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Jul. 13 2015

飛越冥王星

  • 飛越冥王星

    飛越冥王星

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7月中時,NASA的太空船將已航行大約50億公里,並且從距離冥王星1萬2500公里處飛越它。圖為冥王星與其五顆已知衛星中最大的一顆,冥衛一。Art by Dana Berry

撰文:娜迪亞.德瑞克

繪圖:戴納.貝瑞

 

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小而寒冷又遠得離譜的冥王星,長久以來一直嚴守自己的祕密。
自1930年被發現以來,這顆矮行星就一直繞著超越觀測範圍的軌道運行,它結霜的表面是個模糊的謎團,就連最高倍率的望遠鏡也無法將它看清楚。我們知道冥王星的存在。但我們並不真正認識它。

然而這將在7月14日改變,那一天,美國航空太空總署(NASA)的新視野號太空船預計將飛到距離這顆冰凍的矮行星1萬2500公里處。若一切順利,這次短暫的近距離飛越將揭露古典太陽系理論中最後一個未知的世界。我們終於能與這顆星球面對面,真正看見它和它最大衛星冥衛一(凱倫)的表面。科學家對於可能的發現有一些猜想,但他們唯一可以確定的是,冥王星肯定會帶來驚奇。「我們想像中的冥王星將煙消雲散。」新視野號的計畫主持人艾倫.斯特恩說。

 

X檔案

這不會是冥王星第一次讓人意外。就在新視野號發射升空的2006年,冥王星從行星的名單中消失,重新以「矮行星」的身分出現。實際上,在冥王星被發現以前,它就已經是個難以了解的世界了。

早在1840年代,複雜的計算就已經預言在海王星軌道之外還有另一顆行星存在。以海王星質量計算的結果顯示,這顆冰巨星以及它的鄰居天王星的軌道不完全符合行星運動定律的預測。因此,有些天文學家推論太陽系邊緣至少有一顆大型的未知天體在影響這些冰巨星,導致它們以異常的路徑繞行太陽。

到了20世紀初,尋找這顆失落星球的努力愈來愈熱烈:不論是誰找到它,就能獲得發現五十多年來第一顆新行星的殊榮。波士頓富紳帕西瓦爾.羅威爾積極投入尋找這顆他稱為「X行星」的離群天體;在此以前,他最為人知的事蹟大概是宣稱在火星表面觀測到灌溉渠道。羅威爾早已在亞利桑那州的夫拉格斯塔弗建造了自己的天文臺,而尋找X行星的努力就在1905年以這座天文臺為中心展開,羅威爾不斷計算又重新計算這顆行星的可能位置,還為了搜尋它借來儀器。然而直到他於1916年逝世時,還未能證實X行星確實存在。

時間快轉至1930年。一個2月傍晚,24歲的克萊德.湯博在羅威爾天文臺值勤。剛從堪薩斯州農場搬來的湯博,任務是尋找羅威爾那顆難以找到的行星。他從未受過正式的天文學訓練,但自己學會了製造望遠鏡的技能,有時用的是舊車零件和其他意想不到的材料。

他是個完美主義者。「我種蜀黍時,」他在1980年出版的回憶錄中寫道,「田裡的作物一定要筆直成排,不然我就會不高興。後來我必須檢查每個可疑的星球,不管它有多暗淡……那是我做過最乏味的工作。」

湯博使用一臺稱為閃視比較鏡的儀器,花了大約一年的時間尋找這顆失落的星球。這臺嘈雜的機器讓觀賞者能夠來回比對長時間曝光拍攝的天空照片,照片上通常有數十萬顆星星,而且是相隔幾天拍攝的。任何在間隔的時間內移動了相當距離的天體(如行星或小行星),在照片被翻動時看起來就會像是在移動。

那天,也就是2月18日的傍晚,湯博正在操作比較鏡,瞇著眼睛觀察上千顆星星,評估每一顆星球。突然,在1月分間隔六天拍攝的照片裡,他注意到一個會變動位置的微小光點。在一張照片裡,它位於兩顆明亮星星的左邊。在下一張照片裡,它跳到了這兩顆星星的右方幾毫米處。湯博來回切換照片,看著這個圓點從原本的位置來回跳躍。他抓了一把尺,測量這個圓點位置的精確差距。接著他拿出另一張拍攝於1月稍早的天空照片,尋找同一個圓點。最後,他靠著手持放大鏡在另一組由不同照相機所拍攝的照片裡確認了這顆潛在行星的存在。45分鐘後,湯博已深信不疑。


他找到X行星了。

 「你看到冥王星的圓點時,會發現它非常小,」在羅威爾天文臺工作的新視野號研究團隊成員威爾.格朗迪說。「你真的得盯著這些照片看才行。我不知道他怎麼沒瞎掉。」

「你看到冥王星的圓點時,會發現它非常小,」在羅威爾天文臺工作的新視野號研究團隊成員威爾.格朗迪說。「你真的得盯著這些照片看才行。我不知道他怎麼沒瞎掉。」

經過幾週的後續觀察,羅威爾天文臺在3月13日公布湯博的發現。

然而天文學家幾乎馬上就察覺事有蹊蹺。這個跳躍的光點太微弱了,不可能是X行星。即使是當時最好的望遠鏡也無法清晰顯現這顆星球的圓盤,這代表這個天體很小,小到不足以構成那兩顆冰巨星軌道異常的原因。

「他們本來期待會找到比這更亮、更大的天體,」哈佛-史密森天體物理中心榮譽天文學家兼歷史學家歐文.金格瑞契說。「儘管如此,他們認為這顆星球的大小可能和地球差不多。雖然比天王星和海王星小得多,但還算是顆有點分量的行星。」

羅威爾天文臺首先必須為這顆新行星命名。數百封信件湧入。「蜜涅爾瓦」是初期最有可能獲選的名字。

在大西洋另一邊,一名11歲、名叫薇妮莎.柏尼的英國女孩隨口提出了「冥王星」這個名字,即羅馬的冥界之神。這個黑暗的名字似乎很適合這顆位於晦暗邊境的行星,而且也符合以神話人物命名的傳統。於是在5月1日,羅威爾天文臺正式宣布將X行星命名為冥王星。

但這顆天體的軌道怪異又傾斜,而且體積也小得令人困惑,仍然是個難解之謎。多年來關於湯博發現的這顆行星的估計質量不斷縮小、縮小……再縮小,直到最後科學家完全將它從行星之列除名,並且在2006年將它重新歸類為矮行星。

透過觀察冥王星與其衛星冥衛一之間的相互作用,科學家現在知道冥王星的質量只有地球的千分之二。冥衛一在1978年被發現,體積幾乎是冥王星的一半――大到與冥王星形成一個雙星系統。它們繞著彼此間的一個點公轉,形成雙矮行星,在一個至少還有四顆衛星、複雜驚人的系統中心不停轉動。

科學家懷疑冥王星或許還有更多衛星,其中有些衛星可能共用或互換軌道,而且可能是混亂無序地自轉,而非繞著固定的軸轉動。

「即使這次又發現讓我們驚訝的古怪現象,我也不會意外,」新視野號團隊中的博士後研究員艾利克斯.帕爾克說。

到了1980年代晚期,NASA的「航海家2號」太空船已經飛掠過四顆巨行星的領域,揭露了海王星的真正質量(相當於17個地球)。當科學家將這個數字輸入以前用來預測有第九顆行星存在的舊方程式裡時,一切運作都符合預測。天王星沿著一條可預測而乏味的路徑繞行太陽。從來就沒有另一顆大型行星拉扯著天王星的軌道。但若沒有當年錯誤的計算,以及一名男子驚人的耐心,我們可能還要等幾十年才會發現這顆真實存在的小星球。


激烈的誕生

冥王星不再是行星,它甚至不再獨一無二了。它是柯伊伯帶內的數千個天體之一,柯伊伯帶是一個在海王星外的巨大碎屑環,裡面有無數顆彗星和冰矮星。太陽系早期的印記仍印在這些有46億年之久的碎塊裡。

冥王星不再是行星,它甚至不再獨一無二了。它是柯伊伯帶內的數千個天體之一,柯伊伯帶是一個在海王星外的巨大碎屑環,裡面有無數顆彗星和冰矮星。太陽系早期的印記仍印在這些有46億年之久的碎塊裡。

柯伊伯帶的結構顯示,巨行星曾在早期經過劇烈重組,這場大遷徙讓小天體四處飛散。科學家希望能利用散布在冥王星和冥衛一表面的隕石坑洞,調查柯伊伯帶的天體數量,並且重建柯伊伯帶隨時間推移所產生的變化。這些測量數字不易取得,但是如果要統一關於巨行星遷徙如何塑造早期太陽系的不同想法,它們卻至關重要。「我們認為早期的柯伊伯帶大得多。」斯特恩說。

我們從這顆矮行星獲得的資訊,也能讓科學家一窺塑造地球的過程。從前,充滿氫氣和氦氣的外層包圍著新生的地球。經過數百萬年後,這片大氣逐漸逸散到太空中。斯特恩表示,雖然冥王星的大氣是氮氣構成的,但它是太陽系中唯一一個正在經歷類似過程、可供我們研究的星體。冥王星與地球的相似之處還不只如此。科學家認為冥王星的衛星冥衛一是因巨大撞擊而形成的,就像當初製造出我們的衛星(月球)的撞擊一樣。我們的衛星是撞擊所產生的熔融碎屑盤凝結後的產物,而從冥王星被拋射出去的冥衛一則相對完整。我們的衛星生成後,天空中的碎屑變得相對較少,而冥王星的引力較弱,因此撞擊產生的碎屑飛得較遠,讓這個雙星系統充滿太空碎石,可能會讓新視野號的到訪危機重重。


危險的旅途

NASA的這艘太空船從佛羅里達州的卡拉維爾角發射,穿過太陽系,每天平均航行近160萬公里。它在升空約一年後抵達木星,將這顆巨行星的引力當作加速器,藉此將旅行時間縮短了近四年。然而即使已經加速,新視野號還是需要再八年才能抵達冥王星。冥王星與太陽之間的平均距離是地球與太陽之間距離的40倍,冥王星上的最低溫可達近攝氏零下240度。

科學家不確定會在那裡找到什麼――或是這艘速度飛快的太空船是否能安全通過冥王星系統,因為這裡可能有隱藏的衛星和致命的塵粒等陷阱。「任何沙粒大的物體都可能對太空船造成危險,」尋找外星智慧(SETI)機構的馬克.修爾特說,他是這次任務風險評估團隊的一員。「如果有物體切斷了電力線路,或擊中中央處理器,可能就會對太空船造成無法修復的損害。」

在太空船與冥王星交會的前幾週,科學家會神經緊繃地分析新視野號取得的最新影像。一如當年的湯博,研究團隊將在影像中尋找任何會移動的東西,這些跡象就代表可能有正在拋出塵埃的隱藏衛星。「我們彷彿站在船的瞭望臺上……監測前方是否有暗礁,」修爾特說。

如果真的出現危險,科學家也已規畫了數條穿越冥王星系統的替代軌道。這些替代方案都必然會犧牲某些科學任務。不過再重要的任務也不值得讓太空船航向會讓它置身險境的路徑。「我們到沒人去過的地方,是為了看那裡有什麼,」修爾特說,「我們尋找的是驚奇,我只希望不會是我們不想要的那種驚奇。」

他們已經知道這顆矮行星是淡紅色的,這個顏色是陽光與星球表面的有機分子相互作用造成的,也知道它的表面覆蓋著不同的冰。哈伯望遠鏡拍攝的模糊照片顯示冥王星上有極暗與極亮的區域,有些科學家懷疑是有機化合物正在將這個矮行星的部分區域變黑。星球表面的其他區域則似乎顯示,在這片顏色深淺不一的地形上有季節性結霜的痕跡,而科學家如果在冥王星上看到間歇泉噴發,也不會太驚奇。冥王星上空有一層厚厚的氮氣大氣,體積可能有冥王星的350倍大。

「我猜我們會看到霧霾,可能還有厚厚的雲層,」科羅拉多大學波爾德分校的團隊成員法蘭.貝格納爾說。

但團隊成員幾乎什麼都猜,從冥王星的直徑、新衛星的數目,乃至冥王星和冥衛一上是否有隕石坑洞、峽谷或冰火山。有些成員甚至覺得冥衛一可能會搶了冥王星的風采。「這麼小的地方竟有如此豐富的系統,而且許多我們自以為知道的事情可能都是錯的,」西南研究院的約翰.史賓塞說。

要真正了解冥王星,我們必須到那裡去,從這顆星球的門前凝視它。雖然歷經85年,但我們終於要見到湯博這顆備受爭議的小星球了。在某種意義上,湯博也會見到它:新視野號搭載著一小瓶湯博的骨灰,這個象徵性的使者將航行經過冥王星,前往柯伊伯帶更深處,或許發現下一個仍待探索的小星球。


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