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答:為什麼「新視野」號不繞冥王星觀測?

12月
17
2017

2017年12月17日04時 今日科學 國家空間科學中心

國家空間科學中心

空少問答

小課堂

第五十四期

10

為什麼「新視野」號不繞冥王星觀測?

上周六,空少為大家留了1個問題,來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧!

空少正解

答:冥王星於1930年被克萊德·湯博首次發現後便進入了人類的視野,它也被視為太陽系第九大行星。2006年,國際天文聯合會(IAU)對大行星進行了重新定義,冥王星便被降級為了矮行星。在太陽系中,除了我們熟知的岩石類地行星(水星、金星、地球和火星)和氣態類木行星外,還有一類冰質矮行星,冥王星和它最大的衛星卡戎就屬於這一類。由於冥王星體積很小且與地球相距遙遠,人們對它知之甚少。

冥王星、卡戎(冥王星衛星之一)與地球體積大小的對比圖

人類的好奇心驅使我們去了解它,人們最先想到的辦法便是用天文望遠鏡進行觀測,但即使用最先進的哈勃天文望遠鏡來看48億公里之外的冥王星,能夠獲得的信息也十分有限。哈勃望遠鏡能夠獲得的最清晰照片,如下圖。

哈勃望遠鏡拍攝的冥王星照片

然而,從「新視野」號探測器傳下來的照片是這樣滴!真是沒有對比就沒有傷害,從視覺體驗這個角度來講,「新視野」號的這深情一望也是非常有價值的。

「新視野」號拍攝的冥王星照片,「小心心」清晰可見

按常規套路,有了初步的了解之後,我們就該像其他天體探測器,例如「朱諾」號、「伽利略」號、「卡西尼」號和「好奇」號等一樣,對遙遠的冥王星採用環繞甚至著陸的方式進行近距離觀測,畢竟來到如此遙遠星體的身邊並非一件易事。然而事實並未如此,「新視野」號任務僅採取了「飛掠」的方式,即路過而並未進入行星的軌道進行探測。這是為什麼呢?

其中一個重要的原因就是成本太高,這裡的成本包括兩個因素,一個是經濟成本,另一個是就是時間成本。正如我在引言中提到的一樣,「新視野」號發射之後便直接進入了地球和太陽的逃逸軌道,在最後完成加速關閉引擎時相對地球的速度是16.26km/s,接近第三宇宙速度,這也是人類有史以來以最快發射速度離開地球的深空探測器。為了能夠獲得更大的速度飛向冥王星,「新視野」號還飛抵了木星,希望能夠藉助它巨大的引力進一步加速。

「新視野」號的旅途

我們都知道冥王星是非常小的,它的重力根本不足以捕獲如此快速飛行的探測器,如果需要環繞冥王星觀測就需要火箭提供反衝制動力,這無疑需要巨大的燃料消耗。為此我們做了一個簡單的估算,如果要將478kg的「新視野」號從飛掠速度降到冥王星的逃逸速度需要多攜帶161303kg的燃料,這大概是其自身重量的337倍。按照任務花費7億元來算,每千克成本大約為146萬,由燃料增加產生的成本數以億計。這對於推行小型化、低成本及多功能航天任務的美國國家航空航天局來說顯然成本太高,違背設計理念。

有人說,我們是不是可以將探測器加速到某顆行星附近,然後採用霍曼轉移軌道,讓它緩慢抬升軌道接近冥王星,最終入軌實現近距離環繞觀測呢?當然也是有這種可能性的,但這裡就涉及到一個時間成本的問題,有人做過估算,採用這種方式需要59年才能接近冥王星,我想這個結果是誰都不願意接受的。

NASA新發布的冥王星彩色圖片,顯示冥王星北極有著冰封的峽谷。

除了成本之外,新視野號不進入冥王星環繞軌道的另一個原因就是它還有一項重要任務需要完成,那就是考察由彗星和其他宇宙碎片構成的環帶——柯伊柏帶。柯伊伯帶的天體自太陽系形成之初就已存在,是太陽系各大行星形成後的殘渣,記錄著太陽系最初形成時的歷史,有助於理解太陽系和地球生命的起源。探索冥王星和柯伊伯帶就像是在太陽系新大陸進行的考古發掘工作,通過考察可以窺探到太陽系行星形成的最初狀態。

冥王星上發現的冰山,這張照片拍攝於新視野號從最近點飛越冥王星前約1個半小時,探測器距離冥王星表面約77萬千米。

按照項目經費支持,「新視野」號在飛掠冥王星之後就已經圓滿完成了探測任務,探測柯依伯帶其他天體不是合同規定的任務。鑒於新視野號飛船的狀態良好,還有能力進行拓展任務,「新視野」號團隊決定申請拓展任務。畢竟到達太陽系邊緣不容易,為什麼不進去看看呢?

柯伊伯帶

「新視野」號飛船最初的設計目的就是飛越冥王星及其衛星,在可能的情況下探測其他柯依伯帶天體。設計時,飛船攜帶了飛越柯依伯帶其他天體所需的燃料,通信系統的設計可以滿足比冥王星更遙遠天體的探測,強大的核動力心臟更是能夠保證「新視野」號工作至2030年。如果按照計劃繼續深入太陽系邊緣,它不但可以提供有關冥王星及其衛星系統的大量資料,還可以繼續深入「柯伊伯帶」進行探測。那麼,飛掠冥王星無疑是一個更好的選擇。

可以說花7億元僅僅讓我們近距離看一樣冥王星也值了。就目前傳回的數據顯示,「新視野」號不僅揭示了冥王星具有由廣袤的冰凍平原組成的心形區域,

也就是我們在冥王星表面看到的「小心心」。在其赤道附近還發現有一座年輕的冰凍山脈,其表面也分布著大量甲烷冰。同時「新視野」號對卡戎的觀測也揭示了這顆冥王星衛星具有年輕複雜多樣的地貌,並且還首次獲取了冥衛二(尼克斯)和冥衛三(許德拉)的表面特徵等信息。

冥衛一,暗淡神祕北極區非正式的名稱是魔多斑 (Mordor Macula),這幅影像是由新地平線號7月14日攝於最近點附近。

目前,「新視野」號仍在向太空深處進發,它將探索柯伊伯帶,預計2026年耗盡鈽同位素核電池燃料,2038年到達距離太陽100個天文單位處。在這裡我們祝它好運!

hey,冥王星,我是地球。晚安!

@ 劉大哥哥

飛行速度高達16km/s,飛行速度太快了!如果想繞冥王星觀測,就必須要減速,變軌!飛了十年,所攜帶的燃料所剩不多,不足以供應減速,變軌,繞飛所需的電能,所以沒有足夠的能量繞星觀測!

@ 排山倒海

有以下三點原因 1、冥王星屬於科依博帶附近一顆天體,研究價值不夠強。
2、新視野號速度太快,無法被冥王星捕獲。
3、新視野號還承擔深空探測任務。

@ A0 龘鋼

答:1,「新視野」飛行速度太快,要繞冥王星飛行的話就需要減速,而減速就需要更多的燃料。2,冥王星引力太小,不足以俘獲「新視野」號。3太陽系邊緣有更多未解之謎等待著它。

@ 趙俊立

1.冥王星質量和引力相對小,新視野到達時速度又極快,只有經過非常大的減速才能進入其軌道進行環繞,需要攜帶巨量的燃料才行(巨量燃料會帶來無法發射升空、不能高速到達等矛盾),只能採取飛掠這種折中方案,並且飛掠後還能去其他地方再探測、完成其他科學使命。
2.他是一個有這樣一種情懷的飛行器:不在乎天長地久,只在乎曾經擁有。

@ 獅子座的羊

進入冥王星軌道需要制動降速,大大消耗燃料,所剩燃料不足以支撐進入冥王星軌道;或者進入冥王星軌道後所剩燃料不足以繼續維持飛行器進行科學探索

感謝大家的支持,我們下期再見!國家空間科學中心微信公眾訂閱號(ID:nssc1958)


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