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2019-02-01新視野號飛抵太陽系邊疆,探索最遠天體 590 期

Author 作者 王祥宇/中研院天文所研究員兼副所長,主要研究領域為可見光與紅外線之天文儀器開發以及太陽系小天體。
【2019.11.15編註:古柏帶天體2014 MU69,於2019年11月13日正式定名為「Arrokoth」,在美國原住民波瓦坦(Powhatan/Algonquian)語言中的意思為「天空」。

新視野號團隊獲得波瓦坦部落長老們同意使用 Arrokoth 一詞,才正式為 2014 MU69 定名。團隊領導人史登(Alan Stern)表示這個名字表達了人類仰望天際,想了解我們以外的其他天體與世界的意念。

最初使用的「Ultima Thule」因被指涉與德國納粹相關,遭受批評,但團隊僅表示Ultima Thule只是個暱稱,並否認因為此名受批評才另行改名。

去(2018)年歲末,當大多數人在歡慶新年時,一群天文學家放棄了與家人朋友團聚的機會,聚集在美國約翰霍普金斯大學(The Johns Hopkins University)。等著他們的是人類太空探索的新里程碑,太空探測船新視野號(New Horizons)將於今(2019) 年的第一天探索人類有史以來探測器到達最遠的天體,距離地球64 億公里的古柏帶(Kuiper belt)天體── 終極遠境(Ultima Thule),其小行星編號為 2014 MU69。

受限於衛星天線與科學儀器的位置,當新視野號飛過終極遠境進行科學觀測時,是無法與地球進行通訊的。終於,在新視野號飛越終極遠境後接近 10 小時,控制中心收到從衛星傳來的訊號,並且傳來最新的影像,在接下來的 2 天,也陸續接收到更清晰的影像,新視野號圓滿達成了這次的科學探索。

 

新視野號本來是拿來幹嘛的?

當新視野號於 2006 年初發射時,主要的科學目標其實是探索冥王星,而探測另一顆古柏帶天體是計畫的次要目標。後來,一直到新視野號通過木星後,經由木星的引力加速,並確認新視野號軌道的準確度,科學團隊才認定它應該有足夠的燃料可以去探測另一個目標;在那之後,天文學家就利用許多地面望遠鏡及哈伯太空望遠鏡尋找可能的探測目標。受限於新視野號有限的推進燃料,這個天體相對於新視野號的航線角度必須夠小,約在半度之內,同時希望是與冥王星不同類型的古柏帶天體,也就是直徑較小的天體。這些小天體從地球附近可觀測到的資料有限,因此具有很高的科學價值。但麻煩的是,由於冥王星現在的位置正好與銀河所在的天區重疊,要在密密麻麻的背景星體中,找到亮度極低的小型古柏帶天體是非常困難的任務。天文學家花了好幾年的時間才在2014 年利用哈伯天文望遠鏡確認2個可能的天體,最後選擇2014MU69作為新視野號的目標。
 

衝啊,直奔終極遠境!

在確認了目標之後,科學團隊針對這顆古柏帶天體進行詳細的觀測,以獲取精準的軌道。然後對它周遭的環境進行搜索,尋找在它附近是否有伴星或是更小的碎片,確保新視野號從冥王星到終極遠境的旅程中,受到其它天體的撞機機率極低。終極遠境是一個典型的古柏帶天體(classical KBOs),這種類型也是古柏帶上數目最多的天體。典型的古柏帶天體具有近似圓形的繞日軌道且其軌道面分布在距黃道面10度內。由於新視野號的軌道就在黃道面上,因此它可以探索的古柏帶天體,也是以典型的古柏帶天體為主。一般認為典型的古柏帶天體是從太陽系形成初期就已經在目前的軌道上,沒有受到其他類木行星的引力而拋射至目前的軌道,因此它保存了太陽系形成初期的狀態與成分。新視野號對終極遠境的探測對於瞭解太陽系早期的型態,將提供關鍵的資料。
 

到底看到了什麼⋯⋯雪人造型的行星是怎麼回事?

由於新視野號與地球相距遙遠,因此資料傳輸的速度也僅僅只有每秒1千位元(Kbit∕s)。終於在2019年1 月 2 日,新視野號傳回來第一幅終極遠境的清晰影像(圖一)。這張是新視野號距離終極遠境約2萬8000公里時的影像,解析度大約是140公尺。新視野號最接近終極遠境時,距離大約是3500公里。但是由於新視野號的速度很快,以每秒15公里速率前進,整個飛越的過程其實很短,讀者可以想像新視野號就像是你在標準田徑場裡,一邊騎著腳踏車一邊對著在田徑場另一端(距離約300公尺)停放在一旁的小轎車進行觀測。新視野號必須從距離終極遠境數萬公里時就開始觀測,一直到遠離它數萬公里為止,由圖一可見,終極遠境的形狀與先前在地表進行的掩星觀測的結果相符,呈倒立雪人形狀,且整體顏色相當一致。這幅影像確認了終極遠境是一個天體,而不是2個距離很近的互繞雙星。終極遠境外觀偏紅色,與大部分已知的典型古柏帶天體相同,自轉週期約為15±1天,較一般古柏帶天體的自轉週期稍長一些。由於它的自轉軸指向很接近地球的方向,朝向太陽或地球的面積幾乎不變,因此之前的哈伯觀測資料並沒有顯示太明顯的亮度變化。同時與預的一樣,終極遠境的上頭並沒有任何的大氣。
 

圖一:新視野號回傳的終極遠境清晰圖像。
(New Horizons, NASA’s Mission to Pluto and Kuiper Belt, https://goo.gl/A1F6Bv)

從圖一可以發現,終極遠境表面並沒有太多的亮暗特徵;而最讓天文學家感到驚奇的,就是在終極遠境頸部明顯的亮帶。一般認為,古柏帶天體是灰塵與冰結合而成的髒雪球,所以其反照度(反射太陽光的能力)偏低,表面呈暗紅色,這個頸部的亮帶代表這個部分的表面有高比例的冰,可能是碰撞過程中的高溫使該部分的冰溶化至表面後,又再度凝結而形成的。目前已知,有蠻高比例的古柏帶天體以雙星的互繞的狀態存在,因此科學家推測終極遠境很有可能是2個互繞的古柏帶天體,在繞太陽公轉的過程中以很慢的相對速度接近,而最後吸引在一起,這樣的過程才能讓2個天體的撞擊不至過大而粉碎彼此,而是可以形成現在所看到雪人形天體。而在其頭部似乎有類似凹陷的撞擊痕跡,不過這也有可能只是表面反射率不同造成的。後續必須等待更多的資料來確認這些是否是撞擊的痕跡。終極遠境表面的撞擊坑數目以及大小,將可以提供更小尺寸古柏帶天體的密度分布。

 

未完待續

新視野號在飛掠終極遠境後 3 天,傳回初步的觀測資料。在這之後,由於太陽的位置正好在地球與新視野號間,有十幾天的時間無法繼續傳送資料,故新視野號團隊預計會在 1 月底重啟接收觀測的資料。預計新視野號將會傳回最接近終極遠境時拍攝的影像及其它多波段觀測的影像與資料,完整的資料將需要幾個月的時間能全部傳回地球。這將有助於科學家判斷終極遠境的表面特徵與成分,對古柏帶的認識提供突破性的進展。