9 重新認識冥王星
1930年2月18日，在美國的洛威爾天文台，一位叫克萊德·威廉·湯博（Clyde William Tombaugh, 1906—1997）的24歲青年坐到了閃視比對儀前。這種儀器的原理其實很簡單：在它的工作麵上可以一左一右放入兩張天文照片，觀察者通過一個觀察目鏡來觀察照片，有一個切換扳手可以快速切換目鏡中呈現的是左側還是右側的照片。這樣一來，觀察者就很容易看出兩張照片的微小差異。這有點像是一個破解“大家來找茬”遊戲的神器。為什麽要這麽設計呢？因為在那個年代，天文學研究特別像是玩“大家來找茬”的遊戲。想象一下，假如你在同一片天區的不同時間拍下兩張照片，在忽略掉所有天體都存在的總體移動後，用這種方法就可以發現在天空中異常移動的天體。夜空中絕大多數天體都是相對不動的恒星，如果找到了一顆會移動的天體，往往就意味著一顆新的行星或者彗星被發現了。在那個年代，發現這類新天體是天文學的重要活動之一。但這個遊戲是極其枯燥的，絕對需要超出常人的毅力。
湯博就是這樣一個有著超常毅力的年輕人。他這次放入的兩張照片前後相隔了5天，他操作著扳手，迅速地來回切換著。他驚喜地發現，這兩張照片中存在一個明顯移動的光點。就這樣，冥王星被發現了，而24歲的湯博也因為這個發現被永久地載入了天文學的史冊。
在很長一段時間內，冥王星都是以太陽係第九大行星的地位存在的，直到2006年，國際天文學聯合會（International Astronomical Union, IAU）把它降格為矮行星(1)。從此，太陽係就變成八大行星了。冥王星繞太陽一圈需要248地球年，所以，從發現它至今，還不到半冥王星年。冥王星的公轉軌道也很特殊，太陽係八大行星的公轉軌道基本上都是處在同一個平麵上的，但冥王星的軌道卻是傾斜的，與黃道麵有一個17°的夾角，就好像有人瀟灑地歪戴著帽子。而且它的公轉軌道和海王星的公轉軌道有交叉。也就是說，冥王星每一圈都在相當長的時間裏比海王星距離我們更近。事實上，在20世紀八九十年代的大部分時間裏，海王星才是太陽係裏離我們最遠的行星。到了1999年2月11日，冥王星才回到外側的軌道，它將在那裏停留228年的時間。
在新視野號抵達冥王星之前，我們對冥王星的認知非常有限。因為冥王星不但離我們很遠，而且體積非常小，它比月球還小。所以，它在夜空中不可能被肉眼看見。下次你抬頭看木星的時候，就想象一下把你看到的這顆星星縮小到1/4900，那差不多就是冥王星在我們眼中的大小（假如肉眼能看到的話）。所以，即便是在哈勃太空望遠鏡這麽強大的觀測能力下，冥王星也不過就是一個小小的圓盤，除了表麵上似乎有一些大規模的斑塊外，幾乎看不到任何細節。此外，我們還知道冥王星有五顆衛星，它有稀薄的大氣，它的表麵是紅色的，含有固態的甲烷、氮和一氧化碳。還有證據表明，它的一個極區覆蓋著冰蓋——當然不是水冰，而是氮冰。人們對冥王星的知識，在新視野號抵達之前，基本上也就是這些了。
2015年7月，在被人類發現的第85年，冥王星終於迎來了它的第一個地球訪客——新視野號。新視野號沒有令我們失望，它帶給了我們許多意想不到的發現。
在新視野號抵達前，行星科學家們對冥王星的表麵是否存在凹凸地貌已經爭論了數年。一些科學家認為，冥王星的表麵不可能存在太大的起伏，因為氮冰十分脆弱，很容易在自身重力下坍塌，所以厚厚的一層氮冰讓冥王星不可能形成任何高海拔的地貌。新視野號擁有立體視覺，它能像我們的眼睛一樣，從兩個不同的角度觀測地形，拍出立體的相片，然後估算冥王星表麵地貌的海拔高度。當新視野號抵達冥王星時，最初獲取到的一些高清圖像就表明，這顆行星表麵的山脈高度可達驚人的4500米。這說明冥王星表麵的氮冰或許隻是一層薄薄的殼，在它下麵有山脈。
進一步的數據顯示，冥王星的地貌多樣性令人驚歎，有大片的冰川、綿延幾百千米的斷層係統和巨型冰塊碎裂產生的雜亂多山的地貌，還有被消退的甲烷冰所切削出來的懸崖。在一些山上，還有甲烷構成的雪頂。另外，還發現了幾千個直徑1.6—10千米的深坑，估計是赤道平原處的氮冰升華形成的。
一個非常重要的發現是，冥王星表麵有一塊巨大的冰川，當然也是氮冰冰川，它被命名為“斯普特尼克平原”（Sputnik Planum）。這是為了紀念人類發射的第一顆人造衛星——蘇聯的斯普特尼克1號（Sputnik-1）。這塊平原的麵積達到了80萬平方千米，相當於八個江蘇省那麽大。新視野號還觀測到，周圍的山脈會通過冰川或者雪崩為它補充冰。
按照傳統的觀點，冥王星這麽小的天體應該很早就冷卻了，不應該再有什麽地質活動。但是觀測證據表明，這種觀點完全錯了，有兩個發現證明冥王星存在活躍的地質運動。
第一個證據是，在斯普特尼克平原上有紋路，而且有冰在流動，這說明平原下麵有熱源，從而產生了活躍的地質活動。
第二個證據是，冥王星表麵的撞擊坑分布極不均勻。既有40多億歲飽受摧殘的古老表麵，也有1億—10億歲的中年表麵，還有幾乎沒有任何撞擊坑的大平原，年齡不會超過3000萬年，甚至有可能年輕得多。這樣大的地表年齡跨度是科學家們始料未及的，這充分證明冥王星有活躍的地質運動。但是，這些地質運動的能量來源是什麽呢？這就是新視野號留給我們的謎題了。
通過分析新視野號發回的照片，冥王星又帶給我們另一個謎題。根據可見光-紅外成像光譜儀的探測數據，科學家們發現冥王星上有水冰。發現水冰倒不算稀奇，像冥王星這樣的冰凍星球，有水冰是很正常的，太陽係中的絕大多數冰凍星球都有水冰，可以說水是太陽係中最常見的物質之一，隻不過液態水是極為金貴的。但這次的發現很不尋常，因為新視野號發現了暴露在地表的水冰。
這就很奇怪了！相對於氮冰、甲烷冰來說，水冰的揮發性要低得多，因為前兩種氣體的揮發和凍結造成的降雪應該會頻繁得多，這樣一來，冥王星上的絕大部分地區都應該被氮冰和甲烷冰等更具揮發性的冰覆蓋。水冰一般會被掩埋在其他冰層的下麵，很難露在地表。而且，更奇怪的是，新視野號隻在冥王星的紅色區域發現了**的水冰，它們之間是否有特殊關聯呢？對此我們還無法給出一個令所有人信服的解釋。
另一項有趣的發現是，冥王星的天空是藍色的，和地球上的藍天居然很像。這次新視野號對冥王星的大氣層有了進一步的了解。冥王星大氣層也有幾十萬米厚，有十多個同心的霧層，這些霧層由一種很複雜的有機分子構成，這種有機分子與土衛六大氣中的有機分子有本質的相似，他們被卡爾·薩根命名為“索林斯”（Tholins），正是這些有機分子讓冥王星的天空看起來是藍色的，但冥王星的上空幾乎沒有雲。
我幻想著有一天，當宇航員踏足冥王星時，他們抬頭看到美麗的藍天，會不會有一種恍惚回到地球的感覺呢？然而，2019年5月發表在《天文學和天體物理學研究》 （Research in Astronomy and Astrophysics）雜誌上的一篇論文無情地擊碎了我的這個幻想。(2)
在這篇論文中，來自澳大利亞塔斯馬尼亞大學的安德魯·科爾（Andrew Cole）和他的研究團隊宣布：冥王星大氣很可能在2030年消散殆盡！他們的計算表明，在過去30年裏，冥王星的大氣壓增加了兩倍。數學模型顯示，隨著時間的推移，冥王星大氣的大部分將被凝結。預計到2030年的時候，整個星球的大氣都會消失。也就是說，假如他們的計算是正確的，那麽，當宇航員踏足冥王星時，他們將無法看到藍色的天空。
新視野號對冥王星的質量、體積、形狀都進行了非常精確的測量，有了這些數據，行星科學家們就可以構建冥王星的內部結構模型。他們間接證明了冥王星在地表幾百千米下的溫度和壓強有望達到水的熔點。換句話說，那裏可能存在液態水的海洋。
除了以上這些較為重大的發現，新視野號還有一些有趣的小發現。例如，冥王星上的固態甲烷堆積成了一座座高度超過300米的尖塔，規則地排列在一起，綿延幾百千米。還有年輕的巨型冰火山，隻有3億到6億歲。還有一定的跡象表明，冥王星上有可能存在河道網絡和一個冰凍的湖泊，這意味著冥王星以前的氣壓要高得多，甚至比今天的火星還要高，當時**可以在地表流動，甚至能形成湖泊。
所有這些發現都讓科學界震驚——矮行星的複雜程度，竟然也能和地球、火星比肩。
冥王星有五顆衛星，其中最大的一顆叫卡戎（Charon）。實際上，卡戎算不算是冥王星的衛星，一直有很大的爭議。因為與冥王星相比，卡戎的個頭實在是太大了，它的直徑剛好是冥王星的一半。也就是說，一個冥王星是八個卡戎的大小。因此，它們的共同質心(3)是在冥王星外部的。所以準確地說，並不是卡戎繞著冥王星轉，而是它們手拉著手一起轉圈。另外，卡戎的質量也足以讓它成為一個球形。所有這些特征都符合國際天文學聯合會2006年對矮行星的定義。所以，冥王星和卡戎應當構成了一個雙矮行星係統。但習慣的力量很強大，從1978年發現卡戎起，我們就一直把它叫作冥王星的衛星，很難改過來了。
這次新視野號也對卡戎和另外四顆衛星進行了觀測，人類首次看到了卡戎的外貌。卡戎也是一顆發紅的天體，最明顯的特征有兩個：一個是顏色特別紅的極區，還有一個就是一條很深的大峽穀，比美國的科羅拉多大峽穀還要深5倍，峽穀兩邊有大量的山脈。卡戎沒有大氣，表麵也沒有易揮發物質。不過，在卡戎的表麵覆蓋著特有的氨冰。通過對撞擊坑的計數，科學家們推測出卡戎的表麵似乎有40億歲了，而且不同地區的年齡差異不大，這說明卡戎是一顆死氣沉沉的星球，地質活動在它形成後不久就停止了。
那個特征最明顯的紅色極地冰蓋，根據推測，似乎是由甲烷和氮構成的。科學家們推測，這些物質來自冥王星，它們從冥王星的大氣層中逃逸出來落在了卡戎冰冷的兩極，在那裏經過紫外線的照射變成了紅色的碳氫化合物，也就是索林斯。
冥王星的另外四顆衛星都很小，小到無法形成球形。新視野號在它們身上也發現了一些奇怪的事情，它們的表麵物質幾乎和卡戎一樣，但是光反射率卻是卡戎的2倍，這就顯得很奇怪，目前還沒有合理的解釋。
要特別提醒的是，以上那麽多豐富的發現，可不是像我們之前探測其他大行星那樣，探測器繞著大行星一圈圈地轉，逐步收集到的數據。因為冥王星的質量太小，探測器的相對飛行速度大約是14千米／秒，根本不可能泊入冥王星的軌道，成為冥王星的衛星。新視野號隻能在飛掠冥王星的時候，一次性地采集所有需要的數據，然後再全部發回給地球。這就好像你坐在高鐵上，呼嘯著經過一個小站，你隻能先記錄下看到的一切，然後再慢慢分析。
新視野號記錄下來的所有關於冥王星係統的數據都已經在2016年年末傳回了地球，但分析工作還遠沒有結束。這些數據的體量非常龐大，需要很多年才能消化完，預計還會有更多有關冥王星表層結構、內核、起源、大氣，以及衛星的科學發現。
新視野號圓滿完成了探測冥王星的既定任務，狀態一切良好，並且還攜帶著寶貴的變軌燃料。對於任何深空探測器(4)來說，燃料都是最為珍貴的東西。一般來說，隻要燃料沒有用完，科學家們是不可能讓探測器退役的。新視野號的任務自然也不會就此結束，阿蘭團隊決定讓新視野號繼續探測柯伊伯天體帶中的小天體。
他們要在新視野號前進的路線附近尋找一個目標，稍微調整一下新視野號的航線，在盡可能少用燃料的前提下，讓它朝著目標飛去。最終，他們選定了一顆名為2014MU69的小天體作為探測目標。這個名字聽著有點像是中國東方航空的航班號。這塊古老的紅色岩石在遠離太陽的深空中，被冰冷地封存了40多億年，保持著太陽係形成之初的原始狀態。這很像是一次太陽係考古活動，讓我們可以回溯到太陽係形成之初。令阿蘭他們沒想到的是，這個決定讓新視野號在2019年年初再次成為全世界的焦點。
這個小天體最初是在2014年由哈勃太空天文望遠鏡發現的。這已經是新視野號起飛後的第8年。但是它的發現並不是一個偶然，科學家們早就在思考新視野號飛掠冥王星之後的下一個任務，他們需要提前為新視野號規劃探測目標。於是，NASA的科學家們利用哈勃望遠鏡為新視野號物色目標，2014年發現的這個小天體就是其中之一。當MU69被確定為新視野號的下一個探測目標後，NASA舉辦了一個麵向全世界的征名活動。來自世界各地的11.5萬人給出了3.4萬多個名字，最終，NASA為MU69選定的名字是“Ultima Thule”，這是一個拉丁文名字，含義是“超越已知世界的邊界”。它的中文譯名很傳神，叫“天涯海角”。新視野號預計飛掠它的時間是2019年1月1日。
一切都在牛頓定律的精確預言中發生，分秒不差。新視野號提前一天就開啟了全套設備，開始對“天涯海角”進行觀察。2018年12月31日，第一張照片傳回，這是新視野號在距離“天涯海角”約50萬千米的地方拍攝的。阿蘭和他的團隊驚訝地發現，“天涯海角”竟然是一個葫蘆的形狀。用阿蘭的話說，這張2018年拍攝的照片太像一個“8”字了。第二天，2019年來臨了，世界協調時間淩晨5點33分，新視野號在距離“天涯海角”3500千米處飛掠，所有的相機同時啟動，數據以光速發回地球，大約4個小時後，阿蘭團隊收到清晰的“天涯海角”照片。在第二天召開的新聞發布會中，阿蘭說：“這就是幾天前，也就是2018年12月31日得到的圖像。這是新視野號在大約50萬千米範圍內獲得的‘天涯海角’的圖像，這是人類目前能獲得的最棒的圖像。好吧，這個圖像是如此2018。讓我們來見見‘天涯海角’2019版吧。就像（新視野號）對冥王星的探索一樣，我們的喜悅無以複加。你所看到的是航天器探索史上的第一個密接雙星。這是兩個完全獨立的對象，但現在，它們連接在了一起。”
從傳回來的清晰照片中，我們可以看到，“天涯海角”由一大一小兩個紅色岩石球體構成。阿蘭把這個形狀比喻為“雪人”，這種形狀在太陽係中極為罕見，不過，著名的哈雷彗星的彗核也是這個形狀。45億年前，在太陽係形成的初期，太空中的兩個小碎片一邊互相圍繞著旋轉，一邊彼此靠攏，最終萬有引力把它們粘在了一起。“天涯海角”就像是太陽係中的活化石，生動地向我們展示了太陽係早期行星的形成過程。新視野號就像一台時光機，把我們帶回了太陽係的誕生之初，讓我們看到了凝固的時間。對“天涯海角”的進一步研究，有助於我們了解太陽係的行星是如何形成的。
新視野號目前的服役期是到2021年，它至少可以近距離地研究24顆小天體，同時，它還將在柯伊伯帶深處測量宇宙環境的性質，如氦氣、太陽風，以及遠離太陽勢力範圍的帶電粒子等。阿蘭相信，5年服役期結束後，NASA還會進一步延長新視野號的探測任務，直到2035年或更久，因為新視野號目前狀態良好，還有足夠的燃料和電力供它繼續運行並與地球通信。我相信新視野號在未來的很長一段時間內，還會一直給我們帶來各種意想不到的新發現。在這裏，我要向阿蘭和他的團隊表達我的敬意，他們的出色工作滿足了我們無止境的好奇心。
下一章，我們要從太陽係的邊緣回到離太陽最近的一顆行星——水星。在日常生活中，“水星沒有水”常常和“熊貓不是貓”“煙花不是花”一起來形容不合邏輯的命名方法，然而，水星上真的沒有水嗎？
(1)矮行星（dwarf planet）：又稱“侏儒行星”，體積介於行星和小行星之間，圍繞恒星運轉，質量足以克服固體引力以達到流體靜力平衡（近於圓球）形狀，沒有清空所在軌道上的其他天體，同時不是衛星。
(2)J. Desmars, E. Meza, B. Sicardy, Pluto’s Ephemeris From Ground-based Stellar Occultations (1988–2016) [J], A&A, May 2019: Vol 625, Issue A43, pp14.
(3)共同質心（center of mass），質量中心，指物質係統上被認為質量集中於此的一個假想點。
(4)深空探測器（space probe）：又稱空間探測器或宇宙探測器，其顯著特點是必須具備在空間中長期飛行的自主導航能力，必須采用核能源係統，需要采用特殊的防護結構和特殊的形式。