撰文原创:老严  |  修改与转载:ZWO天文摄影人

先说重点:2019年1月1日,元旦当天,北京时间13:33,美国宇航局“新视野号”探测器再创历史,成功飞掠柯伊伯带小天体“天涯海角”,这是人类历史上最遥远的一次飞掠探测行动。

 “新视野号”探测器,柯伊伯带穿越探测任务徽标 

来源:NASA▲

根据美国宇航局在北京时间1月2日凌晨发布会上最新公布的消息,美国宇航局的“新视野号”探测器(New Horizons)已经于北京时间元旦当天13:33成功飞掠柯伊伯带小天体“天涯海角”(Ultima Thule),并且探测器拍摄的图像已经开始回传。
这是一次发生在64亿公里之外的探测行动,连光速传播的信号单程都要走上6个多小时,这次壮举也成为了人类探测器迄今为止到访的最遥远的一颗天体,2019年的这个元旦,将因为这件事而载入史册。读者朋友们,我们再次见证了人类的伟大。

 

    美国宇航局局长吉姆·布里登斯坦(Jim Bridenstine)专门发表了贺词

 ▲来源:NASA▲

美国宇航局局长吉姆·布里登斯坦(Jim Bridenstine)专门发表了贺词,他在贺词中说道:“在此祝贺美国宇航局新视野探测器项目组,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室以及美国宇航局西南研究所,你们再次创造了历史。你们是最早探测冥王星的团队,今天你们又成为飞掠迄今最遥远天体的团队。

美国东部时间1月1日10:29,北京时间23:29,几乎刚好是“新视野号”探测器抵达距离“天涯海角”最近处之后大约10个小时,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)接收到的信号显示,“新视野号”确认已经成功完成飞掠任务,并记录到大量科学数据。

“新视野号”探测器项目的首席科学家,美国宇航局西南研究所的行星科学家阿兰·斯特恩(Alan Stern)表示:“新视野号今天完全按计划完成了任务,实现了人类里上最遥远的一次飞掠探测,距离太阳超过65亿公里!目前数据情况良好,我们已经获得了‘天涯海角星’的近距离图像,从此之后,随着更多数据回传,图像质量将会越来越好!

NASA为这次飞掠任务建立的专门网站页面,这次飞掠的目标天体名为“天涯海角”(Ultima Thule),这是拉丁文,意思是“已知世界之外的地方” ▲来源:NASA▲

NASA在2号凌晨发布的第一张回传图像,显示“天涯海角”的哑铃状外观,右侧是对其外观构建的模型,标示出了自转轴和自转方向 ▲来源:NASA/JHUAPL/SwRI▲

最先被传回地球的图像拍摄时,“新视野号”探测器仍在快速接近“天涯海角”过程中,尽管仍然不甚清晰,但已经可以让我们大致看清了这颗小天体的外形,以及自转轴大体情况。目前看来,这是一颗长条形,两瓣状的小天体,长轴长度大约32公里,短轴长度大约16公里。但还有一种可能是:这是两颗小天体在相互绕转,只是靠的非常近而难以区分。

但不管如何,这第一张图像已经帮助我们解决了一大困惑:此前在掩星观测时,科学家们得出结论:“天涯海角”星具有不规则外观,并非圆球形;但是“新视野号”探测器此前取得的亮度数据却显示,这颗小天体的亮度相当均匀,并未出现明显的亮度变化。这样两种结论就出现矛盾了:一般情况下,不规则外形的小天体随着自转会出现亮度的明显变化,可是“新视野号”探测器的实测数据并不支持这一点。

现在我们知道,这颗小天体外观的确不规则,地面掩星观测团队的结论正确;并且极为巧合的是,这颗小天体的自转轴竟然几乎就正对着“新视野号”的前进方向,于是在“新视野号”的视角看过去,亮度当然就几乎没有变化了!不过目前项目组还尚未准确测定“天涯海角”的自转周期是多少。

(一)人类历史上最遥远的飞掠探测

为了抵达“天涯海角”,“新视野号”飞行了13年,几乎穿越了太阳系,图中边缘一圈细碎小点即为柯伊伯带小天体群,“天涯海角”是其中之一  ▲来源:NASA▲

当今天下午“新视野号”探测器飞越“天涯海角”星时,其速度将高达每秒14公里,这个速度可以1小时内绕地球一圈多,可谓惊心动魄。但探测器健康状态良好,所有设备都按照预定程序正常工作。

 “新视野号”飞掠“天涯海角”时,距离这颗小天体的表面大约3500公里,距离最近时是格林尼治时间今天05:33,即北京时间下午13:33。

按照程序设定,“新视野号”会在最关键的几个小时里获取大量图像和其他探测数据,总数据量可以达到几个GB。

柯伊伯带是一个位于太阳系海王星轨道外侧的冰冻小天体带,而“天涯海角”星就是其中一颗这样的小天体,其距离远远超过“新视野号”在2015年访问过的冥王星,要知道,在飞越冥王星之后,“新视野号”探测器又继续飞行了3年多,穿越了16亿公里的路程,此时它距离地球已经超过64亿公里了!

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柯伊伯带天体示意图:这是一个遥远的冰冻区域,被称作“太阳系第三区”,这里是短周期彗星的源区   ▲来源:NASA▲

在柯伊伯带,除了“天涯海角”星之外,还存在着至少数以十万计的类似小天体,这些小天体自从诞生以来就一直安安静静运行在太阳系边缘的幽暗之中,几乎没有大的变化,因此它们就像是太阳系里冰冻的“时间胶囊”,将帮助我们一窥46亿年前太阳系初生时的模样。

用“新视野号”项目科学家海尔·韦弗(Hal Weaver)的话说,这颗小小的冰冻天体将成为人类探测器造访过的最原始的星球,它是太阳系的化石。

(二)为何选择“天涯海角星”?

“天涯海角星”最初被从星海中找出来时的发现图像,绿圈内即为‘天涯海角“

 ▲来源:NASA▲

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动图:2014年被发现时的“天涯海角”星

▲ 来源:NASA▲

其实说起来这孩子挺倒霉(幸运)的。它很小(也就10公里多量级),又那么远(超过60亿公里),正常情况下从地球上根本很难发现它。但科学家们为了让好不容易飞那么远的“新视野号”探测器不至于飞掠了冥王星之后就无所事事,必须找到一个比冥王星更远,而且“新视野号”刚好可以飞到的目标,为了达到目的,他们甚至不惜调用强大的哈勃空间望远镜。

就这样,在2014年的一天,这个倒霉蛋被从茫茫星海中揪了出来。当时的编号叫做(486958) 2014 MU69,并且经由公众投票获得了一个浪漫的名字“天涯海角”(Ultima Thule),这是拉丁文,意思是“已知世界之外的地方”。

但是,选择“天涯海角”星作为目标,当然不仅是因为它倒霉,刚好在新视野号探测器的前进道路附近溜达。科学价值同样是重要考量。

2018年12月份拍摄的,逐渐接近中的“天涯海角”星

 ▲来源:NASA/JHUAPL/SwRI▲

这是首次近距离观察一颗柯伊伯带天体。“天涯海角”星至少有两处特殊之处:首先,基于其轨道特点,我们知道其形成于远比新视野号目前位置(64亿公里)更加遥远的地方,这就意味着这颗天体最初形成于柯伊伯带中部,那里的温度几乎接近绝对零度(冷藏果然不容易变质哈~);

其次,考虑到其最初形成的区域,再加上由于它质量很小,不具备像冥王星和其他大型行星体那样相对活跃的地质运动,“天涯海角”可能会是人类迄今探索过的最为原始的星体。是的,一般来说,体积质量越小的天体,本身的活动越弱,你看地球,还动不动地震,火山爆发,还是因为地球质量足够大啊。

从这一角度上说,这颗小天体基本上自从诞生以来就一直安安静静运行在太阳系边缘的幽暗之中,几乎没有大的变化,因此它们就像是太阳系里冰冻的“时间胶囊”,将帮助我们一窥46亿年前太阳系初生时的模样。

(三) 关于“新视野号”探测器

组装中的“新视野号”探测器,左侧那根黑色的棒状物体,就是同位素热差电机

▲ 来源:NASA▲

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飞行在太阳系边缘的“新视野号”探测器示意图

 ▲来源:NASA▲

“新视野号”是人类第一颗飞向冥王星的探测器,当这颗探测器发射升空时,冥王星还是太阳系中最遥远的大行星——搞笑的是,新视野号当年争取经费时使用的“冠冕堂皇”的理由之一便是:这是唯一一颗尚未被探测的大行星,可是就在新视野号探测器发射后才半年,冥王星就被开除了“球籍”,成了一颗“矮行星”。好在,此时此刻美国国会管钱的大佬们就是想反悔也来不及了——作为史上飞行速度最快的探测器,当科学家们开会投票要“干掉”冥王星的时候,“新视野号”都已经飞出火星轨道了!

怎么做到的?

很简单,“用最大的火箭发射最小的飞船”——2006年发射升空时使用的宇宙神V551型火箭,这是当时美国政府能够提供的最强大的火箭型号之一。但它发射的,却是地地道道的一艘小飞船,“新视野号”的大小和一台家用钢琴差不多,高度0.7米,长度2.1米,最宽处2.7米。在飞船头顶上安装有一台直径2.1米的大天线。即便满载燃料发射时,其整体重量大约仅有478公斤左右,其中包括大约77公斤的燃料和30公斤的各类科学仪器。

2006年1月19日,“新视野号”探测器使用一枚强大的“宇宙神V551型”火箭发射升空,这是迄今飞行速度最快的探测器之一   

 来源:NASA▲

飞船使用“核能”——一台190W功率的同位素热差发电机来为所有设备提供电力,因为太阳系边缘太暗,无法使用太阳能帆板发电。

这次飞掠探测是“新视野号”探测器(New Horizons)第二次飞掠探测任务,在此之前,2015年的7月份,这艘飞船刚刚实现了人类对冥王星系统的首次探测。

从任务上看,“新视野号”是美国宇航局(NASA)旗下“新边疆”项目(New Frontiers)执行的第一个探测任务。这是一类中等规模,实行PI(首席科学家)负责制的行星际探测任务。“新视野号”探测计划是由美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)和美国宇航局西南研究所(SwRI)领衔实施的,而之前绝大部分此类项目都是由加州的美国宇航局喷气推进实验室(JPL)领衔的。“新视野号”项目的首席科学家是阿兰·斯特恩,他在新视野号飞掠冥王星的任务成功之后,跟人合作写了一本书来讲这个故事,很好看的书,炫耀一下。

“新视野号”首席科学家阿兰·斯特恩的新书《追寻新视野号》

▲ 来源:老严▲

新视野号探测任务的主要时间节点如下:QQ截图20190107160451

(点击放大观看)“新视野号”飞向“天涯海角”的旅程

▲ 来源:BBC▲

(四)数据是怎么传回地球的?

此次飞掠“天涯海角”的行动和2015年7月飞掠冥王星时不同,这一次不会有逐渐接近,画面逐渐清晰的系列照片。“天涯海角”星太小了,在“新视野号”拍摄的图像中,它将一直是一个亮点而已,直到最后几小时内,突然变成一个真正切切的外星世界。

不过,相比2015年飞越冥王星时,“新视野号”飞船与冥王星地表之间的最近距离大约1.25万公里,而此次飞掠,“新视野号”与“天涯海角星”之间的最近距离将只有3500公里左右,这就意味着最终我们拍摄到的图像分辨率将非常高。测算显示,这颗星球地表上直径超过33米的物体理论上都将可以被拍摄到。

由于“新视野号”必须转动自身以将相机对准拍摄对象,它在飞掠并采集数据的同时做不到将天线同时对准地球。这一点在2015年飞掠冥王星时也是一样的情况。

2015年7月,地面接收到第一幅近距离拍摄的冥王星照片的时候,控制中心一片沸腾

 ▲来源:NASA▲

冥王星背光照。首席科学家阿兰·斯特恩曾经提到,这是他个人最喜欢的照片,因为此刻太阳在冥王星的背面,这就意味着这张照片只可能在冥王星轨道外侧的视角才能拍摄到,这提醒我们:我们越过了冥王星轨道,我们做到了    ▲来源:NASA▲

因此,在采集数据的同时,太阳系边缘黑暗中飞行的“新视野号”对于地球来说是沉默的。地球上的控制人员们必须耐心等待,在它采集完数据之后调转天线,开始回传存储的数据。

基本上,NASA所有的深空探测任务的数据传输和接收都要仰赖所谓的“深空网”(DSN)。NASA在美国加州,澳大利亚和西班牙,三个彼此之间经度间隔大约120度的位置上建设了三台70米口径大型天线,用于与太空深处的探测器进行通讯。

按照程序,格林尼治时间1月1日15:28,即北京时间23:28,新视野号的回传数据陆续开始抵达地球,第一张抵达的图像,就是本文开头的那张,之后的时间里,数据会持续回传。

NASA深空网设在加州的天线设备

 ▲来源:NASA/DSN▲

NASA 深空网示意图:加州goldstone,澳大利亚堪培拉(Canberra)以及西班牙马德里(Madrid)三座接收站各自相距120经度,各自负责120度天空方向,实现全天24小时信号接收

 ▲来源:NASA▲

但请记住,这次飞掠行动是在距离地球64亿公里之外的深空之中发生的,在这样的距离上,从地球上发出的指令以光速传播,将需要6小时8分钟才能抵达新视野号,而反过来,新视野号上的数据回传,在发出后,也要这么久,地球上的天线才能开始接收到,而且传输的速率将非常低——大约每秒1000比特,还不到1kb。

我们已经从NASA获得了“新视野号”拍摄的最新照片:

▲来源:NASA▲

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▲来源:NASA▲

在这样的龟速下,按照估算,要把此次飞掠过程中采集的数据全部传输完成,将要等到2020年9月份——真是够久的!

天文

 

 

 

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