冥王星距我們多遠,去那裡要飛多久,新視野號探訪之旅…


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冥王星距我們多遠,去那裡要飛多久,新視野號探訪之旅怎樣了?

這看起來是個簡單的問題,但要說清楚卻比較難。如果大家有興趣,就耐心聽我說完。

  • 冥王星的特殊身份

冥王星是迄今為止人類知道距離地球最遠的一顆矮行星。當冥王星剛被發現的時候,人們不認為它是一顆很小的星球,還以為是一顆比地球大的星球。因為那個時候望遠鏡還不高級,還完全看不清這麼遠的星球。即便到了現在,最有名的哈勃太空望遠鏡看到的冥王星也就是一個小小的亮點,只有一個像素大小(下圖)。

冥王星是1930年被美國葉凱士天文台的克萊德·湯博發現的,他在拍攝的照片中發現了一個移動的暗弱亮點(下圖),科學家們分析認為可能是一顆新的行星,由此,冥王星被認為是太陽系第九大行星。冥王星頂著太陽系行星老九的身份一直過了70年。

後來,天文學家們發現冥王星似乎並不大,甚至沒有太陽系八大行星中的某些大點的衛星大,而且一直認為是其衛星卡戎星,似乎不應該算作它的衛星,因為嚴格意義上來說,卡戎並不是圍繞著冥王星旋轉,它們之間引力的質點在雙方體積以外的一個空間,雙方都繞著這個空間質點旋轉,沒有誰依靠誰。

後來,發現越來越多的天體與冥王星類似,冥王星的行星地位就岌岌可危了。

  • 根據行星定義,冥王星被踢出行星隊伍

為了明確行星的地位,國際天文學聯合會為行星設定了三個基本條件:1、必須圍繞著太陽公轉;2、質量足夠大,引力克服剛體力實現了流體靜力平衡,也就是讓自己成為球形;3、清空自己軌道上的天體。

冥王星顯然沒有做到第三條,其軌道上其他天體總量,遠遠超過冥王星質量,冥王星的質量只有這些天體總質量的7%;而地球質量是軌道上其他天體質量的170萬倍,這不包括月球,因為月球是地球的真正天然衛星,雙方引力質點是在地球體積以內。

冥王星還有許多區別行星的運行狀態,如公轉軌道太扁,甚至穿越了海王星軌道,也就是有時比海王星距離太陽還要近。這樣,國際天文學聯合會於2006年通過投票決定,將冥王星排除出行星隊伍,開始編入小行星系列,後來又定義為矮行星。

許多人對冥王星的遭遇不滿,認為國際天文學聯合會處理不公,如果按行星條件第三條,很多行星軌道都有天體,而且衛星也應該算在軌天體,由此認為這個所謂行星條件是不切實際的。這裡面反對最激烈最有名的代表是,NASA(美國宇航局)負責新視野號冥王星任務的首席研究員艾倫·斯特恩,他嘲笑國際天文學會行星定義“令人討厭”,是“類似於馬戲團的程序”,認為“科學最終還是會自我糾正”。

但不管怎樣,十幾年過去了,科學並沒有糾正這個“錯誤”,冥王星的矮行星地位似乎已成定論。因為發現越來越多的矮行星,有的體積當時還認為超過冥王星,如鬩神星。不過後來新視野號到達冥王星後,為冥王星正了名,鬩神星還是略小於冥王星,冥王星依然牢固的佔據著矮行星老大地位。

但無論怎樣,冥王星回歸九大行星之列呼聲終究沒有得到結果。後來,艾倫·斯特恩負責的新視野號成為第一艘探望冥王星的探測器,傳回了許多冥王星的資料,這給了為冥王星打抱不平的人們莫大的安慰。

  • 冥王星距離我們有多遠?

冥王星是圍繞著太陽公轉的矮行星,其運行軌道是一個比任何行星軌道都要扁的橢圓,近日點為29.658 AU(天文單位,1AU為149597870千米,一般簡化為1.5億千米),也就是約44.368 億千米;遠日點為49.305 AU,約73.76億千米, 偏心率達到0.2482,地球偏心率才0.0167。

冥王星圍繞著太陽公轉一圈需要247.94 年,也就是說自從人類發現冥王星,到現在91年了還只轉了2.72分之一圈,還需要約157個地球年才能夠轉完一圈。那時候如果各位還有孫子的孫子的話,再去研究冥王星或許會有不同的結論。

地球距離太陽約1.5億千米,這樣距離冥王星最近時就是不到43億千米(恰好冥王星運行到近日點,又與地球在太陽的同一側,這種概率要幾百年才有一次),最遠時就有75億千米了。現在的冥王星正運行在介於近日點和遠日點之間,距離地球約60億千米。

  • 憑人類現在的飛天技術,到達冥王星要多久?

人類目前還沒有能夠載人到達冥王星的技術,人類腳印到達最遠的地方還是月球,現在開始計劃登陸火星了,即便在未來10年,人類實現了登陸火星的任務,火星到地球還不到1億千米(最近時只約5500萬千米),只是到達冥王星旅途的不到60分之一。

因此,要到冥王星,現在只有無人探測器能夠到達。人類現在飛行最遠的探測器是旅行者1號,它於上世紀七十年代發射升空,至今已經在太空遨遊了44年了,現在的飛行速度約17km/s,距離我們已有228億多千米了。

太空飛行有三個宇宙速度,第一宇宙速度是地球環繞速度,為7.9km/s;第二宇宙速度是脫離地球引力速度,為11.2km/s;第三宇宙速度是脫離太陽系速度,為16.7km /s。因此,人類要飛出地球,脫離地球引力飛往其他行星,包括到冥王星,最低達到的速度需要11.2km/s。

如果按照11.2km/s的第三宇宙速度,飛到60億千米距離的冥王星,簡單計算需要約17年。但在太空飛行不是這麼簡單的。

首先,如果初始速度為11.2km/s,中途一直沒有加速,飛往冥王星是背著太陽飛,太陽引力會將飛行器拉得越來越慢,到達時間就會大大延後;其次,地球在運動,冥王星也在不停運動,其公轉速度為每秒4.743km,因此向著冥王星飛絕不是一個標准直線距離,而是一個曲線,距離就會大大增加。

這樣到達冥王星的時間就會存在許多變數。不過現在已經有了一艘探測器到達過冥王星,這就是NASA發射的新視野號(也叫新地平線號)探測器,我們依循它的軌跡來了解一下。

  • 新視野號探測器的冥王星探測之路

前面說過,有一位科學家對冥王星被開除出行星隊伍的遭遇十分不滿,這位科學家就是NASA的新視野號冥王星任務首席技術官艾倫·斯特恩。由此,他花了更多的精力和感情傾注在新視野號探測器上,希望這艘探測器能夠更早些光顧冥王星,安慰一下這顆距離最遠失落孤獨的天體,讓它也享受一回行星待遇(所有行星都有過探測器光顧)。

新視野號探測器不負眾望,於2006年1月19日順利發射升空,入軌速度為16.26km/s,成為有史以來發射初始速度最快的飛行器。不到9個小時,新視野號就飛越了月球軌道,不到三個月於4月7日就穿越了火星軌道,5月進入小行星帶,10月穿越小行星帶。

2007年2月28日,新視野號飛躍木星,最近距離為230.5萬km。經過木星引力彈弓效應將速度提升到21.219km/秒。至此,新視野號進入漫長空曠的深空旅途,為了節省電力,地面指揮人員讓新視野號進入了休眠狀態。 2008年6月8日,新視野號穿越土星軌道;2011年3月18日,新地平線號穿過天王星軌道;2014年8月24日,新地平線號穿過海王星軌道。

這一路約三分之二的旅途,新視野號都在睡大覺,足足睡了1873天,沒有睜眼看這個黑黑的世界一眼。由於太陽的引力牽制,速度已經降到15km/s以下了。 2014年12月18日,地面指揮系統通過太空網絡,成功將新視野號喚醒。當它睜開迷糊的睡眼時,距離冥王星還有7個月的旅程,於是它嘟嚕了一句:“為啥不讓我多睡會”。

終於看到冥王星了,冥王星激動興奮地向這個人類使者招手。 2015年7月14日,新視野號飛躍冥王星,最近距離為13695km,飛躍卡戎星,最近距離為29473。這個距離對我們地球普通人來說,似乎還是很遙遠,但在太空天體世界,卻已經是很近了,由此新視野號將冥王星仔仔細細看了個遍,得到了許多人類從來沒有的珍貴數據。

人類通過新視野號,不但更多地了解了冥王星,還了解了其伴星(原來認為是衛星)卡戎及其另外3顆衛星的很多信息。測出冥王星直徑為2376.6km,質量為1.303*10^22kg(±0.003),表面積為1.779*10^7km^2;卡戎星直徑為1212 km,質量為1.586*10^21 kg(±0.015) 。

除此之外,對冥王星的地形地貌、表面狀態也有了許多新發現,如冥王星的巨大心型地貌,以及冰川上蝸牛狀物質。新視野號從發射出發到飛躍冥王星一共用了9年半的時間,飛過了59億千米的征程,平均時速約20km/s。但經歷長時間與太陽引力的抗爭後,此時新視野號的速度只有13.87km/s了。

  • 新視野號新的征途

掠過冥王星後,新視野一刻也沒有歇息,而是接受了NASA交給它的拓展任務,到更遠的柯伊伯帶探望“天涯海角”(小行星2014 MU69)。它不負眾望,於2019年1月1日飛躍“天涯海角”,如期發回了這顆小行星的照片和資料,由此,這個有點像花生的小行星成為人類探測器到過的最遠天體,距離地球64億千米。

完成了太陽系最後一次探測任務後,新視野號依然沒有停步,又根據人類指令,繼續向太陽系外飛去,探索那渺茫的未知世界。他身上帶有很多小玩意,包括並不限於冥王星發現人克萊德·湯博的部分骨灰;一面美國小國旗;一張CD,上面刻有在“飛往冥王星”網站上簽名的45萬人類姓名,和新視野號團隊成員照片;探測器製造地馬里蘭州和發射地佛羅里達州的25美分硬幣各一枚;太空船一號上切下的一小塊部件;1991年的美國郵票一枚,上面寫著:“冥王星:尚未探測”。

新視野號是NASA正在飛往太陽系外的第5艘探測器,之前已經向太陽系外飛去的探測器有:1972年和1973年先後發射的先驅者10號和11號;1977年先後發射的旅行者1號和2號。這些探測器從不同方位正在飛離太陽系,各自孤獨的飛在廣袤的太空,作為人人類忠實使者,將向著遙遠的深空一直飛下去。

前程充滿了風險,它們的下場有很多可能,如被小行星碎片擊毀,被天體引力捕獲等。它們最好的結局是被地外文明捕獲,由此讓這些“外星人”知道在遙遠的地球,有一個正在崛起的文明,他們或它們並不孤獨。

它們在沒有大氣的太空可以存在10億年。按照旅行者1號的速度,飛出1光年半徑的太陽係就需要至少17000年;按照新視野號的速度,飛出太陽系則需要2萬多年。如果它們真的在億萬年後某一天,遇到了“外星人”,向這些“外星人”訴說人類的故事和一路的艱辛,或許它們出發的家園早就滄海桑田了,那時候人類還在不在地球,或者滅絕沒滅絕都不知道呢。

由此,它們將成為人類文明曾經在這個宇宙存在過的唯一證據,這個結局或許有些悲哀。

在這里特別強調一下,許多人老認為不要暴露地球坐標,否則會受到入侵。這實在是一種幼稚的想法,是受了所謂“黑暗森林”假設以及某些科幻迷惑。在宇宙中,文明太過稀少,每個文明有每個文明的不同孕育環境,有能力“入侵”的高等級文明需求只有一個,恆星能量,這種能量宇宙到處都是,地球沒有什麼“資源”可供“外星人”掠奪,因此所謂“入侵”是完全不成立的。

  • 好吧,現在來說當前的結論:

冥王星距離我們約60億千米,現在人類的無人探測器飛到冥王星大概需要10年左右,載人飛船前往冥王星大概還是100年以後的事情,那時候或許人類已經突破深空航行的速度瓶頸,幾個小時或幾分幾秒就到達也未可知。

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