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“对我们来说,这是今生唯一的机会。”
2015年7月14日20:52,美国马里兰州劳雷尔市的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室控制中心挤满了人。这是间不算大的办公室,摆满了显示屏,人们或站或坐,都紧张地盯着眼前的仪表显示屏。
经过9年的等待,这是“新视野号”科研团队最期待的时刻。为确保探测器集中精力工作,控制中心已经有21个小时没有与它联系。此时,新视野号与地球相距50亿公里,即便是光,也要4个半小时才能穿过其间的漫漫星空,探测器是否仍在正常运转,科研团队一无所知。
“已成功锁定探测器。”项目运营主管(Mission Operation Manager,以下简称MOM)爱丽丝·鲍曼(Alice·Bowman)通过麦克风宣布。桌上的小熊吉祥物,显示了她在这个房间里的“尊贵”地位——这只小熊,是“新视野号”在这间办公室里的替代物,此刻,它正端坐在鲍曼的显示屏旁,头戴一顶聚会礼帽,左手举着一面美国国旗,等待着宣布它使命的成功。
办公室里只听得到沉重的呼吸声,摄像师在各个座位间穿梭,力图记录下每位工作人员严峻的表情。煎熬并没有持续多久,1分钟后,鲍曼宣布:“已成功锁定遥测数据。”
“唔嗬——”控制中心全体鼓起掌来。在确认无线电频率、导航、推力、电源、温度等参数均正常后,“MOM”缓缓站起身来,郑重地对麦克风另一端的项目首席科学家艾伦·斯特恩(Alan Stern)宣布:“数据接收成功,探测器运转良好。”
话音刚落,斯特恩高举双臂,从门外冲了进来,他的脸因兴奋涨红了,他一把抓起小熊手中的美国国旗,向众人挥舞着,与每个人热烈地握手、拥抱。
从2006年1月19日,“新视野号”顺利升空,时间已有9年;从2001年11月29日,“新视野号”正式立项,已近15年;但对于这个中等身材、肌肉紧实、有着稚童般纯洁目光的人,以及“新视野号”团队的很多成员来说,这个拼尽全力、在黑暗无尽的星空中一刻不停地飞奔9年、只为与冥王星“对视”一眼的项目,几乎耗去了他们所有的科学生命。
一切要追溯到1989年5月5日。
那是全球各地都发生了扭转未来方向事件的年份,但站在漫长的宇宙演进角度来看,这件事无疑是不能忽略的。
一个在科罗拉多大学博尔德分校攻读博士学位的青年人,艾伦·斯特恩,遇见了美国国家航空航天局(以下简称NASA)行星探索部主管杰夫·布里格斯。艾伦问道:为什么不建立一个探索冥王星的任务?布里格斯回答:因为从来没有人和我提过这个。这主意听上去很棒,要不我们就试试?
尽管那时人类发现冥王星已近70年,但科学家们还普遍没有探索冥王星的兴趣。
1930年,一位名叫克莱德·汤博的24岁小伙子,依靠新型天文观测仪器和远超常人的细心,通过比对不同天区的照片底片,发现了一颗距日极远、光芒黯淡的行星。
这个发现十分鼓舞人心。人类上一次确定太阳系的最远行星——海王星的时间,是1846年。在这84年间,通过计算天王星和海王星的轨道,许多天文学家推测在海王星之外,还有一颗行星,美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔甚至已为之命名:X行星。遗憾的是,这颗行星始终没有被观测到。
根据一个英国11岁小女孩的建议,这颗行星被正式命名为“冥王星(Pluto)”。“Pluto”是罗马神话中的冥神,传说他可以使自己隐身,让人难以发现。
冥王星自此取代了海王星,成为人类认为的太阳系的远端,然而,对于它的好奇心,也因此而停滞了。
事实上,就在艾伦与NASA行星科学部主管相遇的那一天,美国旅行者2号探测器正在执行其探索外太阳系的任务。当年8月25日,旅行者2号探测器飞越海王星,拍下并传回了第一组清晰的海卫一的照片。但是,由于当时主管项目的科学家们对冥王星不感兴趣,本可以“顺便”拜访下冥王星的旅行者2号没有调转航向,直接奔出了太阳系。
艾伦很难描述他为什么对冥王星有这样大的兴趣。“我从小就对这些感兴趣。”在NASA于2015年发布的纪录片《冥王星之年》中,他回忆说,“之后便一直沉浸于此。”
幸运的是,他并不是唯一对冥王星感兴趣的人。在行星科学发展到20世纪90年代,许多太空探索技术已允许人类去造访更遥远的宇宙空间,一批对未知宇宙充满无限好奇的年轻人聚集起来,共同讨论哪里将是太空探索的新边界。
在旅行者2号项目结束后,答案呼之欲出——冥王星。
“冥王星就在那里,这就是驱使我的最大动力。”团队元老级成员马克·布伊(Marc Buie)在《冥王星之年》中回忆道:“因为我们对它知道的实在是太少了。”
艾伦·斯特恩、马克·布伊等年轻人开始自发团结起来,为实现探索冥王星的任务做准备。这个小小的年轻科学团体后来被人们戏称为“地下冥王星党”。也正是以这个小组为核心,孕育出了十多年后的“新视野号”项目。
为获得NASA的认可,从1989年开始,“地下冥王星党”将心血耗费在了两件事情上:意义和成本。
自1930年被发现以来,冥王星在“九大行星”中一直是一个特殊的存在。它既不像“第一区”的水星、金星、地球和火星那样是岩石星球,也不像“第二区”的木星、土星、天王星和海王星那样是气态巨星,包裹在零下228摄氏度寒冰中的冥王星,与前两者都不相同,它是太阳系的“孤儿”,被甩在太阳系边缘,沉默地运行着。许多人认为,对冥王星的探索无法为人类研究地球提供借鉴价值。 1951年,美国天文学家杰拉德·柯伊伯推测,海王星和冥王星并不是太阳系的边缘,还存在一个由其他天体组成的盘。天文学界之后将这个区域命名为“柯伊伯带”。但直到斯特恩团队开始酝酿探索项目,“柯伊伯带”仍只停留在人们的想象中。
转机出现在1992年。天文学家首次在柯伊伯带发现了一颗小行星,接着,越来越多的柯伊伯带小行星被发现,至2006年“新视野号”发射升空前,人类在柯伊伯带总共发现了超过1000颗小行星,并预测这一区域的小行星总量可能超过10万颗。
柯伊伯带的发现修正了人类对太阳系形成的推测。根据电脑模拟,天文学家认为,柯伊伯带应在太阳系诞生之时便已存在,那时它距离太阳更近。海王星的出现,将柯伊伯带抛向了太阳系边缘,同时也将许多太阳系形成之初便存在的物质冰封了起来,它们共同构成了太阳系的“第三区”。而作为已知的柯伊伯带的最大行星,对冥王星的成功探索则意味着可能打开了一扇进入柯伊伯带的大门。
“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。”艾伦·斯特恩曾接受媒体采访中指出:“探索冥王星和柯伊伯带就像是在太阳系新大陆进行的考古发掘工作,可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”
探索冥王星的科学意义,也随着“地下冥王星党”不间断的科学发现逐渐突显出来。
在1985到1990年间,正是冥王星与其卫星卡戎交替从对方面前经过的时期,天文学上称为行星互掩现象。利用在这一过程中捕捉到的光影变化,马克·布伊和其他天文学家制作出了第一张冥王星地图。地图显示,在整个太阳系中,只有两个天体的地表对比度最大,冥王星就是其中之一。
随后,马克·布伊又借助哈勃望远镜,第一次用直接成像法观测到了冥王星地表。“我们非常兴奋,因为我们看见了人类从没见过的天体,没人见过这颗行星的真面目。”布伊在新闻发布会上这样说道。
2005年,艾伦·斯特恩和另一名团队成员哈尔·韦弗(Hal Weaver)利用哈勃望远镜再次仔细观察了冥王星和其卫星卡戎,在其周围又发现了两颗黯淡的卫星,2012年,其他科学家的发现使得冥王星的卫星数量增加到了5颗。
探索冥王星的任务逐步被NASA提上议事日程。
20世纪90年代末,NASA曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”的探测计划,原计划2004年12月18日发射,主要探测冥王星、卡戎及其他柯伊伯带天体。然而,由于研制经费超支,NASA宣布取消该计划。
消息一公布,众多天文学家强烈抗议,也包括“地下冥王星党”成员。他们四处游说,美国行星学会甚至发起了“拯救冥王星计划”。
2000年12月20日,NASA宣布将重新论证冥王星计划,不过他们不打算采用原来的探测方案,而是全球公开征集新的探测方案。这也是NASA历史上首次向全球公开征集太空探测方案。
NASA提出了两项苛刻的要求:一是必须在2015年前抵达冥王星,二是经费必须低于5亿美元。申请提交截止时间是2001年3月19日。这意味着,所有的前期设计工作只有不到3个月时间。
中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春向《中国新闻周刊》解释说,这两项规定虽然苛刻,但有其合理性。“冥王星的轨道为椭圆形,绕日运行的周期长达248年。它最近一次抵达近日点是1989年,之后便越来越远,2015年,是最快抵达冥王星的最后时机,一旦错过,这种机会就只有百年之后才有了。”郑永春说,“另外,从NASA官员的角度考虑,为一个太空探测计划等15年,可能也是公众耐心的极限了。”
“地下冥王星党”自然不能放过这个机会。一支以艾伦·斯特恩为首的西南研究院团队几乎从一开始就积极准备起来。他们的对手有4家科研机构,其中包括著名的喷气推进实验室(JPL),后者已经成功探索过除冥王星和地球以外的所有太阳系7大行星。
为了既保证项目的科研价值,又不超出预算,团队只计划三项基本任务:分析冥王星和卡戎的地质和形态特征;绘制冥王星和卡戎的地表成分图;弄清冥王星的大气流失速度。此外,他们还计划探测冥王星的高能粒子环境、磁场、电离层、太阳风等方面的数据。
设计中的探测器包含许多先进技术。以测距技术为例,传统的测距方法是由地面控制中心发射信号,探测器接收信号后再回传至控制中心。但这种方法受距离和环境噪音影响很大。斯特恩团队设计了新的信号接收装置,增配“降噪”功能,即使是远距离,回传的测距信号依然能保持清晰,这对超远距离太空探测意义重大。
但第一轮设计成本核算下来,远远超过NASA所能承受的经费范围。
如何缩减成本成了一块心病。缩减科研内容,改进探测器尺寸,最大限度优化各项设备的能力,团队甚至还考虑过,不使用美国运载火箭发射,而租用俄罗斯的运载火箭,但无论怎样努力,仍然无法满足需要。
就在陷入困顿之际,同样对探索冥王星有浓厚兴趣的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(以下简称APL)找到了斯特恩,希望与他联手,共同争取NASA的资金支持。
“新视野号”无线电设备首席设计师艾文·林斯科特(Ivan Linscott)是最早一批加入团队的科学家。他告诉《中国新闻周刊》:“当时斯特恩举棋不定,找每个团队成员谈话,征询我们的意见。大家都明白,APL在这个领域有非常先进的技术,只有联手,才可能既保证科研质量又降低成本。我们都表示同意。”
然而,联盟意向刚一敲定,矛盾也随即产生。
为了保证拥有足够快的飞行速度,探测器的整体重量不能超过453公斤,宽不得超过2米,为了争夺探测器上有限的空间,两支团队进行了长时间的争论。比如,双方一致同意探测器要进行太阳风的研究,但APL希望延伸他们研制的能量粒子谱仪的长度,以便为其增加相关功能,而西南研究院主张为探测器独立研制测量仪器。好在,在以项目中标、完成探索为主要目的的大背景下,双方最终达成了共识。 APL在太空探索领域的成熟技术,使得项目运行的最终成本被压缩为7亿美元,在NASA的承受范围内。当然,科研内容也有所缩水。林斯科特告诉《中国新闻周刊》:“最初设计的磁感应器被取消了,令人遗憾,但这总比项目取消好多了。”
就在提交申请的最后时刻,探测器也有了自己的名字——新视野号。据林斯科特透露,这个名字是斯特恩在慢跑中想到的,他这样向大家解释其含义:踏入崭新的世界,领略别样的风景。
然而,开启崭新世界的旅程远不是通途大道。
就在NASA的项目申请截止期前一个多月,2001年2月6日,刚刚组建1个月的布什政府公布了新的财政预算案,宣布取消对NASA探索冥王星任务的支持,转而扶持探索木卫二任务。
尽管处于项目研制的最后阶段,新视野团队成员还是抽出时间,与JPL共同游说国会,动员所有熟识的议员,大力宣传探索冥王星的意义。1周的努力之后,国会通告NASA:必须继续冥王星探索任务。
2001年4月6日,NASA宣布新视野团队和JPL团队进入最终角逐,将于当年9月18日进行最后论证。又一个意外发生了——9·11恐怖袭击打乱了整个美国的工作节奏,决战日期延至10月19日。
据事后分析,新视野号探测器并不比JPL探测器更优秀,但新视野号搭载的存储器容量高达48G,是JPL探测器的6倍,更适合长时间太空探索。另一个重要因素是,JPL历史上多次出现过成本超支问题,NASA不太信任JPL在成本控制上的“信誉”。
2001年11月29日,NASA宣布:“新视野号”探测方案最终胜出。
谁也没想到的是,仅仅3个月后,2002年1月,布什政府再次宣布取消冥王星探索计划。这一次,新视野团队决定走群众路线。他们建立了一个请愿网站,用英语、法语等8国语言,恳请全球民众“为地球发声”,最终收集到了1万余份来自世界各地的签名。美国国家科学院也不甘示弱,集体决定,将对柯伊伯带的探索列为最优先科研任务。
经过近1年的反复拉扯,2003年2月,布什政府终于正式批准了对“新视野号”探测项目的支持。而此时,距离探测器发射升空的最佳时间,只有不到3年的时间了。
为了使探测器能够获得最大飞行速度,发射“新视野号”将采用美国推力最大的巨神运载火箭,它将给予探测器16公里/秒的飞行速度。这是地球太空探测器的最快速度,只需9小时便可抵达月球轨道,而同样的距离阿波罗飞船当年用了3天。
但为了在2015年抵达冥王星,这一速度仍然不够。从1970年代起,美国的太阳系探测计划还普遍采用向木星“借力”的方法,在穿过木星轨道时,利用木星清空轨道的巨大力量,被其“甩”出去,使探测器获得一个新的加速度。
为了满足这两个条件,“新视野号”的发射时间需控制在2006年1月11日至27日之间,之后,向木星“借力”的效果将大幅减弱。若在1月29日发射,2016年6月12日才能抵达目的地;若晚于2月2日,便完全无法“借力”,“新视野号”要用12年才能完成漫长的飞行。
2005年9月,“新视野号”已在美国航天发射中心整装待发,2006年1月11日至2月14日每天的发射时间表都已提前排好,意想不到的变故又发生了。
在远离太阳的深空,探测器无法依靠太阳能供电,“新视野号”设计搭载一个小型的核反应堆,作为科研设备电源。可在距离发射3个月时,新视野团队突然得到通知,计划使用的核反应原料钚-238储量不足,无法满足项目需要。
一轮接一轮紧急游说后,NASA最终同意将其他项目的钚-238储备挪用一部分出来,与此同时,APL通过与政府“过硬”的关系,大大缩短了钚-238的使用审批手续。
发射时间终于确定为美国东部时间2006年1月17日13时24分。但“新视野号”的磨难还没有结束。一次是地面突刮强风,另一次是位于约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的控制中心突然停电,发射被两度推迟,直至1月19日14时,斯特恩和他的团队终于目送巨神火箭将“新视野号”送往外太空,向他挥手告别。
“如果‘新视野号’是只猫,它可能已经死了。”斯特恩后来回忆时表示,“因为猫也只有九条命。”
然而,8个月后,一个始料未及的科学决定发生了。
2006年8月24日,国际天文联合会(IAU)为行星重新做出定义,并将冥王星踢出“九大行星”之行,降格为“矮行星”。
艾伦·斯特恩对此大为不满。2010年2月18日,他接受太空科学网站Earthsky采访时表示,他从小学到的就是太阳系有九大行星,科学家也陆续发现了上千颗和冥王星一样的星球,IAU应该将这些星球都囊括进行星队伍,而不是简单粗暴地减少行星数量。“这些星球有地心、有大气层、有四季变化、有极地冰冠、有卫星,除了质量大小之外,我看不出它们与IAU认可的行星有什么区别。”斯特恩说,“吉娃娃再小也是狗。”
郑永春向《中国新闻周刊》解释,冥王星是唯一由美国人发现的行星,也是世界天文中心从欧洲转移到美国的标志,因此在美国人心中有特殊的意义。
团队成员、行星地质学家保罗·申克(Paul Schenk)告诉《中国新闻周刊》,在设计制造飞行器时,充分考虑了远离地球、无法维修等细节,“新视野号”上的所有仪器设备都做了备份,但这种紧急状况只在升空后不久出现过一次。
“那次是遥测信号丢失,地面控制中心警报响个不停。”申克说,“我们选择先等待系统自我修复,同时探究问题的根源寻找解决办法。”最终,探测器自己解决了问题。
升空13个月后,“新视野号”顺利抵达木星轨道,并被木星加速“推”向冥王星。之后,为节省能源和运营成本,新视野号进入“休眠”状态,大部分设备自动关闭,只是每周定时向地球控制中心发送一个“平安”信息,并每年在固定时间“苏醒”50天,进行“年检”。
2015年7月14日20:52,美国马里兰州劳雷尔市的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室控制中心挤满了人。这是间不算大的办公室,摆满了显示屏,人们或站或坐,都紧张地盯着眼前的仪表显示屏。
经过9年的等待,这是“新视野号”科研团队最期待的时刻。为确保探测器集中精力工作,控制中心已经有21个小时没有与它联系。此时,新视野号与地球相距50亿公里,即便是光,也要4个半小时才能穿过其间的漫漫星空,探测器是否仍在正常运转,科研团队一无所知。
“已成功锁定探测器。”项目运营主管(Mission Operation Manager,以下简称MOM)爱丽丝·鲍曼(Alice·Bowman)通过麦克风宣布。桌上的小熊吉祥物,显示了她在这个房间里的“尊贵”地位——这只小熊,是“新视野号”在这间办公室里的替代物,此刻,它正端坐在鲍曼的显示屏旁,头戴一顶聚会礼帽,左手举着一面美国国旗,等待着宣布它使命的成功。
办公室里只听得到沉重的呼吸声,摄像师在各个座位间穿梭,力图记录下每位工作人员严峻的表情。煎熬并没有持续多久,1分钟后,鲍曼宣布:“已成功锁定遥测数据。”
“唔嗬——”控制中心全体鼓起掌来。在确认无线电频率、导航、推力、电源、温度等参数均正常后,“MOM”缓缓站起身来,郑重地对麦克风另一端的项目首席科学家艾伦·斯特恩(Alan Stern)宣布:“数据接收成功,探测器运转良好。”
话音刚落,斯特恩高举双臂,从门外冲了进来,他的脸因兴奋涨红了,他一把抓起小熊手中的美国国旗,向众人挥舞着,与每个人热烈地握手、拥抱。
从2006年1月19日,“新视野号”顺利升空,时间已有9年;从2001年11月29日,“新视野号”正式立项,已近15年;但对于这个中等身材、肌肉紧实、有着稚童般纯洁目光的人,以及“新视野号”团队的很多成员来说,这个拼尽全力、在黑暗无尽的星空中一刻不停地飞奔9年、只为与冥王星“对视”一眼的项目,几乎耗去了他们所有的科学生命。
X行星
一切要追溯到1989年5月5日。
那是全球各地都发生了扭转未来方向事件的年份,但站在漫长的宇宙演进角度来看,这件事无疑是不能忽略的。
一个在科罗拉多大学博尔德分校攻读博士学位的青年人,艾伦·斯特恩,遇见了美国国家航空航天局(以下简称NASA)行星探索部主管杰夫·布里格斯。艾伦问道:为什么不建立一个探索冥王星的任务?布里格斯回答:因为从来没有人和我提过这个。这主意听上去很棒,要不我们就试试?
尽管那时人类发现冥王星已近70年,但科学家们还普遍没有探索冥王星的兴趣。
1930年,一位名叫克莱德·汤博的24岁小伙子,依靠新型天文观测仪器和远超常人的细心,通过比对不同天区的照片底片,发现了一颗距日极远、光芒黯淡的行星。
这个发现十分鼓舞人心。人类上一次确定太阳系的最远行星——海王星的时间,是1846年。在这84年间,通过计算天王星和海王星的轨道,许多天文学家推测在海王星之外,还有一颗行星,美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔甚至已为之命名:X行星。遗憾的是,这颗行星始终没有被观测到。
根据一个英国11岁小女孩的建议,这颗行星被正式命名为“冥王星(Pluto)”。“Pluto”是罗马神话中的冥神,传说他可以使自己隐身,让人难以发现。
冥王星自此取代了海王星,成为人类认为的太阳系的远端,然而,对于它的好奇心,也因此而停滞了。
事实上,就在艾伦与NASA行星科学部主管相遇的那一天,美国旅行者2号探测器正在执行其探索外太阳系的任务。当年8月25日,旅行者2号探测器飞越海王星,拍下并传回了第一组清晰的海卫一的照片。但是,由于当时主管项目的科学家们对冥王星不感兴趣,本可以“顺便”拜访下冥王星的旅行者2号没有调转航向,直接奔出了太阳系。
艾伦很难描述他为什么对冥王星有这样大的兴趣。“我从小就对这些感兴趣。”在NASA于2015年发布的纪录片《冥王星之年》中,他回忆说,“之后便一直沉浸于此。”
幸运的是,他并不是唯一对冥王星感兴趣的人。在行星科学发展到20世纪90年代,许多太空探索技术已允许人类去造访更遥远的宇宙空间,一批对未知宇宙充满无限好奇的年轻人聚集起来,共同讨论哪里将是太空探索的新边界。
在旅行者2号项目结束后,答案呼之欲出——冥王星。
“冥王星就在那里,这就是驱使我的最大动力。”团队元老级成员马克·布伊(Marc Buie)在《冥王星之年》中回忆道:“因为我们对它知道的实在是太少了。”
艾伦·斯特恩、马克·布伊等年轻人开始自发团结起来,为实现探索冥王星的任务做准备。这个小小的年轻科学团体后来被人们戏称为“地下冥王星党”。也正是以这个小组为核心,孕育出了十多年后的“新视野号”项目。
这就像对太阳系的考古发掘
为获得NASA的认可,从1989年开始,“地下冥王星党”将心血耗费在了两件事情上:意义和成本。
自1930年被发现以来,冥王星在“九大行星”中一直是一个特殊的存在。它既不像“第一区”的水星、金星、地球和火星那样是岩石星球,也不像“第二区”的木星、土星、天王星和海王星那样是气态巨星,包裹在零下228摄氏度寒冰中的冥王星,与前两者都不相同,它是太阳系的“孤儿”,被甩在太阳系边缘,沉默地运行着。许多人认为,对冥王星的探索无法为人类研究地球提供借鉴价值。 1951年,美国天文学家杰拉德·柯伊伯推测,海王星和冥王星并不是太阳系的边缘,还存在一个由其他天体组成的盘。天文学界之后将这个区域命名为“柯伊伯带”。但直到斯特恩团队开始酝酿探索项目,“柯伊伯带”仍只停留在人们的想象中。
转机出现在1992年。天文学家首次在柯伊伯带发现了一颗小行星,接着,越来越多的柯伊伯带小行星被发现,至2006年“新视野号”发射升空前,人类在柯伊伯带总共发现了超过1000颗小行星,并预测这一区域的小行星总量可能超过10万颗。
柯伊伯带的发现修正了人类对太阳系形成的推测。根据电脑模拟,天文学家认为,柯伊伯带应在太阳系诞生之时便已存在,那时它距离太阳更近。海王星的出现,将柯伊伯带抛向了太阳系边缘,同时也将许多太阳系形成之初便存在的物质冰封了起来,它们共同构成了太阳系的“第三区”。而作为已知的柯伊伯带的最大行星,对冥王星的成功探索则意味着可能打开了一扇进入柯伊伯带的大门。
“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。”艾伦·斯特恩曾接受媒体采访中指出:“探索冥王星和柯伊伯带就像是在太阳系新大陆进行的考古发掘工作,可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”
探索冥王星的科学意义,也随着“地下冥王星党”不间断的科学发现逐渐突显出来。
在1985到1990年间,正是冥王星与其卫星卡戎交替从对方面前经过的时期,天文学上称为行星互掩现象。利用在这一过程中捕捉到的光影变化,马克·布伊和其他天文学家制作出了第一张冥王星地图。地图显示,在整个太阳系中,只有两个天体的地表对比度最大,冥王星就是其中之一。
随后,马克·布伊又借助哈勃望远镜,第一次用直接成像法观测到了冥王星地表。“我们非常兴奋,因为我们看见了人类从没见过的天体,没人见过这颗行星的真面目。”布伊在新闻发布会上这样说道。
2005年,艾伦·斯特恩和另一名团队成员哈尔·韦弗(Hal Weaver)利用哈勃望远镜再次仔细观察了冥王星和其卫星卡戎,在其周围又发现了两颗黯淡的卫星,2012年,其他科学家的发现使得冥王星的卫星数量增加到了5颗。
探索冥王星的任务逐步被NASA提上议事日程。
20世纪90年代末,NASA曾制定了一个名为“冥王星-柯伊伯快车”的探测计划,原计划2004年12月18日发射,主要探测冥王星、卡戎及其他柯伊伯带天体。然而,由于研制经费超支,NASA宣布取消该计划。
消息一公布,众多天文学家强烈抗议,也包括“地下冥王星党”成员。他们四处游说,美国行星学会甚至发起了“拯救冥王星计划”。
从单挑,到联盟
2000年12月20日,NASA宣布将重新论证冥王星计划,不过他们不打算采用原来的探测方案,而是全球公开征集新的探测方案。这也是NASA历史上首次向全球公开征集太空探测方案。
NASA提出了两项苛刻的要求:一是必须在2015年前抵达冥王星,二是经费必须低于5亿美元。申请提交截止时间是2001年3月19日。这意味着,所有的前期设计工作只有不到3个月时间。
中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员郑永春向《中国新闻周刊》解释说,这两项规定虽然苛刻,但有其合理性。“冥王星的轨道为椭圆形,绕日运行的周期长达248年。它最近一次抵达近日点是1989年,之后便越来越远,2015年,是最快抵达冥王星的最后时机,一旦错过,这种机会就只有百年之后才有了。”郑永春说,“另外,从NASA官员的角度考虑,为一个太空探测计划等15年,可能也是公众耐心的极限了。”
“地下冥王星党”自然不能放过这个机会。一支以艾伦·斯特恩为首的西南研究院团队几乎从一开始就积极准备起来。他们的对手有4家科研机构,其中包括著名的喷气推进实验室(JPL),后者已经成功探索过除冥王星和地球以外的所有太阳系7大行星。
为了既保证项目的科研价值,又不超出预算,团队只计划三项基本任务:分析冥王星和卡戎的地质和形态特征;绘制冥王星和卡戎的地表成分图;弄清冥王星的大气流失速度。此外,他们还计划探测冥王星的高能粒子环境、磁场、电离层、太阳风等方面的数据。
设计中的探测器包含许多先进技术。以测距技术为例,传统的测距方法是由地面控制中心发射信号,探测器接收信号后再回传至控制中心。但这种方法受距离和环境噪音影响很大。斯特恩团队设计了新的信号接收装置,增配“降噪”功能,即使是远距离,回传的测距信号依然能保持清晰,这对超远距离太空探测意义重大。
但第一轮设计成本核算下来,远远超过NASA所能承受的经费范围。
如何缩减成本成了一块心病。缩减科研内容,改进探测器尺寸,最大限度优化各项设备的能力,团队甚至还考虑过,不使用美国运载火箭发射,而租用俄罗斯的运载火箭,但无论怎样努力,仍然无法满足需要。
就在陷入困顿之际,同样对探索冥王星有浓厚兴趣的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(以下简称APL)找到了斯特恩,希望与他联手,共同争取NASA的资金支持。
“新视野号”无线电设备首席设计师艾文·林斯科特(Ivan Linscott)是最早一批加入团队的科学家。他告诉《中国新闻周刊》:“当时斯特恩举棋不定,找每个团队成员谈话,征询我们的意见。大家都明白,APL在这个领域有非常先进的技术,只有联手,才可能既保证科研质量又降低成本。我们都表示同意。”
然而,联盟意向刚一敲定,矛盾也随即产生。
为了保证拥有足够快的飞行速度,探测器的整体重量不能超过453公斤,宽不得超过2米,为了争夺探测器上有限的空间,两支团队进行了长时间的争论。比如,双方一致同意探测器要进行太阳风的研究,但APL希望延伸他们研制的能量粒子谱仪的长度,以便为其增加相关功能,而西南研究院主张为探测器独立研制测量仪器。好在,在以项目中标、完成探索为主要目的的大背景下,双方最终达成了共识。 APL在太空探索领域的成熟技术,使得项目运行的最终成本被压缩为7亿美元,在NASA的承受范围内。当然,科研内容也有所缩水。林斯科特告诉《中国新闻周刊》:“最初设计的磁感应器被取消了,令人遗憾,但这总比项目取消好多了。”
就在提交申请的最后时刻,探测器也有了自己的名字——新视野号。据林斯科特透露,这个名字是斯特恩在慢跑中想到的,他这样向大家解释其含义:踏入崭新的世界,领略别样的风景。
艰难起航
然而,开启崭新世界的旅程远不是通途大道。
就在NASA的项目申请截止期前一个多月,2001年2月6日,刚刚组建1个月的布什政府公布了新的财政预算案,宣布取消对NASA探索冥王星任务的支持,转而扶持探索木卫二任务。
尽管处于项目研制的最后阶段,新视野团队成员还是抽出时间,与JPL共同游说国会,动员所有熟识的议员,大力宣传探索冥王星的意义。1周的努力之后,国会通告NASA:必须继续冥王星探索任务。
2001年4月6日,NASA宣布新视野团队和JPL团队进入最终角逐,将于当年9月18日进行最后论证。又一个意外发生了——9·11恐怖袭击打乱了整个美国的工作节奏,决战日期延至10月19日。
据事后分析,新视野号探测器并不比JPL探测器更优秀,但新视野号搭载的存储器容量高达48G,是JPL探测器的6倍,更适合长时间太空探索。另一个重要因素是,JPL历史上多次出现过成本超支问题,NASA不太信任JPL在成本控制上的“信誉”。
2001年11月29日,NASA宣布:“新视野号”探测方案最终胜出。
谁也没想到的是,仅仅3个月后,2002年1月,布什政府再次宣布取消冥王星探索计划。这一次,新视野团队决定走群众路线。他们建立了一个请愿网站,用英语、法语等8国语言,恳请全球民众“为地球发声”,最终收集到了1万余份来自世界各地的签名。美国国家科学院也不甘示弱,集体决定,将对柯伊伯带的探索列为最优先科研任务。
经过近1年的反复拉扯,2003年2月,布什政府终于正式批准了对“新视野号”探测项目的支持。而此时,距离探测器发射升空的最佳时间,只有不到3年的时间了。
为了使探测器能够获得最大飞行速度,发射“新视野号”将采用美国推力最大的巨神运载火箭,它将给予探测器16公里/秒的飞行速度。这是地球太空探测器的最快速度,只需9小时便可抵达月球轨道,而同样的距离阿波罗飞船当年用了3天。
但为了在2015年抵达冥王星,这一速度仍然不够。从1970年代起,美国的太阳系探测计划还普遍采用向木星“借力”的方法,在穿过木星轨道时,利用木星清空轨道的巨大力量,被其“甩”出去,使探测器获得一个新的加速度。
为了满足这两个条件,“新视野号”的发射时间需控制在2006年1月11日至27日之间,之后,向木星“借力”的效果将大幅减弱。若在1月29日发射,2016年6月12日才能抵达目的地;若晚于2月2日,便完全无法“借力”,“新视野号”要用12年才能完成漫长的飞行。
2005年9月,“新视野号”已在美国航天发射中心整装待发,2006年1月11日至2月14日每天的发射时间表都已提前排好,意想不到的变故又发生了。
在远离太阳的深空,探测器无法依靠太阳能供电,“新视野号”设计搭载一个小型的核反应堆,作为科研设备电源。可在距离发射3个月时,新视野团队突然得到通知,计划使用的核反应原料钚-238储量不足,无法满足项目需要。
一轮接一轮紧急游说后,NASA最终同意将其他项目的钚-238储备挪用一部分出来,与此同时,APL通过与政府“过硬”的关系,大大缩短了钚-238的使用审批手续。
发射时间终于确定为美国东部时间2006年1月17日13时24分。但“新视野号”的磨难还没有结束。一次是地面突刮强风,另一次是位于约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的控制中心突然停电,发射被两度推迟,直至1月19日14时,斯特恩和他的团队终于目送巨神火箭将“新视野号”送往外太空,向他挥手告别。
“如果‘新视野号’是只猫,它可能已经死了。”斯特恩后来回忆时表示,“因为猫也只有九条命。”
9年星途
然而,8个月后,一个始料未及的科学决定发生了。
2006年8月24日,国际天文联合会(IAU)为行星重新做出定义,并将冥王星踢出“九大行星”之行,降格为“矮行星”。
艾伦·斯特恩对此大为不满。2010年2月18日,他接受太空科学网站Earthsky采访时表示,他从小学到的就是太阳系有九大行星,科学家也陆续发现了上千颗和冥王星一样的星球,IAU应该将这些星球都囊括进行星队伍,而不是简单粗暴地减少行星数量。“这些星球有地心、有大气层、有四季变化、有极地冰冠、有卫星,除了质量大小之外,我看不出它们与IAU认可的行星有什么区别。”斯特恩说,“吉娃娃再小也是狗。”
郑永春向《中国新闻周刊》解释,冥王星是唯一由美国人发现的行星,也是世界天文中心从欧洲转移到美国的标志,因此在美国人心中有特殊的意义。
团队成员、行星地质学家保罗·申克(Paul Schenk)告诉《中国新闻周刊》,在设计制造飞行器时,充分考虑了远离地球、无法维修等细节,“新视野号”上的所有仪器设备都做了备份,但这种紧急状况只在升空后不久出现过一次。
“那次是遥测信号丢失,地面控制中心警报响个不停。”申克说,“我们选择先等待系统自我修复,同时探究问题的根源寻找解决办法。”最终,探测器自己解决了问题。
升空13个月后,“新视野号”顺利抵达木星轨道,并被木星加速“推”向冥王星。之后,为节省能源和运营成本,新视野号进入“休眠”状态,大部分设备自动关闭,只是每周定时向地球控制中心发送一个“平安”信息,并每年在固定时间“苏醒”50天,进行“年检”。