先磕为敬！你们两颗星星为什么这么浪漫这么甜？

科普中国-我是科学家 2021-06-25

　　2015年7月14日，“新视野”号探测器在距离地球50 多亿公里的地方，以超过13km/s的速度近距离飞掠冥王星，揭开了冥王星的神秘面纱?

　　这次成功的造访是人类初步探索太阳系的一座里程碑，它将太空时代最后一颗尚待探访的星球变成了人类已知的真实之境。“新视野”号取得了颇丰的科学收获，比如令人震撼的冥王星高清图像。根据“新视野”号探索冥王星得出的结果，原来，这颗被太阳系行星家族除名的矮行星并不孤单，它有一个同伴与它一起在宇宙深处上演着绝美的“双人舞”。

　　“新视野”号掠过冥王星后的深情回望 | NASA

　　海王星之外的X行星

　　在所有广为人知的行星中，冥王星是最遥远和最后一个被造访的，它也是最晚被发现的行星。直到1930 年，冥王星才被美国堪萨斯州的农场青年克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）发现，他就是那个“慧眼识星”的人。

　　汤博出生于1906年，成长在伊利诺伊州的一个农场中，家境贫寒。从小，汤博就对太空有着浓厚的兴趣，为此他自学天文学，又自己打磨镜头，造出了望远镜。汤博还读完了当地图书馆里有关天文学和行星的所有资料，参与了“火星运河”的讨论，并仔细地绘制了观测到的木星和火星。在阅读天文学相关的资料时，汤博读到了帕西瓦尔·罗威尔（Percival Lowell）对海王星轨道外存在X行星的预测。这颗未知的行星是当时的天文学们努力探求的目标。

　　汤博与自制的望远镜 | Popular Science Monthly / public domain

　　为了实现天文梦想，汤博将自己手绘的火星图寄给了罗威尔天文台，并由此成为该天文台的观测助理，他的主要工作就是使用33厘米口径的望远镜来搜寻X行星。搜寻行星听起来十分简单，但其实这份工作异常艰辛、枯燥和复杂。汤博需要在寒冬时节的天文台圆顶内，夜复一夜地对可能存在新行星的天区进行拍摄，然后对不同夜晚拍摄的同一天区的星空照片进行仔细对比和分析。现在，这项工作是由计算机来完成的，但在当时，一切全靠人工操作。最终，经过近一年的艰苦搜索，汤博终于发现了期盼已久的目标，成功锁定X行星！

　　汤博发现冥王星所使用的“闪视比较仪” | Wikimedia Commons, Pretzelpaws / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

　　在发现X行星后，汤博和他的同事又花了一个多月的时间反复检查这颗新行星及其运动路径，最终证实了之前的结论——它的轨道的确比海王星更加遥远。在各方面都确定无疑之后，罗威尔天文台于1930 年3 月13 日将这一发现公之于众，这一惊天动地的消息瞬间传遍了全世界。很快，天文台就收到了一千多封为这颗行星取名的信件。最终，天文台采取了“冥王星”（Pluto）这个名字，它是由11 岁的英国女孩维尼夏·伯尼提出的，它象征罗马神话中的冥府之神。从此以后，，X行星就以冥王星之名为世人所知晓。

　　卫星还是矮行星？

　　随着对冥王星研究的深入，天文学家通过相对原始的仪器对冥王星的轨道进行了观测，发现其轨道非常宽广，形状也很奇特。冥王星距离太阳约45亿公里，绕太阳公转一周需要248年，通过光变曲线得出其自转周期为6.4地球日。

　　1978 年6 月，美国海军天文台的天文学家詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）在冥王星图像上观察到了奇怪的凸起。这是冥王星的真面目吗，或者只是图像上的瑕疵？詹姆斯注意到同一张图像中的其他天体并没有出现类似的凸起——这是冥王星特有的。他分析了凸起出现的时间间隔，得出了一个熟悉的数字——6.4个地球日，这与冥王星的自转周期正好一样！

　　根据这一微小凸起周期性出现的情况，詹姆斯发现了冥王星的第一颗卫星，其轨道周期相当于冥王星的一天时长（即自转周期）。詹姆斯后来将这颗卫星命名为“卡戎”（Charon）。这一名字源自希腊神话，卡戎是冥王的船夫，负责将逝者摆渡过冥河。

　　詹姆斯发现卡戎之后，人们对冥王星的了解也开始逐渐深入。科学家们通过观察卡戎的位置与亮度的变化，推测出卡戎的运行轨道，并由此算出冥王星质量的更精确的数值。汤博和他的同事都曾预测冥王星的质量与地球相当甚至更大，但实际上，冥王星的质量仅为地球质量的1 /400 ——它比科学家以往发现的行星都要小。而卡戎的质量是可以与冥王星相互比较的，它们的质心落在这两个天体之外，因此其中一个并不是真正绕着另一个在公转，两者在潮汐锁定的状态下，以约6.4天的周期互绕，永远以相同的位置遥遥相对。所以有些科学家认为卡戎并不是冥王星的卫星，而是和冥王星一起，组成了一个双（矮）行星系统。

　　冥王星与卡戎相互绕转的模拟图 | Stephanie Hoover

　　逐梦冥王星，“新视野”号的发现

　　2006年，“新视野”号探测器腾空而起，它承载着发现者汤博的骨灰，飞往遥远的冥王星。就在同一年，在第26届国际天文学联合会上，冥王星被降级为矮行星。但这并没有降低人们对冥王星探索事业的关注热情。最终，在经过九年半的漫长飞行之后，“新视野”号于2015年近距离飞掠冥王星，它发回的照片让我们第一次看清了85年前汤博发现的这个遥远世界。

　　“新视野”号拍摄的“冥王星之心” | NASA

　　事实上，在飞掠冥王星之前，“新视野”号就在距离冥王星5000万公里的距离上，用具有高分辨率的远程勘测成像仪（LORRI）捕捉到了冥王星和卡戎的运动图像。虽然该图像分辨率较低，两颗星还处于像素点的状态，但它们的运行轨迹已经清晰可见。LORRI 收集了一周的图像显示，冥王星和卡戎确是一个双星系统。冥王星并非停留在中央，让卡戎绕其运动。相反，两者都围绕着一个靠近冥王星的、看不见的空间点（即质心），彼此绕着对方运动，就像在跳舞一样。卡戎的运行轨迹与木星或土星之类的巨行星的卫星截然不同，这些巨行星看上去固定在中间位置，并不会与其卫星互绕。

　　这是在行星探索事业的几十年中，从未有人目睹过的奇观：两个天体“跳”着“双人舞”，较大的“舞者”被较小的“舞伴”来回拉动。当NASA 发布这段迷人的冥王星系统“双人舞”视频后，它迅速风靡网络。虽然视频中只有两颗像素化的光点在运动，但这样的朦胧之美以及强调“非模拟”的文字注释让这段“双人舞”独具魅力。

　　冥王星和卡戎上演的“双人舞” | NASA

　　冥王星和卡戎之间奇妙的关系甚至使得冥王星上的物质缓慢迁移至卡戎，就像某些双星借助相互的引力交换物质一样。冥王星大气层顶部逃逸出一些甲烷，它们主要被卡戎最寒冷的极地捕捉到。而太阳光和太阳风将卡戎上的甲烷加工成较重的碳氢化合物分子，这种分子呈暗红色且是非挥发性的，也就是说它们不会消散。它们散布在卡戎的极地上面，形成了卡戎独特的深红色极冠。这是在太阳系的其他星球上未曾发现的景象。