12.4: 冥王星和 Charon

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 将冥王星的轨道特征与行星的轨道特征进行比较
• 描述从 “新视野” 图像中推断出的有关冥王星表面的信息
• 注意冥王星的大月亮 Charon 的一些显著特征

冥王星不是月亮，但我们在这里讨论它，因为它的大小和组成与外太阳系中的许多卫星相似。 由于 2015 年的 “新视野” 飞越，我们对冥王星（及其大月亮 Charon）的理解发生了巨大变化。

冥王星是行星吗？

冥王星是通过仔细、系统的搜索发现的，这与海王星不同，海王星的位置是根据引力理论计算出来的。 尽管如此，寻找冥王星的历史始于有迹象表明天王星与预测的轨道略有偏离，这可能是由于未被发现的 “Planet X” 的引力造成的 二十世纪初，几位天文学家，最著名的是珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），当时他作为火星智慧生命的倡导者成名顶峰，开始对寻找第九颗行星感兴趣。

洛厄尔和他的同时代人的计算主要基于天王星运动中无法解释的微小不规则性。 洛厄尔的计算表明，令人不安的 Pl anet X 有两个可能的位置；两者中更有可能出现在双子星座中。 他预测行星的质量介于地球和海王星的质量之间（他的计算得出了大约6个地球质量）。 但是，其他天文学家从微小的轨道不规则性中获得了其他解决方案，甚至包括一个显示海王星以外两颗行星的模型。

在亚利桑那州的天文台上，洛厄尔从1906年到1916年去世，一直没有成功地搜寻这颗未知行星，直到1929年才重新开始搜寻。 1930 年 2 月，一位名叫 Clyde Tombaugh 的年轻观测助手（见下面的专题框）在比较他当年1月23日和29日拍摄的照片时，发现了一个微弱的物体，其运动对于远离海王星轨道的行星来说似乎差不多（图\(\PageIndex{1}\)）。 新星球以冥王星命名，冥王星是罗马地下世界之神，他像新星球一样生活在遥远的黑暗中。 在数百个建议中，之所以选择这个名字，是因为前两个字母是珀西瓦尔·洛厄尔的姓名缩写。

图\(\PageIndex{1}\)：冥王星的动作。 克莱德·汤博在 1930 年发现冥王星的两张照片的一部分。 左边的是在1月23日拍摄的，右边的是在1月29日拍摄的。 请注意，用箭头表示的冥王星在这六个夜晚已经在星空中移动。 但是，如果我们没有在它旁边放一支箭，你可能永远不会发现移动的那个点。

尽管冥王星的发现最初似乎证明了引力理论的正确性，类似于亚当斯和勒维里尔早些时候在预测海王星位置方面的胜利，但我们现在知道洛厄尔的计算是错误的。 当最终测量它的质量和大小时，人们发现冥王星不可能对天王星或海王星施加任何可测量的拉力。 天文学家现在确信，所报道的天王星运动中的微小异常不是真实的，也从来都不是真实的。

从它被发现之时起，很明显冥王星不是像其他四颗外太阳系行星那样的巨型行星。 长期以来，人们一直认为冥王星的质量与地球的质量相似，因此它被归类为第五颗地球行星，不知何故在太阳系遥远的外围放错了位置。 但是，还有其他异常现象，因为冥王星的轨道比任何其他行星的轨道都更偏心，更倾向于太阳系的平面。 只有在1978年发现其卫星Charon之后，才能测量冥王星的质量，事实证明它的质量远小于地球的质量。

除了 Charon 之外，冥王星还有四颗小卫星。 随后对Charon的观测表明，这颗月球处于逆行轨道上，直径约为1200千米，是冥王星本身大小的一半以上（图\(\PageIndex{2}\)）。 这使得 Charon 成为月球，其大小是其母行星的最大比例。 我们甚至可以将冥王星和查龙视为一个双重世界。 从冥王星来看，Charon 在地球上将有多达八个满月。

图\(\PageIndex{2}\)：冥王星及其月球 Charon 的大小与地球的比较。 这张图生动地显示了冥王星相对于像地球这样的地球有多小。 这是将冥王星归入矮行星而不是陆地行星类别的主要理由。

对许多天文学家来说，冥王星似乎是个奇怪的表弟，所有人都希望它不会出现在下次家庭团聚中。 它绕太阳的路径和大小都不像巨型行星或陆地行星。 20 世纪 90 年代，天文学家开始在遥远的太阳系中发现更多小天体，这表明冥王星并不是独一无二的。 稍后，我们将在 “彗星和小行星——太阳系的碎片” 一章中与其他小天体讨论这些跨海王星的天体。 其中一个（叫做 Eris）的大小与冥王星几乎相同，另一个（Makemake）要小得多。 天文学家清楚地看到，冥王星与其他行星截然不同，因此需要进行新的分类。 因此，它被称为矮行星，意思是比地球行星小得多的行星。 我们现在知道冥王星附近有许多小物体，并将其中一些归类为矮行星。

类似的历史与小行星的发现有关。 十九世纪初发现第一颗小行星（谷神星）时，它被誉为一颗新行星。 但是，在接下来的几年中，发现了其他轨道与谷神星相似的物体。 天文学家决定不应将它们全部视为行星，因此他们发明了一类新的天体，称为小行星或小行星。 今天，谷神星也被称为矮行星。 小行星和矮行星都是整个带或相似物体区域的一部分（正如我们将在彗星和小行星——太阳系的碎片中讨论的那样）。

那么，冥王星是行星吗？ 我们的答案是肯定的，但它是一颗矮行星，显然与八颗主要行星（四个巨星和四个地球）不在同一个联盟中。 虽然有些人在冥王星被重新分类时感到不安，但我们可以指出，矮树仍然是一种树，而且（正如我们将看到的）矮星系仍然是一种星系。

CLYDE TOMBAUGH：从农场到成名

克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）在24岁时发现了冥王星，他在洛厄尔天文台担任助理的职位是他的第一份带薪工作。 Tombaugh 出生在伊利诺伊州的一个农场，但是当他 16 岁时，他的家人搬到了堪萨斯州。 在叔叔的鼓励下，他通过一家人从西尔斯目录中订购的望远镜观测了天空。 Tombaugh 后来自己建造了一台更大的望远镜，并在夜晚（当时他没有太累农活）来绘制行星的详细草图（图\(\PageIndex{3}\)）。

图\(\PageIndex{3}\)：克莱德·汤博（1906—1997 年）。 (a) 1928 年，汤博用他建造的 9 英寸望远镜在他的家庭农场合照。 (b) 在这里，Tombaugh 正在透过目镜看洛厄尔天文台。

1928 年，在一场冰雹摧毁了农作物之后，汤博决定需要一份工作来帮助养家糊口。 尽管他只受过高中教育，但他还是想成为一名望远镜制造商。 他将自己的星球草图发送到了洛厄尔天文台，就这样的职业选择是否现实寻求建议。 命运发生了奇妙的转折，他的询问是在洛厄尔天文学家意识到重新寻找第九颗行星需要一位非常耐心和敬业的观察者时提出的。

雇用 Tombaugh 在夜间拍摄并在白天搜索的大型照相板（上面有照相乳液的玻璃碎片）平均每张包含大约 160,000 张星空图像。 如何在其中找到冥王星？ 该技术涉及相隔大约一周拍摄两张照片。 在那一周内，一颗行星会稍微移动一点，而恒星相对于彼此保持在同一个位置。 一种名为 “闪烁比较器” 的新仪器可以快速交替目镜中的两张图像。 在两个板块上处于相同位置的星星似乎不会改变，因为两张图像 “闪烁” 了。 但是当板块交替摆动时，移动的物体似乎会来回摆动。

在检查了超过200万颗恒星（以及许多虚假警报）之后，汤博于1930年2月18日找到了自己的星球。 天文台的天文学家仔细检查了他的结果，并在3月13日天王星发现149周年之际宣布了这一发现。 来自世界各地的祝贺和采访请求涌入。 参观者成群结队地来到天文台，想看看近一个世纪以来发现第一颗新行星的地方，以及发现它的人。

1932 年，Tombaugh 从洛厄尔休假，他一直在那里搜寻并眨眼，以获得大学学位。 最终，他获得了天文学硕士学位，并在第二次世界大战期间为海军教授导航。 1955年，在开发火箭追踪望远镜之后，他成为新墨西哥州立大学的教授，并在那里帮助创立了天文学系。 他于 1997 年去世；他的一些骨灰被放入冥王星的 “新视野” 号航天器内。

这是一段感人的视频，讲述了汤博的孩子们所描述的生活。

冥王星的本质

天文学家利用来自 “新视野” 号探测器的数据，测得冥王星的直径为2370千米，仅为月球的60％。 从直径和质量来看，我们发现密度为1.9 g/cm ³，这表明冥王星是岩石物质和水冰的混合物，其比例与许多外行星卫星的比例大致相同。

冥王星表面的一部分具有很高的反射性，其光谱表明其表面存在冷冻的甲烷、一氧化碳和氮气。 最大表面温度范围从冥王星离太阳最远时的大约 50 K 到最近时的 60 K 不等。 即使是这种微小的差异也足以导致甲烷和氮气冰的部分升华（从固体变为气体）。 当冥王星靠近太阳时，它会产生大气层，当冥王星离太阳更远时，它会冻结。 对通过这种稀薄的大气层看到的遥远恒星的观测表明，地表压力约为地球的万分之一。由于冥王星比海卫一高几度，它的大气压力大约是地球的十倍。 这种大气层包含几个不同的雾霾层，可能是由光化学反应引起的，例如土卫六大气中的雾霾（图\(\PageIndex{4}\)）。

图\(\PageIndex{4}\)：冥王星大气层中的雾霾层... 这是冥王星分辨率最高的照片之一，由 “新视野” 号航天器在最接近15分钟后拍摄。 它显示了 12 层雾霾。 还要注意高度可达 3500 米的山脉范围。

用航天器到达冥王星是一项重大挑战，尤其是在削减的美国宇航局预算无法支持伽利略和卡西尼号等大型昂贵任务的时代。 然而，像伽利略和卡西尼号一样，冥王星任务需要一个核电系统，该系统利用来自钚的热量来产生能量为仪器提供动力，并使它们在远离太阳温暖的地方运行。 美国宇航局为此类任务提供了最后一台核发电机。 假设可以建造一艘负担得起但能力很强的航天器，那么不用等待几十年就能到达距离地球将近50亿公里的冥王星仍然存在问题。 答案是利用木星的重力将航天器弹弓向冥王星。

2006 年《新视野》的发射以高速启动了任务，而仅仅一年后，木星飞越为其提供了所需的额外提升。 “新视野” 号航天器于2015年7月抵达冥王星，以每秒14千米（约合每小时50,000公里）的相对速度行驶。 在如此高的速度下，整个飞越序列被压缩为仅一天。 在近距离附近记录的大多数数据要等到几个月后才能传输到地球，但是当它最终到达时，天文学家获得了图像和数据的宝库。

冥王星的首次特写镜头

冥王星并不是许多人预料到的这么小物体的地质死亡世界，远非如此。 将表面划分为具有不同成分和表面纹理的区域，在图中所示的全局彩色照片中显而易见\(\PageIndex{5}\)。 这张图片中的红色得到了增强，可以更清楚地显示出色彩的差异。 表面较暗的部分似乎有火山口，但在这张图像的右下象限中，与之相邻的是一个几乎没有特征的亮区。 深色区域显示的光化学雾霾或烟雾的颜色与土卫六大气中的颜色相似。 染色这些旧表面的深色物质可能来自冥王星的大气雾霾或由于阳光的作用而在地表发生的化学反应。

照片中的光区是低地盆地。 这些显然是冰冻氮气的海洋，可能深达数公里。 当冥王星在靠近太阳的轨道上时，氮气和甲烷气体都能从冥王星中逸出，但速度非常缓慢，因此没有理由让一大碗冷冻的氮气不能持续很长时间。

图\(\PageIndex{5}\)：冥王星的全局彩色图像。 这张 New Horizons 图像清楚地显示了冥王星上的各种地形。 左下角的暗区被撞击坑覆盖，而中间和右下角的大型照明区域是一个没有陨石坑的平坦盆地。 你看到的颜色有所增强，可以呈现出细微的差异。

该图\(\PageIndex{6}\)显示了 New Horizons 揭示的一些非凡的表面特征。 在这张图片的右侧，我们可以看到一大碗氮冰的 “海岸线”，这是图中我们看到的平滑区域\(\PageIndex{5}\)。 这个圆形区域以第一个进入太空的人类物体的名字暂时被昵称为 “Sputnik Plains”，其宽度约为一千公里，显示了平均宽度超过 30 千米的有趣细胞或多边形。 中间的山脉是大块冰冻的水冰，有些高达2到3千米的高度。

图\(\PageIndex{6}\)：冥王星地形的多样性。 冥王星表面长约 80 千米的增强型彩色视图显示了各种不同的表面特征。 从左到右，我们首先穿过一个 “荒地” 区域，上面有一些陨石坑，然后穿过由水冰构成的各种山脉，上面覆盖着我们在上一张图片中看到的较红的材料。 然后，在右边，我们到达了任务科学家称之为 “Sputnik Plains” 的冷冻氮大海的 “海岸线”。 这片氮海被分成数千米的神秘细胞或片段。

该图\(\PageIndex{7}\)显示了不同类型地质之间边界的另一种视图。 这张图片的宽度为 250 千米，它显示了黑暗、古老、火山口密集的地形；黑暗、没有火山口的地形和丘陵表面；光滑、地质年轻的地形；以及一小群高于 3000 米的山脉。 在最好的图像中，氮冰的光照区域似乎像地球上的冰川一样流动，覆盖了它们下面的一些较旧的地形。

平滑的氮气平原中间的孤立山脉可能也是由水冰组成的，在冥王星的温度下，水冰非常坚硬，可以漂浮在冰冻的氮气上。 在图中可以看到其他山脉和一些让任务科学家想起蛇皮的丘陵地形\(\PageIndex{7b}\)。 这些是对 2015 年和 2016 年初从 New Horizons 返回的第一批数据的初步解释。 随着时间的推移，科学家们将更好地了解冥王星的独特地质学。

图\(\PageIndex{7}\)：冥王星上地形的多样性。 (a) 在这张横跨约250公里的照片中，我们可以看到许多不同的地形。 底部是较旧的火山口高地；没有火山口的 V 形山区指向图像的底部。 V 形暗区周围是光滑、明亮的冰冻氮平原，就像地球上的冰川一样。 一些由冰冻的水冰组成的孤立山脉漂浮在画面顶部附近的氮气中。 (b) 这个场景横跨约390公里。 圆形的山脉与我们在地球上所知道的完全不同，被命名为塔塔鲁斯·多尔萨。 这些图案由重复的山脊组成，它们之间的地形更红，目前尚不清楚。

快速浏览一下 Charon

除了冥王星的奥秘之外，我们在图中展示了冥王星大月亮 Charon 的 New Horizons 最佳照片\(\PageIndex{8}\)之一。 回想一下，Charon的大小大约是冥王星的一半（它的直径大约相当于德克萨斯州的大小）。 Charon 对冥王星保持相同的一面，就像我们的月球向地球保持同一面一样。 但是，Pluto-Charon 系统的独特之处在于，冥王星对 Charon 也保持了同样的面孔。 就像两个舞者拥抱一样，这两位舞者在天体舞池中旋转时经常面对对方。 天文学家称之为双潮锁。

图\(\PageIndex{8}\)：冥王星的大月亮卡龙。 (a) 在这张 New Horizons 图片中，颜色得到了增强，呈现了月球奇怪的红色极地帽的颜色。 Charon 的直径为 1214 千米，该图像的分辨率为 3 千米。 (b) 在这里，我们从一个略有不同的角度看月亮，是真实的颜色。 插图显示了从上到下约 390 千米的区域。 左上角附近有一个引人入胜的特征——它看起来像是一座位于凹陷或护城河中间的山。

《新视野》展示的是另一个复杂的世界。 图像的下半部分有散落的陨石坑，但其余大部分表面看起来很光滑。 穿过图像中心的是一条崎岖的地带，包括看似构造的山谷，好像有些力量试图将查隆分开一样。 这张奇怪的图像顶部是一顶明显红色的极地帽，构图未知。 Charon 上的许多特征尚不为人所知，包括看似位于低海拔区域中间的山脉。

摘要

“新视野” 号航天器揭示了冥王星和夏隆是外太阳系中最迷人的两个天体。 冥王星很小（一颗矮行星），但也出人意料地活跃，其形成鲜明对比的区域包括暗火山口地形、浅色的氮冰盆地和可能漂浮在氮冰中的冰冻水山。 即使是冥王星最大的卫星 Charon 也显示出地质活动的证据。 事实证明，冥王星和查龙都比 “新视野” 任务之前想象的要活跃和有趣得多。