9 重新认识冥王星
1930年2月18日，在美国的洛威尔天文台，一位叫克莱德·威廉·汤博（Clyde William Tombaugh, 1906—1997）的24岁青年坐到了闪视比对仪前。这种仪器的原理其实很简单：在它的工作面上可以一左一右放入两张天文照片，观察者通过一个观察目镜来观察照片，有一个切换扳手可以快速切换目镜中呈现的是左侧还是右侧的照片。这样一来，观察者就很容易看出两张照片的微小差异。这有点像是一个破解“大家来找茬”游戏的神器。为什么要这么设计呢？因为在那个年代，天文学研究特别像是玩“大家来找茬”的游戏。想象一下，假如你在同一片天区的不同时间拍下两张照片，在忽略掉所有天体都存在的总体移动后，用这种方法就可以发现在天空中异常移动的天体。夜空中绝大多数天体都是相对不动的恒星，如果找到了一颗会移动的天体，往往就意味着一颗新的行星或者彗星被发现了。在那个年代，发现这类新天体是天文学的重要活动之一。但这个游戏是极其枯燥的，绝对需要超出常人的毅力。
汤博就是这样一个有着超常毅力的年轻人。他这次放入的两张照片前后相隔了5天，他操作着扳手，迅速地来回切换着。他惊喜地发现，这两张照片中存在一个明显移动的光点。就这样，冥王星被发现了，而24岁的汤博也因为这个发现被永久地载入了天文学的史册。
在很长一段时间内，冥王星都是以太阳系第九大行星的地位存在的，直到2006年，国际天文学联合会（International Astronomical Union, IAU）把它降格为矮行星(1)。从此，太阳系就变成八大行星了。冥王星绕太阳一圈需要248地球年，所以，从发现它至今，还不到半冥王星年。冥王星的公转轨道也很特殊，太阳系八大行星的公转轨道基本上都是处在同一个平面上的，但冥王星的轨道却是倾斜的，与黄道面有一个17°的夹角，就好像有人潇洒地歪戴着帽子。而且它的公转轨道和海王星的公转轨道有交叉。也就是说，冥王星每一圈都在相当长的时间里比海王星距离我们更近。事实上，在20世纪八九十年代的大部分时间里，海王星才是太阳系里离我们最远的行星。到了1999年2月11日，冥王星才回到外侧的轨道，它将在那里停留228年的时间。
在新视野号抵达冥王星之前，我们对冥王星的认知非常有限。因为冥王星不但离我们很远，而且体积非常小，它比月球还小。所以，它在夜空中不可能被肉眼看见。下次你抬头看木星的时候，就想象一下把你看到的这颗星星缩小到1/4900，那差不多就是冥王星在我们眼中的大小（假如肉眼能看到的话）。所以，即便是在哈勃太空望远镜这么强大的观测能力下，冥王星也不过就是一个小小的圆盘，除了表面上似乎有一些大规模的斑块外，几乎看不到任何细节。此外，我们还知道冥王星有五颗卫星，它有稀薄的大气，它的表面是红色的，含有固态的甲烷、氮和一氧化碳。还有证据表明，它的一个极区覆盖着冰盖——当然不是水冰，而是氮冰。人们对冥王星的知识，在新视野号抵达之前，基本上也就是这些了。
2015年7月，在被人类发现的第85年，冥王星终于迎来了它的第一个地球访客——新视野号。新视野号没有令我们失望，它带给了我们许多意想不到的发现。
在新视野号抵达前，行星科学家们对冥王星的表面是否存在凹凸地貌已经争论了数年。一些科学家认为，冥王星的表面不可能存在太大的起伏，因为氮冰十分脆弱，很容易在自身重力下坍塌，所以厚厚的一层氮冰让冥王星不可能形成任何高海拔的地貌。新视野号拥有立体视觉，它能像我们的眼睛一样，从两个不同的角度观测地形，拍出立体的相片，然后估算冥王星表面地貌的海拔高度。当新视野号抵达冥王星时，最初获取到的一些高清图像就表明，这颗行星表面的山脉高度可达惊人的4500米。这说明冥王星表面的氮冰或许只是一层薄薄的壳，在它下面有山脉。
进一步的数据显示，冥王星的地貌多样性令人惊叹，有大片的冰川、绵延几百千米的断层系统和巨型冰块碎裂产生的杂乱多山的地貌，还有被消退的甲烷冰所切削出来的悬崖。在一些山上，还有甲烷构成的雪顶。另外，还发现了几千个直径1.6—10千米的深坑，估计是赤道平原处的氮冰升华形成的。
一个非常重要的发现是，冥王星表面有一块巨大的冰川，当然也是氮冰冰川，它被命名为“斯普特尼克平原”（Sputnik Planum）。这是为了纪念人类发射的第一颗人造卫星——苏联的斯普特尼克1号（Sputnik-1）。这块平原的面积达到了80万平方千米，相当于八个江苏省那么大。新视野号还观测到，周围的山脉会通过冰川或者雪崩为它补充冰。
按照传统的观点，冥王星这么小的天体应该很早就冷却了，不应该再有什么地质活动。但是观测证据表明，这种观点完全错了，有两个发现证明冥王星存在活跃的地质运动。
第一个证据是，在斯普特尼克平原上有纹路，而且有冰在流动，这说明平原下面有热源，从而产生了活跃的地质活动。
第二个证据是，冥王星表面的撞击坑分布极不均匀。既有40多亿岁饱受摧残的古老表面，也有1亿—10亿岁的中年表面，还有几乎没有任何撞击坑的大平原，年龄不会超过3000万年，甚至有可能年轻得多。这样大的地表年龄跨度是科学家们始料未及的，这充分证明冥王星有活跃的地质运动。但是，这些地质运动的能量来源是什么呢？这就是新视野号留给我们的谜题了。
通过分析新视野号发回的照片，冥王星又带给我们另一个谜题。根据可见光-红外成像光谱仪的探测数据，科学家们发现冥王星上有水冰。发现水冰倒不算稀奇，像冥王星这样的冰冻星球，有水冰是很正常的，太阳系中的绝大多数冰冻星球都有水冰，可以说水是太阳系中最常见的物质之一，只不过液态水是极为金贵的。但这次的发现很不寻常，因为新视野号发现了暴露在地表的水冰。
这就很奇怪了！相对于氮冰、甲烷冰来说，水冰的挥发性要低得多，因为前两种气体的挥发和冻结造成的降雪应该会频繁得多，这样一来，冥王星上的绝大部分地区都应该被氮冰和甲烷冰等更具挥发性的冰覆盖。水冰一般会被掩埋在其他冰层的下面，很难露在地表。而且，更奇怪的是，新视野号只在冥王星的红色区域发现了**的水冰，它们之间是否有特殊关联呢？对此我们还无法给出一个令所有人信服的解释。
另一项有趣的发现是，冥王星的天空是蓝色的，和地球上的蓝天居然很像。这次新视野号对冥王星的大气层有了进一步的了解。冥王星大气层也有几十万米厚，有十多个同心的雾层，这些雾层由一种很复杂的有机分子构成，这种有机分子与土卫六大气中的有机分子有本质的相似，他们被卡尔·萨根命名为“索林斯”（Tholins），正是这些有机分子让冥王星的天空看起来是蓝色的，但冥王星的上空几乎没有云。
我幻想着有一天，当宇航员踏足冥王星时，他们抬头看到美丽的蓝天，会不会有一种恍惚回到地球的感觉呢？然而，2019年5月发表在《天文学和天体物理学研究》 （Research in Astronomy and Astrophysics）杂志上的一篇论文无情地击碎了我的这个幻想。(2)
在这篇论文中，来自澳大利亚塔斯马尼亚大学的安德鲁·科尔（Andrew Cole）和他的研究团队宣布：冥王星大气很可能在2030年消散殆尽！他们的计算表明，在过去30年里，冥王星的大气压增加了两倍。数学模型显示，随着时间的推移，冥王星大气的大部分将被凝结。预计到2030年的时候，整个星球的大气都会消失。也就是说，假如他们的计算是正确的，那么，当宇航员踏足冥王星时，他们将无法看到蓝色的天空。
新视野号对冥王星的质量、体积、形状都进行了非常精确的测量，有了这些数据，行星科学家们就可以构建冥王星的内部结构模型。他们间接证明了冥王星在地表几百千米下的温度和压强有望达到水的熔点。换句话说，那里可能存在液态水的海洋。
除了以上这些较为重大的发现，新视野号还有一些有趣的小发现。例如，冥王星上的固态甲烷堆积成了一座座高度超过300米的尖塔，规则地排列在一起，绵延几百千米。还有年轻的巨型冰火山，只有3亿到6亿岁。还有一定的迹象表明，冥王星上有可能存在河道网络和一个冰冻的湖泊，这意味着冥王星以前的气压要高得多，甚至比今天的火星还要高，当时**可以在地表流动，甚至能形成湖泊。
所有这些发现都让科学界震惊——矮行星的复杂程度，竟然也能和地球、火星比肩。
冥王星有五颗卫星，其中最大的一颗叫卡戎（Charon）。实际上，卡戎算不算是冥王星的卫星，一直有很大的争议。因为与冥王星相比，卡戎的个头实在是太大了，它的直径刚好是冥王星的一半。也就是说，一个冥王星是八个卡戎的大小。因此，它们的共同质心(3)是在冥王星外部的。所以准确地说，并不是卡戎绕着冥王星转，而是它们手拉着手一起转圈。另外，卡戎的质量也足以让它成为一个球形。所有这些特征都符合国际天文学联合会2006年对矮行星的定义。所以，冥王星和卡戎应当构成了一个双矮行星系统。但习惯的力量很强大，从1978年发现卡戎起，我们就一直把它叫作冥王星的卫星，很难改过来了。
这次新视野号也对卡戎和另外四颗卫星进行了观测，人类首次看到了卡戎的外貌。卡戎也是一颗发红的天体，最明显的特征有两个：一个是颜色特别红的极区，还有一个就是一条很深的大峡谷，比美国的科罗拉多大峡谷还要深5倍，峡谷两边有大量的山脉。卡戎没有大气，表面也没有易挥发物质。不过，在卡戎的表面覆盖着特有的氨冰。通过对撞击坑的计数，科学家们推测出卡戎的表面似乎有40亿岁了，而且不同地区的年龄差异不大，这说明卡戎是一颗死气沉沉的星球，地质活动在它形成后不久就停止了。
那个特征最明显的红色极地冰盖，根据推测，似乎是由甲烷和氮构成的。科学家们推测，这些物质来自冥王星，它们从冥王星的大气层中逃逸出来落在了卡戎冰冷的两极，在那里经过紫外线的照射变成了红色的碳氢化合物，也就是索林斯。
冥王星的另外四颗卫星都很小，小到无法形成球形。新视野号在它们身上也发现了一些奇怪的事情，它们的表面物质几乎和卡戎一样，但是光反射率却是卡戎的2倍，这就显得很奇怪，目前还没有合理的解释。
要特别提醒的是，以上那么多丰富的发现，可不是像我们之前探测其他大行星那样，探测器绕着大行星一圈圈地转，逐步收集到的数据。因为冥王星的质量太小，探测器的相对飞行速度大约是14千米／秒，根本不可能泊入冥王星的轨道，成为冥王星的卫星。新视野号只能在飞掠冥王星的时候，一次性地采集所有需要的数据，然后再全部发回给地球。这就好像你坐在高铁上，呼啸着经过一个小站，你只能先记录下看到的一切，然后再慢慢分析。
新视野号记录下来的所有关于冥王星系统的数据都已经在2016年年末传回了地球，但分析工作还远没有结束。这些数据的体量非常庞大，需要很多年才能消化完，预计还会有更多有关冥王星表层结构、内核、起源、大气，以及卫星的科学发现。
新视野号圆满完成了探测冥王星的既定任务，状态一切良好，并且还携带着宝贵的变轨燃料。对于任何深空探测器(4)来说，燃料都是最为珍贵的东西。一般来说，只要燃料没有用完，科学家们是不可能让探测器退役的。新视野号的任务自然也不会就此结束，阿兰团队决定让新视野号继续探测柯伊伯天体带中的小天体。
他们要在新视野号前进的路线附近寻找一个目标，稍微调整一下新视野号的航线，在尽可能少用燃料的前提下，让它朝着目标飞去。最终，他们选定了一颗名为2014MU69的小天体作为探测目标。这个名字听着有点像是中国东方航空的航班号。这块古老的红色岩石在远离太阳的深空中，被冰冷地封存了40多亿年，保持着太阳系形成之初的原始状态。这很像是一次太阳系考古活动，让我们可以回溯到太阳系形成之初。令阿兰他们没想到的是，这个决定让新视野号在2019年年初再次成为全世界的焦点。
这个小天体最初是在2014年由哈勃太空天文望远镜发现的。这已经是新视野号起飞后的第8年。但是它的发现并不是一个偶然，科学家们早就在思考新视野号飞掠冥王星之后的下一个任务，他们需要提前为新视野号规划探测目标。于是，NASA的科学家们利用哈勃望远镜为新视野号物色目标，2014年发现的这个小天体就是其中之一。当MU69被确定为新视野号的下一个探测目标后，NASA举办了一个面向全世界的征名活动。来自世界各地的11.5万人给出了3.4万多个名字，最终，NASA为MU69选定的名字是“Ultima Thule”，这是一个拉丁文名字，含义是“超越已知世界的边界”。它的中文译名很传神，叫“天涯海角”。新视野号预计飞掠它的时间是2019年1月1日。
一切都在牛顿定律的精确预言中发生，分秒不差。新视野号提前一天就开启了全套设备，开始对“天涯海角”进行观察。2018年12月31日，第一张照片传回，这是新视野号在距离“天涯海角”约50万千米的地方拍摄的。阿兰和他的团队惊讶地发现，“天涯海角”竟然是一个葫芦的形状。用阿兰的话说，这张2018年拍摄的照片太像一个“8”字了。第二天，2019年来临了，世界协调时间凌晨5点33分，新视野号在距离“天涯海角”3500千米处飞掠，所有的相机同时启动，数据以光速发回地球，大约4个小时后，阿兰团队收到清晰的“天涯海角”照片。在第二天召开的新闻发布会中，阿兰说：“这就是几天前，也就是2018年12月31日得到的图像。这是新视野号在大约50万千米范围内获得的‘天涯海角’的图像，这是人类目前能获得的最棒的图像。好吧，这个图像是如此2018。让我们来见见‘天涯海角’2019版吧。就像（新视野号）对冥王星的探索一样，我们的喜悦无以复加。你所看到的是航天器探索史上的第一个密接双星。这是两个完全独立的对象，但现在，它们连接在了一起。”
从传回来的清晰照片中，我们可以看到，“天涯海角”由一大一小两个红色岩石球体构成。阿兰把这个形状比喻为“雪人”，这种形状在太阳系中极为罕见，不过，著名的哈雷彗星的彗核也是这个形状。45亿年前，在太阳系形成的初期，太空中的两个小碎片一边互相围绕着旋转，一边彼此靠拢，最终万有引力把它们粘在了一起。“天涯海角”就像是太阳系中的活化石，生动地向我们展示了太阳系早期行星的形成过程。新视野号就像一台时光机，把我们带回了太阳系的诞生之初，让我们看到了凝固的时间。对“天涯海角”的进一步研究，有助于我们了解太阳系的行星是如何形成的。
新视野号目前的服役期是到2021年，它至少可以近距离地研究24颗小天体，同时，它还将在柯伊伯带深处测量宇宙环境的性质，如氦气、太阳风，以及远离太阳势力范围的带电粒子等。阿兰相信，5年服役期结束后，NASA还会进一步延长新视野号的探测任务，直到2035年或更久，因为新视野号目前状态良好，还有足够的燃料和电力供它继续运行并与地球通信。我相信新视野号在未来的很长一段时间内，还会一直给我们带来各种意想不到的新发现。在这里，我要向阿兰和他的团队表达我的敬意，他们的出色工作满足了我们无止境的好奇心。
下一章，我们要从太阳系的边缘回到离太阳最近的一颗行星——水星。在日常生活中，“水星没有水”常常和“熊猫不是猫”“烟花不是花”一起来形容不合逻辑的命名方法，然而，水星上真的没有水吗？
(1)矮行星（dwarf planet）：又称“侏儒行星”，体积介于行星和小行星之间，围绕恒星运转，质量足以克服固体引力以达到流体静力平衡（近于圆球）形状，没有清空所在轨道上的其他天体，同时不是卫星。
(2)J. Desmars, E. Meza, B. Sicardy, Pluto’s Ephemeris From Ground-based Stellar Occultations (1988–2016) [J], A&A, May 2019: Vol 625, Issue A43, pp14.
(3)共同质心（center of mass），质量中心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。
(4)深空探测器（space probe）：又称空间探测器或宇宙探测器，其显著特点是必须具备在空间中长期飞行的自主导航能力，必须采用核能源系统，需要采用特殊的防护结构和特殊的形式。