新视野号 (New Horizons) 抵达冥王星具有什么重要意义？

1#意义

1#1科学意义

人类历史上第一次对柯依伯带进行有目的的探测「之前的探测器在离开巨行星后，只会对空间的太阳风、宇宙辐射等空间环境进行记录」，也是在已知柯伊伯带存在的情况下，第一次对柯依伯带的造访。

1#1#1柯依伯带——不同于我们熟知的那些天体

比起内太阳系的坚硬的岩石天体「水星、金星、地球、火星、小行星带」和外太阳系的气态巨行星「木星、土星、天王星、海王星，太阳系第2-5大的天体」，柯依伯带充满了类似冥王星这样的低温的冷冻冰球，但人类对这些脏雪球几乎一无所知。截止目前为止，新视野号是第一颗对柯依伯带以远天体的探测器，包括可以离地球很近的长周期彗星。

太阳系有三大彗星来源，都是富有小天体，由于大多是小天体，即使是哈勃也难以进行观测。即使小概率事件受到引力扰动偏离轨道形成彗星，也有相当多的数量。而且越是外侧的地带，约不太受太阳系演化的影响，越保存有太阳系演化的证据，因此很受天文学的欢迎。最内侧的是小行星带「2.3~3.3AU，1AU表示1天文单位，即太阳和地球之间的平均距离」，全部是短周期彗星；中间的是柯依伯带相交织的离散盘「30~50AU」，著名的哈雷彗星就是离散盘的天体，但依然都是短周期彗星「<200年」；最远的是奥尔特云「50k~100kAU」，早在1950年的时候，J.Oort就提出了奥尔特云Oort Cloud的概念，但奥尔特云实在无法观测，大多只能通过长周期彗星的回归来了解。奥尔特云中就有著名的1997年那颗特别明亮的、周期3000年的海尔-波普彗星就来自于奥尔特云，现在以飞到柯依伯带内了。奥尔特云估计有10^13个左右的天体并且分为内奥尔特云和外奥尔特云，外奥尔特云几乎就是太阳所能影响到的最远的边界，算是目前比较公认的太阳系边界，因此飞行器想离开太阳系都是天方夜谭之事。

因此，柯依伯带也富含那些远离太阳、冰冷的小天体，有利于人们了解太阳系早期的一些情况、物质等尘封的信息。这些都是内太阳系所匮乏的，有些物质甚至无法在地球乃至内太阳系存在。柯依伯带众多的天体，新视野号会有很多新的发现。

当然探索这一区域并不一定需要像新视野号那样飞那么远，我们也可以守株待兔，静候长周期彗星的降临。但是由于这类天体体积太小，难以在近日点前足够时间发现，因此难以为制造抵近长周期彗星航天器提供充裕的时间「目前基本就1~2年的提前期」。

1#1#2 冥王星和卡戎的双人舞步

冥王星是已知柯依伯带中的一颗相对较大的天体，冥王星及其最大的卫星卡戎比例严重失调，是太阳系内已知的少数可以被称作双星的天体系统。

尽管1930年人们就发现了冥王星，但直到1978年，人们才发现1/2体积的卡戎。

这两个双星看上去有很多的异同：

自转周期都是6.4天；

两颗星上都有冰；

两颗星都把固定的一面朝向对方；

卡戎的反光能力明显弱于冥王星；

冥王星有大气而卡戎几乎没有大气；

这些异同都使得我们关注它们是怎么形成的，为什么会有这些差异。这也是人类的探测器首次如此近距离的观测一个双星系统。

1#1#3 冥王星的彗星属性

冥王星的公转轨道黄道倾角高达17度，并且轨道有很高的离心率，因此离太阳时近时远，因此其表面温度和挥发物，大气等很受影响。因此人们断定冥王星有大量的挥发物，并且由于自身引力小，挥发物会逃逸到太空中。类似于彗星的彗尾，不过从量级上来说，冥王星比通常的彗星要大得多，而喷发物也要少得多。

「事实上绝大多数彗星也是不可见的，因为这些彗星的近日点一旦比木星远，我们就很难观测了，这些彗星的慧发也不会很多。」

而事实上冥王星的高挥发性也有助于了解早期的地球，地球的大气被认为曾经经历过大量的挥发，最终演化成较为适合生命存在的大气。然而目前已近没有行星具有这一特征了。

1#1#4冥王星与海卫一

海卫一是海王星最大的卫星，上个世纪旅行者2号探测海王星时，发现了海卫一相比众多其他气态巨行星的卫星的众多与众不同之处，海卫一是唯一一个轨道公转方向与行星的自转方向相反的大型卫星，而逆行的大卫星不可能是由当初的气态星云中形成的，因此是外部俘获的。

于是人们把目光投向了柯依伯带，海卫一是一颗比冥王星更大的原柯依伯带天体，其密度、体积和组成和冥王星都很相似。

更让大家好奇的是，海卫一的表面有大量的喷发迹象，这让人联想到了冥王星是否也会如此。

1#1#5有机物

另一点引起人们兴趣的就是冥王星上甲烷的发现，即冥王星上有有机物。

这个发现早在1976年，发射新视野号之前的30年就确定了，分析方式是借助冥王星掩星的瞬间的光谱分析的结果。

这对于了解复杂有机物的形成，乃至生命的起源有着一定的帮助。

1#2人文意义

冥王星的非科学程度的意义实在是太大了，由于八大行星都已经有探测器造访、冥王星这颗未被掀开的面纱引来了太多的关注和好奇。就从命名上来说，海王Neptune、冥王Pluto和宙斯是三个兄弟，古罗马神话中掌管宇宙的第三代天神，其地位是相当之高的。

由于海王星是用方程解出来的预测轨道，但实际观测轨道和计算轨道有不小的偏差，因此人们一直相信还有第九大行星。随后1930年，冥王星，这颗轨道与黄道有很大倾角、离心率很大，并且不足以用于校正海王星的十分奇怪的天体被发现了。而直到1992年，第二个柯依伯带的天体1992 QB1才被发现，这么长的时间已近让很大人接受了冥王星作为大行星的一个事情，也使得冥王星这个很普通的天体，在人们心中的地位很高。尽管冥王星的大小在柯依伯带是数一数二的，但不知有多少人熟知谷神星呢，这颗小行星带最大的行星呢？因此相对大小并不足以使其能在柯依伯带里超凡脱群。

2#局限性

2#1 新视野号抵达了目前以及这一阶段人类飞行器所能抵达的最远的区域：柯伊伯带「30~50AU」和离散盘，已经极难突破更远的方向了。下面是一张太阳系的示意图：左上是我们所熟悉的内太阳系，在右上方外太阳系的位置可见一般，冥王星就处在右上方图中的柯依伯带「Kuiper Belt」中，而即使外太阳系，相对于某些天体的运行轨道来说，也是微不足道的，如图示的Sedna，目前由于Sedna在近日点，且体积比较大，人们才可以勉强观测到它这么一个离心率极高的天体。而无数更多的天体我们是观测不到的。即使这样，Sedna的轨道相对于Oort Cloud的内边缘依然是大海中的一根针。

2#2 即使是内太阳系，人类所能够了解的区域也是沧海一粟，而广袤无垠，宽广无数倍的柯伊伯带，未知会更多。

2#3 目前世界各航天组织所面临的深空探测资金短缺的重大挑战，是特别不受待见和重视的一个区域，新视野号丝毫没有改变这一现状，并且是这一现状的受害者。

上一次的外太阳系探测的高潮也并非空缺来潮，当时有176年一遇的难得的几颗的巨行星几何排列，因此那四颗探测器多次借助几颗巨行星的引力加速，即可以对多颗行星进行探测，又可以充分节省燃料。但此后外太阳系的探测就陷入了低谷。

虽然新视野号已经抵达如此远的距离，但丝毫掩盖不了目前捉襟见肘的深空探测器数量和资金，现阶段所有在建的深空探测器数量降到一个历史低点，而距离则全部位于内太阳系，NASA的全部flagship大型深空探测计划被砍，ESA则难以为继伽利略等卫星的发射计划，当年的NASA和ESA为了给卡西尼号省燃料，都开始借助金星的引力加速了，还是多次。剩下的RSA和JAXA也仅有内太阳系深空探测器的设计能力，CNSA的远期目标基本也在火星和小行星带。

而实际上，深空探测器的财政预算并不高，新视野号总开销约 $650million ，并且并不全是一年的拨款，其夭折的前任Ploto Express 在已经花费 $1.1billion 后还是被砍，而NASA在2014和2015年的预算FY2014和FY2015都大约在约 $18billion 。

有关NASA的深空探测部分可以参见这个回答，不再赘述：

为什么美欧的航天计划重点都在火星、深空这些不着边际的领域，而不是更务实地推进近地轨道和月球的项目呢？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

3#新视野号

最大尺寸：2.7m*2.1m*0.7m；

质量：478kg，其中肼类推进剂77kg，Pu-238核燃料11kg，仪器总重30kg；

主体框架：铝制蜂窝结构；

3#1行头

新视野号装备的是Mongoose-V处理器，12MHz频率，MIPS RISC指令集，固态硬盘8G；

所携带的设备有：

3#1#1仪器

Ralph: 光学/红外成像+光谱仪，，重10.3kg，功耗6.3W。

简单的说就是一个复杂的、多光谱的小焦距照相机，有3个黑白CCD成像设备和4个彩色CCD成像设备提供可见光的成像，也就是我们所看到的近距离掠过时的照片的来源。另有红外成像提供热分布图，光谱仪提供成分分析图。如上图。最后尤为重要，上文提到过，远离太阳的位置更容易的保留了太阳系演化时的物质。

Alice: 紫外光谱仪，重4.5kg，功耗4.4W。

Alice有两种模式，一种是测量空间中释放的紫外线，另一种是测量空间所能吸收的太阳及其他光源发射的紫外线含量，通过测定这些来分析天体以及大气的成分和构成。这次是从Rosetta彗星探测器的UV光谱仪改进的，用于针对像冥王星这样背景是暗色的行星的分析。

通常这类对新天体的探测都会携带多台不同频段的光谱仪。

REX: 「Radio Science EXperiment」，重100g，功耗2.1W。

REX安装在抛物面天线内,通过接收地球DSN深空探测网络发来的X波段无线电波信号经过冥王星周边大气带来的影响来测定空间存在的物质以及空间的温度。通常的深空探测器是不断向地球传送信息的，这一次，为了REX的运行，地面的DSN网络开始大量的向新视野号发送无线电波。这一在无线电波频段的电磁波谱分析在深空探测中尚属首次。

REX装备有一台高精度振荡器和被动辐射计，大致是测量发出信号的多普勒频移。并且可以精确测量冥王星的直径和质量。

LORRI: 「Long Range Reconnaissance Imager」 ，重8.8kg，功耗5.8W。

望远镜式的照相机，超大孔径！「是208mm」超高分辨率！如上图。

LORRI和Ralph构成了新视野号两只眼睛，一只近视，一只远视。

SWAP: 「Solar Wind Around Pluto」 ，重3.3kg，功耗2.3W。

太阳风及空间粒子质谱仪，用于计量各处的太阳风「实则就是太阳辐射的高能粒子了，作用范围十分远，可以到达奥尔特云」的分布和空间粒子的成分，并观测太阳风和冥王星大气粒子之间的相互作用。

PEPSSI: 「Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation」

重1.5kg，功耗2.5W。

一台高能粒子质谱仪，用于分析高能粒子的成分和其逃逸天体大气的密度。在物质进入仪器后，PEPSSI记录下物质的速度和质量，而在最终与仪器的薄箔碰撞后，计算出其能量，并判断其组成。PEPSSI能接受更高能量的高能粒子和其他高能物质的碰撞，最高能量达到1MeV，而SWAP则只能接受最高6.5keV的能量。

此前，大家预计由于冥王星的引力很小，会有大量的大气物质逃逸出冥王星。这些物质在吸收紫外线的能量后会被电离，一旦被电离，太阳风就可以将这些电离物一起带到更远的地方。因此，SWAP和PEPSSI就负责探测这一过程的详细信息。

SDC: 「Student Dust Counter」 ，重1.9kg，功耗5W。

由科罗拉多大学的学生们设计，计量新视野号一路上所碰撞的空间灰尘。NASA曾经做过一个深空探测器叫Stardust，就是专门用于搜集星际尘埃和彗星尾尘，并以第二宇宙速度再入返回的。

图中还有一些未标识的区域，另一个图标识的更详细一些：

3#1#2通信方式

那口锅，就是REX所在位置处，就是抛物面天线，并且有高增益天线，30cm直径的中增益天线和低增益天线各一个，X波段。

对地通信以高增益天线为主，低增益天线只用于在离地球比较近的时候。

但高增益天线的波束宽度仅0.3度，而中增益天线的波束宽度为14度，因此那口锅需要一直准确的朝向地球，并且两者相互补充，用于与地面的DSN网络进行通信。

毕竟探测器上的抛物面天线的直径只有2.1m，地面必须有3口70m直径的抛物面天线用于收发，通信速率在木星时是38kbps，在冥王星时是1kbps；

至于如何与地球通信呢，首先需要明确的就是无线通信的基础，即无线电波功率的衰减不与距离成正比，这与有线通信截然不同。因此，即使是这么远的距离，其功率的衰减并没有那么严重，当然的确会很低了。

功率低不要紧，采用高增益的接收天线「地球上那3台70m口径的抛物面天线」，以及高增益的低噪声放大器，就能得到合适的功率，再从X波段下变频到中频和基带，剩下的就是信号处理和通信协议的事情了。同样的，发射也是如此，为了保证接受的功率，发射机的争议和发射天线的增益也会适度的提高。

图为DSN网络中Goldenstone站的70m抛物面天线，远处是34m天线：

有关测控站的更多内容，可以参考：

如何看待阿根廷众议院批准与中国签协议开发太空？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

3#1#3能源和动力

SDC和LORRI之间还有一个测星的装置Star Trackers，该测星的装置装载有约3000颗恒星的天经坐标，用于自身的定位。

并且，新视野号有总计16个推进器，用于姿态调整和控制，可以实时的调整自己的方向，用于校准轨道、校准天线对地球的朝向、以及避开大的障碍物等。

这些推进器的其中4个的推力为4.4N，剩余12个的推力为0.8N。

新视野号所携带的推进剂为肼类，携带有77kg；

最上面的类似水轮的东西就是新视野号的能量来源——RTG核电池装置，该核电池装载有11kg的Pu-238，在冥王星飞越时，即9年后，能提供30V，200W左右的电能，而其最初功率，即最大功率为240W；下图为RTG的解剖图，这些燃料被分割在了18个舱室里，为了确保安全：

在核电池和探测器主体之间还有一个热保护盾，核电池产生的温度可以用于为探测器提供合适的温度，美中不足的是温度又太高了。

这种电池利用的是放射性同位素衰变产生的热能来发电，通常使用Seeback 效应，即第一热电效应，指由于两种不同导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。在选取合适的半衰期的同位素源之后能实现长时间供电的能力，而且因为衰变，核电池所能提供的能量越来越少。

但是，目前核电池的能量转换率极低，目前都低于10%，低于太阳能电池的转换效率…

最后新视野号携带有1盎司冥王星发现者Clyde Tombaugh的骨灰。

3#2行程

新视野号于2006年1月19日在肯尼迪宇航中心发射升空，运载火箭为洛马 Atlas V，其16.5km/s的速度是有史以来最快的人造逃逸地球的速度。

2007年2月~3月，新视野号抵近木星，观测+引力加速，从10km/s提升到14km/s。

有关引力助推的原理，其基本原理是动量守恒，即可以加速，又可以减速，详见：

如何理解引力助推（引力弹弓效应或绕行星变轨） ？它在以前的应用和将来的展望是什么？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

而飞离木星后，新视野号开启休眠模式，只保留主要的如测星等功能的正常使用，从而延长寿命，并降低地面DSN深空探测网络的负担。

随后在飞越前六个月开始观测冥王星，来最终确定自己的路径，避免与未发现的卫星或者环有亲密接触；并于2015年7月14日以13km/s速度，最近距离12500km飞越冥王星。

离开冥王星后，接下来的16个月里，新视野号将继续开足马力，在柯依伯带进行探测和其他偶遇天体的抵近工作。而直到快要离开冥王星了，NASA才会决定下一个目标是哪，毕竟柯依伯带的天体太小了，借助新视野号的LORRI进行观测更合适一些。

随后新视野号将继续探索柯依伯带，大约2020年前后，在快要离开柯依伯带的时候「50AU」，能量几乎不足，距离也太远，渐渐难以联系。但新视野号会继续往外走。

4#柯依伯带 Kuiper Belt

太阳系的起因是未知的，一个很重要的假说是星云说，星云说的一个提出者便是德国著名哲学家康德「那个时代的哲学家有不少富有科学知识和科学精神，又如笛卡尔」，星云说很好的解释了为什么各大行星均差不多位于黄道平面上，也包括小行星带。因此有假说提出小行星带曾经是一颗大行星，名为「法厄同「与大众汽车高端品牌「辉腾」同音」」，太阳神之子，因执意驾驭自身无法驾驭的太阳车，被劈死。

但是海王星之外，情形就完全不同了，最邻近海王星轨道的是柯依伯带，柯依伯带的天体轨道往往与黄道有很大的倾角、自身的离心率也可能很大，体积十分小，组成上与内太阳系和气态巨行星都截然不同。

上个世纪50年代，美籍荷兰裔宇航员G.Kuiper柯依伯在冥王星发现20年后提出，冥王星应该不是一个孤立的天体，只是其中最亮的天体而已。同时代的科学家J.H.Oort则为了解释长周期彗星而提出了更远的太阳系边界的奥尔特云，极大的拓宽了人们对太阳系的认识。而直到1992年，人们才发现了第二颗柯依伯带的天体，但随后却拉开了柯依伯带探索的序幕。

而至今，人们估计柯依伯带有百万级别的直径超过100km的矮行星。

与小行星带充满岩石的特征不同，柯依伯带是个冰冻的世界，冰、干冰、固态甲烷，固态氨等等，以及一些难以在内太阳系见到的物质成分。柯依伯带的天体也可以用一个形容彗星的话来描述——一个个脏雪球。

事实上柯依伯带是个非常稳定的存在，其天体的轨道都相对稳定。由于内侧的四个气态巨行星的引力作用，尤其是土星和海王星，这些巨行星的存在使得海王星之外的很多地方的天体难以维持自身的轨道。而那些能维持轨道的区域，被称作了柯依伯带。

而在那些不稳定的区域，一些位置被称为离散盘，这些彗星和矮行星可以相互转换，当收到其他引力的摄动时，其轨道很可能改变，少数摄动比较大的最终由矮行星变为彗星，或者由彗星又变回矮行星，当然也有的彗星会在更靠近太阳的地方被其他天体俘获。地球上大量的水的来源，其中一个假说就来源于柯依伯带甚至更远的彗星。

离散盘有一个比冥王星成名更早的著名天体，那就是哈雷彗星。