从暗淡圆点到超级明星

——“新视野号”飞越冥王星最新成果解读

原本你只是希望出去散散步,没想到却一路惊喜不断。“新视野号”获得的初步结果,让冥王星从望远镜中的暗淡圆点,变成了活力四射的萌王星,拉近了与人类之间的心理距离。 

大片上映前的小插曲

经历了近10年的漫长旅程,就在即将飞越冥王星的前10天,“新视野号”飞船突然与地面控制中心失去了联系。NASA官方网站在第一时间贴出了故障通告,一时间科学家们的朋友圈被一片惊叹号和问号淹没了,“纳尼!!??”,“新视野号”到底怎么了?

实际上,仅仅80分钟后,APL的地面控制中心就与飞船重新建立了通信联系。工程师们在分析故障原因时发现,原来,在“新视野号”即将飞越冥王星之前,地面控制中心给“新视野号”发了多条指令,要求它穿衣戴帽,防止受凉,干这干那。

“新视野号”飞船当时正执行着压缩已有探测数据的指令,以便为即将飞越冥王星的探测腾出数据存储空间;工程师们又让它执行飞越冥王星前所需的指令。飞船搭载的计算机需同时并行处理两条指令,超过了计算机处理器的处理能力,为了自保,飞船自动切换到安全模式,暂停执行一切指令。

有人会问,“新视野号”这次出远门,7.2亿美元都花了,为什么不买个好点的计算机?要知道,飞船是十年前发射的,虽然已经用了当时较先进的硬盘和处理器,但处理能力仍然捉襟见肘。航天器上的计算机属于高可靠性的航天级产品,需确保能抵抗太空辐射和高能粒子、能抵御发射时的高频振动、以及具有数十年的超长工作寿命,不同于中关村卖的民品计算机。而且,航天产品与地面设备的最大差异,在于一旦发射升空,就很难再检修,所以要事前考虑到可能出现的各种故障,并提前准备好故障预案。

在中国航天界,航天器一旦出现故障需要进行“归零”,对故障原因要求做到“定位准确,机理清楚,问题复现,措施有效,举一反三”,这也是保证我国航天发射高成功率的重要保障。相信NASA也有相似的航天工程管理规范和故障归零制度。不管怎样,地面控制中心的工程师们经过分析,准确定位了故障原因,在退出安全模式并重启计算机后,飞船指令执行恢复正常。工程师们拍着胸口向首席科学家斯特恩打包票:“在飞越冥王星的时候,不会再出现同样的问题了。”

当然,新视野号飞越冥王星前这个有惊无险的小插曲,像一部剧情跌宕起伏的悬疑片,吊足了观众的胃口,害得我等热心观众浪费了不少口香糖,以缓解紧张情绪。这像极了任何一部好莱坞大片,在最激动人心的高潮到来之前总要折腾一下观众的小心脏。

1 新视野号任务标识

好戏如期上映

“新视野号”飞越冥王星是历史性的一刻,是人类第一次从如此近距离探测冥王星。应用物理实验室举办了规模宏大的庆祝活动,迎接新视野号飞越冥王星。上千名员工和访客参加了庆典,超百家媒体云集在柯萨科夫中心,向全球直播新视野号飞越冥王星的过程。

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。APL举行了第一次新闻发布会,但发布会上公布的冥王星照片并非是“新视野号”从最近处拍摄的冥王星照片,而是在距冥王星76.6万千米时拍摄的老照片, 7月14日凌晨才刚刚传回地球。这是因为“新视野号”在飞越时需要非常专注地探测冥王星,没有闲心与地面控制中心对话,所以无法传回探测数据。

20:04分,“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分和22:18分,“新视野号”先后进入彻底黑暗一片的冥王星和冥卫一的背影区;

7月15日上午9:02分,“新视野号”与地面进行了15分钟短暂对话,告知它一切正常。最近距离飞越时拍摄的高分辨率图像直到15日晚上才传回地球。

由于冥王星与地球相距遥远,以光速传播的指令要4个半小时被飞船收到,而地面收到飞船发出的指令完成信号又需要4个半小时。这就像老北京见面打招呼“吃了么”,你回复一句“吃过了”,这么简单的问候也需要9个小时才能完成。所以,”新视野号”飞船的所有控制指令都是很早之前就已经精确设计好并上传给飞船,这些指令一旦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。飞船发回地球的探测数据下行速率仅为1.68kb每秒,即使“爱疯”手机拍摄的2M大小的普通照片,传回地球也需要20分钟。因此,飞船飞越冥王星前后拍摄的大量照片和探测数据都将存储在飞船上的计算机中,无法立马传回地球,而是在完成近距离拍照和观测任务后,这部“大片”将在新视野号奔赴柯依伯带其他天体的漫长旅途中下载,这些数据完全传回地球需要一年多(16个月)的时间。

飞船表现堪称完美

“新视野号”飞越冥王星的任务完全按原定计划执行,飞船表现堪称完美,首席科学家斯特恩给“新视野号”打出了“A+”的高分。

“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中包括3台光学设备(相机),分别是:远程勘测成像仪(LORRI)、可见-红外成像光谱仪(Ralph)、紫外成像光谱仪(Alice),分别拍摄可见光、红外和紫外波段的照片。可见-红外成像光谱仪拍出来的是彩色照片,远程勘测成像仪拍出来的是高清黑白照片,紫外成像光谱仪则拍摄紫外照片。

其它4台仪器:太阳风测量仪(SWAP)、无线电科学实验仪(REX)、能量粒子谱仪(PEPSSI)、学生尘埃计数器(SDC),分别测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。

“新视野号”此次飞越,搭载的科学仪器一切正常,获取的总数据量约为50GB,目前探测数据仍在陆续传回。

我们从照片中看到了冥王星表面的明亮色彩,但如果亲临冥王星,你会发现自己被骗了。因为冥王星根本没有NASA公布的照片那么亮。因为冥王星上的光照仅为地球上的千分之一。甚至比很多地方的黑夜还要黑。之所以能拍出这些明亮的照片,是因为新视野号上的相机实际上是为冥王星特殊的光照条件私人定制的高级相机。

2 图1 “新视野号”携带的科学仪器

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在人类最高科技的深空探测任务中,女性照样能顶半边天。在新视野号任务团队中有四分之一为女性成员(7月11日摄于约翰霍普金斯大学应用物理实验室)。

从无人问津到超级明星

“新视野号”飞越冥王星获得的探测数据,至少要数年的时间进行处理和分析,但目前的初步结果就已经获得了大量的新发现,让冥王星从太阳系舞台边缘无人关注的龙套配角,成为了万众瞩目的超级明星,从望远镜中曾经的暗淡圆点,变成了年轻人口耳相传的活力萌王。

可见-红外成像光谱仪拍摄的冥王星照片的最高分辨率约为60米,成像质量远超哈勃望远镜,是迄今为止最清晰的冥王星照片。不仅拍到了冥王星表面的地质结构和纹理信息,还拍到了冥王星上的云层等。现有结果表明,冥王星没有像木星、土星那样的环带结构,也没有像木卫二那样的冰火山和液态喷泉。

4 图1 新视野号任务之前,哈勃空间望远镜于2002~2003年间拍摄的质量最好的冥王星真实色彩图像。图中的明暗结构可能意味着冥王星表面的成分变化。

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新视野号发现的冥王星表面的心形结构出乎绝大多数人的意料,原本以为冷冰冰的冥王星居然如此有爱心。如今这一区域已经以冥王星发现者的名字命名为“汤博”,当然这个命名还未得到正式授权。

0 新视野号飞船于7月12日、从距离250万千米远处拍摄的冥王星图像。新视野号飞船发现冥王星居然把它的“小心脏”露了出来。由于冥王星的自转,图左呈心形的明亮区域逐渐进入新视野号的视线。似乎是冥冥之中的安排,7月14日新视野号飞船最接近冥王星时,这个世人瞩目的“小心脏”正好是它的拍摄目标。而图右下的的“牛眼”区域逐渐移出新视野号的视线。

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新视野号飞船拍摄的照片显示冥王星上的一些地形特征,左图中牛眼状的环形区域可能为撞击盆地,左下的线状结构可能为冥王星上的悬崖。与地球一样,人类也给冥王星定义了它的经纬网格,上图展示了冥王星的北极、赤道、中央经线(子午线)。

(1)冥王星长“胖”了

新视野号探测发现,冥王星的直径约为2370千米,为地球直径的18.5%,比之前的预期值大80千米。天文界曾经认为直径2326±12千米的阋神星(Eris)比冥王星更大,这也是导致冥王星被降级的原因之一。新视野号的这一测量结果再次为冥王星正名,虽然它已降级为矮行星,但仍得以保持绕日公转的第九大天体之尊,大小仅次于八大行星。月球虽然比冥王星大,但却并不直接绕太阳运转。

太阳系现在有八大行星,五颗矮行星,实际上有十三颗行星。随着我们对太阳系整体认识的深化,未来可能会有天体成为太阳系的新行星,甚至可能发现新的行星。冥王星的体积虽然小了点,但现行的行星定义并非完美无缺,是否承认冥王星是行星,也取决于天文学家是否认为行星不再是高高在上的稀缺品。一定程度上,冥王星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。不管怎样,冥王星和冥卫一这哥俩此生只能共进退了。

冥王星的质量仅为地球质量的0.21%,冥王星长胖了,意味着它的体积变大了,而密度变小了。

(2)家族成员排排坐

冥王星的卫星系统包括冥卫一卡戎(Charon)、冥卫二尼克斯(Nix)、冥卫三许德拉(Hydra)、冥卫四科波若斯(Kerberos)和冥卫五斯提克斯(Styx)。“新视野号”飞船测得卡戎的直径约为1208千米,相当于冥王星直径的51%,地球直径的9.5%。冥卫二的直径约为35千米。

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冥王星和冥卫一的标准照比较。新视野号飞船上的远程勘测成像仪(LORRI)分别拍摄了冥王星和冥卫一的标准照,这张照片是他们俩的合成图像。从这张照片可以看出,冥王星和冥卫一在亮度和颜色上均存在明显区别。冥王星颜色偏红,较为明亮;冥卫一为黑白色,表面较暗淡。

7月13日,远程勘测成像仪(LORRI)从46.6万千米远处拍摄了卡戎的照片,由于图像经过了压缩,一些细节有些模糊。新照片发现卡戎北极深色区域的面积很大,但边界模糊不清。深色物质之下掩埋着一片具有清晰边界、棱角突出的地形,完全不同于表面特征。科学家推测这片深色区域很可能是被某种深色物质薄薄地覆盖在表面导致的。目前,这片区域已被非正式命名为“魔多”,即指环王游戏中的那个魔多。

照片中,卡戎的赤道以南,即这张照片的底部,斜射的阳光在冥卫一表面投出了阴影,使表面地形易于分辨,但这片区域却几乎看不到撞击坑。没有撞击坑,说明卡戎的表面相对较年轻,它曾经有过十分活跃的地质活动,改变了它的表面地形,使其变得光滑而平坦。

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图上部是一片大面积的深色区域。右上方弯曲的边缘可以看到一条深7-9千米的悬崖。中下部有一条巨大的峡谷,自左向右延伸长达1000千米,表明卡戎的地壳存在大范围破裂,可能是内部地质活动导致了这样的地形(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)

冥王星最外侧的小卫星、冥卫三许德拉(Hydra)2005年才被首次发现,但不知不清楚它的形状、大小和反照率,只是一个非常模糊的光点。7月16日,新视野号首次公布了冥卫三的照片,可以清楚地确定这些参数。

冥卫三为不规则的土豆状,大小为43千米×33千米。与卡戎一样,冥卫三不同地区的亮度具有明显差异,反照率介于冥王星和冥卫一之间,表面可能被水冰覆盖。

很多网友问,NASA也太不够意思了,公布一张天体照片还要打上马赛克。可你要知道,这张照片是新视野号从距离冥卫三约64万千米远处拍摄的,照片中每个像素的大小是3千米。

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冥卫三右侧有一块直径约为10千米的圆形深色区域,成分未知(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)。

(3)极度寒冷的世界

根据初步探测成果,新视野号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零下183摄氏度。而氮气在零下183摄氏度才能成为液氮,从液氮固结成冰需达到零下218.9摄氏度。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。

可见-红外成像光谱仪获取的光谱数据显示,冥王星表面分布着大量的甲烷冰,但不同区域的甲烷冰又有明显差异。北极极冠的甲烷冰被厚厚的氮冰冲淡了,导致红外线被强烈吸收。在可见光照片中看起来黑乎乎的赤道区域,光谱数据中吸收红外线的程度较弱,表明赤道区域的冰没有被氮冰明显稀释,当然也可能是该区域的冰质地不同造成的。

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新视野号公布的冥王星红外光谱图像,显示了不同区域的甲烷冰具有不同的性质(图片来源:NASA-JHUAPL-SwRI)

新视野号第二次新闻发布会公布了汤博区的一氧化碳含量等值线图。数据显示汤博区西侧是冥王星上一氧化碳含量最高的区域,且分布非常集中,而冥王星上的其他区域没有发现如此集中的一氧化碳分布,其成因目前尚不清楚。

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“新视野号”探测到汤博区存在甲烷冰、氮冰和一氧化碳冰,液氮都已经结成了冰,可见冥王星上该有多冷。

(4)正在逃离的大气层

从地球附近只能观察到高出表面约50千米,最高到约270千米的冥王星大气层,其上或其下都无法观察到。新视野号对冥王星的掩星观测,观察到了从表面到1600千米高处的大气分布,建立了完整的大气剖面图。无线电科学实验仪的探测数据显示,冥王星的低层大气主要是甲烷,而高层大气主要是氮气,说明冥王星上实在是太冷了,大气层中的主要成分都被冻成雪花掉下来了。

冥王星的引力远弱于地球及火星,所以对大气层的束缚力很弱。新视野号上的太阳风测量仪观测到冥王星身后有条离子成分的尾巴,这就是被太阳风裹挟带走的电离大气,表明大气正在逃离冥王星。

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从光环可以看到冥王星具有稀薄的大气层。

(5)奇特的龟甲地形

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奇特的龟甲地形

新视野号在汤博区内拍摄到了一片范围广大的奇异冰原,为纪念人类第一颗人造卫星,这片平原被非正式命名为“斯普特尼克”(Sputnik)。斯普特尼克平原表面很少有撞击坑,说明其非常年轻。

平原上分布着许多线性构造,有些地势比周围低,而有些则高出周围地形而成为一座座小山,看起来非常像乌龟背上的纹路。

对龟甲地形的成因,目前有两种可能的解释。一种认为,这种地形的形成过程类似泥浆干燥时发生的收缩过程,地球上干涸的湖底或泥塘中都可以看到类似的裂纹。另一种认为,由于冥王星内部微弱的能量释放,使冰冻的一氧化碳冰、甲烷冰和氮冰发生冻融,冻融物质的流动形成了这些线形的沟槽结构。

龟甲地形的右下方分布着一些坑坑洼洼的麻点,科学家推测该处冰原很可能经历了从固态冰直接变成气体的升华过程,留下了这些斑斑点点的痕迹,类似于我们见到的二氧化碳从干冰直接升华成气体的过程。

(6)高耸的冰山

在冥王星赤道附近区域,新视野号发现了一条年轻山脉矗立在冰原上,高达3500米。尽管冥王星的大部分表面都被甲烷冰和氮冰覆盖,但这么高的冰山不太可能是甲烷冰或氮冰构成的,因为这些物质的强度不足以支撑。该区域的冰山很可能是由水冰作为“基岩”筑成的,水冰比甲烷冰和氮冰更加坚硬,在冥王星如此低温状态下,水冰的性质就像岩石一样。

理论上,与太阳系中其他天体的表面一样,过去几十亿年间,冥王星应该遭受了大量的小天体撞击,表面应该布满密密麻麻的撞击坑。但这块面积不到冥王星表面积1%的区域,没有发现任何撞击坑,说明有比较活跃的地质活动,抹平了原先存在的撞击坑,改变了这里的形貌特征。据估算,这片区域的地质年龄不超过1亿年,跟45.6亿年“高龄”的太阳系相比,算是“年轻人”,而且,冥王星上的造山运动可能目前仍在进行。这让我们重新思考,到底是什么力量驱动了冰质星球上的地质活动。

根据太阳系行星形成理论,冥王星与其他行星一样,都是由许许多多的星子(planetesimals,注意不是“唾沫星子”的星子)吸积、聚集在一起形成的。冥王星上的这些冰山地形很容易让人联想到去年罗塞塔号拍摄到的“大黄鸭”彗星67P的表面。虽然两者的冰山高度相差很大,但冥王星上的冰山可能正是冥王星“吞噬”彗星形成的。彗星质地疏松,可以对撞击过程起到缓冲作用,砸到冥王星表面后可能并不会消失掉,而是像一坨海绵粘连在冥王星表面,留下了如今这些高耸出地表的神奇冰山。

彗星是当时形成冥王星的星子之一,这些冰山到底是不是彗星撞击残留下来的,目前还只是猜测阶段,需要更多的数据才能证伪或证实。

14 冥王星上发现的冰山。这张照片拍摄于新视野号从最近点飞越冥王星前约1个半小时,探测器距离冥王星表面月77万千米。

(7)依然年轻的心

在月球和火星等岩石星球上,放射性元素衰变产生的热量,驱动了这些天体的地质运动,产生了岩浆运动和火山喷发。个头比冥王星大的月球经过数十亿年的演化,放射性元素衰变的能量已经非常微弱,基本成为一颗僵死的天体,不再有大规模的地质活动。行星科学家对月球、火星等岩石星球上的地质活动了解较多,但对冥王星这一类冰态矮行星的地质活动的方式和能量来源知之甚少。

冥王星表面的撞击坑比较少,说明其地质活动比较强烈,表面年龄比预期的年轻。由于冥王星主要由氮冰、甲烷冰、水冰组成,岩石含量本身就比月球低,放射性元素含量可能比预期的还要低得多,可能难以驱动地质运动。

因此,冥王星这一类冰态矮行星的内部能量来源,可能完全不同于火星、水星等类地行星和月球以放射性元素衰变产生能量的过程。到底是什么能量驱动着冥王星的地质运动,支撑冥王星地质活动的能量来源依然还是未解之谜。

那么,除了放射性元素,会不会是潮汐力驱动了冥王星上的地质活动?在太阳系巨行星的冰质卫星上,我们可以看到类似的场景。如木星及其卫星作用于木卫二产生的潮汐力,使冰和液态水如喷泉般喷出木卫二的表面,地质活动十分活跃。由于固态天体伸缩产生的潮汐力较弱,需要较大质量的天体才能产生强大的潮汐力,而冥王星的个头太小,不可能通过与更大的天体发生引力互动而被加热。

七亿美金值不值

太阳系形成之初,大量尘埃和气体逐渐凝聚成为星子,星子之间的碰撞进一步长大成为行星胚胎。小行星就是这样的行星胚胎,我们用来自小行星的陨石进行了大量行星胚胎的研究,也通过深空探测活动研究了太阳系内的各大行星。但对于小行星长大成为行星的过程我们并不清楚。冥王星作为尚未长大的侏儒行星,是联系小行星和行星的中间环节。新视野号的这次探测有助于加深对行星形成过程的理解。

柯伊柏带是天文学家在1992年才发现和确认的太阳系新大陆。柯伊柏带的天体主要包括冰冻的小行星、彗星和矮行星,这里是短周期彗星的老家,1986年曾经造访地球的哈雷彗星就来自该带。柯伊柏带天体主要由冰块、岩石和金属组成,其成分可能不同于小行星带中的小行星。彗星是由有机化合物、冰块和岩石组成的“脏雪球”,科学界推测,太阳系中有些小行星可能就是柯依伯带彗星的挥发物丢失后的残留物。此外,一些巨行星的卫星,如海王星的卫星海卫一、土星的卫星土卫九,最早可能也起源于柯伊柏带,后由于引力摄动才来到巨行星附近。

由于柯依伯带的这些天体自太阳系形成之初业已存在,是太阳系中行星形成后的残渣,记录着太阳系最初形成时的历史,对这些天体的深入探测将帮助我们理解太阳系的起源与演化,以及地球的过去和未来。

好奇是创新的源泉,新视野号任务的目的之一是满足人类对周围环境的好奇心。无论是在荒原还是在遥远的太阳系空间,我们都应该努力探索这些未知世界。这就像如果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。正如著名科学家霍金评价说:“新视野号带来的启示,将帮助我们更深入地理解太阳系的形成,我们去探索是因为我们是人类,有求知的渴望。”

“新视野号”对冥王星和柯依伯带的探测,是一次太阳系考古发掘之旅,它的发现将改写太阳系形成理论。“新视野号”从一开始就是为了揭开冥王星神秘的面纱,面纱揭开后的奇特景象却超乎想象。原本你只是希望出去散散步,没想到却一路惊喜不断。

由于太阳系探索的任务周期十分漫长,实际上平摊到每一年所需的费用并不是很多,却足以让青少年在科学研究、艺术和人文领域追求他们的梦想。高难度的太阳系探索任务牵引了新技术的进步,培养了大量工程师、项目管理人员和支撑服务人员,激励青少年选择科学、技术作为他们的求学专业或终身职业。他们将成长为下一代的科技领袖,有助于增强我国的经济竞争力。

伟大的国家才会从事伟大的事业。太阳系探索是全人类共同的事业,是中国作为大国的重要标志。中国在太阳系探索领域已经起步并正在快速发展,在探月工程中,已经实现了环绕、着陆和巡视,并将在两年后实现月球采样返回。

深空探测是用纳税人的钱开展的科学探测活动,也是全人类的共同使命。因此,在深空探测的任务实施中,应想方设法吸引公众的关注,尽可能让普通人获得亲身参与感,目的是争取他们的支持,同时提高公众的科学素养,为建设创新型国家奉献力量。

未来在远方

7月14日是令人兴奋的一天,新视野号成功飞越冥王星,上千万人关注了新视野号拍摄到的冥王之心。近距离飞越冥王星和卡戎后,“新视野号”调转镜头回望冥王星,利用太阳照射角很低时表面地形明暗分明的优势,观察冥王星和卡戎的表面地形。

热闹过后,科学家们更关注的是新视野号的心脏——放射性同位素温差电池。而这颗强大的心脏状态良好,至少可以保证新视野号探测器正常工作到2030年。

目前,新视野号已进入了脱离太阳系的轨道,飞向太阳系边缘的深空。下一步,“新视野号”将继续考察柯伊柏带的其他天体。目前已经遴选了两个目标天体,今年秋天将决定选择哪颗天体作为探测目标,预计2018~2019年,新视野号将飞越该天体。

目前获得的这些图片和光谱数据,只是新视野号飞越冥王星期间采集到的极少一部分科学数据。旧的问题有了答案,但新的问题接踵而至。

冥王星上是否存在季节更替?大气分层结构和物质成分是什么?

冥王星表面为什么是黄褐色的,是什么物质?

冥王星内部主要由什么物质组成?内部的能量从哪里来?

冥王星卫星的颜色为何不同于冥王星?这些卫星是如何形成的,是与冥王星一起形成,还是被冥王星捕获的?

故事远未结束,好不容易逮住了这个今生唯一的机会,“冥王星地下党”们还会继续向NASA要钱,让他们的好奇心继续实施方,去探索更遥远的未知世界。面对这片广袤的太阳系新大陆,面对这个全新的世界,许许多多的未解之谜将留给“冥王星地下党”们,以及未来一代的年轻科学家。

00 新视野号任务的主要科学发现

 注:美国行星科学研究所邹小端博士、约翰霍普金斯大学应用物理实验室David Blewett博士对本文有重要贡献