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新视野号成功飞掠冥王星 数据传输需26个月

2015-07-15 13:25:06   来源:科技生活在线   评论:0   [收藏]   [评论]
导读:小编按:新视野号向地球传回探测数据的下行速率仅为1 68kb每秒,即使用一张用手机拍摄的大小为2M的普通照片传回地球也需要二十分钟,所以新视野号拍摄的照片并不能马上传回地球。
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  据美国宇航局确认,“新视野”号冥王星探测器已于美国东部时间7月14日7时50分(北京时间7月14日19时50分)成功从距冥王星12500千米处飞掠,成为人类首颗造访冥王星的探测器。

  美国“新视野”号探测器于2006年1月19日发射,经过近10年的飞行,行程约50亿千米,成功抵达了冥王星及其卫星系统。由于冥王星的距离非常遥远,即便“新视野”探测器发出的信号以光速前进,抵达地球仍然需要4小时20分钟。

  冥王星是一颗处于太阳系边缘的小天体,直径仅为月球的三分之二。它围绕太阳运行一圈需要247.68个地球年。自人类发现冥王星以来,它才转了三分之一圈。“新视野”号在近距离观测冥王星之后,不会驻足停留,它将继续深入“柯伊伯带”进行探索。

  飞往冥王星的“特快”

  美国“新视野”号发射升空,在最后关闭引擎时,相对于地球的速度达到了16.26千米/秒,成为最快速度离开地球的人造物体,比1977年发射的“旅行者”深空探测器离开地球时的速度还要快。

  “新视野”号发射时,在关闭引擎后相对于地球的速度达到了16.26公里秒,成为最快离开地球的人造物体。

  由于超高速飞行,“新视野”号在发射后9个小时就飞越了月球轨道,而当年“阿波罗”载人飞船飞往月球则用了3天。

  2007年2月28日,“新视野”号飞掠木星时获得了引力助推,速度增加了4千米/秒,使其相对于太阳的速度达到了23千米/秒,大大缩短了飞往冥王星的时间。

  为什么只是飞掠冥王星而不进入绕飞轨道?

  “新视野”号是按照美国宇航局推行的小型化、低成本及多功能的指引原则设计的。为了能够让“新视野”号在不到十年时间内抵达冥王星,该探测器只有一架钢琴大小,总质量仅470千克。

  由于冥王星的引力太弱,如果探测器“刹车”减速到能被冥王星引力场捕获的速度,那么需要大量的燃料,这就大大增加发射重量,违背设计理念。而飞掠探测也可以提供有关冥王星及其卫星系统的大量资料,并且还可以继续深入“柯伊伯带”进行探测。

  “新视野”号搭载的仪器

  “新视野”号搭载了七种主要的科学仪器:能量粒子谱仪;太阳风测量仪;远程勘测成像仪;无线电科学实验仪;紫外成像光谱仪;可见光-红外成像仪和宇宙尘分析仪。借助这些设备,“新视野”号可以探测冥王星的地形地貌、化学成分、温度、大气压等等重要参数。每一种仪器的功率大约在2瓦到10瓦,与一盏小夜灯的功率相仿。

  由于冥王星距离太阳太过遥远,“新视野”号无法使用通常的太阳能电池板供电,而是采用“放射性同位素核电源”(RTG)。这个核电源是利用11千克的钚-238衰变产生的热能来发电。在发射的时候,RTG的发电功率为250瓦,理论上每过四年功率下降5%,目前功率降低到了大约200瓦。相似的核电源曾用在“旅行者”深空探测器以及宇航员登陆月球的时候。

  “新视野”号搭载的“纪念品”

  除了携带的各项科学设备以外,“新视野”号还搭载了许多有特别意义的“纪念品”。它们跟随“新视野”号一起飞掠冥王星。其中包括冥王星发现者克莱德•汤博(Clyde Tombaugh)的30克骨灰;一张包含434738人名字的CD(这是由网民自主提交的);一面美国国旗;美国佛罗里达州的一枚25美分硬币等等。

  冥王星由大行星降级为“矮行星”

  在20世纪早期,海王星轨道异常导致很多天文学家认为,在太阳系外围一定存在第九颗行星。1930年2月18日,冥王星最终由美国天文学家克莱德•汤博所发现,此后一直与其它八大行星并称为第九大行星。在2006年8月24日国际天文学联合会大会上,冥王星从大行星中除名,被降级为“矮行星”(Dwarf planet),这是为什么呢?

  由于冥王星距离太遥远,在发现初期,人们对它的细节知之甚少,只知道它大约250年绕太阳一周,当时还错估了冥王星的质量,以为质量比地球还大,所以将它列入大行星。然而,经过近30年的进一步观测,人们发现它的直径只有2300公里,比月球还要小。

  在2006年,国际天文联合会立下了行星的新定义: 1、必须围绕太阳运行;2、质量必须足够大,能在自身重力的作用下呈球形;3、必须能清空其轨道周围的物体。

  按照新定义,冥王星不符合第三条,所以国际天文联合会决定,将冥王星归为“矮行星”,从大行星中除名。

  冥王星和它的小伙伴

  冥王星和它的卫星卡戎(Charon)构成一个双星系统,它们围绕共同的质心旋转,质心的位置在两者连线的八分之一处(靠近冥王星一侧),这是因为冥王星的质量是卡戎的八倍。

  除了卡戎之外,目前已知冥王星还有四颗卫星:尼克斯(冥卫二)、许德拉(冥卫三)、瑟伯勒斯(冥卫四)和斯蒂克斯(冥卫五)。这些卫星的名字均来自希腊神话,分别是冥河船夫、冥界黑暗女神、九头蛇、地狱三头犬和冥河的名字。(腾讯科技)

  解读+

  北京时间7月14日19:49分,新视野号飞船抵达最接近冥王星的位置,距离冥王星表面约为1.25万千米。但实际上此次新闻发布会上发布的冥王星照片并非是新视野号在最近距离时拍摄的冥王星照片,而是飞船距离冥王星76.6万千米时拍摄的一幅旧图,14日凌晨传回地球。因为新视野号在飞越冥王星时是没有通信的,无法传回探测数据。

  20:04,新视野号最接近冥卫一,距离冥卫一表面约为2.88万千米;

  20:51和22:18,新视野号先后穿越太阳光被挡住的冥王星和冥卫一的背影区;

  7月15日早上9:02分,新视野号有15分钟的时间与地面通信,告知它的设备状态。而真正的高分辨率图像要15日晚上才能传回地球。

  由于冥王星与地球相距遥远,即使以光速传播,控制新视野号飞船的信号也需要4个半小时抵达飞船,而地面收到飞船执行完指令的通知又需要4个半小时。就像老北京见面问候一句“吃饭了么”,你回复一句“吃过了”,这么简单的一件事也需要9个小时才能完成。所以,新视野号飞船的控制指令都是很早之前就已经精确计算好了的,一旦开始执行就只能听天由命,无法中途撤回。

  移动和联通由于网速太慢饱受诟病,不过它们的网速比起新视野号飞船的“网速”已经可谓高速。新视野号飞船向地球传回探测数据的下行速率仅为1.68kb每秒,即使用一张用手机拍摄的大小为2M的普通照片传回地球也需要二十分钟,所以新视野号飞船这几天拍摄的照片并不能马上传回地球,而是在完成近距离拍照和观测任务后,利用奔赴柯依伯带其他天体的漫长旅途中的无聊时间来下载这部“大片”,而这些数据完全传回地球需要两年多(26个月)的时间。

  根据新视野号的初步探测成果,发现冥王星的北极存在极冠,主要成分是氮冰和甲烷冰。各位请注意,甲烷从液态结成冰的温度为-183℃。而氮气在-183℃才能成为液氧,从液氮固结成冰需达到-218.9℃。冥王星极冠上分布的氮冰和甲烷冰,足以说明那里究竟冷到了何种程度。

  新视野号探测发现,冥王星的直径约为2370千米,大于之前的预期值。虽然冥王星不再是行星,已经降级为矮行星。但幸运的是,冥王星得以继续保持绕太阳公转的第九大天体的美名。而且说白了,现行的行星定义并非完美无缺,是否承认冥王星是行星,很大程度上取决于天文学家的态度。冥王星虽然体积小了点,但仍然存在咸鱼翻身再次成为行星的机会。

  考虑到冥卫一并非真正围绕冥王星运转,冥王星和冥卫一都围绕他们的公共质心运转。所以冥卫一也有升级成为行星的机会。太阳系现在有八大行星,未来或许会有十大行星,甚至可能发现新的行星,这实际上取决于我们对太阳系整体的认识。不管怎样,冥王星和冥卫一这哥俩此生只能共进退了。

  新视野号飞船上的可见光和近红外相机拍摄的冥王星表面的最高分辨率为约60米,是迄今为止最清晰的冥王星照片,成像质量远超哈勃望远镜拍摄的冥王星。如果幸运的话,“新视野号”还有望拍摄到冥王星表面的地质结构和纹理信息,以及冥王星上的云层等。从现在的情况看,冥王星不太可能有像木星、土星那样具有环带结构。在如此低温之下,冥王星上也不太可能会有冰火山或液态喷泉。

  大卫·布莱维特(David Blewett)是来自美国马里兰州的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的行星科学家,目前主要从事信使号探测水星的任务。应用物理实验室成立至今已有70多年的历史,是美国规模最大的大学研究中心,现有员工5300名,其中68%是科学家和工程师。应用物理实验室是新视野号飞船的研制单位,也是这艘飞船的运行机构。大卫虽然没有直接参与新视野号任务,但一直关心和了解它的探测进展。今年夏天,为促进中美科学家在行星科学领域的国际合作,受中国科学院国际访问学者计划的资助,大卫来到中国科学院国家天文台,与中科院月球与深空探测重点实验室的郑永春副研究员开展合作研究。

  大卫的中国妻子凌女士已先于大卫回美国,凌女士同为应用物理实验室一员、她告诉笔者,应用物理实验室庆祝新视野号飞越冥王星的活动规模宏大,上千名员工和访客参加了庆典,超百家媒体云集在应用物理实验室的柯萨科夫中心,向全世界现场直播飞越冥王星的过程。而且接下来的几天还将有一系列的科学展示活动,跟踪报道飞越冥王星的最新成果。

  留在中国的大卫说:“虽然我没有出席这些庆祝活动,但我同样很高兴能在国家天文台与我的中国同行合作研究嫦娥卫星的探月数据。”

  大卫认为,新视野号任务是人类第一次从如此之近的距离观察冥王星,因此这是历史性的一刻。冥王星、冥卫、以及在柯依伯带的他们的姐妹们是太阳系的重要成员,很有必要了解他们。通过研究冥王星的成分、地质、演化历史,可以理解太阳系的形成,甚至其他恒星系统中行星的形成过程。

  开展新视野号探测任务的目的部分是为了满足人类对周围环境天生的好奇心。无论这些环境是在山后、地平线上还是在遥远的太阳系空间,都应该去探索它。大卫举例说,假如波利尼西亚人的祖先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。

  大卫表示,他幸运地生活在一个富裕的国度,可以用它很少量的资源让他们在科学研究、艺术和人文领域追求梦想。实际上,美国国家航空航天局花的钱不到联邦预算的1%。而对太阳系不同行星之间的比较研究有助于我们理解地球是如何运转的。除了科学家,NASA的太空项目还聘用了许多工程师、项目管理者和服务人员。太空探索牵引了新技术的进步,激励年轻一代选择科学、工程和数学作为他们的求学专业或终身职业。这些年轻人将成长为下一代的技术领袖,有助于保持国家的经济竞争力。

  正如大卫在科研合作中向我展示了他强烈的求知欲和探索精神,他认为中国正在快速发展,也已经迈出了太阳系探索的关键一步。与美国的太阳系探测任务比较,他本人很赞赏中国在探月工程实施中,从一开始就规划了环绕、着陆、采样返回的绕落回三步走的计划。这种持续一贯的计划有利于技术进步,有利于不断加深对月球的认识。

  伟大的国家从事伟大的事业,中国在基础研究上的投入,包括嫦娥工程那样的太空探测项目,是中国作为大国的重要标志。

  资料+

  由于冥王星远离太阳,飞往冥王星和柯依伯带遥远天体的探测器需要至少需要十年左右的飞行时间,十年以上的探测寿命,那么,“新视野”号有何长寿秘诀呢?

  为实现长寿命,新视野号飞船上不仅几乎所有的探测器系统都要有备用设备,以确保系统出现问题时及时启用备份系统;还有一个重要的手段,就是让探测器长期处于休眠状态,为了避免由于长期不活动,腿脚变得不利索,也为了避免探测器一睡不醒,地面控制人员需要每隔一段时间叫醒他,让他锻炼锻炼筋骨。

  自2006年1月20日发射升空后,除了用四个月探测木星及其卫星,“新视野号”上的绝大部分仪器处于休眠状态,以节约能源,延缓设备老化,特别是降低地面维护和运营人员的开支。不过地球上的控制人员仍密切关注新视野的运行情况,每隔几个月,探测器上的设备都会定期被唤醒以接受例行检查,进行轨道校正和仪器校准,以保障航线正确和设备正常。此外,“新视野号”还会每周发回一个信号,这个信号被称作“绿色信号灯”,目的是让控制人员知道它仍然活着。

  2014年8月,地面对“新视野号”进行了一次例行检查,上传指令要求它按计划于12月7日苏醒。12月7日,地面收到了它从遥远的深空传来的回复,确认此指令已经得到执行。这次唤醒标志着“新视野号”此行的主要目的——探测冥王星及其卫星的任务正式开始了。从此,“新视野号”将一直保持“清醒”状态,直到2015年7月14日,它在这一天抵达距离冥王星的最近位置。

  唤醒后的数周内,地面团队全面检查了探测器的身体状况,测试了在飞越冥王星时需要用到的各种程序,确保探测器各系统正常工作。结果表明,“新视野号”现在很健康,正安静地在深空漫游。

  2015年1月15日,“新视野号”上的所有系统将被唤醒,开始对冥王星和卡戎进行探测。

  2015年7月15日,新视野号飞船抵达与冥王星最近距离的位置,随着探测器的逐渐靠近,冥王星和卡戎将从望远镜观测中的小亮点,展现出越来越多的细节。我们将得以一窥这些养在深闺的天体们的芳容。

  背景+

  冥王星所在的柯伊伯带位于太阳系的边缘,寒冷而阴暗,探测难度很大。这些遥远的冰冻天体究竟有何吸引力,值得我们长期守候并努力探索呢?

  首先,柯伊伯带作为太阳系的新大陆,“新视野号”的发现将极大地改变我们对太阳系结构的认识。柯伊伯带是短周期彗星的“老家”,而奥尔特云是长周期彗星的“老家”。由于彗星经过太阳附近时质量会消耗掉,若没有这两个彗星老巢的不断补充,经过漫长的太阳系演化历史,我们可能早就看不到彗星了。柯伊伯带和奥尔特云这两大区域至今还没有被航天器探测过,我们对太阳系新大陆的广阔空间仍知之甚少,对太阳系结构的认识仍然不够清晰。我们一直把冥王星视为太阳系中一颗未长大的“侏儒”行星,但现在我们知道冥王星是通往柯伊伯带这片全新大陆的大门。“新视野号”的主要目标就是探测以冥王星及其卫星为代表的柯伊伯带天体,将这片区域的场景清晰地展现出来。

  其次,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。太阳系不仅有行星,还有数以亿计的小天体,包括小行星、矮行星、彗星,主要存在于小行星带、柯伊伯带、离散盘、奥尔特云。从科学角度而言,深空探测就是探测太阳系的各种天体类型和主要区域,如同盲人摸象般逐渐了解太阳系的全貌,所有的深空探测任务的终极科学目标都是为了回答太阳系起源、行星的起源这些关键问题。

  2014年8月,罗塞塔号刚刚探访了同样来自柯伊伯带、飞越到太阳附近的楚-格彗星,搭载的菲莱着陆器还实现人类首次登陆慧核表面,大大加深了对彗星的认识。除彗星外,柯伊伯带还有数十颗直径200~2000千米不等、由岩石和冰块组成的天体,其中以冥王星及其卫星最为典型代表。我们知道,太阳系起源于一个弥漫着气体和尘埃的星云团。由于快速旋转,星云逐渐凝聚形成星子,星子之间相互碰撞、吸积增大而形成行星胚胎,进一步彼此吸引增大形成数量较少、质量较重的原始行星。行星形成后,太阳星云的残留物形成了数量众多的小天体。而矮行星就是没有长大成行星的“侏儒”行星。由于远离太阳系的柯伊伯带天体稀疏,受到的撞击、太阳辐射等太空风化较弱,可以保存更为原始的状态。因此,柯伊伯带的天体相当于在太阳系的“冷库”中保存了46亿年,保留着太阳系形成时的原始状态,对了解太阳系的起源具有极大的作用。通过“新视野号”对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体的探测,将有助于揭示行星形成的关键环节。

  我们已经对岩石行星(地球、金星、水星和火星)和气液态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)进行过多次探测,但在“新视野号”之前还没有探测器对柯伊伯带的冰态矮行星进行过探测。因此我们对矮行星这一新的天体分类的认识是严重不完整的。而“新视野号”的探测将填补这一重要的空白,完善了我们对于太阳系天体类型的知识。

  再次,随着深空探测的进展,我们对太阳系的认识不断深化,太阳系的边界不断拓展。这些科学成果改变了人类的知识边界,进而影响和改造着我们的世界观。在古希腊时代,我们认为地球是宇宙的中心、太阳、月球都是绕着地球运转的行星;在哥白尼之后,人类逐渐接受太阳是太阳系的中心,认为行星就是围绕太阳运转的天体,因此地球是行星而月球不是。后来大量小行星的发现迫使人们修改了行星的定义,认为行星必须质量足够大,大到能通过自转成球体。再后来,发现了许多与月球大小相近的谷神星、智神星、阋神星、妊神星、婚神星等,天文界面临着再次选择,要么将他们统统被纳入行星,要么排除他们。必须承认的是,我们对柯伊伯带的小天体(除了矮行星以外,还包括彗星和小行星)还了解的很少,甚至是才处于大发现的初期。我们不清楚柯伊伯带的小行星与火星和木星之间的小行星有何不同。随着深空探测获得的新发现,我们将不得不再次修改行星的定义。

  最后,远征太阳系边缘的深空探测将显著牵引航天技术实现新突破。“新视野号”奔赴柯伊伯带的旅途长达9年,为延长探测器的寿命和减少地面维护的费用,探测器有2/3的时间是在休眠中度过的;为实现早日抵达冥王星,“新视野号”先飞抵木星开展飞越探测,并借助木星引力进行加速;由于距离遥远,地面发出的指令要4.5小时之后才能被探测器接收到,数据传输链路和测控精度要求均大大提高;柯伊伯带寒冷而黑暗,太阳辐射强度仅为地球上的千分之一,冥王星表面温度低至零下212~234摄氏度,因此必须研发高效核能系统以提供飞行动力和保温。“新视野号”在太阳系远征中涉及的超长寿命航天器设计、行星借力飞行、超远距离测控通信和数据传输、太空核动力和能源供应等关键技术,将是中国航天努力突破的重要领域。(作者简介:郑永春 国家天文台月球与深空探测研究部、中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员)

  态度+

  香港《南华早报》7月14日文章,原题:就在美国造访冥王星之际,中国航天科学家抱怨缺少资金和支持

  当美国国家航空航天局(NASA)为“新地平线”号太空探测器历史性飞越冥王星做准备之际,中国大陆科学家仍在努力从北京获得资金来实施类似项目。其中一些项目已提出多年,因其精妙设计和雄心勃勃的目标引发相当程度的国际关注,但截至目前,只有一小部分得到奉行实用主义的航天部门首肯。

  参与制订中国太空项目计划的一名科学家说:“科学项目常在事务部门的审核过程中遇到障碍,“科学是为探索未知领域,为此我们要用最新的技术设备。但对航天管理部门而言,安全和可靠才是优先考虑的事。”

  但近年来,中国政府似乎意识到,极端谨慎和实用的态度无益于新一轮与美国和其他国家的太空竞赛。去年,中国航天部门与欧洲太空总署达成协议,共同研发能匹敌NASA的项目。一些科学探测已进入设计阶段,包括暗物质粒子探测卫星项目等。

  中国科学家还提出其他太空科研项目,并希望能尽快得到资金支持。其中包括一个大型太阳望远镜、一个黑洞探测项目和一个寻找太阳系外适合生命生存的星球的项目,都还没确定的启动日期。内部人士表示,主管中国太空项目的官员们仍喜欢那些令人印象深刻、夺人眼球的项目,如建造新的空间站或探月工程等,这两个项目都已得到北京批准。

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