关于作者

 郑永春，博士，中国科学院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。2000年起参与探月工程、深空探测等国家重大科技任务。主要研究领域为行星地质与遥感。
首批香江学者计划入选者，中国科学院青年创新促进会首批入选者，中国青年科技工作者协会代表。先后获中国科学院院长奖、我国首次月球探测工程有功人员奖、探月工程嫦娥二号任务突出贡献者奖、香江学者奖、中国科学院青年创新促进会优秀会员等。

破解太阳系形成之初的秘密

郑永春
2015年08月06日

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

首届香江学者，中国科学院青年创新促进会优秀会员，国家科普专家太阳

星子慢慢从行星胚胎成长为行星，而矮行星是没有长大的侏儒行星，是联系小行星和行星之间的纽带，新视野号对冥王星的探测有助于揭示太阳系最初阶段行星形成的历史

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。