新視野號 (New Horizons) 抵達冥王星具有什麽重要意義？

1#意義

1#1科學意義

人類歷史上第一次對柯依伯帶進行有目的的探測「之前的探測器在離開巨行星後，只會對空間的太陽風、宇宙輻射等空間環境進行記錄」，也是在已知凱伯帶存在的情況下，第一次對柯依伯帶的造訪。

1#1#1柯依伯帶——不同於我們熟知的那些天體

比起內太陽系的堅硬的巖石天體「水星、金星、地球、火星、小行星帶」和外太陽系的氣態巨行星「木星、土星、天王星、海王星，太陽系第2-5大的天體」，柯依伯帶充滿了類似冥王星這樣的低溫的冷凍冰球，但人類對這些臟雪球幾乎一無所知。截止目前為止，新視野號是第一顆對柯依伯帶以遠天體的探測器，包括可以離地球很近的長周期彗星。

太陽系有三大彗星來源，都是富有小天體，由於大多是小天體，即使是哈伯也難以進行觀測。即使小概率事件受到重力擾動偏離軌域形成彗星，也有相當多的數量。而且越是外側的地帶，約不太受太陽系演化的影響，越保存有太陽系演化的證據，因此很受天文學的歡迎。最內側的是小行星帶「2.3~3.3AU，1AU表示1天文單位，即太陽和地球之間的平均距離」，全部是短周期彗星；中間的是柯依伯帶相交織的離散盤「30~50AU」，著名的哈雷彗星就是離散盤的天體，但依然都是短周期彗星「<200年」；最遠的是奧爾特雲「50k~100kAU」，早在1950年的時候，J.Oort就提出了奧爾特雲Oort Cloud的概念，但奧爾特雲實在無法觀測，大多只能透過長周期彗星的回歸來了解。奧爾特雲中就有著名的1997年那顆特別明亮的、周期3000年的海爾-波普彗星就來自於奧爾特雲，現在以飛到柯依伯帶內了。奧爾特雲估計有10^13個左右的天體並且分為內奧爾特雲和外奧爾特雲，外奧爾特雲幾乎就是太陽所能影響到的最遠的邊界，算是目前比較公認的太陽系邊界，因此飛行器想離開太陽系都是天方夜譚之事。

因此，柯依伯帶也富含那些遠離太陽、冰冷的小天體，有利於人們了解太陽系早期的一些情況、物質等塵封的資訊。這些都是內太陽系所匱乏的，有些物質甚至無法在地球乃至內太陽系存在。柯依伯帶眾多的天體，新視野號會有很多新的發現。

當然探索這一區域並不一定需要像新視野號那樣飛那麽遠，我們也可以守株待兔，靜候長周期彗星的降臨。但是由於這類天體體積太小，難以在近日點前足夠時間發現，因此難以為制造抵近長周期彗星航天器提供充裕的時間「目前基本就1~2年的提前期」。

1#1#2 冥王星和卡戎的雙人舞步

冥王星是已知柯依伯帶中的一顆相對較大的天體，冥王星及其最大的衛星卡戎比例嚴重失調，是太陽系內已知的少數可以被稱作雙星的天體系統。

盡管1930年人們就發現了冥王星，但直到1978年，人們才發現1/2體積的卡戎。

這兩個雙星看上去有很多的異同：

自轉周期都是6.4天；

兩顆星上都有冰；

兩顆星都把固定的一面朝向對方；

卡戎的反光能力明顯弱於冥王星；

冥王星有大氣而卡戎幾乎沒有大氣；

這些異同都使得我們關註它們是怎麽形成的，為什麽會有這些差異。這也是人類的探測器首次如此近距離的觀測一個雙星系統。

1#1#3 冥王星的彗星內容

冥王星的公轉軌域黃道傾角高達17度，並且軌域有很高的離心率，因此離太陽時近時遠，因此其表面溫度和揮發物，大氣等很受影響。因此人們斷定冥王星有大量的揮發物，並且由於自身重力小，揮發物會逃逸到太空中。類似於彗星的彗尾，不過從量級上來說，冥王星比通常的彗星要大得多，而噴發物也要少得多。

「事實上絕大多數彗星也是不可見的，因為這些彗星的近日點一旦比木星遠，我們就很難觀測了，這些彗星的慧發也不會很多。」

而事實上冥王星的高揮發性也有助於了解早期的地球，地球的大氣被認為曾經經歷過大量的揮發，最終演化成較為適合生命存在的大氣。然而目前已近沒有行星具有這一特征了。

1#1#4冥王星與海衛一

海衛一是海王星最大的衛星，上個世紀旅行者2號探測海王星時，發現了海衛一相比眾多其他氣態巨行星的衛星的眾多與眾不同之處，海衛一是唯一一個軌域公轉方向與行星的自轉方向相反的大型衛星，而逆行的大衛星不可能是由當初的氣態星雲中形成的，因此是外部俘獲的。

於是人們把目光投向了柯依伯帶，海衛一是一顆比冥王星更大的原柯依伯帶天體，其密度、體積和組成和冥王星都很相似。

更讓大家好奇的是，海衛一的表面有大量的噴發跡象，這讓人聯想到了冥王星是否也會如此。

1#1#5有機物

另一點引起人們興趣的就是冥王星上甲烷的發現，即冥王星上有有機物。

這個發現早在1976年，發射新視野號之前的30年就確定了，分析方式是借助冥王星掩星的瞬間的光譜分析的結果。

這對於了解復雜有機物的形成，乃至生命的起源有著一定的幫助。

1#2人文意義

冥王星的非科學程度的意義實在是太大了，由於八大行星都已經有探測器造訪、冥王星這顆未被掀開的面紗引來了太多的關註和好奇。就從命名上來說，海王Neptune、冥王Pluto和宙斯是三個兄弟，古羅馬神話中掌管宇宙的第三代天神，其地位是相當之高的。

由於海王星是用方程式解出來的預測軌域，但實際觀測軌域和計算軌域有不小的偏差，因此人們一直相信還有第九大行星。隨後1930年，冥王星，這顆軌域與黃道有很大傾角、離心率很大，並且不足以用於校正海王星的十分奇怪的天體被發現了。而直到1992年，第二個柯依伯帶的天體1992 QB1才被發現，這麽長的時間已近讓很大人接受了冥王星作為大行星的一個事情，也使得冥王星這個很普通的天體，在人們心中的地位很高。盡管冥王星的大小在柯依伯帶是數一數二的，但不知有多少人熟知谷神星呢，這顆小行星帶最大的行星呢？因此相對大小並不足以使其能在柯依伯帶裏超凡脫群。

2#局限性

2#1 新視野號抵達了目前以及這一階段人類飛行器所能抵達的最遠的區域：凱伯帶「30~50AU」和離散盤，已經極難突破更遠的方向了。下面是一張太陽系的示意圖：左上是我們所熟悉的內太陽系，在右上方外太陽系的位置可見一般，冥王星就處在右上方圖中的柯依伯帶「Kuiper Belt」中，而即使外太陽系，相對於某些天體的執行軌域來說，也是微不足道的，如圖示的Sedna，目前由於Sedna在近日點，且體積比較大，人們才可以勉強觀測到它這麽一個離心率極高的天體。而無數更多的天體我們是觀測不到的。即使這樣，Sedna的軌域相對於Oort Cloud的內邊緣依然是大海中的一根針。

2#2 即使是內太陽系，人類所能夠了解的區域也是滄海一粟，而廣袤無垠，寬廣無數倍的凱伯帶，未知會更多。

2#3 目前世界各航天組織所面臨的深空探測資金短缺的重大挑戰，是特別不受待見和重視的一個區域，新視野號絲毫沒有改變這一現狀，並且是這一現狀的受害者。

上一次的外太陽系探測的高潮也並非空缺來潮，當時有176年一遇的難得的幾顆的巨行星幾何排列，因此那四顆探測器多次借助幾顆巨行星的重力加速，即可以對多顆行星進行探測，又可以充分節省燃料。但此後外太陽系的探測就陷入了低谷。

雖然新視野號已經抵達如此遠的距離，但絲毫掩蓋不了目前捉襟見肘的深空探測器數量和資金，現階段所有在建的深空探測器數量降到一個歷史低點，而距離則全部位於內太陽系，NASA的全部flagship大型深空探測計劃被砍，ESA則難以為繼伽利略等衛星的發射計劃，當年的NASA和ESA為了給卡西尼號省燃料，都開始借助金星的重力加速了，還是多次。剩下的RSA和JAXA也僅有內太陽系深空探測器的設計能力，CNSA的遠期目標基本也在火星和小行星帶。

而實際上，深空探測器的財政預算並不高，新視野號總開銷約 $650million ，並且並不全是一年的撥款，其夭折的前任Ploto Express 在已經花費 $1.1billion 後還是被砍，而NASA在2014和2015年的預算FY2014和FY2015都大約在約 $18billion 。

有關NASA的深空探測部份可以參見這個回答，不再贅述：

為什麽美歐的航天計劃重點都在火星、深空這些不著邊際的領域，而不是更務實地推進近地軌域和月球的專案呢？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

3#新視野號

最大尺寸：2.7m*2.1m*0.7m；

質素：478kg，其中肼類推進劑77kg，Pu-238核燃料11kg，儀器總重30kg；

主體框架：鋁制蜂窩結構；

3#1行頭

新視野號裝備的是Mongoose-V處理器，12MHz頻率，MIPS RISC指令集，固態硬碟8G；

所攜帶的器材有：

3#1#1儀器

Ralph: 光學/紅外成像+光譜儀，，重10.3kg，功耗6.3W。

簡單的說就是一個復雜的、多光譜的小焦距照相機，有3個黑白CCD成像器材和4個彩色CCD成像器材提供可見光的成像，也就是我們所看到的近距離掠過時的照片的來源。另有紅外成像提供熱分布圖，光譜儀提供成分分析圖。如上圖。最後尤為重要，上文提到過，遠離太陽的位置更容易的保留了太陽系演化時的物質。

Alice: 紫外光譜儀，重4.5kg，功耗4.4W。

Alice有兩種模式，一種是測量空間中釋放的紫外線，另一種是測量空間所能吸收的太陽及其他光源發射的紫外線含量，透過測定這些來分析天體以及大氣的成分和構成。這次是從Rosetta彗星探測器的UV光譜儀改進的，用於針對像冥王星這樣背景是暗色的行星的分析。

通常這類對新天體的探測都會攜帶多台不同頻段的光譜儀。

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

REX安裝在拋物面天線內,透過接收地球DSN深空探測網絡發來的X波段無線電波訊號經過冥王星周邊大氣帶來的影響來測定空間存在的物質以及空間的溫度。通常的深空探測器是不斷向地球傳送資訊的，這一次，為了REX的執行，地面的DSN網絡開始大量的向新視野號發送無線電波。這一在無線電波頻段的電磁波譜分析在深空探測中尚屬首次。

REX裝備有一台高精度振蕩器和被動輻射計，大致是測量發出訊號的都卜勒頻移。並且可以精確測量冥王星的直徑和質素。

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

望遠鏡式的照相機，超大孔徑！「是208mm」超高分辨率！如上圖。

LORRI和Ralph構成了新視野號兩只眼睛，一只近視，一只遠視。

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

太陽風及空間粒子質譜儀，用於計量各處的太陽風「實則就是太陽輻射的高能粒子了，作用範圍十分遠，可以到達奧爾特雲」的分布和空間粒子的成分，並觀測太陽風和冥王星大氣粒子之間的相互作用。

PEPSSI: 「Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation」

重1.5kg，功耗2.5W。

一台高能粒子質譜儀，用於分析高能粒子的成分和其逃逸天體大氣的密度。在物質進入儀器後，PEPSSI記錄下物質的速度和質素，而在最終與儀器的薄箔碰撞後，計算出其能量，並判斷其組成。PEPSSI能接受更高能量的高能粒子和其他高能物質的碰撞，最高能量達到1MeV，而SWAP則只能接受最高6.5keV的能量。

此前，大家預計由於冥王星的重力很小，會有大量的大氣物質逃逸出冥王星。這些物質在吸收紫外線的能量後會被電離，一旦被電離，太陽風就可以將這些電離物一起帶到更遠的地方。因此，SWAP和PEPSSI就負責探測這一過程的詳細資訊。

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

由科羅拉多大學的學生們設計，計量新視野號一路上所碰撞的空間灰塵。NASA曾經做過一個深空探測器叫Stardust，就是專門用於搜集星際塵埃和彗星尾塵，並以第二宇宙速度再入返回的。

圖中還有一些未標識的區域，另一個圖示識的更詳細一些：

3#1#2通訊方式

那口鍋，就是REX所在位置處，就是拋物面天線，並且有高增益天線，30cm直徑的中增益天線和低增益天線各一個，X波段。

對地通訊以高增益天線為主，低增益天線只用於在離地球比較近的時候。

但高增益天線的波束寬度僅0.3度，而中增益天線的波束寬度為14度，因此那口鍋需要一直準確的朝向地球，並且兩者相互補充，用於與地面的DSN網絡進行通訊。

畢竟探測器上的拋物面天線的直徑只有2.1m，地面必須有3口70m直徑的拋物面天線用於收發，通訊速率在木星時是38kbps，在冥王星時是1kbps；

至於如何與地球通訊呢，首先需要明確的就是無線通訊的基礎，即無線電波功率的衰減不與距離成正比，這與有線通訊截然不同。因此，即使是這麽遠的距離，其功率的衰減並沒有那麽嚴重，當然的確會很低了。

功率低不要緊，采用高增益的接收天線「地球上那3台70m口徑的拋物面天線」，以及高增益的低雜訊放大器，就能得到合適的功率，再從X波段下變頻到中頻和基頻，剩下的就是訊號處理和通訊協定的事情了。同樣的，發射也是如此，為了保證接受的功率，發射機的爭議和發射天線的增益也會適度的提高。

圖為DSN網絡中Goldenstone站的70m拋物面天線，遠處是34m天線：

有關測控站的更多內容，可以參考：

如何看待阿根廷眾議院批準與中國簽協定開發太空？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

3#1#3能源和動力

SDC和LORRI之間還有一個測星的裝置Star Trackers，該測星的裝置裝載有約3000顆恒星的天經座標，用於自身的定位。

並且，新視野號有總計16個推進器，用於姿態調整和控制，可以即時的調整自己的方向，用於校準軌域、校準天線對地球的朝向、以及避開大的障礙物等。

這些推進器的其中4個的推力為4.4N，剩余12個的推力為0.8N。

新視野號所攜帶的推進劑為肼類，攜帶有77kg；

最上面的類似水輪的東西就是新視野號的能量來源——RTG核電池裝置，該核電池裝載有11kg的Pu-238，在冥王星飛越時，即9年後，能提供30V，200W左右的電能，而其最初功率，即最大功率為240W；下圖為RTG的解剖圖，這些燃料被分割在了18個艙室裏，為了確保安全：

在核電池和探測器主體之間還有一個熱保護盾，核電池產生的溫度可以用於為探測器提供合適的溫度，美中不足的是溫度又太高了。

這種電池利用的是放射性同位素衰變產生的熱能來發電，通常使用Seeback 效應，即第一熱電效應，指由於兩種不同導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。在選取合適的半衰期的同位素源之後能實作長時間供電的能力，而且因為衰變，核電池所能提供的能量越來越少。

但是，目前核電池的能量轉換率極低，目前都低於10%，低於太陽能電池的轉換效率…

最後新視野號攜帶有1盎司冥王星發現者Clyde Tombaugh的骨灰。

3#2行程

新視野號於2006年1月19日在堅尼地宇航中心發射升空，運載火箭為洛馬 Atlas V，其16.5km/s的速度是有史以來最快的人造逃逸地球的速度。

2007年2月~3月，新視野號抵近木星，觀測+重力加速，從10km/s提升到14km/s。

有關重力助推的原理，其基本原理是動量守恒，即可以加速，又可以減速，詳見：

如何理解重力助推（重力彈弓效應或繞行星變軌） ？它在以前的套用和將來的展望是什麽？ - 鸑鷟鹓鶵的回答

而飛離木星後，新視野號開啟休眠模式，只保留主要的如測星等功能的正常使用，從而延長壽命，並降低地面DSN深空探測網絡的負擔。

隨後在飛越前六個月開始觀測冥王星，來最終確定自己的路徑，避免與未發現的衛星或者環有親密接觸；並於2015年7月14日以13km/s速度，最近距離12500km飛越冥王星。

離開冥王星後，接下來的16個月裏，新視野號將繼續開足馬力，在柯依伯帶進行探測和其他偶遇天體的抵近工作。而直到快要離開冥王星了，NASA才會決定下一個目標是哪，畢竟柯依伯帶的天體太小了，借助新視野號的LORRI進行觀測更合適一些。

隨後新視野號將繼續探索柯依伯帶，大約2020年前後，在快要離開柯依伯帶的時候「50AU」，能量幾乎不足，距離也太遠，漸漸難以聯系。但新視野號會繼續往外走。

4#柯依伯帶 Kuiper Belt

太陽系的起因是未知的，一個很重要的假說是星雲說，星雲說的一個提出者便是德國著名哲學家康德「那個時代的哲學家有不少富有科學知識和科學精神，又如笛卡爾」，星雲說很好的解釋了為什麽各大行星均差不多位於黃道平面上，也包括小行星帶。因此有假說提出小行星帶曾經是一顆大行星，名為「法厄同「與大眾汽車高端品牌「輝騰」同音」」，太陽神之子，因執意駕馭自身無法駕馭的太陽車，被劈死。

但是海王星之外，情形就完全不同了，最鄰近海王星軌域的是柯依伯帶，柯依伯帶的天體軌域往往與黃道有很大的傾角、自身的離心率也可能很大，體積十分小，組成上與內太陽系和氣態巨行星都截然不同。

上個世紀50年代，美籍荷蘭裔太空人G.Kuiper柯依伯在冥王星發現20年後提出，冥王星應該不是一個孤立的天體，只是其中最亮的天體而已。同時代的科學家J.H.Oort則為了解釋長周期彗星而提出了更遠的太陽系邊界的奧爾特雲，極大的拓寬了人們對太陽系的認識。而直到1992年，人們才發現了第二顆柯依伯帶的天體，但隨後卻拉開了柯依伯帶探索的序幕。

而至今，人們估計柯依伯帶有百萬級別的直徑超過100km的矮行星。

與小行星帶充滿巖石的特征不同，柯依伯帶是個冰凍的世界，冰、幹冰、固態甲烷，固態氨等等，以及一些難以在內太陽系見到的物質成分。柯依伯帶的天體也可以用一個形容彗星的話來描述——一個個臟雪球。

事實上柯依伯帶是個非常穩定的存在，其天體的軌域都相對穩定。由於內側的四個氣態巨行星的重力作用，尤其是土星和海王星，這些巨行星的存在使得海王星之外的很多地方的天體難以維持自身的軌域。而那些能維持軌域的區域，被稱作了柯依伯帶。

而在那些不穩定的區域，一些位置被稱為離散盤，這些彗星和矮行星可以相互轉換，當收到其他重力的攝動時，其軌域很可能改變，少數攝動比較大的最終由矮行星變為彗星，或者由彗星又變回矮行星，當然也有的彗星會在更靠近太陽的地方被其他天體俘獲。地球上大量的水的來源，其中一個假說就來源於柯依伯帶甚至更遠的彗星。

離散盤有一個比冥王星成名更早的著名天體，那就是哈雷彗星。