天文太空

航向最遙遠的行星

我們已造訪許多太陽系中的行星,然而,對於最特別的、最遙遠的冥王星,科學家所知仍非常有限。

撰文/史騰(S. Alan Stern,美國科羅拉多大學行星科學與天文物理博士)
翻譯/高涌泉(台灣大學物理系教授)

天文太空

航向最遙遠的行星

我們已造訪許多太陽系中的行星,然而,對於最特別的、最遙遠的冥王星,科學家所知仍非常有限。

撰文/史騰(S. Alan Stern,美國科羅拉多大學行星科學與天文物理博士)
翻譯/高涌泉(台灣大學物理系教授)

直到大約10年前,多數的行星科學家仍舊認為冥王星只不過是一個小小特例。其他所有的行星,都可以很適切的納入天文學家已知的太陽系結構:內軌道有四個小型的岩石物體,外軌道有四個氣體巨物,介於其間有個小行星帶。但是遠方的冥王星卻是個冰冷的謎,以奇特的軌道運行於海王星之外。有一些研究人員,尤其是荷裔美籍天文學家柯伊伯(Gerard Kuiper),於1940~50年代提出一個想法,認為冥王星或許不是一個沒有脈絡的世界,而是運行在同一區域內的一大群物體之中,最亮的一個。這個後來稱為「柯伊伯帶」(Kuiper Belt)的概念,在科學文獻中討論持續達數十年;但是這一大群冰霜世界,卻遍尋不著。(圖為畫家想像中的冥王星地貌。當冥王星最接近太陽(圖左中之亮點)時,表面上的物質會昇華噴出形成稀薄的大氣。掛在天邊的則是冥王星的衛星冥衛一。)

到了1980年代末期,科學家認定一定存在著類似柯伊伯帶的東西,才可以解釋為何有很多的短週期彗星,其軌道如此貼近太陽系平面。這是個間接證據,意味著遠方有一個帶狀的物體,繞行軌道與冥王星在同一個區域。這也促使了觀察人員,再次用望遠鏡尋找海王星之外尚未發現的昏暗物體。1980年代的望遠鏡,已經裝備了電子式的光偵測器,搜尋的敏銳度遠比以前用的照相來得高,因此,成功就此來臨。


1992年,夏威夷茂納開亞天文台的天文學家發現了第一個柯伊伯帶物體(Kuiper Belt object, KBO),比冥王星小十倍又微弱一萬倍。自那時起,觀察人員已經發現了超過600個KBO,直徑從50~1200公里不等(冥王星的直徑約為2400公里)。


可是這還只是冰山之一角,目前仔細勘查過的區域只占天空的一小部分。研究人員將目前已有的結果外推,估計柯伊伯帶包含了大約10萬個直徑大於100公里的物體。所以,柯伊伯帶其實是小行星帶的老大哥,有更多的質量,更多的物體(特別是體積較大的),以及更多從太陽系誕生之時就已經留下來的既古老、又冰冷的有機物質。


前進冥王星


現在已經很清楚了,冥王星不是個異常現象,它其實位居於一大群比它略小的物體當中。它們的繞行軌道離太陽的距離,約在50億公里到起碼80億公里之間。因為太陽系早期發展的線索或許就藏在這距離如此之遙的區域,所以天文學家對於冥王星、冥衛一,以及構成柯伊伯帶的物體非常感興趣。可惜地球離這個區域太遠了,所以限制了觀測的品質。例如,即便是十分敏銳的哈伯太空望遠鏡,也只能看到冥王星表面模糊的明暗區域(見右圖)。而且雖然先鋒號、航行者號與伽利略號太空船已經提供科學家非常棒的木星、土星、天王星、海王星的近距離影像,至今尚無任何太空船探訪過「冥王星-冥衛一」系統,或者是柯伊伯帶。

因為體認到太陽系這一區域的重要,10多年來科學家一直督促美國航空暨太空總署(NASA),將冥王星納入行星探索計畫裡。因此NASA研究了可能的任務形式:從船屋大小、裝滿儀器的太空船(類似現正前往土星的卡西尼號探測船),到倉鼠大小、只攜帶一只照相機的小船。到了1990年代末,NASA終於決定採用一個叫作「冥王星-柯伊伯之旅」(Pluto-Kuiper Express)的中型太空船,由加州帕沙第納的噴射推進實驗室(JPL)負責建造。但預估的經費很快就邁向八億美元,比NASA想投資的金額多很多。因此NASA在2000年秋放棄了「冥王星-柯伊伯之旅」。


然而想取消這個計畫卻非易事。來自科學家、太空探險擁護者、學童的請求,大批湧入NASA,要求重新考慮。昂貴的「冥王星-柯伊伯之旅」是不可能重新再來的。所以NASA發起一個大學、研究實驗室、太空公司之間的競賽,看誰能提出辦法,可以用較低的價格探索冥王星、冥衛一與柯伊伯帶。以前NASA從未允許工業界和大學競爭主導前往外太陽系的任務。因為這樣的競賽是頭一回,NASA很明白地說,如果沒有任何計畫可以於2020年之前完成指定的科學測量任務,而且花費在五億美元以下,則NASA沒有一絲義務必須在那些計畫中挑一個來執行。




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