冥王星(太阳系柯伊伯带中的矮行星)

冥王星(Pluto)，是第一个被发现的柯伊伯带中的矮行星，也是太阳系中已知最大的矮行星。它一直被认为是太阳系的第9颗行星，直到阋神星和其他类似天体被发现，2006年，随着国际天文联合会对于行星定义的发布，冥王星从行星被降级为矮行星。

1840年，乌尔班·勒维耶（Urbain Le Verrier）利用牛顿力学，发现天王星轨道存在偏差。1846年后，随着海王星的质量被算出，人们推测需要一个更大的天体来解释天王星轨道存在偏差这一现象，诞生了X行星的假说。1905年，珀西瓦尔·洛厄尔 (Percival Lowell) 观察到海王星和天王星的轨道存在奇怪的偏差，并首次提出冥王星的存在。1930年，克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）最终发现了冥王星。

由于冥王星与彗星有共同的特征，人们推测，冥王星可能是由众多彗星和相关柯伊伯带天体聚集而成的。冥王星的一天大约持续153小时，等于6.39个地球日。而绕太阳一周大约需要248年。冥王星的内部结构分为核、幔和壳，壳下可能存在地下海洋。冥王星表面具有山脉、山谷、平原和陨石坑。其大气层由氮气、甲烷和一氧化碳组成，且大气层较稀薄。冥王星有五颗卫星，分别为冥卫一（Charon）、尼克斯（Nix）、冥卫三（Hydra）、科波若斯（Kerberos）和斯提克斯（Styx）。

2015年，美国航空航天局的新地平线号探测器航天器成功飞跃冥王星，并拍摄到冥王星主要特征的照片，以及采集到关于其体积的数据。

发现与命名

发现

1840年，乌尔班·勒维耶（Urbain Le Verrier）利用牛顿力学，发现天王星轨道存在偏差。1846年，德国天文学家约翰 ·戈特弗里德 ·伽勒 (Johann Gottfried Galle)，根据法国数学家奥本 · 尚 ·提图斯·约瑟夫斯·奥本·勒维耶( Urbain Jean Joseph Le Verrier）的计算，证实了海王星的存在。海王星被发现并计算出其质量后，人们推测需要一个更大的天体来解释天王星轨道存在偏差这一现象，因此X行星的假说诞生了。

1894 年，商人兼天文学家珀西瓦尔·洛厄尔 (Percival Lowell) 创立了洛厄尔天文台，1905年洛厄尔观察到海王星和天王星的轨道存在奇怪的偏差。他认为一定还有另一个物体的引力牵引着这些冰巨星，导致它们的轨道出现差异，并首次提出冥王星的存在。洛厄尔于1915 年开始预测这颗神秘行星的位置，但是洛厄尔在1916去世。虽然洛厄尔的调查捕捉到了冥王星的两张微弱图像，但它的本质并没有被研究出来。

1930 年，天文台台长把寻找X行星的任务交给了23岁的克莱德·汤博（Clyde Tombaugh），洛厄尔天文台的克莱德·汤博根据洛厄尔和其他天文学家的预测，最终发现了冥王星。

命名

1930年，汤博发现一颗新星的新闻在英国所有报刊上都作为头版头条予以报道，并征求命名。英国牛津11岁的维尼蒂亚·伯尼 (Venetia Burney）向祖父建议新世界的名字应源自罗马冥界之神，她的祖父随后将这个名字传给了洛厄尔天文台。由于是洛厄尔首先提出冥王星的存在，所以这个名字也是为了纪念珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），他的名字首字母是冥王星（Pluto）的前两个字母。

冥王星符号基于“Pluto”的缩写。“P”代表罗马神冥王星，“L”代表洛厄尔，表示它最先是被洛厄尔天文台发现的。从神话的角度来看，冥王星是土星的儿子之一，但是他一出生就被土星吞噬了。

冥王星的拉丁语为“Plūtō”，其在古典神话中的是指冥界统治者，后来直接是指地狱本身。冥王星的希腊语为“Aïdes”（看不见的），也被称为Pluto或Pluton（富人或财富的给予者），在古希腊宗教中，代表冥界之神。

形成与演化

柯伊伯带天体

荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）于1951年推测从海王星轨道外侧直到离太阳上百天文单位处，还散布着巨量的小天体。这个区域称为“柯伊伯带”。柯伊伯带天体其实就是没有尾巴的彗星，即汇聚了亿万年的冰块灰尘团，它们是原始太阳星云的产物，形成于太阳系历史的早期（大约45亿年前）。如果柯伊伯带天体足够大（如冥王星），就会和其他巨大的类行星天体一样得到进化，形成坚实的内核（与覆盖其外的外壳组成成分不同）。已发现的柯伊伯带天体有2700多颗。

冥王星是在海王星轨道之外的柯伊伯带中运行的一组天体中的最大的星子之一。冥王星的起源长期以来一直困扰着天文学家。冥王星与彗星有共同的特征，据推测，冥王星可能是由众多彗星和相关柯伊伯带天体聚集而成的。虽然冥王星是已知最大的柯伊伯带天体，但海王星的卫星海卫一比冥王星稍大，也具有相似特征，并且它被认为是捕获的柯伊伯带天体。阋神星的大小与冥王星大致相同，但不是柯伊伯带的永久成员。有人推测，冥王星可能曾受过另外大星子的对心碰撞，变成现在的轨道；后又被一星子碰撞，变为侧向自转。

尼斯模型

2005年，在尼斯（Nice）进行国际合作的四位天文学家在《自然》（Nature）发表一组研究论文，提出四颗气态巨行星（木星、土星、天王星、海王星）原来形成于星云盘的较窄范围，在星云盘的气体耗散后，模拟得出它们发生很大的轨道迁移而到现在的轨道，这一模型称为尼斯模型。用尼斯模型可以很好地解释一些重要的早期演化问题，诸如类地行星形成的“晚期严重陨击” 、奥尔特云的形成、太阳系小天体的存在等。冥王星也被包括在尼斯模型的研究中，并且通过研究人员的计算表明，冥王星在未来10万年可能除了摆动一下，不会有什么变化。

特性

物理特性

由于冥王星轨道的原因，其周期性地比海王星更靠近太阳。冥王星与海王星的稳定轨道共振可以防止它们相撞。冥王星距离太阳最远点为48.9个天文单位（AU），最近点为29.7 个天文单位。来自太阳的光在大约 5.5小时内到达冥王星，其平均距离为39.5个天文单位。其具体物理参数如下：

轨道特性

冥王星上的一天大约持续153小时，等于6.39个地球日。而绕太阳一周大约需要248年。它有一个既是椭圆形的又是倾斜的轨道。它的椭圆形轨道可以使其距离太阳最远48.9个天文单位，最近的距离为29.7个天文单位，平均距离约为39个天文单位。1979年到1999年，冥王星位于近日点附近，此时它距离太阳最近。在此期间，冥王星实际上比海王星距离太阳更近。看起来冥王星可能会海王星相撞，但因为它们的轨道是对齐的，因此它们永远不会相撞，甚至无法相互靠近。像天王星和金星一样，冥王星也表现出逆行自转——从东向西旋转。由于冥王星的旋转轴相对于其绕太阳轨道的倾斜角度为57°，它几乎是侧向旋转，因此它的季节变化极大。在夏至时，地面的四分之一处于持续的日光下，另外四分之一处于完全黑暗的状态。冥王星具体轨道数据如下：

地质

内部结构

冥王星可能由70%的岩石和30%的水冰的混合物组成。其内部可能有一个被水冰地幔包围的岩石核心。科学家根据新地平线号探测器对冥王星大小、质量和形状的飞越测量而建立了冥王星内部模型，其间接证明冥王星在数百英里以下隐藏着液态水海洋层。由于冥王星表面很少有陨石坑，其内部很可能存在一定热源，能够让冰冻的火山熔岩流动于其地表以下，并随着火山的喷发被“挤到”了地表。

表面

冥王星表面具有山脉、山谷、平原和陨石坑。冥王星地表温度可能低至-247~-233℃。

陨石坑

冥王星表面没有很多宽度小于8英里（13 千米）的小陨石坑，即0.6英里至1.2英里（1-2千米）大小范围内的天体几乎没有撞击过它，这意味着小型柯伊伯带天体也比我们预期的要少。未被破坏的大天体对研究太阳系的起源和形成具有重要意义。

大气

冥王星的大气层由氮气、甲烷和一氧化碳组成。冥王星存在雾霾颗粒，会散射蓝光。这些粒子一开始在冥王星大气层的高处，以电离的甲和氮气的形式存在。当离子相互作用时，它们结合成更复杂的分子，并开始收集挥发性冰的外壳。随着雾霾颗粒变得越来越大，它们开始穿过大气层落下，收集更多的冰。当它靠近太阳时会膨胀，当它远离太阳时会塌陷——类似于彗星。当冥王星靠近太阳时，其表面的冰会升华（直接从固体变成气体）并上升，暂时形成稀薄的大气层。

冥王星的低重力（大约是地球的 6%）导致其大气层的高度比地球的大气层高得多。冥王星大气气体存在的高度已被追踪到1670千米，并且没有明显的上限。冥王星在每年远离太阳的部分时间会变得更加寒冷。在此期间，冥王星的大部分大气可能会冻结并以雪的形式落到地表。这场“雪”落到冥王星表面时呈红灰色。根据新地平线号探测器的测量，大气层被划分为约20个规则间隔的雾层，表面压力约为1Pa，大约比地球大气压低一百万到十万倍，温度为70K 或-203.15 ℃。

磁场与热能

磁场

人们尚不清楚冥王星是否有磁场，但它的小尺寸和缓慢的旋转表明很少或根本没有磁场。

热能

海王星是离太阳最远的太阳系行星,在他之外有一个名叫柯伊伯带，里面充满各种各样的脏雪球，据推测是太阳系以及它的成员们从很久以前死去的恒星留下的星云中形成时的副产品。这里几乎没有什么热能能传到这么遥远的地方,冥王星作为里面最知名的矮行星，自然成为冰雪行星。冥王星内部的热能来源，最可能的就是放射性同位素尤其是钾同位素的衰变，现有证据尚不能证明存在这样一个热能核心。但有研究可以证明在冥王星厚度不一的冰壳下面存在海洋，在其地表下约150千米至200千米处，深度约100千米，由海水和泥泞的冰组成，储水量甚至与地球的海洋相当。

卫星

冥王星有五颗已知的卫星：冥卫一（Charon）、尼克斯（Nix）、冥卫三（Hydra）、科波若斯（Kerberos）和斯提克斯（Styx）。这个卫星系统可能是由冥王星与太阳系早期历史上另一个类似大小的天体的碰撞形成的。

卡戎（Charon）

卡戎是1978年被发现的，大小约为冥王星的一半，以希腊神话中将灵魂运送到冥界的摆渡船工命名。它离冥王星中心19571公里，与冥王星绕共同质心转动，离质心17536km，质量为1.586x1021kg，半径606km，平均密度1.702g/cm3。它几乎围绕在冥王星赤道面绕转，由于绕转周期与冥王星自转周期相同，总保持在冥王星特定地点的上空，是冥王星的“同步卫星”。因此，科学家将冥王星和冥卫一称为双矮行星、双行星或双星系统。冥王星呈淡红色，而卡戎则显得更灰。新地平线号探测器对卡戎的观测揭示了月球表面存在峡谷。这些峡谷最深处向下延伸 6 英里（9.7千米）。卡戎中部有一片长长的悬崖和低谷，绵延 600 英里（970千米），其表面靠近两极的部分覆盖着比地球其他部分颜色深得多的物质。与冥王星的区域类似，卡戎表面的大部分区域都没有陨石坑，这表明该表面相当年轻且地质活跃。

尼克斯（Nix）

尼克斯亮度约为冥王星的1/5000，在半径为48694km的圆形轨道上绕冥王星转动，绕转周期为24.86日，与冥卫一存在6:1的轨道共振，且与卡戎的轨道共面。它被认为是由冥王星碰撞后的碎片形成的，没有被潮汐锁定，并且像其他小卫星一样混乱地翻滚，表面的红色区域很可能是由于撞击坑造成的。长约为42km，宽约为36km。

许德拉（Hydra）

许德拉亮度约为冥王星的1/5000，在半径为64738km的圆形轨道上绕冥王星转动，绕转周期为38.21日，与卡戎存在4:1的轨道共振。长约为55km，宽约为40km，质量小于冥卫一的0.3%。它的形状是不规则的且旋转，并且不会以同一面朝向冥王星，是冥王星最外层的卫星。其表面很可能主要覆盖着水冰，光谱略带蓝色。

科波若斯（Kerberos）

科波若斯是2011年被发现的，以看守地狱之门的多头犬命名。它具有双瓣形状，很可能是由两个较小的天体合并而成，直径约为13-34km。在半径为57783km的圆形轨道上绕冥王星转动，绕转周期为32.1日，轨道位于尼克斯和冥卫三之间。他的形状不规则，而且自转也很混乱，自转周期约为5.33天，其自转轴与轨道倾斜约96度，大约每32.127天绕冥王星一周。

斯提克斯（Styx）

斯提克斯是2012年被发现的，以希腊神话中掌管世间与冥界的冥河女神命名。它是冥王星距离上的第二颗卫星，直径约为10-25km。在半径为42656km的圆形轨道上绕冥王星转动，绕转周期为20.2日，轨道位于尼克斯和冥卫一之间。它的形状不规则，与冥卫三有11:6 轨道共振，与尼克斯有11:9 轨道共振。。

准卫星

准卫星是指在太阳系中与行星（或矮行星）以1:1共享轨道的小天体。准卫星不是绑定卫星，因为它们绕太阳运行而不是绕宿主体运行。冥王星15810（临时编号1994JR1 ）就是已知的冥王星准卫星，其也是在太阳系海王星外区域发现的第一个准卫星，它是1994年5月12日被发现的。它像逆行卫星一样移动，并且轨迹不闭合。这颗准卫星位于距冥王星约3.1个天文单位处，并且在慢慢向冥王星靠近。

观测与探测

观测

冥王星的视星等为15.1，其亮度相当于天王星和海王星最亮的卫星，因此对冥王星的观测比较容易。用6英寸或8英寸的望远镜在黑暗的天空中可以观测到冥王星。但是光污染对冥王星的观测影响很大，用一台10英寸的望远镜可以在黑暗（光污染为3级或以下）的天空下相当明显观测到冥王星，而在光污染4~5级的环境中则需要更大的望远镜（如12英寸望远镜）；而光污染为5-6级时则需要14~16英寸望远镜才能观测到。光污染特别严重的地方几乎不能观测到冥王星。

1990年，美国航空航天局的哈勃空间望远镜太空望远镜拍摄了第一张冥王星及其冥卫一的图像。1993年，科学家们对哈勃望远镜进行光学修复后，拍摄到了冥王星更加清晰的图像。美国宇航局在1994年通过哈勃望远镜获得了冥王星的8个像素点，其中每个像素点代表了冥王星表面150多平方英里的面积。随后几年，又通过哈勃获得了一些像素点。到2002年，美国宇航局根据从这些像素点提取的信息创建了第一张冥王星表面地图。

探测

新地平线号探测器对冥王星系统的探索：

基本原理

新视野航天器质量为478kg，其携带有Ralph-可见光和红外成像仪/分光光度计、Alice-紫外成像光谱仪、无线电科学实验仪器 (REX）、远程侦察成像仪（LORRI）、太阳风和等离子体光谱仪（SWAP）、冥王星高能粒子光谱仪（PEPSSI）、灰尘计数器 (SDC)。除了这些科学仪器外，新视野号还携带一台圆柱形放射性同位素热电发电机（卡西尼号任务的备用发电机），在发射时提供约250瓦的电力（在遇到冥王星时衰减至200瓦）。

当航天器离开地球167×213km后，半人马座火箭发射九分钟，将有效载荷延伸至小行星带的椭圆轨道。然后Star 48B固体火箭第二次发射，将航天器加速到约每小时58536km的速度，使航天器被设定在前往太阳系外围的轨道上。

结果

新视野航天器从2007年6月28日开始进入休眠模式，在此期间，航天器的机载计算机密切关注任务系统，传输特殊代码，表明操作是正常的还是异常的。在休眠期间，新地平线号探测器的大部分主要系统每年只有大约两个月被停用和恢复。其第二个、第三个和第四个休眠日期是2008年12月16日、2009年8月27日和2014年8月29日。2010年2月25日，新视野号经过了冥王星的中点。在任务期间其发现的冥王星新卫星科波若斯和斯提克斯。

2014年12月6日，地面控制人员最后一次将新视野号从休眠状态中唤醒，开始与冥王星的积极接触。当时，信号从飞船到达地球需要4小时25分钟。新地平线号探测器于2015年1月15日开始接近冥王星，并于3月10日通过93秒的推进器燃烧调整了其轨道。

到2015年4月29日，新地平线号探测器开始拍到关于冥王星明显的特征的照片，随着越来越接近冥王星，拍摄的照片也每周都在增加。2015年6月29日，发动机进行了最后一次23秒的燃烧，将新视野号以每秒27cm的速度加速飞向冥王星，并微调了其轨迹。2015 年7月4日，由于航天器命令序列中出现计时缺陷，新地平线号探测器进入安全模式，但是飞船于7月7日又恢复正常并科学运行。三天后，来自新视野号的数据揭示了冥王星的体积。科学家根据数据得出结论，冥王星直径约为2370km，略大于之前的估计。它的冥卫一被证实直径约为1208km。

最终，2015年7月14日UTC11点49分，新视野号飞到了冥王星表面上空约7800km的高度。大约13小时后，即7月15日零点五十三分（世界标准时间），约翰·霍普金斯大学通过美国航空航天局深空网络收到消息，确认新地平线号探测器飞越冥王星已完全成功。