这是一个注定要载入天文学教科书的历史时刻——北京时间2015年7月14日19点50分，由美国国家航空航天局（NASA）发射的“新视野号”（New Horizons）飞船，历经9年的行星际旅行，首次近距离飞越冥王星。这是人类有史以来第一次如此近距离地观测冥王星。不仅如此，“新视野号”还将考察太阳系里的“新大陆”——柯伊柏带。新的发现或将破解太阳系诞生之初的奥秘，让人们重新认识太阳系。

1. “新视野号”的旅程

太阳系包含3个主要区域：一区为内太阳系，包括水星、金星、地球和火星，称为类地行星，均为岩石质天体；二区为外太阳系，包括木星、土星、天王星和海王星，称为类木行星，均为气液态巨行星。一区和二区之间，以距离太阳2.3～3.3天文单位（1天文单位为日地平均距离，约等于1.5亿千米）的小行星带为界。三区为海王星以远，包括距离太阳约30～50个天文单位的柯伊柏带。在柯伊柏带之外，距太阳5～10万天文单位，还有一片由千亿颗冰冷天体组成的奥尔特云。

 “新视野号”于2006年1月在美国发射升空，它的主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎，还要探测位于柯伊柏带的小天体群，设计寿命为15年左右。当近距离观测冥王星和冥卫一之后，“新视野号”将逐渐远离冥王星，继续向离地球更远的太阳系空间飞行。按照设计，在飞离冥王星和卡戎时，“新视野号”要调转镜头回望冥王星，利用太阳照射角很低时表面地形明暗分明的优势，观察冥王星和卡戎表面。2017～2020年，“新视野号”将抵达柯伊柏带其他天体，这一探测阶段可能持续5～10年。

2. 新视野的“眼睛”

“新视野号”携带7台重30千克的科学仪器。其中包括3台光学设备（相机），分别是：远程勘测成像仪（LORRI）、可见-红外成像光谱仪（Ralph）、紫外成像光谱仪（Alice），分别拍摄可见光、红外和紫外波段的照片。远程勘测成像仪拍出来的是高清黑白照片，可见-红外成像光谱仪拍出来的是彩色照片，紫外成像光谱仪则拍摄紫外照片。

另外4台仪器：太阳风测量仪（SWAP）、无线电科学实验仪（REX）、能量粒子谱仪（PEPSSI）、学生尘埃计数器（SDC），分别测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。

可见-红外成像光谱仪拍摄的冥王星照片，最高分辨率约为60米，成像质量远超哈勃望远镜，是迄今为止最清晰的冥王星照片。它不仅拍到了冥王星表面的地质结构和纹理信息，还拍到了云层等。在冥王星上还发现了蓝天和冰火山，虽然科学家推测冥王星表面可能存在这些现象，然而却是第一次被观测证实。现有结果表明，冥王星没有像木星、土星那样的环带结构，也没有像木卫二那样的冰火山和液态喷泉。

当近距离飞过冥王星时，由于“新视野号”采集的数据量异常庞大，而“网速”太慢，探测数据传给地球的下行速率仅为1.68kb每秒，这些探测数据根本来不及向地球回传，因而这些探测数据暂时存储在飞船携带的硬盘上，而后将在一年多时间里陆续发送回地球。“新视野号”此次飞越获取的总数据量约为50GB，需要16个月才能传回地球，目前探测数据仍在陆续传回。

3. 飞越冥王星的新发现

冥王星虽然被科学家开除出太阳系的行星队伍，然而这并不非否定冥王星探测的重要性。冥王星及其卫星作为行星“胚胎”，对研究行星的形成具有重要价值。同时，冥王星虽被降级为矮行星，然而由于天文学家在柯依伯带发现了大量小天体，冥王星作为柯依伯带已知最大天体，幸运地成为柯依柏带中数千颗冰冻小天体的“领头羊”。这些冰封在太阳系“冷库”中的冰冻天体含有大量的水，不同于常见的八大行星和小行星。“新视野号”的发现或将直接改变人们对太阳系的已有认识。

“新视野号”飞越冥王星获得的探测数据，至少需要数年时间进行处理和分析，然而目前获得的初步结果已让人们惊喜不已，冥王星这一从望远镜中观测到的暗弱小亮点，已变成万众瞩目的超级明星。

“新视野号”最新发现主要包括：

（1）在冥王星上发现的心形区域，出乎人们意料，原本冷冰冰的一颗星居然如此有“爱心”。现在，这一区域已被非正式命名为“汤博”，以纪念冥王星发现者。 

（2）“新视野号”在汤博区内拍摄到了一片范围广大的奇异冰原，为纪念人类第一颗人造卫星，这片平原被非正式命名为“斯普特尼克”（Sputnik）。平原上分布着许多线性构造，有些地势比周围低，而有些则高出周围地形而成为一座座小山，看起来非常像乌龟背上的纹路。对龟甲地形的成因，目前有两种可能的解释。一种认为，这种地形的形成过程类似泥浆干燥时发生的收缩过程，地球上干涸的湖底或泥塘中都可以看到类似的裂纹。另一种认为，由于冥王星内部微弱的能量释放，使冰冻的一氧化碳冰、甲烷冰和氮冰发生冻融，冻融物质的流动形成了这些线形的沟槽结构。该区域撞击坑比较少，说明其地质活动比较强烈，表面年龄比人们预期的年轻。

由于冥王星主要由氮冰、甲烷冰、水冰组成，岩石含量本身就比月球低，放射性元素含量可能比预期的还要低得多，可能难以驱动地质运动。然而到底是什么能量驱动着冥王星的地质运动，支撑冥王星地质活动的能量来源依然还是未解之谜。

人们推测，冥王星这一类冰态矮行星的内部能量来源，可能完全不同于火星、水星等类地行星和月球以放射性元素衰变产生能量的过程。

（3）在冥王星赤道附近区域，“新视野号”发现了一条年轻山脉矗立在冰原上，高达3500米。尽管冥王星的大部分表面都被甲烷冰和氮冰覆盖，但高耸的冰山不太可能是甲烷冰或氮冰构成的，因为这些物质的强度不足以支撑。该区域的冰山很可能是由水冰作为“基岩”筑成的，水冰比甲烷冰和氮冰更加坚硬，在冥王星如此低温状态下，水冰的性质就像岩石一样。初步估算，冥王星上这一冰山的地质年龄不超过1亿年，与45.6亿年“高龄”的太阳系相比，相当“年轻”。这说明冥王星还有比较活跃的地质活动。

可见-红外成像光谱仪获取的光谱数据显示，冥王星表面分布的大量的甲烷冰，在不同区域又有明显差异。北极极冠的甲烷冰被厚厚的氮冰冲淡了，导致红外线被强烈吸收；在可见光照片中看起来黑乎乎的赤道区域，光谱数据中吸收红外线的程度较弱，表明赤道区域的冰没有被氮冰明显稀释，当然也可能是该区域的冰的质地不同造成的。

无线电科学实验仪的探测数据显示，冥王星的低层大气主要是甲烷，而高层大气主要是氮气，说明冥王星上实在是太冷了，大气层中的主要成分都被冻成雪花掉下来。冥王星的引力远弱于地球及火星，所以对大气层的束缚力很弱。“新视野号”上的太阳风测量仪观测到冥王星身后有条离子成分的尾巴，这就是被太阳风裹挟带走的电离大气，表明大气正在逃离冥王星。

（4）首次测得冥王星的直径约为2370千米，约为地球直径的18.5%，比之前的预期值大80千米；天文界曾经认为直径2326±12千米的阋神星（Eris）比冥王星更大，这也是导致冥王星被降级的原因之一。“新视野号”这一测量结果再次为冥王星正名，虽然它已降级为矮行星，然而仍得以保持绕日公转的第九大天体之尊，大小仅次于八大行星。月球虽然比冥王星大，但它并不直接绕太阳运转。冥王星的质量仅为地球质量的0.21%。然而这次测得冥王星长“胖”了，意味着它的体积变大了，而密度变小了。此次还确定了土豆状的冥卫三的大小为43千米×33千米，表面有一个直径约为10千米的圆形深色区域，成分未知。

（5）冥王星上存在一条长达3000千米、横贯东西的“鲸”状断裂带，这也说明冥王星仍在发生地质活动。行星科学家对月球和火星等岩石星球上的地质活动了解较多，然而对冥王星这一类冰态矮行星地质活动的方式和能量来源均知之甚少。

（6）“新视野号”近距离拍摄到冥王星卫星卡戎的照片。卡戎直径为1208千米，相当于冥王星直径的51%，地球直径的9.5%。卡戎表面分布着很多平坦光滑的区域，说明它的地质活动比较活跃。

冥王星的卫星系统包括冥卫一卡戎（Charon）、冥卫二尼克斯（Nix）、冥卫三许德拉（Hydra）、冥卫四科波若斯（Kerberos）和冥卫五斯提克斯（Styx）。冥卫二的直径约为35千米。冥卫三许德拉（Hydra）2005年才首次被发现，为不规则的土豆状，大小为43千米×33千米。与卡戎一样，冥卫三不同地区的亮度具有明显差异，反照率介于冥王星和冥卫一之间，表面可能被水冰覆盖。

4. 深入柯伊柏带

探测冥王星之后，“新视野号”将继续探测柯伊柏带的其他天体。柯伊柏带是科学家们在1992年才确认发现的太阳系“新大陆”，这些天体自太阳系形成之初即已存在，是太阳系各大行星形成后的“残渣”，记录着太阳系最初形成时的历史，对这些天体的深入探测将帮助人们理解太阳系和地球生命的起源。

正如“新视野号”首席科学家艾伦·斯特恩指出的那样：“太阳系中的这一区域存在诸多谜团。探索冥王星和柯伊柏带就像是在太阳系‘新大陆’进行考古发掘工作。通过考察可以窥探到太阳系行星形成的最初状态。”

柯伊柏带的天体，主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星。彗星主要由甲烷、氨和水等冰冻物质组成，也有石块和尘埃。柯伊柏带是短周期彗星的老家，著名的哈雷彗星就产于该带。柯伊柏带的小天体主要由冰块、岩石和金属组成，其成分可能非常不同于小行星带中的小行星。据推测，太阳系中有些小行星可能是彗星上挥发物逃逸后形成的。矮行星是直径上千千米、成球体的行星，由于没有足够多的小天体供其碰撞、吸积而成为一颗长不大的“侏儒”行星。除此之外，一些巨行星的卫星，如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九，最早可能也起源于柯伊柏带，而后由于引力摄动才来到巨行星附近。可以说，柯伊柏带的天体是太阳系演化的遗迹，记录着太阳系形成之初的信息。

延伸阅读

人类为什么探索太阳系

太阳系形成之初，大量尘埃和气体逐渐凝聚成为星子，星子之间的碰撞进一步长大成为行星胚胎。小行星就是这样的行星胚胎，科学家用来自小行星的陨石进行了大量行星胚胎的研究，也通过深空探测活动研究了太阳系内的各大行星。但对于小行星长大成为行星的过程人们并不清楚。冥王星作为尚未长大的“侏儒”行星，是联系小行星和行星的中间环节。“新视野号”的这次探测，有助于加深对行星形成过程的理解。

柯伊柏带是天文学家在1992年才发现和确认的太阳系“新大陆”。柯伊柏带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星，这里是短周期彗星的老家，1986年曾造访地球的哈雷彗星就来自该带。柯伊柏带天体主要由冰块、岩石和金属组成，其成分可能不同于小行星带中的小行星。彗星是由有机化合物、冰块和岩石组成的“脏雪球”，科学界推测，太阳系中有些小行星可能就是柯依伯带彗星的挥发物丢失后的残留物。此外，一些巨行星的卫星，如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九，最早可能也起源于柯伊柏带，后由于引力摄动才来到巨行星附近。

由于柯依伯带的这些天体自太阳系形成之初已存在，是太阳系中行星形成后的残渣，记录着太阳系最初形成时的历史，对这些天体的深入探测将帮助人们理解太阳系的起源与演化，以及地球的过去和未来。

好奇是创新的源泉，“新视野号”任务的目的之一是满足人类对周围环境的好奇心。无论是在荒原还是在遥远的太阳系空间，我们都应该努力探索这些未知世界。这就像波利尼西亚人的祖先如果一直待在亚洲的海滩上，他们可能永远也没有机会发现夏威夷、萨摩亚、马库萨斯群岛、复活节岛以及太平洋上的其他岛屿。著名科学家霍金评价说：“‘新视野号’带来的启示，将帮助我们更深入地理解太阳系的形成，我们去探索是因为我们是人类，有求知的渴望。”

“新视野号”对冥王星和柯依伯带的探测，是一次太阳系考古发掘之旅，它的发现将改写太阳系形成理论。“新视野号”从一开始就是为了揭开冥王星神秘的面纱，然而面纱揭开后的奇特景象却超乎想象。原本你只是希望出去散散步，没想到却一路惊喜不断。

太阳系探索的任务周期十分漫长，实际上平摊到每一年所需的费用并不是很多，却足以让青少年在科学研究、艺术和人文领域追求他们的梦想。高难度的太阳系探索任务牵引了新技术的进步，培养了大量工程师、项目管理人员和支撑服务人员，激励青少年选择科学、技术作为他们的求学专业或终身职业。

太阳系探索是全人类共同的事业。中国在太阳系探索领域已经起步并正在快速发展，在探月工程中已实现了环绕、着陆和巡视，并将在两年后实现月球采样返回。

深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动，也是全人类的共同使命。因此，在深空探测的任务实施中，应想方设法吸引公众的关注，尽可能让普通人获得亲身参与感，目的是争取他们的支持，同时提高公众的科学素养，为建设创新型国家奉献力量。

（作者系卡尔·萨根奖获得者、中国科学院国家天文台副研究员）