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冥王星距我们多远,去那里要飞多久,新视野号探访之旅怎样了?

这看起来是个简单的问题,但要说清楚却比较难。如果大家有兴趣,就耐心听我说完。

冥王星的特殊身份

冥王星是迄今为止人类知道距离地球最远的一颗矮行星。当冥王星刚被发现的时候,人们不认为它是一颗很小的星球,还以为是一颗比地球大的星球。因为那个时候望远镜还不高级,还完全看不清这么远的星球。即便到了现在,最有名的哈勃太空望远镜看到的冥王星也就是一个小小的亮点,只有一个像素大小(下图)。

冥王星是1930年被美国叶凯士天文台的克莱德・汤博发现的,他在拍摄的照片中发现了一个移动的暗弱亮点(下图),科学家们分析认为可能是一颗新的行星,由此,冥王星被认为是太阳系第九大行星。冥王星顶着太阳系行星老九的身份一直过了70年。

后来,天文学家们发现冥王星似乎并不大,甚至没有太阳系八大行星中的某些大点的卫星大,而且一直认为是其卫星卡戎星,似乎不应该算作它的卫星,因为严格意义上来说,卡戎并不是围绕着冥王星旋转,它们之间引力的质点在双方体积以外的一个空间,双方都绕着这个空间质点旋转,没有谁依靠谁。

后来,发现越来越多的天体与冥王星类似,冥王星的行星地位就岌岌可危了。

根据行星定义,冥王星被踢出行星队伍

为了明确行星的地位,国际天文学联合会为行星设定了三个基本条件:1、必须围绕着太阳公转;2、质量足够大,引力克服刚体力实现了流体静力平衡,也就是让自己成为球形;3、清空自己轨道上的天体。

冥王星显然没有做到第三条,其轨道上其他天体总量,远远超过冥王星质量,冥王星的质量只有这些天体总质量的7%;而地球质量是轨道上其他天体质量的170万倍,这不包括月球,因为月球是地球的真正天然卫星,双方引力质点是在地球体积以内。

冥王星还有许多区别行星的运行状态,如公转轨道太扁,甚至穿越了海王星轨道,也就是有时比海王星距离太阳还要近。这样,国际天文学联合会于2006年通过投票决定,将冥王星排除出行星队伍,开始编入小行星系列,后来又定义为矮行星。

许多人对冥王星的遭遇不满,认为国际天文学联合会处理不公,如果按行星条件第三条,很多行星轨道都有天体,而且卫星也应该算在轨天体,由此认为这个所谓行星条件是不切实际的。这里面反对最激烈最有名的代表是,NASA(美国宇航局)负责新视野号冥王星任务的首席研究员艾伦・斯特恩,他嘲笑国际天文学会行星定义“令人讨厌”,是“类似于马戏团的程序”,认为“科学最终还是会自我纠正”。

但不管怎样,十几年过去了,科学并没有纠正这个“错误”,冥王星的矮行星地位似乎已成定论。因为发现越来越多的矮行星,有的体积当时还认为超过冥王星,如阋神星。不过后来新视野号到达冥王星后,为冥王星正了名,阋神星还是略小于冥王星,冥王星依然牢固的占据着矮行星老大地位。

但无论怎样,冥王星回归九大行星之列呼声终究没有得到结果。后来,艾伦・斯特恩负责的新视野号成为第一艘探望冥王星的探测器,传回了许多冥王星的资料,这给了为冥王星打抱不平的人们莫大的安慰。

冥王星距离我们多远

冥王星是围绕着太阳公转的矮行星,其运行轨道是一个比任何行星轨道都要扁的椭圆,近日点为29.658 AU(天文单位,1AU为149597870千米,一般简化为1.5亿千米),也就是约44.368 亿千米;远日点为49.305 AU,约73.76亿千米, 偏心率达到0.2482,地球偏心率才0.0167。

冥王星围绕着太阳公转一圈需要247.94 年,也就是说自从人类发现冥王星,到现在91年了还只转了2.72分之一圈,还需要约157个地球年才能够转完一圈。那时候如果各位还有孙子的孙子的话,再去研究冥王星或许会有不同的结论。

地球距离太阳约1.5亿千米,这样距离冥王星最近时就是不到43亿千米(恰好冥王星运行到近日点,又与地球在太阳的同一侧,这种概率要几百年才有一次),最远时就有75亿千米了。现在的冥王星正运行在介于近日点和远日点之间,距离地球约60亿千米。

凭人类现在的飞天技术,到达冥王星要多久

人类目前还没有能够载人到达冥王星的技术,人类脚印到达最远的地方还是月球,现在开始计划登陆火星了,即便在未来10年,人类实现了登陆火星的任务,火星到地球还不到1亿千米(最近时只约5500万千米),只是到达冥王星旅途的不到60分之一。

因此,要到冥王星,现在只有无人探测器能够到达。人类现在飞行最远的探测器是旅行者1号,它于上世纪七十年代发射升空,至今已经在太空遨游了44年了,现在的飞行速度约17km/s,距离我们已有228亿多千米了。

太空飞行有三个宇宙速度,第一宇宙速度是地球环绕速度,为7.9km/s;第二宇宙速度是脱离地球引力速度,为11.2km/s;第三宇宙速度是脱离太阳系速度,为16.7km/s。因此,人类要飞出地球,脱离地球引力飞往其他行星,包括到冥王星,最低达到的速度需要11.2km/s。

如果按照11.2km/s的第三宇宙速度,飞到60亿千米距离的冥王星,简单计算需要约17年。但在太空飞行不是这么简单的。

首先,如果初始速度为11.2km/s,中途一直没有加速,飞往冥王星是背着太阳飞,太阳引力会将飞行器拉得越来越慢,到达时间就会大大延后;其次,地球在运动,冥王星也在不停运动,其公转速度为每秒4.743km,因此向着冥王星飞绝不是一个标准直线距离,而是一个曲线,距离就会大大增加。

这样到达冥王星的时间就会存在许多变数。不过现在已经有了一艘探测器到达过冥王星,这就是NASA发射的新视野号(也叫新地平线号)探测器,我们依循它的轨迹来了解一下。

新视野号探测器的冥王星探测之路

前面说过,有一位科学家对冥王星被开除出行星队伍的遭遇十分不满,这位科学家就是NASA的新视野号冥王星任务首席技术官艾伦・斯特恩。由此,他花了更多的精力和感情倾注在新视野号探测器上,希望这艘探测器能够更早些光顾冥王星,安慰一下这颗距离最远失落孤独的天体,让它也享受一回行星待遇(所有行星都有过探测器光顾)。

新视野号探测器不负众望,于2006年1月19日顺利发射升空,入轨速度为16.26km/s,成为有史以来发射初始速度最快的飞行器。不到9个小时,新视野号就飞越了月球轨道,不到三个月于4月7日就穿越了火星轨道,5月进入小行星带,10月穿越小行星带。

2007年2月28日,新视野号飞跃木星,最近距离为230.5万km。经过木星引力弹弓效应将速度提升到21.219km/秒。至此,新视野号进入漫长空旷的深空旅途,为了节省电力,地面指挥人员让新视野号进入了休眠状态。2008年6月8日,新视野号穿越土星轨道;2011年3月18日,新地平线号穿过天王星轨道;2014年8月24日,新地平线号穿过海王星轨道。

这一路约三分之二的旅途,新视野号都在睡大觉,足足睡了1873天,没有睁眼看这个黑黑的世界一眼。由于太阳的引力牵制,速度已经降到15km/s以下了。2014年12月18日,地面指挥系统通过太空网络,成功将新视野号唤醒。当它睁开迷糊的睡眼时,距离冥王星还有7个月的旅程,于是它嘟噜了一句:“为啥不让我多睡会”。

终于看到冥王星了,冥王星激动兴奋地向这个人类使者招手。2015年7月14日,新视野号飞跃冥王星,最近距离为13695km,飞跃卡戎星,最近距离为29473。这个距离对我们地球普通人来说,似乎还是很遥远,但在太空天体世界,却已经是很近了,由此新视野号将冥王星仔仔细细看了个遍,得到了许多人类从来没有的珍贵数据。

人类通过新视野号,不但更多地了解了冥王星,还了解了其伴星(原来认为是卫星)卡戎及其另外3颗卫星的很多信息。测出冥王星直径为2376.6km,质量为1.303*10^22kg(±0.003),表面积为1.779*10^7km^2;卡戎星直径为1212 km,质量为1.586*10^21 kg(±0.015)。

除此之外,对冥王星的地形地貌、表面状态也有了许多新发现,如冥王星的巨大心型地貌,以及冰川上蜗牛状物质。新视野号从发射出发到飞跃冥王星一共用了9年半的时间,飞过了59亿千米的征程,平均时速约20km/s。但经历长时间与太阳引力的抗争后,此时新视野号的速度只有13.87km/s了。

新视野号新的征途

掠过冥王星后,新视野一刻也没有歇息,而是接受了NASA交给它的拓展任务,到更远的柯伊伯带探望“天涯海角”(小行星2014 MU69)。它不负众望,于2019年1月1日飞跃“天涯海角”,如期发回了这颗小行星的照片和资料,由此,这个有点像花生的小行星成为人类探测器到过的最远天体,距离地球64亿千米。

完成了太阳系最后一次探测任务后,新视野号依然没有停步,又根据人类指令,继续向太阳系外飞去,探索那渺茫的未知世界。他身上带有很多小玩意,包括并不限于冥王星发现人克莱德・汤博的部分骨灰;一面美国小国旗;一张CD,上面刻有在“飞往冥王星”网站上签名的45万人类姓名,和新视野号团队成员照片;探测器制造地马里兰州和发射地佛罗里达州的25美分硬币各一枚;太空船一号上切下的一小块部件;1991年的美国邮票一枚,上面写着:“冥王星:尚未探测”。

新视野号是NASA正在飞往太阳系外的第5艘探测器,之前已经向太阳系外飞去的探测器有:1972年和1973年先后发射的先驱者10号和11号;1977年先后发射的旅行者1号和2号。这些探测器从不同方位正在飞离太阳系,各自孤独的飞在广袤的太空,作为人人类忠实使者,将向着遥远的深空一直飞下去。

前程充满了风险,它们的下场有很多可能,如被小行星碎片击毁,被天体引力捕获等。它们最好的结局是被地外文明捕获,由此让这些“外星人”知道在遥远的地球,有一个正在崛起的文明,他们或它们并不孤独。

它们在没有大气的太空可以存在10亿年。按照旅行者1号的速度,飞出1光年半径的太阳系就需要至少17000年;按照新视野号的速度,飞出太阳系则需要2万多年。如果它们真的在亿万年后某一天,遇到了“外星人”,向这些“外星人”诉说人类的故事和一路的艰辛,或许它们出发的家园早就沧海桑田了,那时候人类还在不在地球,或者灭绝没灭绝都不知道呢。

由此,它们将成为人类文明曾经在这个宇宙存在过的唯一证据,这个结局或许有些悲哀。

在这里特别强调一下,许多人老认为不要暴露地球坐标,否则会受到入侵。这实在是一种幼稚的想法,是受了所谓“黑暗森林”假设以及某些科幻迷惑。在宇宙中,文明太过稀少,每个文明有每个文明的不同孕育环境,有能力“入侵”的高等级文明需求只有一个,恒星能量,这种能量宇宙到处都是,地球没有什么“资源”可供“外星人”掠夺,因此所谓“入侵”是完全不成立的。

好吧,现在来说当前的结论:

冥王星距离我们约60亿千米,现在人类的无人探测器飞到冥王星大概需要10年左右,载人飞船前往冥王星大概还是100年以后的事情,那时候或许人类已经突破深空航行的速度瓶颈,几个小时或几分几秒就到达也未可知。

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