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你好，冥王星 刘博洋，天体物理学博士生
按：前几天传出消息说人类可能“再次发现第九大行星“，想起去年 10 月曾在《知识就是力量》上发过一篇讲冥王星的稿子，遂拿出来凑个热闹。下文是我给杂志投稿时的原稿，部分配图为近期放出的新图。 北京时间 2015 年 7 月 14 日 19 时 51 分，承载着全世界殷切期望的无人探测器新视野号，经过 9 年多、跨越数十亿公里的长途跋涉，终于抵达太阳系边疆的神秘星球——冥王星，在距它 12500 公里的地方为我们发回了冥王星的高清彩照。这次成功的造访掀起了全世界人们的狂欢，让冥王星这个已经被“踢”出太阳系行星序列的小家伙，再一次感受到了太阳系大家庭的温暖。 
冥王星虽然一贯低调，却难掩它作为一颗“有故事”的星球的本色。借着新视野号的东风，让我们一起八一八冥王星的前世今生。 冥王星的发现 在介绍今天的主角冥王星之前，不妨先来看看我们太阳系中的其他成员。 古人很早就注意到，天空中除了似乎恒久不变的无尽星场，还有那么几个不老实的“漫游者”——行星。张衡在《灵宪》中写道，“凡文耀丽乎天，其动者七，日月五星是也”。这五星就是我们熟悉的几颗大行星：水星、金星、火星、木星和土星。在人类历史的大部分时间，这五颗行星——在日心说大行于世之后，再加上地球——是人们对太阳系行星家族的全部认知。 
（1539，Cosmographia《宇宙通志》） 直到 1781 年，那是伽利略发明望远镜之后的第 172 个年头，一个名叫威廉·赫歇尔的德裔英国天文学家（他还是个宫廷作曲家），用他自制的反射式望远镜，在自家后院，发现了一个淡蓝色、具有行星般小圆面的新天体——起初他以为这是一颗彗星，然而他的天文学家朋友圈中，很快就有人指出，这颗新天体的轨道几乎是正圆，而它的轨道比土星还远——这是一颗新的行星！ 
（注：这并不是赫歇尔发现天王星用的那一台望远镜。这是他发现天王星之后 8 年建造的 1.26 米口径望远镜。） 这是在“日月五星”之后，人类第一次发现，太阳系的新边疆。这颗新行星，被人们以希腊神话中主管天界的神明之名，命名为“天王星”。 转眼过了半个多世纪，天王星自发现以来，绕太阳公转也差不多一周了。人们发现，天王星在天上的位置，似乎总与牛顿力学预报的不大相符——是牛顿错了么？人们并不这样认为。英国数学家约翰·亚当斯和法国数学家奥本·勒维耶在 1846 年夏天几乎同时发表文章，指出天王星运行的“异常”，应该是由它附近另一个还没有发现的行星对它的引力影响导致的。他们分别计算出这颗未知行星的可能位置，提请各天文台在预测范围内进行观测寻找。果不其然，只用了几个月的时间，新柏林天文台就在这年的 9 月份在他们预测的位置附近发现了这颗“笔尖上的行星”——它被命名为“海王星”。 
（1838，新柏林天文台） 海王星的发现，让牛顿力学“伟大、光荣、正确”的形象更加深入人心。人们不禁期待，太阳系中，会不会还有更多的行星，等待人们的发现？ 又是半个多世纪。20 世纪初，一个土豪的美国作家、数学家也是天文学家帕西瓦尔·罗威尔，认为海王星的轨道也跟预测的不大一样，断定在海王星之外，还有一颗尚未被发现的“X 行星”。这位曾经率先发现火星上有“运河”一样的沟堑、引发科幻文学“火星人”幻想狂潮的土豪大大，建立了自己的“罗威尔天文台”，认真的开始搜寻起来；遗憾的是直到他 1916 年去世，也还是没有找到。同一时期，另一位美国天文学家威廉·皮克林也基于同样的理由预测海王星之外他所谓“O 行星”的存在，然而他动用美国威尔逊山天文台的望远镜进行搜寻，同样一无所获。 
（帕西瓦尔·罗威尔，1855-1916） 罗威尔去世十年之后，罗威尔天文台接到了一封年轻人的来信。来信者名叫克莱德·汤博，是美国堪萨斯州一个 20 岁的农家孩子。在他 16 岁时，家里田地遭了雹灾，损失惨重，让他成了“失学儿童”，断送了上大学的梦。他的父亲为了让他继续自己的天文学理想，打了第二份零工，为他挣出造一架自己的望远镜的钱。汤博给罗威尔天文台寄去的信，就是用这台自己制作的望远镜观测描绘的月面和行星画像。这封信，为汤博换来了罗威尔天文台的一份工作。 
（克莱德·汤博，1906-1997） 这份工作就是继承罗威尔的遗愿，继续搜寻冥王星。 汤博用一台口径 33 厘米的望远镜对天空中各个可能位置拍摄照片，并用一台“闪视比较镜”对观测结果进行观察。在这种闪视比较镜下切换两张同一天区相隔几天先后拍摄的照片时，人眼对位置固定不动的恒星并不敏感，却容易发现其中个别位置发生了显著变化的小亮点——它们就是行星、小行星、彗星等太阳系天体。1930 年 2 月 18 日，汤博迎来了他一生中最闪亮的时刻：在双子座境内的黄道附近，一个在几天之内显著移动的光点引起他的注意。经过计算，这是一颗比海王星更遥远的行星，罗威尔苦苦追寻的“Planet X”就是它。 
（工作中的汤博） 太阳系第九颗行星发现的消息很快见诸报端，如何给它起一个恰如其分的名字，成为人们热议的话题。一个年仅 11 岁的英国小姑娘维妮夏·伯尼，自幼对古典神话颇有爱好，她建议用主管冥界的神明 Pluto 的名字来命名这颗行星（所以中文名叫“冥王星”）。这个建议通过她的爷爷传到罗威尔天文台，很快被汤博接受，因为 Pluto 的头两个字母 P-L，刚好是天文台建立者帕西瓦尔·罗威尔姓名首字母的缩写。不过这个提法没有被威廉·皮克林接受——他曾自述，P-L 实乃“皮克林 - 罗威尔”的缩写。这也是一段著名的公案。 
（维妮夏·伯尼，1918-2009） 奇怪的冥王星 冥王星自打发现之后，就以其种种奇行一次次拓宽人们的脑洞。细数起来，冥王星可以说是有七大怪： 第一怪是距离远。冥王星到太阳的平均距离是 39.4 个天文单位（地球到太阳的平均距离，1 天文单位约为 1.5 亿公里）。从太阳发出的光，平均要走 5 个多小时，才能照到冥王星的表面。在冥王星，太阳比地球上看起来暗一千多倍，因此冥王星的表面非常寒冷——最高温也不过摄氏零下 220 度左右，以至于地球大气层中含量最多的氮气，在冥王星表面会被冻成固态。 
（瑞典太阳系模型） 第二怪是轨道倾角大。太阳系的众多行星，多数都在几乎同一个平面上绕太阳公转，我们一般以地球的公转轨道面——黄道——作为基准来衡量它们的轨道面倾斜的程度。在海王星之内的八大行星，只有水星的轨道倾角在 5°以上（6.34°），其他各个行星的轨道倾角全都在一两度这个微小的范围内。而冥王星的轨道倾角，竟然高达 17°多。所以说汤博发现冥王星真是如有神助——他发现冥王星的 1930 年，差不多刚好是冥王星在 120 多年中最接近黄道的一段时间，如果不是这个巧合，人类按照在黄道附近搜寻未知行星的思路，还需要很多年才能发现冥王星吧。 
第三怪是离心率大。太阳系本来是一个规规矩矩的“圆环套圆环娱乐城”：从水星到海王星，每一个行星都在一个接近正圆的轨道运行，整个太阳系的井然有序；然而，冥王星却在一个离心率达近 0.25 的椭圆轨道上运行——这意味着，冥王星离太阳最远时，距离是离太阳最近时的约 1.6 倍！这也意味着，冥王星离太阳比较近时，比海王星离太阳还近，它们的轨道看起来，是有一部分“交叉”的——这实在是太“坏规矩”了！它与太阳之间这样巨大的距离变化，使得冥王星在公转过程中的各个阶段，接收到的太阳光强弱很不相同，冥王星也因此产生了明显的“季节”变化。 
第四怪是，冥王星是太阳系中唯一的一个双星系统。它具有一颗名叫“查龙”的卫星，这颗卫星比冥王星并没有小很多，它们之间的距离也很近。长期的朝夕相伴，它们都在彼此的潮汐力作用下，使得彼此绕转的公转周期，和它们的自转周期相等了——也就是说，冥王星和查龙就像手拉着手跳舞的两个舞者，始终用同一张脸孔彼此“对视”！ 
第五怪是，冥王星和查龙这对兄弟的“舞蹈”的方向，仍然不与太阳系大部分行星的轨道平面相平行——恰恰相反，它们回旋起舞的方向，与它们公转前进的方向，几乎垂直——它们是“躺着”起舞的！这太奇怪了。 
第六怪是，冥王星的个头虽小，却有一个大家庭。太阳系行星中，水星、金星都没有卫星，地球只有一颗卫星——我们的月亮，火星有两颗卫星；木星、土星、天王星和海王星都有很多颗卫星，但它们作为大质量的气态巨行星，当之无愧值得拥有这样的大家庭。冥王星就很神奇了——它的大小连半个中国都填不满，却在查龙之外，还拥有另外 4 颗卫星！这让地球情何以堪。 
最后一怪——冥王星的大家庭中，不仅“孩子”多，“兄弟姐妹”也很多。冥王星发现后，很多天文学家预言太阳系边疆存在一个富含冰冷小天体的区域，冥王星只是其中的一员。这个神秘的区域的存在直到 1992 年才真正被证实——它被命名为柯伊伯带，而我们迄今已经发现了超过 1000 颗柯伊伯带天体。据估计，柯伊伯带中总共有超过十万颗直径 100 公里以上的小天体——它的绵延范围和物质总量比火星和木星之间的小行星带还要大的多。 
（柯伊伯带天体） 冥王星被证实为柯伊伯带天体的一员之后，质疑冥王星的“第九大行星”地位的声音就越来越多了——如果说冥王星是第九大行星，那新发现的那些柯伊伯带天体，岂不是可以依次叫做“第十大行星”“第十一大行星”……这无穷无尽的，怎么数的过来。这种尴尬的情况迫使天文学家重新思考“行星”这个看似非常基础的概念的定义。2006 年在巴西圣保罗的国际天文学联合会大会上，全世界的天文学家投票通过了新的行星定义。这个新定义规定，在绕着太阳旋转的圆球中，只有能够靠自身引力“把邻近轨道上的天体清除”的那些，才能有资格被称作是“行星”；冥王星这样兄弟姐妹一大家子的，抱歉，只能被称作“矮行星”了——这就是冥王星被“踢出”行星序列的故事。 
（2006 年国际天文学联合会大会，决议将冥王星开除出“行星”序列） 不过，大家并不会因此贬低汤博的贡献——他发现的虽然不再是“第九大行星”，然而他是柯伊伯带的发现者——这是更伟大的成就！ 人类的新视野 1962 年，美国水手二号探测器造访金星； 1965 年，美国水手四号探测器飞越火星； 1972 年，美国先驱者十号探测器掠过木星； 1974 年，美国水手十号探测器经行水星； 1979 年，美国先驱者十一号探测器初探土星； 1986 年、1989 年，美国旅行者二号探测器先后抵达天王星、海王星。 至此，传统上所谓的太阳系“九大行星”，只剩下遥远的冥王星，从未被人类发射的探测器近距离探索过——而它的距离如此遥远，地球上任何威力巨大的望远镜，都看不清楚它的多少细节。神秘面纱笼罩的冥王星，牢牢地捏住了人类无穷的好奇心。它是人类注定要揭开的，一片新视野。 2006 年 1 月 19 日，美国宇航局在卡纳维拉尔角用 Atlas V 型火箭发射了踏上奔向太阳系边疆漫漫征途的“新视野”号探测器。它将飞行 9 年 7 个月零 6 天，跨越数十亿公里的无垠太空，只为到冥王星的身旁，以它的“新视野”为我们揭密太阳系中这最后一片处女地。 
2007 年 2 月 28 日，新视野号首先飞越了木星。它借助木星巨大的引力完成了一个华丽的转身，像弹弓中的一粒石子一样，被准确的射向了它的最终目的地冥王星的方向。在这次“引力弹弓”过程中，新视野号开机测试了它随身携带的各件科学仪器，拍摄了木星表面恢弘绵密的云带、木卫一表面高高扬起的“喷泉”，在确认各部分工作状态良好后，沉沉的睡了过去。 
（新视野号拍摄的木星） 这一睡就是八年（中间几次起夜暂且不计）。2015 年初，新视野号从一场大梦中醒来，很快便开始勤奋的工作——随着飞临冥王星的日子日趋邻近，它拍摄的冥王星的靓照也一日比一日清晰起来。7 月 13 日，新视野号飞越冥王星的前一天，它发回了让世界为之沸腾的那张经典照片：一向被认为是寒冷、孤僻的冥王星，竟然是一个“双手”捧着一颗大大的“爱心”的萌物！奥巴马旋即自豪脸的宣布，这是“展现美国领导力的伟大日子”。更多的网民则立即把冥王星萌化成各式各样的表情包，一时间“冥王”苦心经营多年的“威严”荡然无存。 
7 月 14 日，真正的飞临日。新视野号的表现再次让我们惊艳。在最近仅 12500 公里——大约相当于地球直径——的贴面而过中，新视野号携带的高分辨率照相机，获得了最高分辨率达 50 米的精细照片，让我们得以一睹冥王星上地形的细貌。在这些图片中，我们看到了冥王星上异常年轻的群山，我们看到冥王星的心形平原（被命名为汤博区域）上像干涸的泥地般龟裂的地貌，我们看到冰川流动的痕迹……原以为死寂的世界，竟这样活跃多姿。 
短暂相逢后，新视野号转过身来，深情凝望远去的冥王星。它看到了恐怕是世界上最孤寂、最独特的一次日全食——冥王星，而不是月球，缓缓移过太阳前方。就在这短短十几分钟里，机智的新视野号拍下了来自太阳紫外辐射变化的过程——原则上，如果冥王星不是在宇宙间“裸奔”，而是包裹着一层大气的话，太阳被不同厚度的大气层逐渐遮挡的过程会体现在来自太阳的紫外辐射不断变化的数据中。新视野号惊讶的发现，别看冥王星这么小，它居然有超过 1600km 厚的大气层，这以氮气为主要成分的稀薄大气，还明显的分为两层——这是地球上的天文学家们始料未及的。 
探测冥王星之后，新视野号并未结束使命。首先，它需要用十几个月的时间才能回传全部数据——在那样遥远的地方，信号实在是太弱了。之后，它将踏上又一段征程：天文学家希望，它能利用剩余的燃料，拐向另一颗柯伊伯带的小天体，一探究竟。 实际上，这个计划早在新视野号发射之前就已经提出了——虽然那时天文学家还完全不知道冥王星后面，还有哪些可以选作新视野号下一阶段任务目标的天体——他们只是相信，一定会有的。新视野号团队首席科学家阿兰·斯特恩回忆说，他们在新视野号飞掠冥王星之后可能经过的区域范围内，找了近十年，却一无所获——即使他们已经使用了地面上最大的望远镜：凯克望远镜、双子座望远镜、昴星团望远镜……就在新视野号还有一年就要飞掠冥王星的节骨眼上，他们终于意识到，地面上的望远镜恐怕是指望不上了，这事，还得靠哈勃空间望远镜这个大杀器。 
他们向哈勃望远镜提交了一个庞大的观测计划，哈勃望远镜很快受理了他们的申请，但是有言在先：如果试观测阶段一无所获，他们将不能获得进一步观测时间。然而，万幸的是，哈勃就是哈勃——几乎是一击即中，在一个星期之内，新视野号团队就在哈勃拍摄的照片中发现了一个移动的暗淡光点，而它，几乎就在新视野号即将经过的轨迹上。大约三年之后，新视野就将探访这颗比冥王星还要暗淡十万倍的小星球。 
哈勃拯救了新视野号，而新视野号，将会延续人类开拓“新视野”的伟大期待。 冥王星不是我们唯一的明星。在新视野号奋战在太阳系边疆的同时，黎明号探测器刚刚对小行星带里最大的谷神星进行访问，罗塞塔号探测器还在楚留莫夫－格拉希门克彗星的“喷头”下沐浴，好奇号火星车孜孜不倦的在火星上打洞，卡西尼号探测器十年如一日的抓取土星家族的壮美身姿…… 人类是渺小的，人类的梦想是伟大的。让我们向好奇心致敬——我们探索宇宙的“新·视野”，终将奔出太阳系，驶入那灿烂的群星！ 谨以此文献给我英年早逝的挚友周团图。你的名字与新视野同在。 
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