冥王星的千面风景（下）

□ 张 博

冥王星的千面风景（下）

□ 张 博

在冥王星著名的“桃心”地形附近还有不少值得玩味的地方。南侧如顶端带有孔穴的疑似冰火山——莱特山（就算最终可以得到证实，它的活跃度也远没有海卫一上喷涌的冰泉那般明显）以及疑似的沙丘，东侧如富含甲烷冰的塔尔塔罗斯山脊（Tartarus Dorsa）一带蛇皮状或称刃状的纹理，它们无论是成因还是真实身份都有待进一步的探讨。而在桃心以北，冻结在山谷中的冰封氮池塘是冥王星过往较为温暖，表面曾有液体流过的线索。在太阳系中，除地球之外，类似的流体过程仅现于火星和土卫六。再往北去，北极附近的洛厄尔区（Lowell Regio）有数道峡谷横穿而过，还有像人造地球卫星平原高地那样四处点缀的凹坑（只是占地面积要较后者大得多）。这些照例是地下冰层升华的杰作，只是冰雪的主体从氮冰换成了甲烷冰，让该区域呈现出了独特的黄色调。

离开平坦的冰原向西行进，来到冥王星上更古老的地带，我们看到的就是另一番面貌了。铺满暗色复杂有机物索林（tholin）的克尔苏区饱受陨星轰击，其北侧的若干台地也是如此。再往北去，就来到了冥王星上最大的已知环形山——宽250千米的伯尼（Burney，以冥王星的命名者得名）环形山，其内部还密密麻麻地撒满了后来出现的新生环形山。这些环形山暴露的侧壁展现出了明显的地层，叙说着当地的地质演变。有一些四周的喷出覆盖物还依稀可辨，这表明其形成时间不会太早。从伯尼环形山再往西去，来到得名于苏联同名金星探测器的金星号台地（Venera Terra），所见又有不同：除了大量的环形山，还有交织的峡谷网络构成了与火星迷径沟网一般的风景。据信这样的峡谷由地表大面积断裂所塑造，而日后的冰川运动或冰体升华又进一步让谷底加宽。

人造地球卫星平原高地北部山区中的冻结氮池塘。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星北极附近洛厄尔区的增强色图像，图中北极位于中部偏左，附近可见若干平行的峡谷。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

桃心东边缘的塔尔塔罗斯山脊的刃状地表结构，典型刃高500米，构成了冥王星上最陡峭的一处地貌。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

伯尼环形山内晚于主环形山出现的小型环形山群。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

金星号台地内的迷径沟网式峡谷网络。图片来源：NASA/JHU-APL/ SwRI

冥王星上不同冰态物质的分布图。左上：甲烷；右上：氮冰；左下：一氧化碳冰；右下：水冰。图片提供：NASA/JHU-APL/SwRI

与地形多样化相伴的是冥王星地表成分的多样化。抛开有机物层沉积得发暗的克尔苏区与有机物匮乏得明亮的人造地球卫星平原高地之间鲜明的对比不论，星球上还存在由氮冰、一氧化碳冰、甲烷冰或水冰主导的地带，而且彼此之间的反差之突然，也是在全太阳系中绝无仅有的。就算是同一种主导物质，细节差异却仍旧很明显，如北极冠同赤道附近的数个暗斑同属甲烷冰富集区，但各自的冰体结构却很可能明显不同。这些现象背后反映的同样是冥王星复杂多变的地质或气候史。

冥王星不仅地质地貌引人入胜，而且大气层带来的惊喜也毫不逊色。大气考察应该说是新视野号最急于从事的工作了。实际上在21世纪之初，当冥王星-柯伊伯带快车因预算缩减的缘故被迫中断之后，美国行星学会再三发起太空爱好者向美国宇航局（NASA）请愿，希望重拾冥王星探测。这不仅仅是出于填补太阳系空间勘察空白的考虑，更有一个很现实的担忧：上世纪末，冥王星刚刚经过了近日点，期间星球温度上升，部分冰态物质升华，带来了临时性的大气；当冥王星远离太阳之后，这层本已稀薄的气体很可能会彻底冻结，想再次对其开展详细研究恐怕就要等到3个世纪之后了。所幸新视野号最终上路，赶在了冥王星大气凝固之前完成了匆匆一瞥。

首先让来自地球的人倍感亲切的是，冥王星的天空呈蓝色，而且色彩的成因也与地球一样——大气中的悬浮物对阳光的瑞利散射。只是这里的气压显然要远低于地球，只及地球大气层外边缘的水平；另外二者散射阳光的颗粒成分也不同，于地球而言是氮分子，但在冥王星上却是深色的索林颗粒，它们源自高层大气中的甲烷和氮分子被阳光中的紫外线瓦解并相互反应。而当索林表面被冰霜覆盖后，就会落到冥王星上，长此以往，整个星球就被涂上了橙红的色彩，甚至呈现出了克尔苏这种暗区。

索林组成的雾霾颗粒在冥王星大气中分布甚广，从地面一直延伸到160千米的高空。这一高度本身彻底颠覆了飞掠前的预言，因为早年人们认为距离星球表面30千米的高空中的温度已经过高，所以颗粒物质难以凝结于此。但新视野号的实测结果是，冥王星高层大气的温度远较之前根据地面观测做出的估计为低，原因不明，但这至少保证了颗粒的存在性。同时，雾霾本身还分出了不同的层次，至少各处的密度并不均匀，每层也并没有严格平行于星球曲率。雾霾层可行的解释是重力波（这种波动并非时空本身的涟漪——引力波，二者必须区分开来），这一效应让颗粒集中于某几个高度上，而波动本身则是由吹过冥王星崎岖山地的风力所激起的。

冥王星上的蓝天和雾霾。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星由大气雾霾产生的光晕，以及雾霾的分层示意。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

更奇怪的是，当新视野号完成飞掠后不久，其上搭载的无线电实验设备（REX）配合深空探测网的地基天线进行了冥王星掩星测量，发现星球地表大气压较两年前的地面掩星观测值降低了一半，而在此以前气压都是一路上升的。这到底是冥王星远离太阳期间的必然过程，还是过去的观测误差太大因此不是很可信？如果原因是前者，以此趋势持续下去，过不了多久，冥王星的大气也就要全部冻到地面上去了，这样看来，搭上了大气勘察末班车的新视野号还算运气不坏。除了气压，早先同样被高估的还有大气的逃逸速率。原本研究者以为像冥王星这样不太大的天体，其大气损失的剧烈程度或许能与彗星比肩；但实际水平却更类似于地球，这大概与较低的高层大气温度有关。而逃逸气体的主要成分是甲烷而非含量更高的氮气，这也称得上又一怪事。

新视野号逆光拍摄的冥王星雾霾层，图中可见超过20层雾霾结构。值得一提的是，图中最低的一层并没有完全与地表平行，而是在部分区域与地面相连。图中冥王星边缘附近的地貌也依稀可见。图片来源：NASA/JHUAPL/ SwRI/Gladstone et al./Science (2016)

太阳风与冥王星由氮元素主导的大气的相互作用示意，受大气逃逸离子撞击的太阳风被减速，并在冥王星前方形成可能的激波；而星球后方拖出了一道长长的等离子体尾迹。图片来源：NASA/ JHUAPL/SwRI

冥王星不那么直观但仍旧重要的“面目”还包括其周边的空间环境。新视野号本身就携带了用于测量太阳风的等离子体谱仪SWAP、用于测量冥王星大气逃逸离子的高能粒子谱仪PEPSSI，还有由科罗拉多大学的学生主持研制的尘埃计数器SDC。前两台仪器发现了冥王星大气与太阳风相互作用的方式，确定出从大气中逃逸的氮离子在星球后方形成了一道等离子体尾；而昼半球前方的逃逸气体只局限于6倍冥王星半径之内，远较预期为近，如此明显的不一致可能要归结为大气逃逸速率先前被大大高估。SDC的最重要发现是，它在飞掠前后5天内只记录下了1个尘粒，这意味着冥王星系统中的尘埃密度完全与外太阳系中的背景相当。这照样远远低于预期，不过好处是最初对尘埃撞击探测器引发事故的顾虑可以暂时被放到一边去了。

在新视野号的数据传输期间，冥王星的所有5颗卫星也终于全部露出了真面目。首先是在飞掠之时即已显露真身的最大冥卫——冥卫一，鉴于它的直径达到了冥王星的将近一半，而且它同冥王星的公转质心是位于冥王星外部的，所以二者在过去经常被视作双行星。可是冥卫一相对冥王星的差异远比相似点惹眼，在高分辨率图像中更是如此。比如根据陨击环形山判断，前者的地表是均一地古老；而断裂又很是常见，甚至在赤道附近存在一道长长的构造断层，暗示了远古时期冥卫一内部拥有海洋，后来海水的冻结撕裂了地壳。而冥卫一地表复杂性虽高，这里的色彩（进而是组分）却没有冥王星那样繁杂。当然还有一个重要区别是冥卫一没有丝毫的大气存在迹象，但北极冠附近有机物富集带呈现的红褐色却是逃逸自冥王星大气中的甲烷发生反应转变为索林而染成的。这一切都说明，冥王星系统的这两个主要成员，理应是分别诞生后再相逢的。

其他4颗小型冥卫虽非探测器的关注重点，但其近照还是都被逐一拍下。根据图像可知，它们的地表不仅古老，而且年龄相近，所以有假说称其全部源于历史上冥王星与另一个柯伊伯带天体的碰撞。而又因为这几颗不规则的小天体反照率全部过半，相对小型柯伊伯带天体而言都过于明亮，因此也支持它们并非被冥王星俘获的柯伊伯带成员的观点。更有趣的是冥卫三和冥卫四隐隐表现出了双瓣状的模样，不禁让人想到罗塞塔号造访的丘留莫夫-格拉西缅科彗星。说不定这两颗小卫星也跟彗星一样，是由两部分并合形成的。除此之外，新视野号的又一意外发现是冥王星不存在新的卫星，至少在探测器所容许的分辨率和灵敏度下是如此。

冥卫一的高清晰度影像，图中环绕卫星赤道的大型裂谷、星罗棋布的环形山连同北极周边的棕红色有机物层清晰可见。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

新视野号拍摄的4颗小型冥卫的影像，其中冥卫三和冥卫四的双瓣结构以红色圆圈勾出。图片来源：NASA/JHU-APL/SwRI

冥王星（灰色）与2014 MU69（红色）的轨道相对关系示意图，其中黄色曲线表示新视野号的飞行路线。（图片来源：NASA/ JHU-APL/ SwRI/David Napolillo）

新视野号在今年7月13~14日，也就是飞掠冥王星整整一年之后拍摄的柯伊伯带天体夸奥尔的照片。（图片提供：NASA/ JHU-APL/ SwRI）

新视野号对冥王星系统的实地调研目前已经告一段落，但其对行星科学带来的深远影响却不会到此为止。抛开这架探测器拓荒太阳系边疆，并为始于1965年7月14日水手4号火星飞掠的太阳系第一期近距离勘察画上句号的功劳不论，对柯伊伯带天体的研究带来的启示更是引人思索。冥王星所呈现的古怪特点，很可能就是柯伊伯带的常态；而其上种种看似陌生的过程，也许对于柯伊伯带天体（至少是大型柯伊伯带天体）来说正是共性的。我们对这类冰封的太阳系原始天体的了解，实在是太少太少。

为了进一步认识太阳系的外围地带，新视野号小组在完成冥王星飞掠之后就安排了它的下一个访问目标——2014 MU69，并指挥探测器在2015年11月完成了针对新天体的变轨机动。这个小型柯伊伯带天体的宽度只有45千米，大于一般的彗星，而比冥王星小很多，它应该是太阳系外围更常见的成员。现在这项拓展计划已经得到了NASA的正式批准，如果进展顺利，新视野号将在2019年元旦与2014 MU69会合，那时想必还有更多的惊奇与新发现在等待着我们。

而在接下来的飞行过程中，新视野号也将沿途拍摄其他一些柯伊伯带天体，比如今年探测器已经将照相机对准了1994 JR1以及夸奥尔。虽然在照片中，这些不大的家伙只是以光点的面目示人，但这已经是它们迄今最佳的照片了。何况新视野号的视角与地面有所不同，通过比较二者之间的差异，就能推断出被摄柯伊伯带天体反照率等参数在各处的异同，还是有很高的研究价值的。作为额外的红利，充当被摄小天体背景的恒星、星系等也成了拍摄对象。预计在未来的若干年里，类似的观测应该还会涌现不少。

（责任编辑 冯翀）