1999 年，美国宇航局 NASA 在全国范围内征集 PKE 任务的具体方案，PKE 任务就是“冥王星——柯伊伯快车 Pluto Kuiper Expres”s 的缩写。

冥王星

可是这个计划在推进过程中非常不顺利，主要原因是花费太高。到了 1995 年，这个任务演变为“冥王星快车任务 Pluto Express”，预算从四亿美元降为了三亿美元，到了 1999 年，这个计划增加了探测柯伊伯带小天体的任务，于是又更名为“Pluto Kuiper Express”，简称为 PKE 任务。

艾伦·斯特恩当时是美国西南研究院空间科学与工程部的副主任，他所带领的团队受到了 NASA 的邀请，提出 PKE 任务的详细设计方案，方案的最核心部分是采用何种设备来观测冥王星和柯伊伯带的小天体。艾伦他们当时提出的一套方案就是照相机和光谱仪组成的一套组合设备。但是，好景不长，在资金预算方面又出现了问题，这个任务预估的费用一再地增加，很快就要接近 8 亿美金了，这下 NASA 吃不消了，终于在 2000 年 9 月，NASA 甚至都还没有选择发射什么设备飞往冥王星，就取消了 PKE 计划。

但是，让 NASA 始料未及的是，取消行为遭到了空前的压力。

首先是行星科学界的科学家们，联名公开谴责 NASA 的这个决策，要求恢复项目。然后这种情绪很快就传导到了公众身上，NASA 的热线电话几乎被打爆了，还收到了一万多封抗议邮件。有一个十几岁的小伙子甚至开车横跨整个美国，来到位于华盛顿哥伦比亚特区的 NASA 总部请愿。

2016 年，我国也发生了两次类似的事件，一次是关于中国是否要建设大型强子对撞机的争论，一次是关于中国建设大型通用型光学望远镜的设计方案的争论。这两次争论也在公众中引起了较大的反响，但是与美国的这次事件比起来，那还是小巫见大巫，不过，这在我看来是一个非常好的迹象，说明我国公民的科学素养在逐步提高。

三个月后，NASA 终于扛不住公众舆论的巨大压力了。2000 年 12 月，他们宣布了一个补救方案。这个方案有点意思，NASA 宣布要组织一场竞赛，在达成 PKE 任务目标的前提下，花的钱还只能有之前预算的一半，并且必须要让飞行器在 2020 年前抵达冥王星。说实话 NASA 的这一招还真够绝的。本以为这是一个不可能完成的挑战。

哪知道，NASA 最终从不同的团队那里收到了 5 个方案书，每一本方案书都像电话号码簿那样厚。人类的创造力也真是惊人，被逼急了什么都能想出来。艾伦也领导了一个团队，提交了一个方案。他们把这个方案取名为“新视野号”，英文是“New Horizons”，所以也有书里翻译为“新地平线号”。

新视野号

艾伦的团队来自两个单位，一个是艾伦所在的美国西南研究院，负责探测器的设计；另一个团队是约翰霍普金斯大学的应用物理研究所，负责飞船的建造与控制。在怎么省钱上，他们主要想出了 2 个大招：

第一， 只发射一艘飞船。啥意思？你可能没搞懂，难不成原计划要发射两艘？是的，按照过去 NASA 发射宇宙探测器的惯例，对某颗行星的首次探索任务都是要双保险的，从无例外，因为只发射一艘，失败的风险就会太大。现在，艾伦团队大胆地提出，我们就发射一艘，这样就可以省出一大笔钱，话说得虽然容易，但真要做到降低失败率那不是拍拍胸脯就够的，需要大量的实实在在的技术上的提升。

第二， 让飞船在飞往冥王星途中的近十年内休眠，这样就可以节约人力成本。这话说得是容易，但是要做到这一点，就意味着飞船航线的精度必须要高到令人发指，用数据来说就是必须要让飞船在完全没有中途航线修正的情况下，飞行 9.5 年后，在一个 9 分钟的时间窗口内抵达冥王星，还要穿过一个只有 56 x 97 千米的空间窗口。5000 多平方公里的面积听着很大，但是要在 40 亿公里之外提前将近 10 年控制飞船穿过去，就好比从上海一杆把高尔夫球打到乌鲁木齐的球洞里面，难度可想而知。

这个方案经过了艾伦他们不厌其烦的修改和完善，终于，无论是技术实施，还是科学小组成员，又或者在计划管理、教育、公众宣传、成本控制，甚至是在应急措施上，它都变得无可挑剔无懈可击了。2001 年 11 月底，NASA 宣布，新视野号在所有候选方案中胜出。

这时候，艾伦的研究小组还剩下四年零两个月的时间完成飞行器的设计、建造和检验，而 NASA 以往的飞行任务，比如旅行者号、伽利略号和卡西尼号，这样的过程都用了 8-12 年。现在艾伦他们需要把时间缩短到一半甚至三分之一。预算方面就更加寒碜了，只有旅行者号经费的五分之一。

旅行者号

正当艾伦团队撸起袖子准备大干一场的时候，又出幺蛾子了。确定新视野号方案获胜还不到三个月，布什政府就突然宣布要取消新视野号的任务，把它从 2002 年初发布的美国政府的预算中去除。这使得美国国会和白宫之间发生了一场旷日持久的经费战。过去了大概半年，在 2002 年的夏天，美国科学院将冥王星探测列在了行星探测“十年调查”项目的首位，并且说服了足够多的议员，向他们证明了该任务的巨大价值，这场经费战才得以平息。但是我们可以想象在这半年中，艾伦团队的煎熬，那真的是要对这项事业无比热爱才能坚持的。

关于经费的摩擦暂时平息了。没想到，洛斯·阿拉莫斯国家实验室的运行又横生枝节。这个实验室于 1943 年成立，因为研制出了世界上第一颗原子弹而声名远播。新视野号的核燃料电池要靠这个实验室生产，它在新视野号研发期间两次停止运行，每次停运都持续了好几个月，这严重削减了钚的产量。发生了的这些困难曾经让 NASA 和科学界的很多人都不看好新视野号。但经过艾伦他们日以继夜、全年无休的勤奋工作，最终按时把新视野号送上了发射台。

2006 年 1 月19 日，在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地，新视野号成功发射，45 分钟后，第三级火箭分离，新视野号脱离地球引力，朝木星飞去，它将在一年零一个月后抵达木星，然后借助木星的引力助推，飞向冥王星。预计抵达目标的时间是 2015 年 7 月 14 日，这是一次超远距离的一杆进洞表演。

新视野号配备了短暂飞掠冥王星系统时所需要的一切东西。它的工作端装载了 7 台仪器，包括

• 黑白相机
• 彩色相机
• 两台可以将不同波长的光分开，从而分析天体的大气组成和表面物质组成的光谱仪
• 一台研究撞上飞船的那些尘埃的探测器
• 此外还有两个空间等离子体传感器，用来测量冥王星的大气逃逸速度，以及逃逸气体的成分
• 最后还有一个无线电探测包，用来测量冥王星的表面温度、随高度变化的大气温度和气压

这些仪器大大提高了新视野号的科研能力，

• 新视野号采用的是 21 世纪的技术，
• 而旅行者号这样的任务，用的还都是上世纪六七十年代的仪器。

• 旅行者 1 号装载的表面成分的成像光谱仪只有 1 像素，
• 而新视野号的成像光谱仪有 64000 像素。

有了这些先进的技术能力，再加上比旅行者号的磁带大上 100 多倍的数据存储量，新视野号的探测效率远超以往的首次飞掠任务。

新视野号的任务主要包括：

1. 用 7 台仪器对冥王星及其 5 颗卫星做 400 多次观测
2. 搜寻可能伤害飞船的障碍物
3. 寻找新的卫星和环结构
4. 不断观测冥王星，对其位置进行三角测量，从而精确定位
5. 控制飞船引擎，使它精确完成飞掠目标
6. 传输靠近目标时获得的所有数据

光阴荏苒，9 年多过去了，时间终于走到了 2015 年 7 月 14 日，临近晚上 9 点，艾伦和 NASA 的局长查尔斯·博登，以及其他任务控制小组的伙伴们，一起在美国霍普金斯大学应用物理实验室里，焦急地等待着新视野号飞船向地球传回第一批信号。就在那一刻，远在 40 多亿千米外的新视野号刚刚一次性地飞掠了冥王星及其系统内的 5 颗卫星。信号以光速飞向地球上的巨型天线，这些信号将会告诉他们，这次飞掠行动是否成功。

实验室附近，有将近 2000 多人一起在等待着新视野号的消息。而全世界还有无数人正坐在电视机和电脑前，关注着飞掠行动。回首往事，艾伦不禁唏嘘。他用了至少 27 年，才使新视野号的飞掠成为现实。他花了 14 年来推销这个项目，4 年用来建造和发射飞船，飞船又用了 9 年多时间来穿越太阳系。这一刻，艾伦和他的伙伴们翘首以盼，他们的努力能换回什么结果，答案很快就能揭晓。

忽然，信号来了。几秒钟之后，任务控制中心的巨型计算机将信号解码为了飞船运行状态的报告。飞行工程师一个接一个地评估数据并上报，确认飞船工作系统一切正常。新视野号成功完成了历史性的飞掠，正在完美运行。整个中心沸腾了，大家振臂欢呼，击掌庆祝，挥舞旗子，相互拥抱。艾伦他们用了将近 30 年的时间，去探索人类迄今为止所能观察的最遥远的世界，堪称行星探索界珠峰的冥王星，如今终于成功了。

第二天一早，新视野号就已经将它拍摄的第一组高清图像发回了地球，让人们看到冥王星是一个复杂到令人称奇的世界。此后几个月，飞船陆续传回数据，一直持续到 2016 年末。总体而言，新视野号用 7 种科学仪器，实施了至少 400 次独立的观测，在这个过程中获得的数据量，是 NASA 首次火星探索任务水手 4 号获得数据的 5000 倍。

这批科学数据，使人们对冥王星系统的认知产生了革命性的巨变，颠覆了我们对于小行星的普遍看法，原来它们也可以这么复杂，这么活力四射。公众对此次任务反响热烈。艾伦他们的任务网站增加了 20 多亿次的访问量，飞掠冥王星的新闻在那一周占据了 500 多家报纸的头条，并登上了数十个杂志的专题，还出现在了谷歌首页涂鸦的地方。这样热烈的反响让艾伦既欣喜又意外。

那新视野号究竟取得了怎样的成果呢？

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。因为冥王星离我们很远，到地球的距离要比木星到地球的距离还远 8 倍左右，但是冥王星的体积又非常小，它比月球还小，视面积只有木星的1/4900。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 5 颗卫星
• 有稀薄的大气
• 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。

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。新视野号对冥王星的成功拜访，大大增加了我们对冥王星的了解，其中有相当多的新发现是令人惊喜的，同时也是意想不到的。

行星科学家们对冥王星的表面是否存在崎岖地貌已经争论了数年。

有一些科学家认为，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，因此，厚厚的一层氮冰让冥王星不可能形成任何高海拔的地貌。新视野号能像我们的眼睛一样，从两个不同的角度观测地形，可以测量山顶等高海拔区域与低海拔地貌的“视差”或者相对运动，从而估算海拔高度。

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，

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
• 绵延几百公里的断层系统
• 巨型冰块碎裂产生的杂乱多山地貌
• 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 公里的深坑，估计是赤道平原处的氮冰升华形成的。

有一个非常重要的发现是在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，为了纪念人类首次太空任务斯普特尼克号。这块平原的面积达到了 80 万平方公里，相当于 8 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。

斯普特尼克 1 号

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。但是观测证据却表明，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冰在流动，而且有纹路，这说明平原下面有热源，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，有 40 多亿年历史，饱受摧残的古老表面，也有 1 – 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，冥王星又留给了我们另一个谜题。

根据可见光 - 红外成像光谱仪的探测数据，在冥王星上发现了水冰。发现水冰这个倒不算是稀奇，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，因为相对于氮冰、甲烷冰来说，水冰的挥发性要低得多，所以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，新视野号只在冥王星的红色区域发现了裸露的水冰，它们之间是否有一些什么样的特殊关联呢？

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百千米厚，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，这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。

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，间接证明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，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发现，例如，

• 在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，绵延几百公里。
• 还有年轻的巨型冰火山，大约只有 3 - 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，当时液体可以在表面流动，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 5 颗卫星，其中最大的一颗叫卡戎。实际上，卡戎算不算是冥王星的卫星，这个一直就有很大的争议。因为卡戎的个头与冥王星相比，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也就是八个卡戎的大小。因此，他们的共同质心是在冥王星的外部的，所以准确地说，并不是卡戎绕着冥王星转，而是他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。

左上：卡戎 、右下：冥王星

这次新视野号也对卡戎和另外四颗卫星进行了观测。人类也首次看到了卡戎的外貌，它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，峡谷的两边有大量的山脉。卡戎没有大气，表面也没有易挥发物质。

那个特征最明显的红色极低冰盖，根据推测，似乎是由甲烷和氮构成的，而这些气体则来自冥王星，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，小到都无法形成球形。新视野号在它们身上也发现了一些奇怪的事情，它们的表面物质和卡戎几乎一样，但是反射率却是卡戎的两倍，这就显得很奇怪，目前还没有合理的解释。

我在这里要特别提醒大家注意的是，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 公里/秒，所以，探测器根本不可能泊入冥王星的轨道，成为冥王星的卫星。

现在，新视野号所记录下来的所有数据都已经传回了地球，但是分析工作还远没有结束，这些数据量非常庞大，还需要很多年才能消化完所有的数据，预计还会有更多有关冥王星表层结构、内核、起源、大气、还有卫星的科学发现。

新视野号圆满完成了探测冥王星的任务，但是它的任务并没有结束。2016 年，NASA 批准了为期五年的延期计划，把新视野号的工作期限延长至2021年中期，目标是探测柯伊伯带的小天体。有一个重要的日期大家需要记住，2019 年 1 月 1 日，新视野号近距离地掠过了一颗被命名为 2014 MU69 的柯伊伯带小天体。这块古老的红色岩石在远离太阳的深空，冰冷地被封存了四十多亿年，保持着太阳系形成之初的原始状态。令人惊奇的是，这个小天体的直径只有 30 千米，却拥有自己的卫星。新视野号飞掠过它时，全套设备将会再次开启。这很像是太阳系考古活动，让我们可以回溯到太阳系形成之初。

在新视野号延期服役的五年中，至少可以近距离地研究 24 颗小天体，同时，它还将在柯伊伯带的深处，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。艾伦相信，五年结束后，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，都还会一直给我们带来各种意想不到的新发现，在这里，我要向艾伦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尽的好奇心。

最后，我想补充回答一下一位小朋友曾提出过的问题。

他说：

听完冥王星的故事，觉得太不容易了，既然这样，为什么新视野号不留在冥王星轨道，成为冥王星的一颗卫星，这样不就有足够的时间来观测冥王星了吗？

我想回答你：

不是科学家们不想，而是鱼和熊掌实在无法兼得。为什么呢？

因为请你记住，在太空中，减速和加速一样困难，都需要消耗大量的燃料。如果一个探测器想要泊入冥王星轨道，成为冥王星的一颗卫星，那么速度就必须要减为冥王星的环绕速度，这个速度与冥王星的质量以及半径有关，而冥王星比月球还小，质量还不到月球的五分之一，所以它的环绕速度很小，只有多少呢？

我粗略地算了一下，大约只有 0.85 公里/秒，也就是每小时 3000 多公里，最快的战斗机都能达到的速度。所以，如果新视野号想要降低到这个速度，那就必须在飞到冥王星的时候还有大量的燃料减速，而携带大量的燃料又会导致起飞重量增加，起飞的时候燃料也要大幅度地增加，

那如果降低在太空巡航的速度呢？那样的话，飞到冥王星就不是 9.5 年了，而是几十年了，这种漫长的旅途也无法接受，你想艾伦这样的科学家怎么可能忍受自己都退休了还等不到新视野号飞到冥王星呢？

所以，在预算和抵达时间的双重要求下，飞掠冥王星也就成了必然选择。不过飞掠也有好处，可以让人类早一点了解柯伊伯带的真相。

全文完

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