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《逐梦冥王星》
铛铛铃2025-09-14【科普】1人已围观
简介
今天为您解读的书是《逐梦冥王星》，副标题是《新视野号的史诗冒险》。
说到冥王星，我们首先想到的大概是，它在2006年被逐出太阳系九大行星之列。但你知道吗，曾经有一个2000多人的团队，历时26年，将探测器送往50亿公里外的宇宙深处，为的就是探索这位地球的遥远邻居——冥王星。
这本书讲述的就是新视野号探测器的冥王星探索之旅，也是新视野号团队的冥王星逐梦之旅。
上世纪60年代起，工业化发展突飞猛进，科学家将目光聚焦太空，希望发射各种探测器来探索广袤无际的太阳系乃至整个宇宙。美国国家航天局（NASA）先后组织了多次宏大的太空探索项目，对太阳系各大行星进行研究。水手号系列探测器在60到70年代完成了对金星、火星和水星的探索。先驱者号系列探测器于70年代到达了更遥远的木星和土星。旅行者号系列探测完成了对木星、土星、天王星和海王星的考察任务。
2015年7月14号，名为新视野号的探测器在经过了长达9年半的孤独旅行后，在距离地球50多亿公里的地方，以超过每秒13 km的速度从冥王星上空飞掠而过，获得了大量的科研数据，实现了人类对太阳系全部主要星体的探索之梦，是人类初步探索太阳系的一座里程碑。
《逐梦冥王星》这本书是由新视野号的项目负责人、美国行星科学家艾伦·斯特恩携手美国天体生物学家大卫·格林斯彭合著完成。作者以项目内部人士的视角，揭秘新视野号的构想、研发以及造访冥王星的完整历程。这本书出版于2018年，当年便荣获《出版人周刊》最佳夏季读物、BBC精选十本必读好书等多项大奖。
接下来，我们将分四个部分回顾这段史诗级的旅程：
第一部分，人类发现冥王星的过程；
第二部分，艾伦·斯特恩如何推动新视野号项目诞生；
第三部分，从立项到发射，新视野号做了怎样的准备工作；
第四部分，新视野号造访冥王星的壮举。
我们首先了解一下冥王星的发现过程。
在18世纪以前，随着日心说被广泛认知，人们观察到太阳系的六大行星：水星、金星、地球、火星、木星和土星。那时的人们认为，土星是太阳系的边缘，土星是离太阳最远的行星。直到1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔通过自制的反射式望远镜在天空中发现了一个淡蓝色、具有行星般小圆面的新天体。经过对这个天体轨道的观测和分析，最终认定这是一个新的行星，命名为天王星。
但不久之后，天王星给天文学家带来了许多麻烦。人们在观测天王星的时候，发现天王星经常出轨，它在天空的实际轨道总是与理论计算的轨道不符合，更糟糕的是，偏离越来越大。如何解释这一现象呢？是不是万有引力定律和开普勒定律出问题了呢？人们开始怀疑。
在1846年夏天，英国数学家约翰·亚当斯和法国数学家奥本·勒维耶几乎同时发表文章，指出天王星运行的异常是由于天王星轨道附近其他运动天体的强大吸引力所导致的。通过对这颗未知天体运行轨道的观测和计算，发现它应该是一颗质量超过天王星的新行星。勒维耶将计算预测的位置写信告诉了柏林天文台。1846年9月23号，柏林天文台台长加勒收到信件后，立即将望远镜对准了勒维耶指出的方向，并成功捕捉到了那颗天外行星，它被命名为海王星。
海王星的发现又一次证明了科学的魅力，人们不禁期待，太阳系中会不会还有更多的行星等待我们去发现呢？
果然，半个世纪后，美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔通过对观测数据的计算，发现海王星的实际运行轨道也跟模型计算预测的结果出现了偏差。罗威尔猜测，在海王星轨道之外，还有一颗尚未被发现的X行星。于是他在美国亚利桑那州的弗拉格斯塔夫市资助建立了罗威尔天文台，专门用于观测行星和发现X行星。然而不幸的是，罗威尔在1916年辞世时，仍未能观测到X行星。
探索X行星的接力棒交到了青年天文学家的手中，美国天文学家克莱德·汤博就是其中一员。他用一台口径33 cm的望远镜对天空中各个可能位置拍照，并用一台闪视比较镜对观测结果进行观察和计算。在坚持了近一年的时间后，克莱德·汤博终于在1930年2月18号成功捕捉到了他期盼已久的目标，也就是罗威尔预测的X行星。经过反复检查和计算确认，天文学家最终确定了X行星的身份，并命名为冥王星。
冥王星的命名十分巧妙，冥王寓意着遥远的黑暗之中，不仅符合九大行星都以希腊诸神的名字命名的传统，而且它的英文名为Pluto，前两个字母PL也是帕西瓦尔·罗威尔的缩写，借此纪念罗威尔天文台的创始人和赞助人帕西瓦尔·罗威尔。
《纽约时报》为此刊登了头版头条：“八十四年来，人类首次发现太阳系边缘的第九大行星”，将这则振奋人心的消息传遍了全世界。
冥王星被发现后，天文学家对它的研究并没有就此止步。他们不断对冥王星进行深入观测和研究，利用新兴技术测算冥王星的颜色和亮度，初步获取了冥王星表层结构和组成成分的数据，同时发现冥王星有着自己的大气层。在冥王星的赤道附近地区，还发现了高达数百英尺的锯齿状结构。这种独特现象吸引了地质学家、气象学家、磁层专家、化学家的关注。
1978年，美国海军天文台的天文学家詹姆斯·克里斯蒂成功发现冥王星的卫星卡戎，并在随后的研究中发现，卡戎和冥王星会出现反复的相互遮蔽的掩星现象。独特的掩星现象再次改写了人类对行星的认知，让冥王星成为万众瞩目的焦点。
上世纪90年代，科学家在海王星轨道以外的广阔区域——柯伊伯带发现数千个天体，将这片区域的神秘性推向高潮。柯伊伯带是太阳系中的一个环绕恒星的圆盘，其中的小天体都是由原始星云形成的，这对于研究宇宙大爆炸、太阳系的形成和演化具有重大的科研意义。柯伊伯带中最大、最著名的天体就是冥王星。
在1989年，旅行者2号探测器造访海王星后，冥王星成为了当时唯一一个还没有被任何太空船造访过的行星。显然，冥王星成为了人类太空探索的下一个目的地。
来看第二部分，就讲讲本书作者艾伦·斯特恩如何推动新视野号项目诞生的。
艾伦从小就对科学、太空探索和天文学有着浓厚的兴趣。在1969年，12岁的艾伦撰写了一本130页的书《无人飞船内部视角》，吸引了NASA首席公共事务约翰·麦克利什的关注。在麦克利什的帮助下，艾伦有幸接触了阿波罗号的飞行计划、指令舱操作手册、登月程序等技术资料，开始热衷于太空探索。
艾伦在德克萨斯大学取得了航空航天工程专业的学士学位和行星大气专业的硕士学位，毕业之后开始担任NASA的工程师。1987年，艾伦进入科罗拉多大学攻读天体物理学博士学位，并且开始琢磨向冥王星发射探测器的可能性。
艾伦清楚地意识到，启动这样一项任务必须要得到NASA和科学界的广泛支持，但是如何确认科学界对探索的兴趣呢？NASA对此是否上心呢？艾伦首先从获取行星科学家的支持着手。掩星现象、旅行者2号探测器的成功以及柯伊伯带数十万天体的发现极大鼓舞了天文学家的科研兴趣。当时活跃的行星科学家仅有千名左右，其中大多数都会出席美国地球物理学（AGU）的年度会议。艾伦向AGU组委会提议，在1989年5月巴尔迪摩举办的春季会议上组织一次关于冥王星的新发现和新见解的技术讨论。这个提议被组委会采纳，并且取得了巨大的成功。许多行星科学家参与会议，并且带来了几十场精彩的演讲，也吸引了数百位其他领域的科学家出席会议，获得了广泛好评。
通过这次会议，艾伦联合了来自英国和美国的行星科学家、天文学家和物理学家，一共14位志同道合的科学家组成的核心小组，他们称自己为“冥王星地下党”，正式向探索冥王星的任务发起挑战。艾伦发动科学家和大众写信，呼吁NASA探索冥王星，实现对第九大行星的探索。终于在1990年，NASA批准了对冥王星任务的第一次正式研讨，并在随后几年间诞生了冥王星350、冥王星直通车、冥王柯伊伯快线、新视野号等多个竞争方案。
90年代，随着苏联的解体、冷战的结束，美国政府决定减少对航空航天事业的资金投入，NASA没有足够的资金预算来负担像旅行者号那样花费巨大的新任务了。NASA更愿意支持更小巧、更便宜、更具针对性的探测任务，而新视野号项目方案就满足NASA的这一倾向。
新视野号项目由艾伦和霍普金斯大学应用物理实验室主导，联合其他几个美国机构的团队共同设计。这个提案在许多方面都展现出它的优越性。新视野号的核心亮点是在符合NASA制定的观测要求的基础上，装备更多额外的仪器，为科研项目增加了新的内容，以获得多领域科学家的支持。
为了控制项目成本，新视野号团队并没有按照惯例建造两台完全一致的探测器，而是采用了备援机制，也就是推进器、飞行控制、无线通信等每个关键部件都有一个功能齐全的备用件，以供临危受命。即使探测器在飞掠冥王星期间发生故障，也不影响新视野号的科研任务，在控制成本的同时降低风险。
最终，新视野号方案以优异的成本控制、项目规划和设备稳定性从众多优秀的竞争方案中脱颖而出，在2001年11月29号被NASA选中。此时新视野号团队所面临的挑战才刚刚开始。
第三部分我们就来说说，从立项到发射，新视野号做了怎样的准备工作。
新视野号的亮点在于它装备的仪器，这里的每一个仪器都是团队在已有的设计上改建而来，它们的优越性能在之前的太空活动中已经得到过证实。改进后的科学仪器具备更高效的数据收集能力和更高的灵敏度。
比如说探索冥王星大气层的，就有紫外线成像光谱仪，用来分析冥王星的大气层组成成分。由全世界无线电领域最尖端团队打造的无线电科学实验仪，用来探测冥王星大气层不同高度的压强和温度。太阳风分析仪，用来测量冥王星附近来自太阳风的带电粒子，判断冥王星是否有磁场圈以及它的大气逃逸速度。还有高能粒子频谱仪，用来分析从冥王星大气中逃逸的气体组成成分，以及用来持续记录太阳系尘埃密度的尘埃计数器。
探索冥王星地表的仪器有红外线成像光谱仪，用来绘制冥王星的地表地图，并确定地表的组成部分，它的探测效率是旅行者号搭载的红外干涉光谱仪的6万4000倍。还有远程勘测成像仪，利用一台具有百万像素相机的望远镜，可以在几百万公里之外拍摄冥王星地形的高分辨率图像，远超NASA要求的分辨率五倍之多。
除了这些了不起的仪器之外，新视野号团队还提出了几项任务创新。首先，新视野号会利用木星的引力助推，可以减少4年左右的飞行时间，降低成本消耗，也将降低探测器在飞行过程中出现故障的概率。其次，新视野号能够在飞行期间同时运行五个仪器，并引用最新的固态闪存，提升了32倍的数据存储能力，保证在接近冥王星的有限时间内完成尽可能多的科研任务。最后，为了满足成本要求，新视野号探测器创新性地引入休眠模式。新视野号在木星和冥王星之间飞行的数年中，大部分时间系统都是关闭状态，只保留极少的通信和导航功能。这一创举不但可以节约能耗，减少核动力电池的重量和体积，同时也极大地降低了运行维护的人力成本。艾伦分配一组核心人员在新视野号休眠期间与地面保持联系，整个运行维护团队的人数不到旅行者号的1/9。
2005年8月，新视野号顺利完成测试和验收。2005年9月24号，新视野号探测器从华盛顿特区外的安德鲁斯空军基地出发，被运送至肯尼迪航天中心发射基地，进入发射前准备工作。
由于新视野号探测器计划利用木星引力的助推来加速飞往冥王星，因此对发射时机有特殊的要求。地球、木星和冥王星必须处于特定的几何排列区间。通过计算，新视野号的最佳发射时间在2006年1月前后，在木星的引力助推下达到冥王星需要9年半的时间。一旦错过最佳发射窗口期，新视野号将不得不在2007年发射，并且失去木星的引力加速，需要长达14年才能到达冥王星。幸而前期严谨周密的规划保证了发射前准备工作的顺利进行。
2006年1月19号，新视野号乘坐着宇宙神5号火箭在肯尼迪发射基地顺利升空。新视野号团队还特意将汤伯的一小包骨灰放置在新视野号的特定容器内，以此纪念冥王星的发现者克莱德·汤博。就这样，新视野号开启了它的长途旅行，将飞往冥王星，然后继续探索更加遥远和广阔的世界，完成人类对太阳系九大行星里程碑式的探索。
最后，我们了解一下新视野号飞掠冥王星的过程。
激动人心的发射场面结束了，有关新视野号发射的媒体报道也渐入尾声，然而，对于新视野号的飞行控制团队来说，真正的太空旅程才刚刚开始，他们要护送新视野号穿越太阳系，抵达冥王星。
新视野号打破了有史以来最快发射速度的记录，它的飞行速度比飞机快将近60倍，达到64000 km每小时，相当于仅需一分钟就可以从上海飞到北京。但是这也意味着很小的误差都会对飞行轨迹产生巨大的影响。
宇宙神5号火箭成功发射后，飞控团队立即投入到对探测器全面的检查工作中，全程监控探测器的运行，以保证探测器运行在完美的预设轨道上，这样，新视野号才能按照预定的时间抵达木星附近特定的区域，并借助木星引力的助推加速飞往冥王星。
正当新视野号团队忙于测试新视野号飞行状态的时候，发生了一则有趣的小插曲。2006年8月，就在新视野号成功发射仅七个月后，第26届国际天文学联合会全体会议在捷克首都布拉格召开，科学家们对行星的概念进行了重新定义：第一天体必须绕太阳公转；第二天体必须足够大，才能通过其自身引力形成球形；第三，天体必须有足够大的质量，清除掉它轨道附近区域的其他天体。然而，冥王星轨道上有大量的天体存在，在新的定义下，冥王星被降级为矮行星，被踢出了太阳系的九大行星之列。
然而，新的行星定义并没能获得所有科学家的认可，会议结束两周内，有数百名行星科学家签署了一份请愿书，指出新定义存在诸多缺陷，并拒绝采纳新定义。关于冥王星是否属于行星的争论持续至今。
尽管发生了冥王星被降级的闹剧，这丝毫不影响新视野号团队持续护航的工作。在飞控团队的努力下，2007年2月28号，新视野号成功抵达预设的木星附近区域，借助木星引力的助推飞往冥王星。
在飞掠木星的前后，新视野号还利用搭载的先进仪器进行了一次带装彩排，对木星和它的部分卫星进行了近700次的观测，收集并回传了大量的科学观测数据，有一部分成果还登上了学术期刊《科学杂志》的封面。
在新视野号飞掠木星之后，就要采用休眠模式来节约能耗。每次休眠的时间是多少呢？新视野号团队按照预设的程序对新视野号探测器反复进行休眠时长测试，最终将休眠间隔稳定在七个月的时间。从2007年到2014年，每一次新视野号进入休眠，团队都可以把工作重心转向飞掠冥王星的筹备任务。
为了尽可能的降低飞掠过程中出现问题的概率，新视野号团队不仅制定了详细的计划，在时间成本和人员允许的情况下，也展开了多场演习和排练，涉及飞掠过程中的方方面面，并根据新视野号可能出现的问题作出预案。
2013年7月5号，新视野号团队举行了一场最为关键的为期九天的实战演习。这次精确到分钟的演习完全模拟飞掠冥王星时的所有环境和任务，地球接收来自新视野号的信息会有时间延迟，在演习中，这个延迟时间也与2015年真正飞掠期间保持完全一致，以保证飞掠冥王星任务的万无一失。
基于对演习中收集到的数据的分析，新视野号团队将持续数月的冥王星飞掠任务分为几个阶段，分别是三个接近期、核心交汇期和三个脱离期。
第一个接近期开始于2015年1月，距离新视野号到达冥王星最近点还有六个月的时间，近3亿公里的距离。这个阶段的主要目标是收集导航图像，并使用太阳风分析仪、高能粒子频谱仪和尘埃计数器来测量冥王星的大气环境。
第二个接近期开始于2015年4月，这时新视野号与冥王星的距离拉近了一半。这个阶段会持续第一接近期的任务，并通过远程勘测成像仪获取大量清晰的冥王星图像，开展第一次具有科研效用的观测。
第三个接近期开始于2015年6月中旬，仅持续三周。这个阶段，新视野号要完成多项针对冥王星及其卫星的拍摄活动，对冥王星和它的卫星卡戎进行成分探测，并尝试探索发现新的卫星和星环。
核心交汇期发生在新视野号抵达最近点的前七天和后两天，新视野号将进行大量密集的观测和实验探测，获取最核心的数据，这是最为激动人心的时刻。2015年7月14号上午七时49分50秒，新视野号到达了离冥王星最近的位置，探测器上的仪器紧锣密鼓地获取数据，在有限的时间里完成对冥王星及其五颗卫星的探测任务。
飞掠当晚，时任NASA局长查尔斯·博尔登激动地对媒体宣布：“我们已经造访了太阳系中所有的行星。”
新视野号探测器进入核心交汇期后，回传了大量的冥王星的照片，让冥王星的模样变得越来越清晰。在新视野号飞掠的半球上，有一片最明显、最宽阔的区域，北部呈两瓣状，南部呈尖锐的锥形，整体呈心形。NASA发布新闻稿宣称：“冥王星有一颗心。”消息立即引爆全球各大媒体，吸引全球近20亿人的关注。冥王星之新的表情包、卡通T恤、冰箱贴等快速充满了我们的生活，全世界都在与冥王星心心相印。
在核心交汇期之后，新视野号将陆续进入三个脱离期，直到2015年10月后，新视野号将在飞向更远的外太空的同时陆续将飞掠期间获取的科研数据传输回NASA。新视野号建立了一个庞大的数据库，它需要近16个月的时间将全部的数据传输回地球。
通过对这些探测数据的分析和计算，科学团队对冥王星的地理区域、地质构造、大气成分等有了更充分的认知。冥王星有类似地球参差不齐的山脉、广阔的平原和变幻的季节。然而，冥王星没有改造为人类宜居星球的可能性，因为它的地质运动活跃，大气主要由氮气、少量的甲烷和一氧化碳组成，大气压力只有一帕，也就是地球表面大气压的1/100000。
离开冥王星之后，新视野号并未停下自己的脚步。NASA批准新视野号继续执行一项为期5年的后续任务，飞掠柯伊伯带中的一颗名为天涯海角的小行星。新视野号于2019年1月1号成功飞掠这一距离地球64亿公里的小行星。过去，人们认为天涯海角由两个球体连接而成，类似一个雪人。新视野号拍下的照片显示，这两个组成部分并不是球体，而是带着凹陷的扁平形状，取名天涯的部分像巨大的煎饼，取名海角的部分像凹陷的核桃。
远离太阳的小行星上保留着太阳系诞生之初的古老信息，因此对小行星的研究可以帮助我们去了解宇宙的过去，推测物质的演化过程，了解生命起源之谜。
在飞掠天涯海角之后，新视野号继续飞往冥王星轨道的最远处，持续监测太空中的带电粒子和尘埃。新视野号所收集的数据宝库将彻底改变人们对冥王星、其卫星以及柯伊伯带天体的认知，比如发现宇宙有数千亿个星系，而不是之前预测的2万亿个，发现大量柯伊伯带天体，支撑了宇宙起源于起点大爆炸的理论。
新视野号团队背后有大量的幕后英雄，他们十几年坚持，将一件看似不可能的事情变为可能，锲而不舍的逐梦冥王星，使新视野号成为人类初步探索太阳系的一座里程碑。
最后借用作者的一段话结尾：“历史是由人类书写的，知识是在探索中获取的，新视野号的成功也让世人意识到，我们人类、我们地球人的确可以成就惊人的伟业。”
好，《逐梦冥王星》这本书就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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