冥王星的千面风景（上）

□ 张 博

冥王星的千面风景（上）

□ 张 博

在每一个世代，都会有那么一类特殊的人群

In every generation, there grows a special breed

去拓展新的视野，来满足一个亘古的渴望

Who seeks out new horizons, to fulfill an ancient need

去攀上最高的峰峦，远眺那彼侧的风光……

To climb atop the highest hills, to see what lies afar...

——劳埃德・兰达（Lloyd Landa）与卡伦・林斯利（Karen Linsley），《火星先驱者》

艺术家笔下掠过冥王星的新视野号。图片来源：JHU-APL/SwRI

提起2015年7月中旬完成史上第一次冥王星飞掠的新视野号探测器，回荡在耳边的就是由加拿大音乐人劳埃德・兰达与卡伦・林斯利填词作曲并演唱的《火星先驱者》。这首曾被火星协会选为火星登陆任务颂歌的太空歌曲饱含开拓与探险精神，用来形容整个太阳系的空间探险也是再合宜不过的。拓展新的视野，眺望峰峦彼侧的风光，这不仅仅是勘测火星的任务，更是所有深空探测计划的宗旨所在。对于带着众多疑问第一次飞抵柯伊伯带的新视野号来说，其目的何尝不是如此。

无论是对于职业行星科学家还是普通民众，新视野号对冥王星的考察带来的都是一个罕见的机遇：第一次目睹一个大型星球的面貌，何况这个造访对象还属于一类全新的天体。就为了这一刻，探测器走过了为期九年半、长达50亿千米的征程，期间经历“木星借力”与“长久沉眠”，就在即将抵达冥王星之前的几天里还上演了因指令的时间序列冲突而导致的有惊无险。冥王星探测计划本身的研发更是一路坎坷，从上世纪末冥王星-柯伊伯带快车（Pluto Kuiper Express）以及更早的冥王星快速飞掠（Pluto Fast Flyby）的中途夭折，再到进入新世纪后新视野号的匆忙上马，个中的种种波折与惊心动魄，怕是只有亲历者才能说清一二。

1989年旅行者2号飞掠海王星期间拍摄的海卫一近照，图中的蓝绿色部分就是其上独有的“哈密瓜皮”地带，这里沟槽、山脊和凹陷地貌交错排列。图片来源：NASA/Voyager 2

这是新视野号飞掠之前艺术家构想出的冥王星表面，冰火山从裂隙喷涌而出，稀薄的大气甚至让微弱的阳光在天空中幻化出了幻日之虹。图片来源：Ron Miller

如果说2015年7月14日的最近距离飞掠是整个冥王星探测任务期间最令人激动的时刻，真正的华彩乐章却是在飞掠之后的一年零四个月里才逐渐展开在我们面前的。这是因为在飞掠前后，为了尽可能地提高新视野号所载仪器的科学观测效率，探测器与地球的联系被全部切断；而由于冥王星距离遥远，这架探测器与地球之间每秒区区几百比特的通信带宽又堪称“龟速”（作为比较，如今好奇号火星车的数据传输速率达到了每秒上万比特），因而将全部数据传输完毕需要大量的时间。现在距离飞掠过去了1年多，压缩版数据已经在去年11月全部传回，而全分辨率信息也已传回了8成以上（全部传输工作要持续到今年年底才能结束），所以我们可以一瞥新视野号所有的发现了，只是在部分区域的精度可能有所妥协。

首先在冥王星大小和密度等最基本的参数方面，新视野号的实地测量就已经革新了先前的认知。10年前国际天文学联合会（IAU）将冥王星从行星队伍中除名，并认定它属于介乎行星和小行星之间的矮行星，从而引发了一场绵延至今的风波。这场降级之争的诱因就是此前不久阋神星的发现，这个新的大型柯伊伯带天体（KBO）的估计半径比冥王星略大，从此让越来越多的人开始重新思考行星的定义。但探测器在飞掠前却经由实拍照片正式敲定，冥王星直径为2370千米，略大于先前的估计值，也明确大于阋神星。可是由此带来的推论是冥王星的密度比估计值更小，甚至其总质量反而比后者略轻，故而其中冰态物质所占的比例也较早些时候的认知为高。

新视野号在2015年7月13日飞掠前一天拍摄的冥王星，其上可见“桃心”结构。图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI

而在新视野号的首席研究员、来自美国科罗拉多州西南研究所的艾伦•斯特恩（Alan Stern）眼中，这架探测器最重要的发现之一就是冥王星系统复杂得超乎想象的地质特征，连同无穷的活跃性。

根据新视野号的数据绘制出的人造地球卫星平原高地周边地质图，这里汇集了30余种不同的地貌特征。图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI

因为冥王星是一颗身居柯伊伯带内缘附近的大型冰态天体，在飞掠前，很多人对其外貌的猜测都是以直径稍小、发源于同一区带的海卫一为蓝本的。后者是一颗地表酷寒而斑驳的活跃卫星，显露出了激烈的冰火山活动，连带冰态物质融化塌陷的迹象。于是，在不少行星科学家眼中，冥王星似乎也理应表现出类似的特点，冰粒裹挟着泥浆从地下涌出，形成壮观的羽状抛射物，甚至还可能具备类似于海卫一的“哈密瓜皮”式表面。

但新视野号飞掠带来的数据着实让众人大吃一惊。这个论体积，说大不大，说小不小的星球，其上却拥有从高度超过3000米的冰山，到平坦而年轻的冰原，再到流淌的冰川在内的一系列地貌。哪怕在地理位置上毗邻的区域，无论是地形，还是颜色、组分抑或是反照率也可能截然不同。这里到处都昭示着过去几十亿年间持续的地质活动，不过也与海卫一这样由大型行星潮汐力主导的世界迥异。

这是新视野号在冥王星飞掠期间使用长程勘察成像仪（LORRI）拍摄的人造地球卫星平原高地的透视图，图中还结合了Ralph/多光谱可见光成像照相机（MVIC）在蓝光、红光和红外波段获取的假彩色数据。图中紧邻平坦辽阔冰原的，就是左侧颜色暗淡而环形山遍布的克尔苏区。冥王星上地表形态的反差之大，可见一斑。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRII

由于飞掠期间新视野号与冥王星相对位置的缘故，高分辨率观测主要是针对冥王星著名的“桃心”所在的半球进行的。这片色彩明亮的区域是整个星球上最突出的特征，在地球附近都可以将其解析出来，所以它的非正式名称以冥王星的发现者命名为汤博区（Tombaugh Regio）（注：现在冥王星上所有地貌的名称都还没能得到IAU的最终批准，文中出现的所有地名均为根据公众投票结果暂拟的非正式名称，下同，不再一一注明）。拜探测器在飞掠前夕拍摄的那张著名照片所赐，现在桃心的形象已是风靡全球，深入人心。汤博区正是冥王星上地形高度多样化的最佳表征之一：桃心外形看似连贯，东西两瓣的成分实则不同；被暂时命名为人造地球卫星平原高地（Sputnik Planum）的西瓣绵延上千千米，内里平坦而光滑，但边缘处却崎岖，而且遍布陨击环形山。桃心以西则与冥王星表面最暗的部分——克尔苏区（Cthulhu Regio）相连。区区一山之隔，外观已是纯然的两重天。

人造地球卫星平原高地上的典型地貌是宽数十千米的多边形或椭圆形地块，地块之间则以数千米宽的浅沟为界，乍看上去简直是干涸的泥塘。有些沟槽内部还分布有颜色较暗的物质，或者有着数十到数百米高的山丘或山脊。关于此等地块结构的起源说法不一，其中之一就是枯水塘底的放大版，也就是大尺度上地表的收缩。不过最新的观点认为，鉴于整个平原高地的表层以厚达数千米的易挥发的冰态物质（如氮冰和少量一氧化碳冰、甲烷冰）为主，冰体在热量作用下上浮，随后再次冷却下沉，这种缓慢的对流才是地块形成的主因。我们看到的浅沟正是各个对流元的边界，而对流元本身在漫长的演化史中也会此消彼长或是并合为一，让浅沟出现死端。冥王星内部的热源为整个过程提供了能量，驱动着对流的往复进行，这就跟“熔岩灯”中的蜡滴在灯泡温度的作用下沉沉浮浮没有本质区别——不过，这不大的一颗星球在诞生40多亿年之后余温犹存，还能维系住如此大规模的地质活动，也确实值得讶异。

冥王星人造地球卫星平原高地中的多边形地块，图中下方还可见孤立的“X”形浅沟，它很可能就是4个已经不复存在的对流元一度的交点所在（图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI）

熔岩灯中的蜡滴在热量作用下反复沉浮

人造地球卫星平原高地西北侧的流动冰川。图片来源：NASA/JHU-APL/ SwRI

与氮冰对流相关的就是流淌的冰川。在新视野号飞掠过后不久，多边形地块的成因尚不明朗之时，研究者即已在人造地球卫星平原高地的边缘发现了冰川流动的痕迹。事实上它们称得上是全太阳系规模最大的冰川，冰体打着旋绕过障碍物，汇入低地，一路输运着新鲜的冰态物质。活跃的氮冰冰川或许是平原高地内部的氮冰挥发，并凝结于周边地势较高区域的自然结果。只是在高地除边缘以外的其他大多数区域，冰体的移动速度还是比较慢的，一年只有几厘米而已，多半不易觉察。

人造地球卫星平原高地上的另一惊人之处是，哪怕在新视野号分辨率最高的图像中，环形山还是完全不可见，这意味着其地表年龄不会超过1亿年，以地质学的角度看是相当年轻的。而根据冰层对流速度估计，每块对流元的表面每50万年即可更新一次，整个冰原也不会超过1000万年，相关地貌的新鲜程度高居整个太阳系的榜首。不过该平原高地上环形山缺席归缺席，宽数百米、深数十米的凹坑还是相当普遍的。这些凹坑显然不是陨击起源，而只是地下冰体升华、地面坍塌的产物。

人造地球卫星平原高地东南侧地表的放大图，可见这里的凹坑簇。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

人造地球卫星平原高地南侧的群山，包括希拉里山脉（左）与诺盖山脉（右）。图片来源：NASA/ JHU-APL/ SwRI

人造地球卫星平原高地的北边缘特写，平滑的冰原突变成了起伏的伊德里西山脉。图片来源：NASA/ JHU-APL/ SwRI

桃心周围群山林立，这其中最突出的当属南侧以登顶珠峰的先驱命名的希拉里山脉（Hillary Montes）与诺盖山脉（Norgay Montes）。这里的山峰最高达到了3000-4000米，更令人瞠目的是如此高耸的山体，基底纯系水冰构成。依稀记得当年IAU将冥王星从行星的行列中开除，其中的原因还包括冥王星系冰态天体，质地柔软，无须太大的质量即可达到流体静力学平衡，从而维系球状形态。与这条理由相比，冰质高山的发现实在有些颠覆。其实水冰能够充当巨型山脉基石的原因很简单，在冥王星不到40开尔文的低温环境下，这种我们自以为很熟悉的物质特性会变得坚如磐石，足以支撑住数千米高的结构。

桃心北缘的对比更加鲜明，高度超过2000米的伊德里西山脉（al-Idrisi Montes）毫无征兆地被一望无际的冰原截住。这几道山脉，尤其是南侧的山脉年龄都不是太老，它们可能的形成途径是冥王星富含水冰的地壳变形断裂，被推挤着隆起，由此造就了当前所见的高峰。也许只有冥王星这种孤立的大型柯伊伯带天体才会拥有如此壮观的冰山，而海卫一因其距离海王星过近，主天体潮汐摩擦产生的热量足以让冰体融化，所以其地势相对来说要平坦很多。

（未完待续）