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您有一份来自“天涯海角”的礼物,需要查收两年

您有一份来自“天涯海角”的礼物,需要查收两年

新年第一天,北京时间2019年1月1日13:33,NASA的新视野号探测器(New Horizons)近距离飞掠伊伯带小天体2014 MU69,如约为我们揭开了这颗小天体的神秘面纱。这颗小天体还有一个浪漫的昵称:“天涯海角”(Ultima Thule)。


这是人类通过探测器近距离探访的最远的太阳系天体,尽管这次电光火石的“邂逅”只有几个小时。


本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:灰原哀博士


新视野号探测器:探索太阳系的新疆界


2006年1月19日,新视野号探测器发射升空,作为NASA的新疆界(New Frontiers)项目之一,新视野号的目标是探测近日点约30个天文单位(44亿公里)远日点约50个天文单位(74公里)的冥王星——造访当时人类探测史上最远的太阳系天体。


为了快速抵达遥远的冥王星,轻车简从,重量不到500公斤的新视野号借助强大的宇宙神V号运载火箭,成为了迄今为止发射速度最快的探测器。它只用了13个月的时间就飞过了木星(旅行者1号和2号分别花了18和23个月),然后于2015年7月14日抵达冥王星,全程只借助了1次木星的引力助推。


新视野号的征途(粉色)。2006年从地球(轨道为蓝色)出发的新视野号飞掠了小行星132524 APL(黄色)、木星(红色),最终于2015年抵达冥王星(青色)。之后,它继续前行,奔赴柯伊伯带小天体2014 MU69。来源:维基


新视野号和2艘旅行者号探测器一样都是飞掠器,这意味着它们只会和目标天体擦肩而过,不会环绕目标天体进行长期探测。也因此,新视野号和旅行者号有同样的问题:难以探测到目标天体完整的样子,除非目标天体自转速度极快,在探测器飞掠的短暂过程中就能自己转上一圈。


尽管如此,新视野号还是为我们揭开了冥王星和它的几个卫星的一部分面纱,尤其是冥王星上的“心形”。


越来越清晰的冥王星系统。来源:[1]


说起来,新视野号在“打破记录”这点上其实颇有几分不走运。


发射时,它的探测目标是当时太阳系最远的行星——冥王星。然而刚发射半年,2006年8月的国际天文联合会(IAU)就重新定义了“行星”,把冥王星“踢出”了行星之列,“降级”为矮行星。


这也就算了,那岂不是刚好可以获得“第一颗探测矮行星的探测器”成就?很不幸,也没有。除了冥王星,还有一颗小行星带的天体被“升级”成了矮行星,那就是谷神星。全拜这个定义所赐,发射于2007年的黎明号探测器于2015年3月成功进入谷神星轨道,抢先完成了这一成就——比即将抵达冥王星的新视野号早了四个月,于是可怜的新视野号只成为了第一颗探测“冥王星+柯伊伯带+当时最远的太阳系天体”的探测器(已经很棒啦!)


不过这一次,新视野号顺利打破了自己“探访最远的太阳系天体”的记录。


为什么是2014 MU69?


早在新视野号飞掠冥王星之前,项目组就已经确认新视野号任务有余力在冥王星之后继续探测另一个柯伊伯带天体——柯伊伯带是太阳系富冰小天体的源头之一,这些几乎没有经历过地质活动的原始小天体,可以作为我们追溯太阳系历史的“时光胶囊”。可是柯伊伯带有那么多那么多小天体,去哪个呢?


新视野号的大致路径早已经确定了,所以新的天体不可以偏离新视野号接下来原本的飞行路径太远,以免新视野号消耗太多燃料;这个天体要尽量大些,因为越小就越难观测;这个天体本身也不能离太阳(地球)太远,太远了传回信号会很困难。可问题是,当时的人们对柯伊伯带的天体还知之甚少,根本没有合适的目标。


怎么办呢?没有目标,就创造目标。


从2011年开始,麦哲伦望远镜、昴星团望远镜等多个地基望远镜都展开了搜索,但均没有发现合适的目标。2014年,哈勃空间望远镜也被请了出来,这才找到了3个符合要求的目标天体——2014 MU69(编号485968)是其中最合适的。


绿圈中就是哈勃望远镜找到的2014 MU69,当时的编号是1110113Y。图像是每10分钟间隔拍摄的影像的合成图。来源:NASA, ESA, SwRI, JHU/APL, and the New Horizons KBO Search Team[2]


2015年8月28日,2014 MU69被选为新视野号的下一个探测目标。不久后的10月底到11月初,新视野号调整了轨道,正式奔向这颗天体[3]。


新视野号从地球到“天涯海角”的飞行路径。来源:NASA/JHAPL[4]


这也是第一个在探测器升空之后才被发现的观测目标。


请注意,直到这时候,2014 MU69都还只是一个小亮点,没人知道它长什么样。我们所指的,仅仅是它的轨道比较圆,大致在黄道面上(倾角较小),距离太阳大约43个天文单位(64亿公里),直径约三四十公里,大约每300年绕太阳一周。


不过2017年的5次成功的掩星观测透露了一点点2014 MU69可能的形状,观测结果表明这个天体似乎是长条形:可能是一个哑铃状的天体,也可能是两个十多公里大小的天体构成的双天体系统[5]。


被2014 MU69遮住的区域最佳拟合形状是个哑铃。来源:NASA/JHUAPL/SwRI/James Tuttle Keane[6]


2014 MU69差一点就有了一个中国名字。


2017年底,NASA面向全球为2014 MU69征集名字,为了防止最后发现真的是双天体系统,要求这个名字最好是可拆分的。“盘古”(Pangu)曾经是候选名单里极其热门的选项,如果是双天体的话就计划拆分为Yin(阴)和Yang(阳)


不过,最终被选中Ultima Thule更能代表人类挑战太阳系前沿的精神,这个拉丁语单词意为“超越已知世界的边界”,中文译为“天涯海角”。


“天涯海角”到底长什么样?


在新视野号抵达之前,大家对“天涯海角”的真容有过许多猜想。这让新视野号的飞掠变得更加令人期待。


James Tuttle Keane笔下的种种遐想。来自:twitter@jtuttlekeane


随着新视野号一点一点靠近,“天涯海角”的模样越来越清晰。


2018年8月16日,新视野号在距离1.72亿公里处第一次捕捉到了“天涯海角”。


黄框中心就是“天涯海角”。右图是左图黄框部分的放大版,减掉了2017年9月新视野号拍摄的星空背景,留下的亮点就只剩下了“天涯海角”。来源:NASA/JHUAPL/SwRI[7]


8月中旬到12月中旬,一点一点靠近,“天涯海角”越来越亮。


右图是左图减掉了星空背景,留下的亮点就只剩下了“天涯海角”。来源:NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Southwest Research Laboratory/Henry Throop[8]


3张2018年12月31日拍摄的照片制作的动图显示出“天涯海角”的自转,这时候探测器距离“天涯海角”大约还有190万公里。马赛克一般的画质背后是新视野号巨大的成功。


来源:NASA/JHUAPL/SwRI[9]


这是即将近距离飞掠“天涯海角”之前,“哑铃型”更清楚了。


(左)新视野号拍摄的2张高清照片合成的“天涯海角”,显示这颗天体大约32 ×16 公里大小,形状依然像哑铃型。来源:NASA/JHUAPL/SwRI。(右)James Tuttle Keane根据左边的影像绘制的“天涯海角”可能的样子,箭头表示自转轴和自转方向。来源:James Tuttle Keane [9]


翘首期待


为了庆祝新视野号历史性的飞掠,天体物理学家布赖恩·梅(Brian May)在2019年元旦当天发布了一只新单曲,名字就叫《新视野号》。


对,就是那个天文学家里吉他弹得最牛,流行音乐界里天文最牛,长得像牛顿一样的,英国皇后乐队的吉他手布赖恩·梅。他也同时是新视野号的项目组成员。



欣赏一下这首MV(注意这时候MV里的“天涯海角”还是假想图)


来源:Queen Official[10]


众人在新视野号首席科学家阿兰·斯特恩的带领下,迎接新视野号最近距离飞掠“天涯海角”的那个激动人心的瞬间。



来源:Sarah Hörst


揭开面纱


终于到了2019年1月1日的13:33(北京时间),新视野号探测器以14.4公里/秒的相对速度飞掠“天涯海角”,最近时距离这颗天体表面只有约3500公里!


这是最近飞掠的过程中拍到的“天涯海角”(距离约13.7万公里)[11]!虽然这还不是距离最近,分辨率最高的一张,但……duang!谜底已经揭晓了!


来源:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute


去年还是哑铃,今年就变成雪人了,一天之间发生了什么……


“天涯海角”和冥卫一的大小色调对比。来源:NASA/JHUAPL/SwRI


能看出立体的样子吗?这张NASA发布会上的照片也是布赖恩·梅处理的哦~



“天涯海角”是一个由两个接近球形的天体“黏”在一起形成的密接双天体,还真的是“天涯”和“海角”。


科学家们通过最新的数据推测的“天涯海角”成因。来源:NASA/JHUAPL/SwRI/James Tuttle Keane/haibaraemily


这么看来,当年掩星观测拟合的形状(红色圈圈)还真挺准的。


2017年掩星观测估计的“天涯海角”形状。来源:[5]


目前为止关于“天涯海角”我们所知的[12]:



没有发现卫星;


没有发现大气层;


典型的冷的柯伊伯带天体;


“天涯”和“海角”两部分颜色大体相同,这意味着“天涯”和“海角”可能原本就是在相同的环境里吸积形成的;


“天涯”和“海角”的衔接处(称为“脖子”的地方)显示出高反射特征,也就是相对而言比较亮。


飞掠几小时,传回要两年


在这次飞掠的过程中,新视野号只有几个小时时间可以对“天涯海角”进行近距离观测,在这几个小时里,新视野号会用上自己携带的各种科学仪器,充分把握这次珍贵的“邂逅”。


不过,这份“邂逅”的礼物需要很久很久才能全部送回地球。


约65亿公里外的新视野号发出的讯号,以光速传回需要6个多小时才能到达地球。再加上探测过程中无法同时把天线对准地球,要等到新视野号完成飞掠之后才会开始传回数据。于是远在地球上的我们在1月1日23:29(北京时间)才终于收到了新视野号成功完成飞掠的讯号——几乎刚好是新视野号最近飞掠“天涯海角”的10个小时后。


而要把这次飞掠期间收集到的所有照片和其他科学数据传回地球,预计一共需要20个月。


所以说,在接下来的两年里,我们还能陆陆续续收到新视野号2019年元旦那天为我们准备的礼物。


一份需要两年才能收完的元旦礼物……这么一想也还挺浪漫的嘛。


“天涯海角”之后


完成与“天涯海角”的邂逅之后,新视野号还将在下一个十年里继续探索柯伊伯带。或许会飞掠探测新的天体,或者至少也会继续探测它所飞过的空间环境,毕竟它携带了比40多年前的旅行者号先进得多的科学仪器——2020年,新视野号项目组会提出下一步探测提案[13]。


在那之后呢?新视野号的电力和燃料可以允许它工作到2030s,或许柯伊伯带之后,新视野号还会给我们的下一代带来更多惊喜呢。


拓展阅读


其实,“天涯·海角”这样的“双叶型”天体在外太阳系并不少见,最典型的就是罗塞塔号探测器曾经造访过的彗星67P。


彗星67P、“天涯·海角”和彗星1P/哈雷。没有按照大小比例。来源:NASA/Daniel Bamberger


参考资料:


[1] Olkin, C. B., Ennico, K., & Spencer, J. (2017). The Pluto system after the New Horizons flyby. Nature Astronomy, 1(10), 663.

[2] Hubble Survey Finds Two Kuiper Belt Objects to Support New Horizons Mission

http://hubblesite.org/image/3401/news_release/2014-35

[3] NASA | NASA’s New Horizons Team Selects Potential Kuiper Belt Flyby Target

https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-new-horizons-team-selects-potential-kuiper-belt-flyby-target

[4] http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Where-is-New-Horizons.php

[5] The PI's Perspective: The Heroes of the DSN and the 'Summer of MU69'

http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/PI-Perspectives.php?page=piPerspective_08_08_2017

[6] https://www.nasa.gov/feature/does-new-horizons-next-target-have-a-moon

[7] Ultima in View: NASA’s New Horizons Makes First Detection of Kuiper Belt Flyby Target

https://www.nasa.gov/feature/ultima-in-view-nasa-s-new-horizons-makes-first-detection-of-kuiper-belt-flyby-target

[8] https://blogs.nasa.gov/pluto/2018/12/20/the-pis-perspective-on-final-approach-to-ultima/

[9] New Horizons Successfully Explores Ultima Thule

http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/News-Article.php?page=20190101

[10] https://youtu.be/j3Jm5POCAj8?t=1

[11] http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/News-Article.php?page=20190102

[12] http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/News-Article.php?page=20190103

[13] http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/Resources/Press-Kits/NewHorizonsPressKit__UT.pdf


本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:灰原哀博士

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