【天文航天】冥王星之外,人类如何探索神秘柯伊伯带?

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被标题吸引到了有木有?让我们进入正题吧!

2015-7-16 23:59:36

对那些为“罗塞塔”号(Rosetta)空间探测器工作的人来说,2014年1月20日将是一个重要日子,这一天也许会是极好的一天,也许会是非常糟糕的一天。10年前,欧洲空间局(European Space Agency)将“罗塞塔”号这个重达3000千克的航天器发射升空,按照计划,该航天器将于2014年8月与一颗名为67P/楚留莫夫-格拉希门克(67P/Churyumov-Gerasimenko,简称67P)的彗星交会。如果一切顺利,“罗塞塔”号将完成一件人类从未尝试过的事情:进入彗星低轨道,释放一台名为“菲莱”号(Philae)的着陆器。在太阳的热力下,67P彗星冰冻的身躯正在逐渐变暖,“罗塞塔”号将追随前行。

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但首先,“罗塞塔”号要苏醒过来。在此前两年多的时间里,它一直蛰伏在节能模式。欧洲中部时间2014年1月20日上午11时,“罗塞塔”号的内置闹钟响起。在德国达姆施塔特的欧洲空间运行中心(European Space Operations Center)的一间控制室里,科学家和工程师们等待着。按照计划,“罗塞塔”号醒来后将会发回报告,尽管他们对“罗塞塔”号很有信心,但之前一个失败的案例依然像阴霾一样笼罩在他们心头:1993年,“火星观察者”号(Mars Observer)探测器与地面失去联系,并消失得无影无踪。有那么几分钟,科学家和工程师们感到噩梦又要重演了。

“我看到屋子里很多人的脸都白了,”霍尔格·谢克斯(Holger Sierks)回忆道,他来自德国马普太阳系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research),负责“罗塞塔”号上的光学和红外摄像机。在等待信号的短短15分钟内,时间就像凝固了一样。终于,一束电子信号从木星轨道之外抵达了达姆施塔特,“信号内容是‘我又回来了’,这让所有人都松了一口气,”谢克斯说

接下来的几周里,研究人员确认,“罗塞塔”号不仅结束了冬眠,而且各方面运转良好,已经做好了探测彗星的准备。它将回答彗星的结构、组成、运行规律以及起源方面的问题。67P彗星冰冻的躯体,自46亿年前太阳系诞生之初就几乎未曾改变。2014年11月,“罗塞塔”号会释放它的着陆器。着陆器将钻开彗星表面,发掘太阳系的历史。

在遥远的深空中,“罗塞塔”号并不孤单。经过9年的飞行,美国航空航天局(NASA)的“新视野”号(New Horizons,也译作“新地平线”号)探测器将在2015年7月,实现另一项突破:第一次飞临冥王星(Pluto)和它的5颗已知卫星。美国西南研究院(Southwest Research Institute)首席研究员艾伦·斯特恩(Alan Stern)报告说,“航天器的状态非常好。”虽然这两项任务彼此独立,但并非毫无关联。天文学家现在认识到,两艘航天器的探测目标冥王星和67P彗星,都是柯伊伯带(Kuiper belt)的成员。所谓柯伊伯带,就是位于海王星之外的一个庞大的、几乎未知的区域,其中存在着数以十亿计的冰冷星体,这些星体的尺寸小到几米,大到数千米。

过去20年,空间探测取得了一系列发现,而两艘航天器成功抵达各自的探测目标,将使空间探测成果达到一个顶峰,正如斯特恩所言:“这些发现使人们豁然开朗,改写了我们对太阳系结构的知识。”事实上,在短短20多年前,甚至没有人知道柯伊伯带的存在。自那时起,行星科学家们相继发现了几个冰冻的星球,它们的体积接近、甚至可以媲美冥王星。科学家从中发现了一些迹象,表明在很久以前,木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)和海王星(Neptune)的轨道曾经剧烈地变动过,这些迹象甚至还暗示,太阳系曾经存在第五颗气态巨行星。研究人员分析了1 500余个已知的柯伊伯带天体(Kuiper belt object,KBO)的大小和轨道,来研究这条带是如何形成的。他们想知道,原本干燥的地球上之所以能够形成海洋,真的是因为在柯伊伯带形成之初,有大量的冰从这里弹射到年轻的地球吗?

每一次这样的观测都为理解柯伊伯带的起源和演化,打开了一扇窄窄的窗户。把这些观测结果综合到一起,就像盲人摸象的寓言那样,人们开始拼凑关于柯伊伯带的结构、组成和演化的更全面的图像。现在,两艘航天器即将首次对两个非常不同的柯伊伯带天体进行近距离观测,这样一来,这幅图像将会变得前所未有的清晰。

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发现柯伊伯带

1930年,一位名叫克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)的年轻天文学家,在海王星之外发现了一个新星体。当时,天文学界包括他自己都坚信,他发现了“X行星”(Planet X)——传言已久的太阳系第九颗行星。在一名11岁英国女学生维尼夏·伯尼(Venetia Burney)的建议下,这颗行星被命名为“冥王星”。起初,研究人员计算得出,这颗新行星的质量会接近地球。但到了20世纪70年代,人们认识到冥王星比月球还要小、还要轻。汤博发现的其实是柯伊伯带上最明亮的成员。

然而,在上世纪80年代之前,没有人会想到柯伊伯带这个东西的存在,甚至包括杰勒德·柯伊伯(Gerard Kuiper)本人,柯伊伯带就是以这位荷兰裔美国科学家命名的。在上世纪50年代,柯伊伯提出,紧靠海王星外的区域可能曾经充斥着冰冻天体。不过他又认为,“大质量行星”冥王星的引力场会将这些冰冻天体散射到深空去,因此太阳系的这片区域目前应该是空空荡荡的一片。“事实和预言恰恰相反,”加利福尼亚大学洛杉矶分校的天文学家戴维·C·朱维特(David C. Jewitt)说道,他是外层太阳系观测的先驱。

几乎在同一时间,柯伊伯的同胞简·奥尔特(Jan Oort)猜测,那些被散射的天体,应该形成了原彗星(proto-comet),这些彗星组成了球形云,其运行轨道距离太阳大约有1光年。他还指出,如果这些原彗星偶然闯入了内太阳系,它就会变成一颗活跃的彗星。该机制巧妙地解释了,为什么会存在长周期彗星。那些长周期彗星的轨道周期长达200多年,它们会从各个方向掉入内太阳系。

不过,这套理论无法解释那些短周期彗星。短周期彗星大多是沿着大行星公转轨道平面飞来。对此,奥尔特给出的解释是,有些长周期彗星与巨行星交会时变成了短周期彗星。没有人能给出更好的解释。[或者说,几乎没有人给出更好的解释。一个特殊情况是,早在上世纪40年代,爱尔兰天文学家肯尼思·埃奇沃思(Kenneth Edgeworth)就提出一种假说,短周期彗星诞生于一个小星体聚集的、更近的地方。不过他只是顺带提及这个假说,而且没有详细描述。“如果你认为这只能算是一个预言,那好吧,我确实没法反驳,”迈克尔·E·布朗(Michael E. Brown)这样评价道。布朗是加州理工学院的天文学家,他在2005年发现了柯伊伯带天体阋神星(Eris),其大小和冥王星相当,这一发现导致冥王星在第二年被降格为“矮行星”。显然,布朗不认为埃奇沃思顺便提及的假说只能算一个预言,但总之,当时并没有人重视埃奇沃思的这个想法。

目前很多行星科学家都认可的,关于柯伊伯带的第一个正式预言来自乌拉圭天文学家胡里奥·费尔南德斯(Julio Fernandez)。他在1980年的一篇题为《论海王星外彗星带之存在》(On the Existence of a Comet Belt beyond Neptune)的论文中,提出了和埃奇沃思相同的看法,不过他的论证要严谨、详细得多。1988年,当时就职于加拿大多伦多大学的斯科特·特里梅因(Scott Tremaine)和同事马丁·邓肯(Martin Duncan)、汤姆·奎恩(Tom Quinn)一道证明了,费尔南德斯预言的星体群其实可以解释短周期彗星的轨道和出现频率。他们首次使用了“柯伊伯带”一词,不过,现在就职于普林斯顿高等研究院的特里梅因说,“这个词可能不正确,我们应该以‘费尔南德斯’来命名它。”

当特里梅因、邓肯与奎恩在理论上论证柯伊伯带时,朱维特和他当时在麻省理工学院的学生刘丽杏(Jane X. Luu),开始寻找确凿的观测证据。他们并不是受到理论研究的启发才去开展搜寻,事实上他们并不知道费尔南德斯的论文,而且他们早在1986年就开始了搜寻工作,比特里梅因和同事们发表结果早了两年。朱维特说,“我们搜寻的动机非常简单,就是觉得外太阳系那么空荡荡的很奇怪。”

当然,外太阳系实际上并不是那么空荡荡的。1992年8月,利用在夏威夷莫纳克亚(Mauna Kea)死火山顶峰的2.2米望远镜,朱维特和刘丽杏发现了第一个柯伊伯带天体,1992QB1,这是他们所谓“缓慢移动天体”探测计划(Slow Moving Object survey)的一部分。6个月后,他们发现了第二个柯伊伯带天体。虽然在当时,朱维特和刘丽杏是唯一进行此类搜寻的研究团队,但“天文学界很快就反应过来了,”朱维特说。现在,天文学家已经认证了大约1 500个柯伊伯带天体。基于这一数字,他们估计柯伊伯带大约有100 000个直径超过100千米的物体,有近100亿个直径大于2千米的物体。朱维特说:“柯伊伯带里小行星的数目是主小行星带(main asteroid belt,位于火星与木星轨道之间)的1 000倍,这让我大为震惊”。

不过,让许多天文学家更震惊的,不是柯伊伯带里“有”什么,而是它“没有”的内容。依据最好的行星形成模型,天文学家推测,柯伊伯带里应该有类似地球大小、甚至比地球更大的星体。然而,柯伊伯带里最大的星体,就是冥王星和一些与冥王星大小相近的星体,如鸟神星(Makemake)、妊神星(Haumea)、创神星(Quaoar)和阋神星,研究人员没有发现一个接近大行星标准的星体。“那里有许多的星体,不过这些星体加在一起,也不超过地球质量的十分之一,非常微不足道。”朱维特说。

在太阳系历史早期一定发生过一些事情,才会使柯伊伯带中最大的成员被消灭了。多年来,行星天文学家一直在争论,当时究竟发生了什么。利用“罗塞塔”号和“新视野”号,他们将得到一些答案。

巨行星重排

当柯伊伯带被发现时,物理学家已经建立了太阳系形成模型。该模型的起源是一团巨大的、由星际气体和尘埃组成的云团,然后这一云团坍塌形成一个旋转的圆盘。在圆盘的核心,重力将物质聚成一团。高温和高密度导致这团物质开始发生热核反应,太阳就诞生了。

太阳的热量和辐射将大部分气体和一部分尘埃吹向外围。在靠近太阳的部分,尘埃聚集在一起,先形成小石块,后来变成大岩石,最终变成了小行星尺寸的所谓“微行星”(planetesimal)。在行星形成的最后一个阶段,数以百计的火星尺度的星体漂浮在太阳系中,它们碰撞着,不断地破碎又聚合在一起,最终形成了我们今天看到的八大行星,不仅包括内太阳系的固态类地行星,还有木星、土星、天王星和海王星这些气态行星。这些行星基本是由大块岩石构成的,有足够大的引力束缚住大量气体。

在海王星之外,外太阳系的冰粒发生了和内太阳系尘埃颗粒类似的过程,也形成了行星大小的星体。然而这一理论存在两个问题:首先,天文学家没有观察到这些具有行星尺寸的星体(但布朗说,就他们所知,在遥远的奥尔特云里,也许会有像火星一样大的星体,只不过我们目前的技术无法观测到。)

第二个问题是,柯伊伯带中的物质太少,不足以形成任何尺寸的星体。换言之,如果认为目前柯伊伯带中的所有物体也都来自原初的冰尘云,那么这些云的分布就太广了,难以形成任何东西。

如此一来,柯伊伯带中实际存在的物质,与理论学家推测应该形成的物质,就自相矛盾了。朱维特说,“公认的解决方案是,认为在一开始,柯伊伯带里就有比较多的物质——30、40甚至50个地球质量的物质。”这些物质的确形成了一大群星体,但不知什么原因,这些星体的数目在不断减少。

至于星体不断减少的原因,最可信的一种解释机制是:太阳系的四大气态巨行星(木星、土星、天王星、海王星)曾经是堆聚在一起的,比它们今天的间距近得多。这个假说最初是由亚利桑那大学的物理学家雷努·马尔霍特拉(Renu Malhotra)提出的。

马尔霍特拉和她的几位同事论证道,这些紧密堆挤在一起的行星,与早期大量的柯伊伯带天体的引力相互作用,把土星、天王星和海王星推向外太阳系。与此同时,木星和柯伊伯带天体、小行星同时相互作用,导致木星向内移动。

这些引力相互作用不仅使行星重排,也把许多柯伊伯带天体弹射到太阳系引力范围的最远端,形成了遥远的奥尔特云,并且把许多的小行星甩进了太阳系内层轨道。在这些迁移过程发生的某段时期,土星和木星处于了轨道共振态,土星每运行一个周期,木星恰好运行两个周期。

每隔一段时间,两大行星就会和太阳精准地处于一条直线上,从而造成额外引力扰动,使得柯伊伯带天体被剧烈地散射开,以至于99%以上的物体都被清扫了出去。它们中的一些成为了太阳引力范围最远端的奥尔特云的成员,另一些撞上了太阳系的内层行星,这被称为“后期重轰炸期”。“太阳系经受了猛烈的捶打,”朱维特说。

美国西南研究院的物理学家戴维·尼斯沃尼(David Nesvorny)将这一假说又向前推进了一步。他认为,太阳系或许曾经存在第五颗气态巨行星,在这个剧烈的重排过程中,它可能被弹射到星际空间去了。

如果巨行星的重排真的发生过,那就可以解释,为什么柯伊伯带中没有大星体:那些可以用来形成大星体的材料已经被永久地清空了,因此仅仅形成了那些类似微行星的物体——微行星是指那些小的原行星(proto-planet),大行星即由这些微行星聚合而成。从这个意义来说,柯伊伯带就像一张快照,将行星形成过程刚刚开始数百万年时内层太阳系的样子,永久地定格了下来。

麻省理工学院的行星科学家希尔克·施利希廷(Hilke Schlichting)说,“现有的行星形成机制中,最大的不确定在于微行星的形成,它们是如何形成的?它们有多大?”这些信息在太阳系内层早已无处寻觅,不过借助观测和模型,她和同事们指出,如果假设组成柯伊伯带天体的冰冻微行星的直径大约为1千米,那么就可以解释今天观测到的柯伊伯带天体的大小和分布了。对这些微行星尺度的估计,可能也适用于内层行星。她说:“经过数十年的猜测后,我们终于要开始了解行星形成的初始条件了。”

飞抵冥王星

模型和远距离观测告诉行星科学家大量关于柯伊伯带的信息,比如柯伊伯带的结构以及其可能的历史。不过,想想迄今为止数十个空间探测器对太阳系所有大行星以及数十个卫星和小行星的考察成果,近距离观测的不可替代性就不言而喻了。斯特恩说,“利用哈勃望远镜为冥王星拍摄一张照片的确很酷,不过照片上的冥王星只有几个像素那么大。”到2015年6月,“我们会真正看到冥王星的世界是什么样子,”他补充道。

2006年,“新地平线”号发射升空时,冥王星还算作一颗大行星。到了第二年夏天,它就被“降职”成了矮行星。不过不管你怎么叫它,“新地平线”号都在以每小时40 000千米的速度奔向冥王星和它的卫星卡戎(Charon),未来这艘航天器与冥王星的冰冻表面的距离将在10 000千米以内,斯特恩和合作研究者会竭尽所能,对冥王星进行各种研究。

他们研究的一个内容是,统计冥王星布满麻点的表面上的陨石坑个数,以及这些陨石坑的大小和分布。通过这项研究,天文学家可以对柯伊伯带天体的大小和分布有一个独立的测量值。撞向冥王星表面的、不同大小的柯伊伯带天体的数目,应该和柯伊伯带中相应大小的天体总数成正比。

“还有更妙的事情,”斯特恩说。当冥王星沿着椭圆形轨道公转时,它的表面温度一段时间内会很高,过后又会很低,如此反复,这个过程形成了冥王星稀薄的大气条件,也使得冥王星表面的陨石坑每过一段时间就会被“抹掉”。然而,卡戎没有大气,这就意味着所有撞击痕迹都会保留下来。“你可以比较冥王星和卡戎,”斯特恩说,“然后就可以弄清楚陨石撞击的过往变化——在今天和远古时期,陨石的大小有什么不同。”

“新地平线”号也试图寻找地下海洋的信号。木星和土星的某些卫星——木卫二(Europa)、木卫三(Ganymede)、土卫二(Enceladus)和土卫六(Titan),在它们冰封的厚厚表壳之下,行星科学家已经发现了隐匿其中的海洋。如果冥王星上存在冰间歇泉或冰火山的话,这将是一条线索,表明它的内部是温暖且充满流体的——冥王星岩石核心之中的放射性同位素发生衰变,就有可能导致这样的结果。即使没有明显的表面热活动证据,探测器上携带的红外相机也可以探测到其表面的热点。至于冥王星的内部存在生命这一想法,尽管完全是猜测,不过由于液态水是我们所知的生命形式的必要组成部分,假如可以在冥王星内部发现液态水,至少这个猜测就变得更加靠谱。

“新地平线”号将花5个月时间,开展上述所有研究以及其他一些研究。在呼啸着掠过这颗矮行星的那几天,“新视野”号会开展最密集的观测。不过,它需要花上大约16个月的时间,将数据穿越50亿千米的浩渺太空,一点点地传回地球。

与彗星共舞

“罗塞塔”号要花上差不多的时间来绕着67P彗星飞行。和“新地平线”号高速飞掠冥王星不同,“罗塞塔”号会与67P彗星在一起待上15个月。这让它可以解答以下问题:67P彗星的精确化学组成及其内部结构等。这些问题的答案非常重要,有助于科学家弄清楚组成原初柯伊伯带的气体和尘埃的性质。目前,科学家对此的理解还十分粗浅,他们还没有找到任何确凿的证据来敲定任何一种假说,也没法否定某一种假说。“罗塞塔”号的发现,将帮助研究人员第一次找到一个令人信服的理论。

当这颗彗星离太阳越来越近、逐渐苏醒时,“罗塞塔”号和它的着陆器“菲莱”号,能够第一时间目睹这一过程。“到了2015年的夏天,也就是彗星的活动达到最高峰时,每分钟都有1 000千克的物质从彗核中抛射出来。我们的探测器将伴随在彗星身旁,”这个项目的首席研究员、欧洲空间局的马特·泰勒(Matt Taylor)说。研究人员现在还不清楚,这些抛射物质究竟来自彗星的整个表面,还是从某些局部热点喷出。一年以后,这个问题将有答案。到那时,行星科学家将会理解彗星损失冰体并且消耗殆尽的原因和方式。

“罗塞塔”号也会回答一些与我们密切相关的问题。比如,地球上的水分从何而来?许多行星科学家相信,是太阳系早期的一场“彗星暴雨”把水送到了地球。“罗塞塔”号将检测67P彗星上水分子的化学性质,并与地球上的水分子作比较,来验证这个假说。早先,赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)就发现了一些证据,这些证据表明,一些彗星上的水分中,氢原子和氘原子(氢的一种较重的同位素)的比例和地球海洋中的相同。不过,“罗塞塔”号上的设备将会更细致地观测彗星的水分和其他物质,比如富含碳元素的有机成分,这些物质可能在生命起源中起到了一定的作用。

“罗塞塔”号和“菲莱”号着陆器也将一起回答另一个问题:彗星是一整块大脏冰,还是许多小冰块在自身引力下松散地粘合在一起?当“罗塞塔”号和“菲莱”号分处彗星两侧时,“罗塞塔”号将向“菲莱”发射一束无线电信号,这束信号将穿过彗星再被“菲莱”号反射回来,整个过程就像医院做CT一样。这一过程将第一次把彗星的内部结构展现给科学家。

不幸的是,67P彗星无法被肉眼看到,彗星和其他柯伊伯带天体也是如此。我们需要借助放大设备才能知道彗星在那里。正因为如此,科学家直到最近才了解到柯伊伯带的存在,并认识到在太阳系的结构和历史上,柯伊伯带可能起到了关键作用。

到2015年年底,得益于10年前发射的这两艘探测器,我们将获得前所未有的新见解与新知识。

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