science述评：太阳系的天尽头：新视野号飞越“天涯海角”
08-2 “新视野号”携带的科学仪器
撰文 | 郑永春（中国科学院国家天文台研究员）
评述论文：initial results from the new horizons exploration of 2014 mu69, a small kuiper belt object (science 17 may 2019: vol 364, issue 9771)，本文来自scienceaaas。
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在太阳系中，除了太阳和八大行星之外，还有一片新大陆，这就是1992年才刚刚发现的柯伊伯带。就像火星和木星之间的小行星带一样，科学家在这片区域中发现了很多小天体。其中，有些天体的大小与冥王星的大小相近，这也是导致冥王星被降级的主要原因。
2015年7月14日，人类历史上第一个柯伊伯带探测器——新视野号成功飞越冥王星，在冥王星展现给人类的第一张高分辨照片上，有一颗萌萌的“爱心”图案，很多人至今对此记忆深刻。
新视野号再立新功
虽然从2006年发射升空已经十多年了，但飞越冥王星时的新视野号因为采用了核电源，可以一直工作到2030年左右，能源充足，仪器设备性能良好。在飞越冥王星之前，任务团队的目标只有一个，那就是飞越冥王星。在成功实现了对冥王星的首次探访之后，完成了向美国宇航局交差的任务之后，新视野号的下一站又该飞向哪里呢？
“既然选择了远方，便只顾风雨兼程”“既然目标是地平线，留给世界的只能是背影”（引自汪国真《热爱生命》）。新视野号，也有人翻译成新地平线号，它既然已经出发，就不再打算回来，它的使命是飞向更遥远的深空，探索柯伊伯带的其他天体，直到它消失在我们的“视野”中。
在柯伊伯带，越远离太阳，那里的温度就越低，光照也越暗。新视野号的下一个目标是哪里？任务团队起初并不是很确定。当然，新视野号也不是想去哪里就能去哪里，因为调整飞行方向是需要消耗燃料的，为了尽量节省轨道调整所需要的燃料，探测目标只能在新视野号原来的飞行轨道附近进行选择。
为了寻找新的探测目标，哈勃望远镜几次对准太阳系的这片新大陆，寻找潜在的目标。最终确定了编号为486958的柯伊伯带天体——2014 mu69，也有人把这颗天体称为“天涯海角”。2019年1月1日，新年的第一天，新视野号近距离飞越2014 mu69。
“新视野号”的“眼睛”
科学仪器是“新视野号”的“眼睛”。“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中光学设备有3台。分别是：远程勘测成像仪（lorri）、可见-红外成像光谱仪（ralph）、紫外成像光谱仪（alice），分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是：太阳风测量仪（swap）、无线电科学实验仪（rex）、能量粒子谱仪（pepssi）、学生尘埃计数器（sdc），分别用于测量探测目标附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。
黑暗中，它看到了什么？
2014 mu69的直径为30公里，是一个典型的柯伊伯带天体。由于远离太阳，这个天体自形成以来还没有被太阳充分加热过，因此很好地保存了它形成以来的状态，是研究太阳系起源和行星起源的重要标本。
2014 mu69的轨道半长轴为44.6天文单位（au），偏心率e=0.042，轨道倾角i=2.45°，是一颗经典冷柯伊伯带天体（这类天体有一个代号，叫cckbo）。这里的冷不是指表面温度，而是说它基本上从来没有被激活过。
经典冷柯伊伯带天体被认为是太阳系原行星盘形成时留下的远古遗迹，约45亿年前，它就在现在所在的位置，到太阳的距离在形成后基本没有变化。由于cckbo从来没有加热到60k（零下213摄氏度）以上，而且因为2014 mu69的体积很小，因此基本没有内部演化。这样的天体，简直就是太阳系的活化石。古生物学家用化石研究地球生命的起源和演化，行星科学家用原始天体来研究太阳系的起源，两者几乎异曲同工。
新视野号与2014 mu69最接近的距离为3538.5 km，而它到地球的距离将近60亿公里。飞越时的相对速度为14.43 km/s，简直就是超高速摄影。
近距离飞越探测发现，2014 mu69实际上是一颗密接双星，也就是说，这个天体并不是一个独立的个体，而是由两个碎片以很低的速度相互接触，结合在一起形成的双体结构。
两个碎片是怎么碰到一起的？
为什么说是很低的速度呢？因为在这两个碎片没有发现高速撞击时被压迫的痕迹。他们结合是的速度只有每秒几米，就像空间站交会对接时那样轻轻地“吻”上去。
图1、2014 mu69由两个碎片组成，右侧的阿尔提马为透镜状，尺寸约为22×20×7千米。而左侧的图勒，尺寸约为14×14×10千米。两个的中心相距16公里，体积相差不大，分别为为1400立方千米和1050立方千米。
鉴于2014 mu69距离我们极为遥远，科学家把这两个碎片分别命名为图勒（意思是极北之地）和阿尔提马（意思是最遥远的地方），有人把它翻译成天涯海角也情有可原。图勒上的那个撞击坑，科学家目前给了它一个非正式的名称——马里兰，因为正式名称需要得到国际天文联合会批准之后才能公布）。之所以叫马里兰，是为了纪念为新视野号任务作出重大贡献的美国马里兰州。位于该州的约翰斯·霍普金斯大学是全美乃至全球最富学术声望的研究型大学之一，该校的应用物理实验室（简称apl）成立于1942年，是美国国防部和美国宇航局（nasa）的主要合作商之一，负责哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜的地面控制中心。小行星132524就被命名为apl，以褒奖apl在空间科学领域的卓越贡献。
小红鸭为什么是红色的？
光谱观测表明，2014 mu69在近红外波段比在可见光波段更亮。导致2014 mu69和其他cckbo天体颜色发红的原因，可能是类似托林（tholin）那样的复杂有机大分子。土卫六表面有些地方颜色偏红，表面也是这样的物质。
这种物质是一些简单分子通过放射分解和光解，破坏了原有的化学键，重新组合成更重的分子。虽然岩石中的硅酸盐矿物在遭受太空风化时也发红，但在2014 mu69上没有发现硅酸盐矿物的直接证据。
2014 mu69在波长为1.5和2.0 mm附近具有较宽的光谱吸收特征，表明它是含有水冰的。然而，与富含水冰的木卫二等行星的卫星相比，在这颗天体的表面，水冰的含量相对较低。当然，也有可能是表面被复杂有机物掩盖住了，导致水冰的信号难以识别。
新视野号此前在冥王星表面观测到的一氧化碳冰、氮冰、氨冰、甲烷冰，在这颗天体上也没有看到。根据估算，2014 mu69每天的温度变化只是影响到表面1毫米深，而季节性的温度变化只影响到大约1米深度。在42k的温度下（零下231摄氏度），冷冻的一氧化碳、氮、甲烷等挥发性物质，如果没有被捕获在包裹体中，就会相对较快地升华，并且挥发到太空中。但如果是水冰的话，就可以在太阳系漫长的历史中保存下来。这可能是2014 mu69上缺少一氧化碳等挥发性物质的原因。
科学家还分析了2014 mu69的光变曲线，分析了不同地区的地形地貌、物质成分，编制了初步的地质图。当然，这次的结果只是初步的，将来还会有一系列的成分陆续发表在其他专业期刊上。
图2, 2014 mu69的地质图，字母代表不同的地质单元。
花絮
新视野号任务从上世纪八十年代开始酝酿，迄今已经过去了三十多年。所以，一个足够幸运的科学家，一辈子平均只能参加两个半深空探测项目。
致谢部分是大家都喜欢看的，作为一篇大型合作产生的科学论文，作者名单就几乎占了一个版面，我把致谢翻译如下：
我们感谢现在和过去参加“新视野号”任务的所有2500名团队成员、感谢美国宇航局及其深空网、kinetx航天公司、加州理工学院喷气推进实验室、欧洲空间局盖亚望远镜、美国宇航局哈勃太空望远镜为新视野号成功飞越2014 mu69做出的贡献；感谢美国宇航局总部的项目科学家尼伯和太空望远镜科学研究所的安德森。我们还感谢美国宇航局局长吉姆·布莱恩斯汀在2018年12月至2019年1月美国政府部分关闭期间给予的关键支持；西南研究院院长汉密尔顿和应用物理实验室主任泽梅尔多年来给予的宝贵支持；感谢三位匿名审稿人对本文的有益贡献。我们感谢已故的团队成员thomas coughlin、robert farquhar、william gibson、lisa hardaway和david c.slater的贡献。
基金项目：美国宇航局任务合同nasw-02008和nas5-97271对新视野耗项目的经费支持，加拿大国家研究委员会的经费支持。斯特恩是“新视野号”任务的首席科学家。所有其他作者都参与了任务规划、任务运行、任务工程、任务管理、任务公共事务或科学数据的整理或分析，并/或提供了本论文的输入和评论。
竞争利益：我们声明不存在竞争利益。
数据和材料可用性：本文中使用的所有图像、航天器数据、天体形状模型可从http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.7940630获得。美国宇航局行星数据系统将于2020年和2021年在https://pds-smallbodys.astro.umd.edu/data_sb/missions/newhorizons/index.shtml上发布定标后的新视野号对2014 mu69的探测数据和更高级别的数据产品，这是因为数据传输和数据定标需要时间。
延伸阅读
1. 郑永春，飞越冥王星——破解太阳系形成之初的秘密，杭州：浙江教育出版社，2016年
2. stern, s. a., weaver, h. a., spencer, j. r., elliott, h. a., & team, t. n. h. (2018). the new horizons kuiper belt extended mission. space science reviews, 214(4), 77.
3. stern, s. a. (2008). the new horizons pluto kuiper belt mission: an overview with historical context. space science reviews, 140(1-4), 3-21.
4. stern, a., & cheng, a. (2002). nasa plans pluto‐kuiper belt mission. eos transactions american geophysical union, 83(10), 101-109.
5. stern, a., & marshall, e. (1993). support for pluto mission. science, 259(5091),14-15.
