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浅谈当前所探测器能探测到的最远的太阳系天体
摘要：每年年底,美国Science杂志都会按惯例评选出十大科学突破。2019年12月19日公布了其评选的2019年十大科学突破：人类历史上首张黑洞照片问世；青藏高原的古人类；谷歌宣称成功演示“量子霸权”；改善儿童营养不良；“小行星撞地球”新证据；迄今探测的最遥远太阳系天体；古菌或为人类终极祖先；囊性纤维化新药获批；抗击埃博拉病毒；人工智能在多角色游戏中获胜。为了让广大读者更加深入地了解这十大科学突破的科学价值和背后的科学故事,本刊特邀了各领域著名的科学家分别对其进行逐项解读,以激发科研人员的创新思维,促进学术交流。
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2019年1月1日，美国国家航空航天局（NASA）的“新视野”号探测器飞掠“雪人”形状的小行星“天空”（Arrokoth），这颗远在64亿公里外的天体是人类探测器迄今拜访过的最遥远天体（图6）。
“新视野”号传回的数据不仅向我们展现了一个从未见过的奇异世界，也有望向我们揭示更多与太阳系起源和演化有关的谜题。这则来自遥远太阳系远端的新闻，拉开了2019年的科学领域硕果累累的序幕。
图6“雪人”形状的“天空”的艺术图
在经历了近十年约50亿km的旅行之后，美国国家航空航天局（NASA）的“新视野”号（NewHorizons）探测器在2015年7月14日完成了飞掠冥王星任务，成为首个拜访矮行星及其卫星的探测器。“新视野”号传回的图像和科学数据表明冥王星表面具有由广袤的冰冻平原组成的心形区域，且表面分布着大量甲烷冰，赤道附近有一座年轻的高达3500m的冰冻山脉。“新视野”号首次获取了冥王星数颗卫星复杂多样的地貌和表面特征。但是，“新视野”号的旅程还没有结束，飞越冥王星之后，它深入海王星轨道之外的柯伊伯带（KuiperBelt）。柯伊伯带是海王星轨道外距离太阳约40～50个天文单位的盘状区域，目前已发现数千个冰冻小天体，它们被认为来源于围绕太阳的原行星盘碎片。“新视野”号于2019年1月飞越了距离地球约65亿km的柯伊伯带小天体2014MU69，首次拍摄回传了其特写照片。2019年11月13日，NASA宣布2014MU69的官方名字为“Arrokoth”（阿罗科斯）。阿罗科斯是人类探测器迄今造访的最遥远天体，它被Science列为2019年十大科学突破之一。“新视野”号窥探遥远神秘的柯伊伯带，为我们揭开了太阳系外缘的神秘面纱。
这是人类探测器首次深入柯伊伯带开展探测任务，揭露了太阳系中这个未曾被探索过的遥远疆域。柯伊伯带中的天体被认为是太阳系形成的早期遗留物质。由于处于太阳系外缘，这些小天体中包含了最原始的太阳系行星形成和演化的信息。阿罗科斯很好地保存了45亿年前太阳系最初形成时的样貌。
其次，这也是人类第一次探索保存完好的星子，以前所未有的近距离和视角拍下其清晰图像。“新视野”号的数据表明，这个雪球状的小天体长约35km，宽约20km，厚度约为10km。科学家对阿罗科斯的起源、演化机制、表面构造及物质组成的研究也取得了新的成果。阿罗科斯头身两部分共轴的奇怪外形表明其可能不是由激烈的碰撞产生，而是在长期轨道耗散后，两个叶瓣低速合并形成的。这为星子形成的川流不稳定性模型提供了直接证据。类似地，欧洲空间局（ESA）的罗塞塔号探测器发现彗星67P/Churyumov-Gerasimenko拥有哑铃状双瓣构造的彗核，头身结合更紧密，这两种不同的构型可能来自不同的形成演化机制，可以帮助科学家进一步理解太阳系的起源和行星形成过程中的星子演化模型。
科学家分析后发现，阿罗科斯表面有亮点和斑块、丘陵和低谷、低坑和凸起。光谱数据还表明其表面存在甲醇、水冰和有机分子。这个天体非常红的表面可能就是由有机物质的改变引起的：简单分子经过重新组合成复杂的有机高分子。
阿罗科斯在波瓦坦/阿尔贡琴语中是天空的意思，其寓意对天空的向往以及对地球以外其他星球和世界的好奇心，这个名字也是向人类航天器有史以来距离地球最遥远的一次飞越致敬。此次对柯伊伯带小天体的探测，使人类以全新的视角来认知太阳系的结构与行星形成演化历程。对更多太阳系“活化石”—古老小天体的细致研究和有机分子探测成果将有助于人类对地球生命起源这一重要科学问题的探索。
我国的嫦娥二号探测器在拓展任务中实现了对具有潜在威胁的近地小行星图塔蒂斯近距飞越探测，取得了重要的科学成果，在国际上有很大的影响。从2010年起，国内有关单位组织论证面向2030年的中国深空探测规划，其中包括在未来几年我国将实施小天体采样返回和主带彗星探测。相比于国外，我国小天体深空探测起步晚，研究基础较为薄弱，关键技术有待于突破，科学载荷的研制能力需进一步提高，深空探测任务可谓任重而道远。
值得一提的是，近年来国内的科学家提出了太阳系边际探测计划，即在2049年实现对100AU以远的太阳系边际探测，发射探测器开展日球层大尺度三维空间特性、太阳风边际及邻近恒星际空间物质特性探测，顺访小行星带、木星等气态大行星系，同时探测柯伊伯带天体。
未来深空探测和行星科学将围绕关键科学问题，结合先进的航天技术、科学研究和经济发展水平，以科学目标牵引、带动科技创新和新兴产业发展，拓展国际合作。随着更多深空探测任务的开展，科学家们关心的太阳系起源、地球生命起源及小天体对地球与人类生存的威胁等重大科学问题将会取得新的突破进展。
季江徽.迄今探测的最遥远太阳系天体[J].中国科学基金,2020,34(02):199-201.
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先进天基太阳天文台(AdvancedSpace-basedSolarObservatory,ASO-S)是中国首颗太阳专用观测卫星[1],硬X射线成像仪(HardX-rayImager,HXI)作为其3台载荷之一主要负责在30–200keV能段对耀斑源区进行成像、能谱和光变观测,以研究耀斑磁重联中的能量释放和高能电子加速等物理过程[2].
2020-08-27
太阳黑子是产生于太阳表面的，容易被观测的太阳活动现象，其所在的太阳区域有强磁场的聚集。对太阳黑子的观测和分析对于人类理解和研究太阳活动具有重大意义，如帮助天文学者研究耀斑的爆发与黑子群的相关性[1]。随着太阳物理学以及观测设备的发展[2,3]，人们对于太阳黑子观测产生的数据量呈爆发式增长趋势。
2020-08-27
莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)[1,2,3]是先进天基太阳天文台(ASO-S)[4,5]卫星的3个有效载荷之一,它由白光太阳望远镜(WST)、全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)和导星镜(GT)组成[2,6].SDI和WST的视场为1.2倍太阳半径,SDI的工作波段为莱曼阿尔法波段(121.6±7.5nm),WST的工作波段为紫外窄带连续谱(360±2.0nm)[2,6].
2020-08-27
太阳是太阳系的中心,也是距离我们最近的一颗恒星,它孕育了地球的万物.太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是太阳大气乃至整个行星际空间能量释放最为剧烈的两类爆发现象,蕴含着丰富的物理过程[1,2,3,4].太阳磁场是引起太阳活动的一个根本原因,是太阳上各种活动现象的能量来源.对于它们的研究,既能加深人们对太阳的认识和理解,又能帮助人们理解宇宙中其他恒星上发生的类似现象[5,6].
2020-08-27
19世纪50年代,Bobcock父子利用机械扫描的方法,将狭缝光谱仪测量的线源(一维)目标的磁场通过机械扫描获得日面二维磁图,该磁图具备多波长、非实时的特点(光谱型磁像仪).到了70年代发明了视频磁像仪,从而能够获得某一波长的实时二维磁图(滤光器型磁像仪)[1].我国太阳磁场的观测研究始于上世纪80年代,中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地研制的35cm太阳磁场望远镜[2]、60cm多通道望远镜[3]以及全日面太阳望远镜[4]均进行太阳磁场的观测,都属于滤光器型磁像仪.
2020-08-27
公元 4943 年，X 国科学家预测一颗来自太阳系外的未标明巨行星将在 20 年后撞击地球。这个消息一经传出，马上就如洪水猛兽般触动着每一个人的神经，如滚雪球般在极短的时间内席卷了整个地球。各个国家暂时抛弃了私怨，组成联合政府，商讨如何解决这个关系人类未来的重大问题。
2020-07-14
太阳系是我们的家园，也是我们探索宇宙的第一站。在认识宇宙的漫长历程中，从史前人类到 2000 多年前的古希腊先哲，再到 17 世纪的开普勒、牛顿等科学巨匠，我们对宇宙的几乎所有探索都集中在太阳系的日月行星等天体上。直到 18 世纪早期，人们才真正开始关注太阳系以外的诸如恒星等天体。
2020-07-14
美国一直在默默搞自己的核火箭计划。美国宇航局很早就认识到，如果要把探索目标定在更深远的太阳系，核推进可能是唯一可行的技术选择。即使探测范围仅仅超越火星轨道，太阳能电池板所能提供的电力就已经不够了，而采用化学推进将需要大量的推进剂或超长的行程时间，新视野号冥王星探测器就是个明显的例子。
2020-07-14
太阳轨道器运行的位置，是整个太阳系里环境最恶劣的地方之一。虽然最后确定的轨道比最初设计要离太阳远一点，但在最近的地方，太阳轨道器距离太阳也只有 4200 万公里。这个数字看上去挺大的，但只有地球到太阳距离的 1/4。想想夏日正午的阳光是什么样的？而且地球外面还有厚厚的大气层。实际上，这个距离比金星到太阳还近。
2020-07-14
地球所处的太阳系并不平静。小行星带、柯伊伯带和奥尔特云中存在大量不稳定的碎片，它们是太阳系制造行星时留下的碎屑。据推测，最终成为车里雅宾斯克陨石的流星可能形成于约3万年前小行星带中的一次强烈碰撞。柯伊伯带位于海王星轨道之外。奥尔特云是包围太阳系的一圈云状陨石圈，也是艾桑彗星的故乡。
2020-07-14
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期刊名称：天文学进展
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院上海天文台,中国天文学会,国家自然科学基金委员会数理学部(协办)
出版地方：上海
专业分类：科学
国际刊号：1000-8349
国内刊号：31-1340/P
邮发代号：4-819
创刊时间：1983年
发行周期：季刊
期刊开本：16开
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2020-05-12
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