1989年5月,太阳系还是一个拥挤、偏远的地方,巴尔的摩市中心的那家意大利餐馆也是如此,艾伦·斯特恩在那里召集了十几位同事,说服他们加入一项看似不可能的任务:说服美国宇航局向冥王星发射探测器。当时,即使是大多数天文学家对这个位于太阳系边缘的奇特小天体也不感兴趣。“我当时很怀疑,”当时还是麻省理工学院研究生的弗兰·巴格纳尔说,她当时也在场。“向冥王星发射探测器当时看起来毫无意义。”
巴格纳尔一边吃着意大利面,斯特恩一边滔滔不绝地讲述冥王星的魅力。他解释了他的研究,分析了太阳风(太阳不断喷出的粒子流)如何像蒲公英种子一样将气体从冥王星表面吹走。“我总是喜欢研究一些不寻常的事物,”斯特恩说。冥王星绝对符合——一个比地球月球还小的世界,被困在一个倾斜的椭圆形轨道上。斯特恩着迷于冥王星在许多方面更像一个过大的彗星,而不是一个过小的行星。它的表面覆盖着冷冻气体,当其轨道接近太阳时,这些气体就会蒸发形成大气层。它的引力如此微弱,以至于大部分大气层都会像彗星的尾巴一样流失到太空中。在太阳系45亿年的历史中,冥王星表面整个山脉和陨石坑都简单地蒸发了。
斯特恩指出,太阳系中所有其他行星都曾被探测器造访过,或者即将被造访。每一次任务都带来了惊人的发现:金星是人间地狱,火星布满陨石坑并被古老的河道穿越,木星被火与冰的卫星环绕。巴格纳尔听得越多,她就越感兴趣:“你开始对太阳系边缘的这个小东西感到好奇。”
很快就清楚,斯特恩是位有远见的人。就在他在巴尔的摩进行推销三年后,夏威夷大学的戴维·朱伊特和简·卢发现了QB1,一个遥远的小行星,类似于冥王星的缩小版。
自那时起,天文学家在同一区域,即太阳系昏暗的外部区域,编目了1000多个相当大的天体。其中至少有一个,去年发现并昵称为齐娜,比冥王星还大,有一个主要的卫星,似乎符合第十行星的条件。冥王星远非一个怪异的天体,现在被视为太阳系中最有趣的地方中最容易接近的天体:新近发现的柯伊伯带,一个冰冷世界组成的系统,延伸到冥王星之外约190亿英里。
“我们对太阳系的看法已经彻底改变了,”斯特恩说。“如果你在一个山谷中长大,认为世界就止于那个小山环,你就不会知道世界有多大。柯伊伯带是行星太阳系中最大的结构。那里有大多数行星,大多数有机化学物质,双行星和其他奇特的东西。我们以前从未有任何线索。我上学时,冥王星是个不合群者。现在看起来地球才是不合群者。”
对斯特恩来说,最甜蜜的证明是他最终说服了美国宇航局接受他的愿景。“新视野号”探测器,他梦想和谋划了17年的航天器,现在应该正在前往冥王星及更远的柯伊伯带。当它抵达时,斯特恩和我们其他人最终将开始了解太阳系的另一半。
自从最初的十几位科学家——斯特恩称他们为“冥王星地下党”——聚在一起集思广益这项任务以来,已经过去了这么多年,人们可能会认为“新视野号”是稳定、细致规划的产物。事实上,这是一项相当匆忙的任务,直到三年前才最终获得批准。
这种仓促部分是由冥王星的轨道决定的。当斯特恩和冥王星地下党在1989年共进晚餐时,这颗行星已经到达了距离太阳最近的点,约27亿英里,并开始退向轨道的最远端,约45亿英里。冥王星绕太阳一周需要248年,所以当它向外太空移动时,它会随着时间的推移而变冷。很快,可能在未来一二十年内,大气层将冻结并凝结成地表上的晶体。我们正在迅速失去一个千载难逢的机会来研究这颗行星最有趣的特征。
紧迫性也来自于行星不断变化的排列,在冥王星的情况下,这使得将航天器发射到那里变得越来越困难。1月份的发射允许航天器在2007年初驶入距离木星140万英里以内,在那里它将获得引力助推,使其速度增加到每秒13英里。即使以这样的速度,“新视野号”也要到2015年才能到达冥王星。如果推迟一个月,即2月份发射,则意味着绕过木星,行程将延长四年。
在冥王星前进的同时,美国宇航局却在犹豫。早在1979年,美国宇航局就考虑过让“旅行者1号”探测器飞越冥王星,但该计划因成本过高和后勤不切实际而被放弃。对这一决定的持续失望促使斯特恩组建了冥王星地下党。他想向冥王星发射两艘飞船,将任务加倍,以便能够看到这颗行星的两面。任何必须长途跋涉的探测器都必须达到很高的速度,所以每艘飞船在飞越时只能看到冥王星的一个半球。减慢飞船以便悠闲地观察是不可行的——那需要太多的燃料。
1989年晚餐后不久,斯特恩和冥王星地下党就开始游说美国宇航局项目主管。这是一个令人恼火的断断续续的过程,拖延了十多年。美国宇航局官员启动了一项对斯特恩计划的可行性研究,但这项工作似乎毫无进展。由于未能获得坚实的后勤或财政支持,斯特恩退出了规划过程。喷气推进实验室的一个独立小组提出发射一个小型、廉价的探测器,但当他们制定细节时,预计成本飙升至超过10亿美元。“有人说,‘看,这太疯狂了,’”现在是科罗拉多大学博尔德分校行星科学家的巴格纳尔说。“连我也倾向于同意。不值得。”
最终使冥王星任务复活的是柯伊伯带中其他世界的发现,这引发了一场关于冥王星是否真的是一颗行星的激烈辩论。天文学爱好者写信给美国宇航局,询问为什么美国没有计划探索太阳系的“狂野西部”。2001年,美国宇航局官员决定重新审视冥王星任务的想法,这次将其开放给竞标。喷气推进实验室的一个团队试图招募斯特恩,但他担心那里的管理人员可能不会将他们最好的工程师和科学家投入到这项工作中。于是他加入了约翰霍普金斯大学应用物理实验室总部的一个合作项目,该实验室以NEAR探测器等小型创新项目而闻名,NEAR探测器最终于2001年在小行星爱神星上软着陆。
斯特恩毕生都在为启动冥王星任务而努力。他在自己的领域取得了进步,成为科罗拉多州博尔德西南研究所空间研究部主任。他清楚地知道自己想要什么。一天下午,他拿出一张纸,写下了冥王星任务应该具备的一切。最大的挑战是可负担性。美国宇航局将预算定为5亿美元——对于一次40亿英里、10年的旅行来说,这不算多。“一切都必须是最安全的,最有把握的,”斯特恩说。“美国宇航局会寻找低风险。我们必须按时到教堂,并遵守预算。”
斯特恩的团队,其中包括巴格纳尔以及约翰霍普金斯大学的物理学家安迪·程和拉尔夫·麦克纳特,呼吁建造一艘简单、轻巧的飞船,将七个科学实验设备装入一个紧凑的八英尺宽的包装中。“新视野号”有两台相机,用于拍摄冥王星及其最大的卫星卡戎的图像。该航天器还包括一个粒子探测器,旨在测量冥王星大气层与太阳风之间的相互作用。它还携带一个无线电探测器,用于监测来自地球的信号,当它们掠过冥王星表面时;它们的失真将记录大气层的组成和结构。太阳能在那离太阳很远的地方不切实际,所以美国宇航局决定采用一个小型钚动力反应堆。整个包裹重量略超过1000磅,运行功率不到200瓦,大约相当于一盏明亮落地灯的耗电量。
由于时间紧迫,“新视野号”团队决定将探测器安装在强大的“宇宙神V型”火箭上,并利用木星的引力助推。“即使你能更快地到达那里,你也要仔细考虑,”麦克纳特说。“如果你执行的是飞越任务,而你飞得太快,你就无法获得很多所需的科学数据。在合理的时间内到达那个距离有一个最佳点。”
“新视野号”提案赢得了比赛。“当这份提案提交时,斯特恩已经为冥王星奋斗了12年,”巴格纳尔说。“他全身心投入到整个事情中。”他欣喜若狂,但也感到害怕。其他任务计划因资金不足而夭折;现在他和他的团队必须说服美国宇航局为建造提供资金。几个月后,美国国家科学院的十年一次科学优先事项审查将冥王星任务列在首位,这提供了一个推动力。当布什总统提交他2003年的预算时,“已经没有回头路了,”斯特恩说。
自那时以来,斯特恩穿梭于他在科罗拉多州的家、佛罗里达州的卡纳维拉尔角、巴尔的摩的应用物理实验室和圣安东尼奥的西南研究所实验室之间。他和他的团队只有46个月的时间将草图变成航天器。巴尔的摩的工程师花了一年时间组装和测试它,并剧烈摇晃它,以确保探测器能在发射中幸存下来。然后他们将其送往马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德空间飞行中心,在那里它在真空室进出两个月,以证明所有传感器和仪器都能在太空中生存。去年九月,美国宇航局将探测器打包并运往肯尼迪航天中心进行飞行前测试。
每一步,斯特恩都密切关注着。2004年洛斯阿拉莫斯国家实验室的安全管制措施可能中断“新视野号”的钚燃料供应时,他感到焦虑。他随探测器来到佛罗里达,当威尔玛飓风损坏火箭的一个助推器引擎时,他再次担心。“不是他们真的需要我在那里,”他说。“我只是不想在佛罗里达的人们工作时,我在家陪孩子玩。”巴格纳尔怀疑如果没有斯特恩不断的推动,这个项目是否会实现。“艾伦绝对是关键人物,”她说。“不停地推动,推动,推动。这惹恼了一些人,但它奏效了。”
发射的冲忙过后,斯特恩现在面临着漫长等待的痛苦。“新视野号”将比历史上任何探测器飞行更长、更远,然后才能到达其主要目的地。它将一直活跃地收集科学数据,直到飞越木星。之后,它将在大部分飞行中处于休眠状态,每周只发回一次信标音以确认一切正常。
斯特恩说他期待能稍微放慢节奏:“过去几年,我基本上除了父母的责任核心之外,什么都放下了。我不再见朋友了。我没有爱好。”他的女儿萨拉,18岁,在斯特恩开始宣传冥王星时还是个襁褓中的婴儿。“她一生中听到的都是冥王星,”他说。
2015年,斯特恩的狂热生活将再次开始。由于“新视野号”无法减速,它将在八周内飞掠冥王星附近。任务最详细的部分,当小至100英尺的特征变得可见时,将仅仅持续30分钟。“新视野号”的发现应该会显著增加我们对地球和太阳系其他成员早期演化的理解。“冥王星基本上是一个胎死腹中的行星,一个行星胚胎,”斯特恩说。科学家们认为,数十亿年前太阳可能以现在吹走冥王星大气层的方式烧掉了地球的早期大气层。如果是这样,观测冥王星将有助于解释行星化学成分如何随时间变化——特别是地球如何发展出适合生命的成分。冥王星是唯一可能保存这一过程记录的行星。“古生物学上的等价物就像发现一个恐龙蛋,”斯特恩说。
“新视野号”还将帮助天文学家了解柯伊伯带天体是如何形成并与行星相互作用的。一种理论认为,冥王星及其同类是被木星和海王星的引力作用从内太阳系抛出的。当它们散布开来时,可能向地球洒下了水和有机分子。另一种可能性是,柯伊伯带的天体就地形成,并正在成为完整行星的路上,但由于某种未知原因停止了生长。冥王星和卡戎的图像和扫描将显示它们的表面被碰撞划伤的程度。清晰地观察冥王星应该能解释很多关于行星形成过程中伴随的令人困惑的乒乓效应。“太阳系中没有其他地方有类似的情况,”斯特恩说。“对于我这样的行星科学迷来说,你无法设计出更好的实验来理解柯伊伯带。”
几十年来一直存在的一个迫切问题是冥王星和卡戎是如何形成的。卡戎于1978年被发现,大小几乎是冥王星的一半,是太阳系中相对于其行星最大的卫星。它如此之大,以至于天文学家经常将两者称为双行星。去年夏天,当斯特恩和由“新视野号”项目科学家哈尔·韦弗领导的一个小组发现了另外两颗围绕冥王星运行的微小卫星时,这个谜团变得更加深奥。斯特恩推测,这三颗卫星是由于同一事件同时形成的,最有可能是一次与另一个天体的灾难性碰撞。大多数研究人员现在认为地球的月球也是以同样的方式形成的,但他们的想法在很大程度上依赖于计算机模型。“我们想了解其中的物理原理,”斯特恩说。
幸运的是,在“新视野号”飞掠冥王星之后,乐趣并未结束。该探测器设计旨在保留足够的燃料和动力,以便在飞掠后几年内继续探索柯伊伯带中的其他天体。斯特恩希望“新视野号”能够幸存下来,再访问两个目的地,尽管他要等到他和他的同事收集到更多数据后才能选择目标。柯伊伯带可能包含10万个直径约50英里以上的天体,因此找到两个值得参观的天体应该不是问题。“如果我2015年要去巴黎,有人问我会在哪里吃晚餐,我会说,‘我不担心找不到一家好餐馆——巴黎有很多。’”
近距离观察几块原行星并将其与冥王星进行比较,将填补许多关于每颗行星如何形成独特外观和组成的空白。斯特恩将重新审视启发他的问题:冥王星和柯伊伯带的其他居民真的是过度生长的彗星吗,它们由相同的物质构成,但规模更大?
“新视野号”将继续超越柯伊伯带,并于2050年进入更大更神秘的奥尔特云,那是休眠彗星的集合,可能延伸到最近恒星的一半距离。最终,探测器将无法再向地球发送无线电信号,但在深空的虚空中,它的寿命实际上是无限的。“当我在洁净室里看着‘新视野号’时,我想,这小东西将比一切都活得久,”斯特恩说。“不仅仅是你我,不仅仅是我们的文明,不仅仅是金字塔。它将比落基山脉活得久。它将持续数百万年。我敬畏地看着它。”














