史上首次接近冥王星──新視野號太空船全記錄 The First Approach Pluto in History - New Horizons Space Probe


2014年12月8日:NASA的新視野號(New Horizons)太空船航行了48億公里之後,在台灣時間12/7上午10:53醒來了!還記得羅賽塔與菲萊的彗星大冒險裡,他們睡了2年7個多月嗎?NASA的新視野號太空船可是睡了更長的一覺,從2007到2014年睡了8年!

約鋼琴大小的新視野號在2006年1月發射,2007年2月獲得木星的重力加速,在2007-2014的時間,進入休眠狀態,僅每週送回一次訊號,確認它睡得很安穩,另外每年也會醒來50天進行校正和科學觀測。2015年新視野號將近距離飛掠冥王星,7月14日最靠近冥王星,在這段時間會將對冥王星進行詳細的觀測。2017-2020年,新視野號將繼續飛往太陽系外圍,探測更多的古柏帶(Kuiper belt)天體,它們位於海王星軌道之外的廣闊空間,冥王星與67P彗星都是古伯帶成員。

新視野號上載有七種儀器,運作所需電能來自放射性熱電產生器。新視野號上還載有發現冥王星的美國天文學家湯博的部分骨灰。

2015年6月9日:曾經是第九大行星的冥王星,在新視野號出發後才幾個月竟然被除名了,不過這不影響我們探索它的興趣。我們已經可以看到目前為止最清晰的影像。在5月12日的照片中,可看到冥王星表面有類似月球一樣深淺不一的區域,等到未來幾週便可從更近的距離拍攝到更多的細節。

科學家預測由於冥王星與最大衛星凱倫Charon互繞時引力場會不斷轉移,因此冥王星的其他小衛星們會有無法預知的搖晃,這種可變引力場會使得小衛星翻滾不穩定,並且因為衛星是橄欖球狀,更加劇這種無規則自轉。

5月29日到6月2日的拍攝中(下圖),已可見到更多細節。照片中冥王星似乎不太圓,這是因為影像處理與明暗對比所造成的。

2015年7月9日:新視野號送回冥王星最新影像,上面還有個愛心呢!這張影像是在7月7日以長距離望遠相機(LORRI)在800萬公里遠處拍攝。下次要看到這個區域,是7月14日新視野號最靠近冥王星的時候,那時的解析度會高出500倍。

冥王星表面有著亮度不同的各個區域,最明顯的是照片左下方近赤道的細長黑暗地帶,天文學家暱稱它為「鯨魚」(the whale)。右下方愛心形的明亮區域,約有2000公里寬。正上方則是亮度介於兩者之間的極區。

另外新視野號的資料也顯示冥王星和火星一樣是紅棕色的,不過兩者成因大不相同,火星的紅棕色來自氧化鐵,也就是鐵鏽。而冥王星上則是因為宇宙射線和太陽紫外線與冥王星大氣及表面的甲烷作用,產生碳氫化合物的顏色。


2015年7月13日:7月9日距離冥王星540萬公里處所拍攝的照片中,被天文學家暱稱為「鯨魚」的區域能看到鯨魚尾巴的複雜地貌,另外還有多角形的特徵和一些複雜的地形(上圖),可能是隕石坑。另外可看到冥王星最大衛星「凱倫」 Charon 佈滿裂痕和隕石坑,在北極附近有個巨大的黑斑,最明顯的鴻溝位於南半球,比地球的大峽谷更深也更長,懸崖綿延上千公里並且深達7至9公里。這可能是星球內部的地質過程造成的結果。

2015年7月15日:有史以來最清楚的冥王星照片出爐(首圖)!臺北時間7月14日早上4點,在最接近前16小時拍攝,距離冥王星表面僅有76萬8000公里。照片中的愛心形狀有1600公里大。

新視野號原為行星級探測太空船,雖然還沒走多遠就被降級為"矮行星"探測太空船,不過故事一波三折,根據新視野號最新影像,確認它的直徑有2370公里,顯示科學家們過去太小看冥王星。再加上2010年以掩星法仔細測量鬩神星算出直徑2300公里左右,稍小於冥王星,讓爭議多時的問題有了答案,但是冥王星再也無法重回行星之列了。

新視野號為了降低系統複雜度和出錯率以及在最接近的22小時內能收集更多資料,將暫停對地球的通訊。預計臺灣時間7月15日早上9點才會重新與地球聯絡,逐步回傳數據及影像資料。目前冥王星距離地球有49.2億公里,回傳資料需4小時25分,頻寬僅有1kb/s,資料貯存在新視野號的兩顆8G固態硬碟,要將全部的資料回傳需耗時16個月,處理資料更要花上好幾年時間。

2015年7月16日:冥王星赤道日夜交界處出現一個驚喜:年輕高山聳立高達3500公尺,可能才形成不到一億年,並且還在繼續成長中。由於冥王星已被太空各種碎片衝擊數十億年,形成大量隕石坑,但是這個山區卻很少,推測是因為地質活動而消除,但是又不能用更大星體的熔岩核心、潮汐引力作用加熱來解釋,因此要重新思考為什麼產生地質活動。

2015年7月17日:冥王星最大的衛星凱倫最新照片出現了一個特別地形,有座山峰坐落在凹洞裡,就像有護城河一般。形成原因要讓地質學家傷腦筋了。影像拍​​攝於2015年7月14日最接近冥王星約1.5小時前,距離79000公里。

2015年7月22日:冥王星的愛心上有更多山脈!7月14日距離冥王星77000公里處,拍到1000-1500公尺高的山,和臺北市的七星山(1120公尺)差不多。照片西半部有著黑暗沉重的坑窪地形,東半部則是年輕冷凍的平原,因為明亮的泥沙狀物質似乎填補了幾個舊隕石坑。這個心型平原區域被NASA正式命名為「湯博區」(Tombaugh Regio),以紀念發現冥王星的克萊德.湯博(Clyde Tombaugh)。

2015年7月26日:冥王星的心型特徵發現了流動冰川!這顯示冥王星可能和地球或火星一樣,仍有活躍的地質活動。照片增強彩色後可用來檢測表面組成結構,最暗顏色出現在赤道,北極地區則較為明亮。科學家解釋這是運輸以氮為主的冰從赤道到兩極,在某處昇華或蒸發,然後在另一處凝固。不過心型區打破了這個模式。照片中能夠看到明暗交錯的螺旋形狀,顯示有冰層流經障礙物後,往低地流去。這和地球上的冰川非常相似。

新視野號上週飛越冰封的冥王星時,還回眸拍到背光輪廓邊緣一片大氣薄霧,含有氮氣、一氧化碳和甲烷。其厚度至少130公里,比電腦模型高4倍,且明顯有兩層,1層高約80公里,另1層高度則在50公里左右。目前不明瞭冥王星為何有如此厚的霾層,至於顏色泛紅可能是由於其中產生的烴粒子,掉落地面產生化學反應導致。

由理論模型顯示:霾是紫外線使冥王星大氣的甲烷(methane)氣體分解的結果,甲烷分解會觸發較複雜的碳氫化合物形成,如乙烯(ethylene)和乙炔(acetylene)等,新視野號在冥王星大氣中已確定有這兩種碳氫化合物。當其降落至較低且冷一點的高度,約30公里高之處,會凝成冰粒形成霾。太陽紫外光會將這些霾轉變成托林(tholin),這是一種沒有固定分子式的碳氫化合物,顏色偏紅棕等色。

2015年10月5日:冥王星最大衛星凱倫最新且最高解析度的影像,顯示出橫跨東西的超大裂谷與北方特大深色窪地,這兩個超級特徵讓我不得不聯想成:曾經有個很大的隕石撞擊上方造成超大凹陷,而且力量大到Charon從中間爆裂、形成肚子一整圈裂痕。不過這只是我的幻想,還需要科學家找出它真正的狂暴複雜形成史。 

2015年10月7日:新視野號傳回飛掠冥王星時拍攝的日落景象!就在它最接近冥王星之後15分鐘,新視野號回頭拍下這張地平線照片。日落後的餘光中可看到荒涼崎嶇的冰山與多層稀薄的大氣。這讓我想起絲路的荒漠與小王子欣賞日落的興趣。在這個冰凍星球上,看著太陽落在冰山之後,似乎有一種說不出的落寞感。也許小王子當時的心境就是如此。 

2015年10月12日:冥王星上有藍天和水冰!新視野號傳回冥王星霧霾的首張彩色照片,原來冥王星的天空是藍色的。霧霾粒子本身可能是灰色或紅色,但由於像煤灰一樣的托林(tholin)粒子很小,散射陽光的結果便呈現藍色的天空了,地球藍天有類似的形成原因,散射陽光主要為氮氣分子。

另一項新視野號的重要成果,是利用光譜儀在冥王星表面發現了許多小區域裸露的水冰!水冰大多位在隕坑及山脈間的峽谷,且與冥王星表面較亮紅色的區域相吻合,研究團隊對於這些水冰會這麼紅感到驚訝,還不清楚表面水冰和托林色調之間的關連性。冥王星地表大片區域並沒有水冰顯露,是因為絕大部分都被其他更易揮發的冰覆蓋。瞭解水冰為何會在這些小片區域而非其他區域露出,是科學家希望挑戰的課題。

新視野號目前距離地球已50億公里,太空船上所有儀器系統均運作正常。

2018年6月12日:遙遠又孤單的新視野號繼續飛越幾近真空的太陽系邊緣,想要再探索另一顆同為古柏帶天體的2104 MU69 (暱稱Ultima Thule,意為終極的島嶼或極地),如今它已再度甦醒,因為最終的目標已經接近了!探測任務為期9天,預計過年(1月1日)時將是最接近的時候。

三年前經過冥王星後,它已在六月五號從休眠中醒來,通知地球身體健康,並朝向最後一個目標前進。由於距離地球61億公里,需經過5小時40分鐘才能收到訊號。

古柏帶這個廣大岩石碎片領域中,包含了未知數量的矮行星和數十億個小天體,被稱為2014 MU69的天體正好相當接近新視野號軌道,任務團隊打算利用剩餘的推進劑飛到2014 MU69 附近。目前新視野號距離目標大約2.62億公里,研究團隊開發了兩種飛掠方案,最近可達3500公里或10000公里。新視野號飛越冥王星時大約距離12480公里。

2019年1月3日:星際飛行在這幾天創造了新歷史:2019年1月1日,曾探測過冥王星的NASA新視野號太空船正飛掠探測史上最遠(距離太陽65億公里)且最古老的天體2014 MU69-Ultima Thule,目前最清楚的照片顯示,它像是兩顆輕輕碰在一起的雪球,形成一個怪臉雪人。

距離僅3500公里處拍得的Ultima Thule,其大小為32x16公里,實際顏色偏紅,可能不是水冰而是凍結的甲烷或氮。具有圓瓣形崎嶇表面,就像用黏土般的原始微行星稍微擠壓而成,且撞擊坑稀少。未來20個月將會陸續傳送更清晰的圖片及數據,讓我們可以從這個珍貴的時空膠囊瞭解太陽系剛形成的樣子。

兩顆圓球幾近完好,因此相碰時速度應該不大,頂多每小時幾公里,才能黏在一起而不被撞開或碎裂。這一點證實古柏帶天體是從原始物質慢慢凝結而成的理論,也是我們第一次在太陽系內清楚看見這種星體。

兩球體連接處的「頸部」比其他部分要亮一些,科學家解釋是由於小顆粒比大顆粒更能反射光線,小顆粒滾下堆積到頸部區。其最亮區域只反射13%陽光,最黑暗區域僅 6%。

2019年11月13日:美國NASA宣布將2014 MU69正式命名為Arrokoth,為美洲原住民語「天空」的意思。原暱稱則因為被納粹極端份子使用過而放棄。


參考資料:臺北天文館、臺北天文通新視野號新聞中心、NASA、Astronomy Now

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