最後階段曾失聯

  飛越木星以後,“新視野”攜帶的絕大部分儀器處於休眠狀態,以節約電力、延緩設備老化並降低運營開支。

  龐之浩説,該探測器每年僅被喚醒一次,每次大約50天左右,進行設備檢測和軌道跟蹤。剩下的時間,它處於慢自旋狀態,每週發回一次信標信號,報告自己是否正常。

  2014年12月7日,“新視野”又一次結束了休眠,這時它距離冥王星還有2.6億公里,這次喚醒標誌著探索冥王星及其衛星的活動正式開始。此後它一直保持“清醒”狀態,快速向冥王星靠近。

  龐之浩介紹,“新視野”對冥王星的探測共分為三個階段。

  從今年1月15日起,它陸續啟動塵埃計數器等設備,十天后開始用遠端勘測成像儀從遠處對冥王星拍照,不斷增強對冥王星的了解,並幫助自己導航,確定冥王星的具體方位。接下來的幾個月,它拍攝了數百張冥王星圖像,儘管這些圖像都只是小亮點,卻對科學家們設定適當的軌道修正參數提供了幫助。此外它還執行了一系列重要的科學操作,其搭載的科學載荷連續採集了行星際空間的環境數據,包括測量從太陽發出的高能粒子流、柯伊伯帶內側空間瀰漫的塵埃顆粒性質等。

  4月起,“新視野”的重點不再是導航,而開始集中精力“搞科研”。它對冥王星的觀測工作大大加強,5月中旬以後,其搭載的相機和光譜儀獲得品質和解析度空前清晰的冥王星圖像,並拍到解析度達1千米的冥王星表面圖像,從而可以用於對冥王星及其衛星進行精確度前所未有的全球地圖測繪。此前所獲得的冥王星圖像最高解析度為500千米左右,由“哈勃”空間望遠鏡拍攝。

  6月下旬,“新視野”進入最後衝刺階段。7月1日,它進行了最後一次目標定位,微調飛往冥王星路線,以探測冥王星表面冰凍甲烷。

  不幸的是,4日“新視野”突然失聯了。好在1小時21分鐘後通信恢復,但它由於故障而進入了安全模式。此次故障原因是兩條指令衝突,同時要求電腦進行大量運算,導致電腦不堪負荷。經過處理,它在三天后恢復正常,重新開始工作。此次故障讓它損失了30次觀測機會,不過在4日到16日這一重點觀測時間段內,這個損失還佔不到預定總觀測量的1%,所以影響不大。

  8日,美國接到“新視野”傳回的冥王星照片,圖中的褐色星球上有一個巨大桃心形明亮區域,寬度達2萬公里,還有一條巨大“鯨”形陰影。在赤道的另一側,還有四個神秘的“異形”黑點。這令天文學家們又激動又迷惑。

  13日,“新視野”做了探測前的最後準備。它把對冥王星的初始觀測數據傳回地球,以防自己在飛掠時發生不測。

  任務期間暗藏風險

  14日北京時間19點49分59秒,“新視野”將以49568公里的時速,到達此行最接近冥王星的位置,距離為1.25萬千米;15分鐘後靠近卡戎,最近距離為27358公里。

  龐之浩介紹,飛掠期間,遠端勘測成像儀能獲取兩道幅寬約80公里的冥王星地表遙感圖像,覆蓋整個正面半球,最高能拍攝解析度達80米的冥王星地貌;研究冥王星的大氣層,尋找冥王星上的雲和霧;是否還有未被發現的衛星。為了可以集中精力蒐集冥王星和卡戎的數據,“新地平線”探測器大多數時間都會保持無線電沉默,這段時間不會向地球傳回數據。

  此間,它還將探測冥王星大氣層發出的紫外線輻射,分別在綠、藍、紅和對甲烷霜敏感的特殊波段,繪製冥王星和卡戎清晰的地圖;還要在近紅外波長上獲取光譜圖,以了解冥王星及卡戎表面成分和這些物質的分佈及溫度等。

  龐之浩説,此次任務暗藏風險。任務中,“新視野”需避開可能存在碎片環,防範未發現的衛星。人類已知冥王星有5顆衛星,但它要觀測是否有第6顆衛星存在,假如發現了,就要計算是否會干擾到探測器的軌道。另外,此次飛掠大約會在21點02分結束,如果它沒有及時收到信號,有可能會與某個小碎片撞擊。

  如果任務成功,“新視野”會從15日起將冥王星和卡戎的照片和科學數據傳回地球。但受美國深空通信網路限制,探測器下行速率僅為每秒1.68千比特。這意味著,雖然冥王星和卡戎的“近景特寫”能很快發佈,但地面要接收完全部數據,可能要花費超過1年零4個月時間。

  完成對冥王星的考察後,“新視野”將在2017年至2020年進入柯伊伯帶,探測至少兩個直徑為40公里至90公里的柯伊伯帶天體。龐之浩介紹,柯伊伯帶是位於海王星軌道外側,散佈大量冰凍小天體的稀疏環形區域,此項探測可能會持續5年至10年。

  之後,“新視野”上的電腦將會被重置,上傳由“一個地球新地平線信件(One Earth:New Horizons Message)”項目收集的有關地球的各種資訊,包括世界各地的人提交的照片、聲音、文字甚至電腦程式。它將帶著這些來自地球的資訊,飛向遙遠的恒星際空間。

  (科技日報北京7月14日電)

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