最遥远的新年问候——新视野号奔向“天涯海角”

　　2019年即将来临，在这欢庆元旦之际，我们地球人将收到有史以来最遥远的新年问候。
　　不，并不是外星人。送上这份最遥远问候的，是NASA的新视野号（New Horizons）探测器，它将在新年当天飞掠人类迄今拜访的最远天体—— “天涯海角”（Ultima Thule）。

新视野号探测器飞掠“天涯海角”的想象图。图片来源：NASA

　　这个故事的开始要追溯到2006年，毕竟，“天涯海角”实在是太远了。
　　那一年的1月19日，新视野号探测器从地球发射升空，这是继先驱者10号和11号以及旅行者1号和2号之后，人类历史上又一个将会离开太阳系的探测器。
　　由于旅途遥远，因此起跑就需要冲刺，新视野号以16.26千米/秒的速度离开地球，成为了有史以来最快逃逸地球的航天器。这个速度是普通地球人造卫星的两倍还要多。
　　如此急促地奔跑，新视野号究竟要去哪里？
柯依伯带——不同于我们熟知的那些天体
　　“新视野号”要去的这个地方，被称为柯依伯带（Kuiper Belt）。这片区域从被发现至今，也不过才30年光阴，是一大片广袤的未知世界。
　　早在100年前，人类就对太阳系外围十分好奇。在当时已知最为遥远的海王星轨道以外，人们长期以来一直认为，会有第九大行星隐藏在那里。
　　1930年，美国天文学家克莱德‧汤博发现了冥王星。很快，冥王星被人们接受为太阳系的第九大行星，因为它确实位于海王星轨道以外。只不过，它的个头实在太小，不太符合人们对第九大行星的预期。
　　上世纪50年代，天文学家杰拉德‧柯依伯提出，冥王星应该不是一个孤立的天体。在海王星轨道以外的那片区域，应该还有许多其他的天体，而冥王星只是其中最亮的一个而已。不过，直到1992年，人们才发现了这片区域的第二颗天体。随后，越来越多类似的天体被人发现，柯伊伯的预言得到了证实。于是，人们将这一片区域称之为柯伊伯带。
　　2005年，作为九大行星之一的冥王星遇到了一个尴尬的局面。天文学家在柯伊伯带发现了一颗当时看起来比冥王星更大的天体。是承认这个新天体的大行星地位，还是干脆把冥王星从大行星宝座上撸下来呢？2006年，国际天文联合会召开大会，正式将冥王星降级为矮行星。
　　如今，人们已经在柯伊伯带发现了4颗矮行星，并估计柯依伯带有百万级别的直径超过100公里的矮行星。
　　我们知道，内太阳系主要是坚硬的岩石天体（水星、金星、地球、火星、小行星带），外太阳系主要是气态巨行星（木星、土星、天王星、海王星）。
　　而柯依伯带，则是一个冰封的世界。那里充满了类似冥王星这样的低温冷冻星球，但人类对这些冰雪世界几乎一无所知。这些天体距离地球太遥远了，体积又太小了，从地球上很难发现它们，更别说观测它们的细节了。
　　好在，在冥王星降级之前，人类已经派出了一位使者去拜访它，顺便造访它所在的柯伊伯带。这位使者，就是我们的新视野号。

柯伊伯带的4颗矮行星和“天涯海角”，以及新视野号的轨迹示意图。图片来源：维基百科，本文作者汉化及标注

新视野号飞掠冥王星
　　新视野号是冲着冥王星去的。
　　作为曾经的九大行星之一，冥王星的知名度可谓家喻户晓，成为柯伊伯带的代言人也名副其实。虽然已经降级为矮行星，但在直接围绕太阳运行的太阳系天体里，冥王星仍然是迄今为止人类已知的体积第九大的天体，自然也是柯伊伯带目前发现的最大天体。
　　2007年2月28日，仅仅发射一年后，新视野号就抵达了木星。木星是新视野号此行中唯一的“加油站”。借助木星巨大的引力，新视野号通过引力弹弓加速，速度提升了40%。
　　然而，去柯伊伯带的旅途实在是太远了。就算经过了木星的加速，也仍然需要继续飞行足足8年之久。
　　终于，2015年7月14日，新视野号抵达了冥王星，第一次向人类揭示了这个冰封世界的众多奥秘。除了那颗现在已经家喻户晓的“萌王心”以外，新视野号还发现冥王星有着持续至今的地质活动，有着地球一样蓝色的大气层，甚至还有层层雾霭，并伴有翻飞的雪花。

新视野号眼中的冥王星，不再只是光点，而是一个全新的世界。图片来源：NASA

　　突然之间，冥王星从一颗分辨不出太多细节的黯淡光点，变成了一颗让人熟悉而又亲切的活生生的星球。这些变化，全都要归功于新视野号长达9年的太空飞行之后，对冥王星那一瞬间的擦身而过。
　　是的，新视野号没能留在冥王星身边。为了尽快飞抵冥王星，新视野号的速度被加到超快，快到停不下来。它无法进入环绕冥王星的轨道，只能看它一眼之后跟它告别，一头扎向柯伊伯带中更为偏远的地带。
　　原本，新视野号的故事到这里就该划上句号了。当然，老东家NASA是不会轻易就让它退休的——既然还要深入柯伊伯带，那不如发挥余热去造访新的目标吧！
“天涯海角”，新视野号的新宠儿
　　2015年8月28日，在新视野号结束对冥王星的探测之后，柯伊伯带天体2014 MU69被选中为新视野号的下一个探索对象。
　　茫茫柯伊伯带，为什么偏偏是这一颗会被选中呢？

• 首先是科学家的目标，他们要在柯依伯带选择一颗直径在50~100千米的天体，这个条件很好满足；
  
• 其次，这个天体的距离不能超过55个天文单位，也就是55倍太阳到地球的距离，不然地球和新视野号之间的通讯信号就太弱了，这一条大家也没问题。
  
• 最重要的一条是，新视野号此时只有33千克的燃料了，能够改变运行方向的能力有限，最多只能调整角度不超过1°。
  

　　符合这些条件的柯伊伯带天体，就只剩下了2014 MU69。事实上，这个目标还是天文学家动用哈勃空间望远镜专门搜寻才找到的。
　　于是，这颗幸运儿将在2019年的新年里，汇聚全世界的目光。

新视野号的旅行，先是经过木星（红色）加速，飞掠冥王星（蓝色），然后再飞掠新目标2014 MU69（绿色）。图片来源：维基百科

　　2017年，NASA向全世界发出了2014 MU69的征名活动，等到新视野号抵达这颗小行星后，将由国际天文学联合会正式命名。
　　最终，来自地中海地区传说中Ultima Thule入选。这一名字相当于古希腊和古罗马传说中最北端的“天涯海角”，是比他们能到的最北端还要北的极寒领域。而新视野号的这个新目标，也位于一个前所未知的遥远区域。
　　此前的天文观测表明，这个目标有可能是双星系统，因此备选名字都有两部分组成。如果是双星，那么两个天体将分别命名为Ultima和Thule，即“天涯”和“海角”。
　　预计在北京时间2019年1月1日13:33分，新视野号将到达距离“天涯海角”最近的时刻。此时，新视野号距离太阳43.4个天文单位，是地球到太阳距离的43.4倍，土星到太阳距离的4倍，海王星到太阳距离的1.5倍。“天涯海角”将成为人类历史上实地探索过的最遥远的一颗天体。
　　而新视野号距离“天涯海角”最近只有3500千米，这个距离只有地球半径的一多半，比GPS和北斗等导航卫星的高度还要近。
新视野号探测柯伊伯带的七种武器
　　新视野号的形状酷似一台钢琴，长2.7m，宽2.1m，高0.76m。它的体重为478千克，在动不动就有几吨重的卫星和探测器中属于小巧的身材。
　　轻便之余，新视野号还携带有1盎司（约28克）冥王星发现者汤博的骨灰。
　　由于新视野号的探测目标离太阳太远，通常的太阳能板在那么远的位置上已经无法提供可用的电力，因此新视野号自带着核能电池。最外侧类似水轮的东西就是“新视野号”的能量来源——RTG热核电池装置，该核电池装载有9.75千克的钚238。

新视野号的热核电池RTG（黑色水轮部分）及“锅”。图片来源：NASA

　　新视野号距离地球如此遥远，又如何与地球通信呢？
　　答案在两口“锅”，也就是抛物面天线上。其中一口在新视野号上，抛物面天线直径宽达2.1米。另一端在地球上，3口70米直径的抛物面天线，将用于与新视野号沟通。
　　不过，在这么遥远的距离上，通信速率一直很低。飞掠冥王星时，数据传输速度就只有1 kb/s，通常只够传送文本信号，图片等内容需要等待很长的时间。因此，新视野号在飞掠冥王星之后，花了一年多的时间，才将所有的数据发送到地球。
　　这次飞掠“天涯海角”，估计通信速率只会更低。想看到新视野号拍回的照片，恐怕要有足够的耐心来等待才行。
　　新视野号此行一共携带了7款仪器，其中3款光学仪器，2款等离子体仪器，1款尘埃感应器和1台射电辐射仪。所以，除了照片以外，还有更多其他数据要排着队慢慢传回地球。

深空探测网络（DSN）金石站的70米抛物面天线，将用来与新视野号保持通信。图片来源：NASA

　　2019年元旦之后，新视野号将继续远行，深入柯依伯带。如果有可能，新视野号或许还会再“临幸”下一颗柯伊伯带天体。
　　大约2026年前后，在快要离开柯依伯带的时候，新视野号的燃料将几乎耗尽，核电池的能量也不太够用了，遥远的距离也使得联系越来越困难。到时候，新视野号将会根据自己的身体状况选择退休时间。
　　不过，新视野号并不会因为退休就停下脚步，而是会继续飞向深空。2038年的时候，新视野号将抵达如今旅行者2号的位置，离开日球层，拥抱星际空间。
　　在这之前，让我们一起，坐等这份最遥远的2019新年祝福。

新一年，新视野号，新的探索，飞掠“天涯海角”！图片来源：NASA

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