2024年6月1日

冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅

我還記得當初的新聞,但除此之外忘個七七八八,有書能讀真是太好了。在新視野號之前,人類最後探索太陽系新行星的行動,是1977年出發的航海家計畫。航海家一號去了土星,二號最後分別去了海王星與天王星。


但冥王星呢?因為方向問題,二號去了海王星和天王星,接著就和冥王星永遠錯開了。航海家一號倒是可以去,但當時天文學界與NASA陷入掙扎,是要再冒五年風險去看那個根本不知道有什麼的冥王星,還是馬上轉向去看土衛六泰坦星?那是全太陽系唯一有大氣層、而且成份跟地球一樣以氮為主的衛星欸!


於是泰坦星中選,冥王星成為人力未竟之地,但也因此讓一群懷抱夢想的年輕人有了努力目標。他們成立冥王星地下軍這個同好會,並趁著1989年的美國地球物理聯合會大會,順便舉辦以冥王星為主題的活動與會議,目標是讓冥王星探勘這件事有望排進美國太空總署的計畫行程表。


本書作者之一,也是後來飛向冥王星的新視野號計畫主持人艾倫.史登(Alan Stern),在當時正是發起這個活動的年輕科學家。在這場地下會議之後,冥王星開始在行星研究這領域成為熱門主題(另一位作者則是也密切參與相關任務的大衛.葛林史彭(David Grinspoon),雖然在書裡比較影薄,不過同樣重要,而且文筆不錯)。


在當時拜訪冥王星,正是當代人類絕無僅有的好時機,因為在1930年被睜大著眼睛每晚拍照、白天盯照片的克勞德.湯博發現的冥王星,其公轉一圈的時間長達地球年248年。而且公轉軌道的近日點是在西元1989年,也就是說冥王星這幾十年間不但離地球較近,還因為溫度上昇會出現夠厚的大氣層可供研究。


更重要的是從地球出發然後木星與冥王星剛好排成一線,能讓人類利用木星重力輔助的發射時點僅在2002至2006年間。若錯過這個時機,想從地球發射飛行器到冥王星的時間將會大幅增加。而如果增加了,冥王星就會越來越遠離地球、大氣層也會越來越薄,再拖下去想看的東西也將看不到。


加上冥王星的傾斜角度是122度(地球是23度),也就是說粉斜,非常斜,所以永夜永晝的現象也會隨著離太陽越遠越極端。若是拖太久才把飛行器送過去,那能觀測的範圍也會變得非常少。該怎麼說呢,過了這村可是要再等兩百多年才有那個店啊啊啊!!!


就這樣,冥王星地下軍為了能以目前人力所及盡可能近的距離對冥王星哈斯哈斯,展開了一段長達四分之一個世紀,充滿政治、競爭、苦工,以及瘋狂與時間賽跑的太陽系盡頭之旅。本書從發現冥王星的歷史開始,簡單描述了人類探索行星的歷史。不過敘述重點當然還是新視野號計畫如何從一個熱血夢想,變成真真正正太空計畫的過程。


就探勘冥王星這個目標而言,最困難的是要想辦法跪求NASA開綠燈,這整個過程冥王星地下軍可說吃盡苦頭。眾所周知美國太空總署在經歷1960、70年代的高鋒後,接下來便面臨財政困難經費縮減,連帶也不受公眾輿論支持。


五十億年的孤寂曾描述這段後航海家計畫時期,NASA在基於政治利益與群帶關係不斷花大錢做白痴事幾個失敗的大型計畫後,逐漸傾向推動小而美又成效亮眼的計畫。瞄準了這點,熱衷冥王星的學者們,推出了物美價廉的冥王星350觀測計畫。


然後為了能讓這個計畫進入NASA的預算書,獲得太陽系探索小組委員會的認同便至關重要。當時會議上很多人都覺得冥王星研究這個後進該要乖乖排隊,覺得火星更重要的意見聲勢浩大,不過冥王星發射窗口如此之短的問題也非常切實。


紛爭之間地位崇高的大氣物理學家唐諾.杭騰(Donald Hunten)大吼:「夠了吧!等這任務抵達冥王星,我應該已經沒命可看了。就算苟延殘喘肯定也老到不知道這任務是什麼了。重要的是科學,該做的事我們就做吧。」


就這樣,冥王星任務得到太陽系探索小組委員會的放行,但尷尬的是同時間噴射推進實驗室有其他科學家介入。趁著美國太空總署署長到好萊塢參加典禮的時候,在他耳邊敲邊鼓說能提供一個更快更好更便宜的計畫。但當然結果這個計畫後來證明是坨屎,導致連冥王星350的佈局都被一併打爛。


這之後美國科學家把腦筋動到俄製火箭上,當然事後證明這是白忙一場。俄方不可能無償提供火箭,但美國政府依法也不能買俄製火箭(如果是臺灣某些噁心的人,大概會在那裡哭鬧政治掛帥意識型態破壞科學進展W)。同時間也聯絡了德國太空中心,但人家當時感興趣的是木衛一埃歐。


至於請俄羅斯代客發射就更不可能了,因為冥王星離太陽靠夭遠,所以太陽能發電什麼想都不用想,只能用核動力電池推進。若想把美國的核動力飛行器搭載到俄羅斯發動的載具上,呃,大概要先踩過國防部、能源部和環保署的殘骸喔。


結論就是靠外國人不可行,於是儘管NASA高層就是想辦法惡搞冥王星研究計畫,希望拖到這群科學家被動放棄。不過讀者能看到這本書出現,正表示這群人不管就科學還是政治都沒有放棄,而且還越來越努力。同時原本以為是一片荒蕪的外太陽系,隨著越來越多的科學證據出現,現在擁有超過十萬顆小型天體的古柏帶已為世人所知,剎時間太陽系第三區變得熱鬧非凡。


注意到相關趨勢的NASA開出準備搭載在飛行器上的科學觀測儀器的比稿條件,可是即將要公佈結論前,卻發現原本的飛行器與發射計畫,已經因為噴射推進實驗室的那坨屎變成預算怪獸了。抓狂的高層大筆一揮叫停了整個計畫,這下如同作者所說,他們活過了1990年代的巴丹死亡行軍,結果最後卻被一斧頭身首異處。


好吧,這種時候只能以人多欺負人少了。心繫冥王星的科學家不得已發起人海戰術,鼓動科學界一人一信,並發動群眾及媒體助攻,搞到主管去抽菸都會被路人衝過來叫他滾去冥王星。感受到民意濤濤的壓力,NASA找上才剛在1996年開發出繞行愛神星一年、最後還降落上去的近地小行星探訪飛行器,重點是還提前完工花費比預算少三千萬鎂的應用物理實驗室。


由超強的資深太空科學家史塔馬提歐斯.湯姆.克瑞米吉斯擔任計畫主持人,很快就開發出一個能把預算壓到五億美元內搞定的飛行器設計。很好,前路開通,探索冥王星的舊案可以再拿出來用了?嗯,很遺憾,NASA決定再比稿一次,想必當時有很多科學家想的是,天啊,怎麼又來了?


但只要能去冥王星,顯然他們的意志力強到可以扛住多來幾次。在絕無僅有的幾個月內的超級比稿期間內,作者所在的應用物理實驗室這隻小蝦米,必須想辦法扳倒以噴射推進實驗室為首、經歷豐富的大鯨魚。但沒關係不要睡覺雖然沒辦法解決全部的問題,但在時間不夠的情況下可以解決大部分的問題──除了錢的問題以外。


對,作者嚴重懷疑是噴射推進實驗室在背後運作,總之哪怕冥王星任務已是NASA十年調查計畫的首位,但新上任的小布希政府突然覺得我們比較想去土衛二歐羅巴欸。於是爆氣的湯姆.克瑞米吉斯決定也要拿出自己隱藏的牌組:參議員芭芭拉.米庫爾斯基。


這位往後還會救冥王星任務於水火中的參議員(次數多到作者直言冥王星上應該有個什麼以她的名字來命名),也是參議院主掌太空任務的撥款委員會主席,靠著她施壓NASA總算讓比稿競賽重新展開。既然如此,接下來就是繼續不要睡覺了。


新視野號(New Horizons)這個計畫自此正式成形,不管是飛行器還是上頭的科學儀器,每個都有一大團金頭腦的科學家全力全開的投注心力於其上。比稿的審查過程非常嚴謹又令人緊張,而且哪怕贏了噴射推進實驗室,之後也不斷被穿小鞋,還被NASA再度搞出預算卡關這等鳥事。


但無論如何應用物理實驗室總算突破難關,終於可以開始動工。而他們得在四年內用低預算搞定這件複雜到爆的事,嗯,不要睡覺?咳,本書就此部分的細節講得還滿多的,簡而言之就是想辦法便宜又大碗,同時還要發揮極度的備份主義。重要的東西通通都來雙份,畢竟誰也不想發生送出要在宇宙跑上四十八億公里的快遞,好不容易抵達冥王星面前拆包裹時,這才發現不能用的慘劇。


同時每個細節都非常重要,(使用深空網路的)天線、火箭、重中之重的放射線同位素熱電機(打造、運送與組裝過程非常有趣而且慎重其事),要把這東西射上太空所需要跑的公文也需要費心準備。在此同時,搭載於其上的所有科學儀器,全都需要最周延的設計、測試與製造。


這段我印象最深刻的是,作者忍不住比較搭載在新視野號與航海家號上的儀器性能,這自然是時代眼淚的問題,但只要想到航海家號上的紫外線光譜儀與像素是2,紅外線製圖光譜儀像素是1,對,沒有看錯,是1。而同時新視野號上的儀器象素分別是3.2萬和6.4萬畫素就,就,科學真是昌明啊 ~(感嘆)


當然除了這兩樣之外,新視野號上還搭載了無線電科學實驗儀、遠距勘測成像儀、冥王星周圍太陽風分析儀,以及冥王星高能粒子光譜科學調查儀,還有學生塵粒計數器。俗話說將領最重要的一個任務是培養出更多將領,而這點在科學這行上也是一樣。


學生塵粒計數器這個用來測量行星際塵粒衝擊次數的儀器,是第一個參與行星任務的學生作品,為的也是培養後進的概念。如今NASA大部分的行星任務都會加入學生打造的儀器,我覺得這是極有意義的事(另一件非常感動的事則是,新視野號也搭載了在1930年發現冥王星的科學家,克勞德.湯博的部分骨灰,某方面而言這大概是人類歷史上目前為止最具有儀式感「太空喪禮」了)。


可該怎麼說呢,人都會有盲點,也會有人和問題。冥王星任務一路走來,核心參與者實在被搞太多次,我看著看著忍不住覺得或許當時參與計畫的科學家都太習慣當被害者了。以至於已經進入打造飛行器的程序了,都還有事就硬著頭皮自己衝。連NASA也變得搞不清楚狀況,不曉得該要轉換思維大力協助了。


就在這個時候,整個計畫的重要軸承,一位年輕的經理陶德.梅伊上線。他甫加入計畫馬上就徹底弄懂新視野號當時的狀況,進度如何、如有落後又是因為什麼理由,然後迅速的提出改善計畫。同時他更讓美國太空總署意識到:別開玩笑了,要是新視野號出包,NASA可會跟著一起倒大楣!


就這樣,新視野號團隊終於和NASA站上同一陣前開始前進。當然飛行器打造好了要送上空還是各種問題,實際上問題之多簡直讓我覺得如果這拍成電影(但說真的我覺得本書早晚會拍成電影),也會因為轉折過多結果令人生煩吧。可話又說回來,實際要送一個東西離開地球表面前往四十八億公里外就是這麼煩。


天氣、停電、雲層、好像有關係又好像沒有關係的意外、負責製造推進器要用的鈽的阿拉莫實驗室,一直停工導致產能不足等等。前後經歷三次與好幾回的卡關,最後團隊才終於在2006年1月19日成功讓新視野號發射升空。該怎麼說呢,發射成功之後把緊急應變程序手冊丟進營火燒,真是個不錯的傳統!


老實說我在閱讀本書前,也真的以為冥王星任務團隊,在新視野號航行的九年間應該會過著悠閒的時光。但對不起我錯了,看起來還是不太能爽爽睡覺,因為整個任務小組還要不斷進行排程規畫、程式設計與故障演練。過程中還無言的發現因為計算錯誤,所以買到規格錯誤的推進器……好吧,至少這個還有救。


比起NASA的維京一號降落火星時,因為軟體更新誤夾調整通訊天線指向命令,結果天線直接指向火星地面就此GG。又或者俄羅斯的火星探測器弗伯斯一號,因為上載的軟體少一個字符,結果飛行器關閉高度控制推進器。導致太陽能板無法追蹤太陽結果電力快速耗盡,最後沒有成功救回來。


不過更慘的是NASA的火星氣象衛星,因為接近火星時下降高度過低直接就在大氣層裡燒掉,起因是有兩組工程師,一組用英制算,另一組用公制算……這些問題說起來都很白痴,但在一個精密且極度複雜繁瑣的計畫中,有時無論再怎麼小心也還是會發生諸如此類的問題。


於是該怎麼說呢,業子力學真是個讓人心情複雜 ~(呃)


但當然現在提到冥王星,很多人印象比較深刻的是國際天文聯合會在2006年,將之逐出九大行星行列的決議。但依作者說法,這整件事比較像英國天文學家布萊因.馬斯登,就是看發現冥王星的克萊德.湯博極度不爽搞出的飛機。實際上這個以天文學者為主的學會並沒有足夠的行星學家,其次他們為了搞掉冥王星所修訂出的行星定義根本狗屁不通。


比如認為行星必須繞行太陽(哈囉,系外行星表示?),再來壓低行星數量的理由之一是要讓小學生記憶的負擔減輕(當過小學生的我覺得背九個並沒有壓力)。而且行星應該要將所在的地區掃蕩乾淨(意思大概是要不吸過來撞一起就是推走這樣),但這有意義嗎?什麼,矮行星不是行星?喔,好啦,隨便。


總而言之這個決議引發強烈抗議,也沒有成為學界公認的結論。但由於媒體大抵上沒做太多平衡報導,於是在大眾心中便留下冥王星已經不是行星的印象。當然實際上是不是可以討論,但總之要注意那個決議本身並非學界公認的結論就是了。


當然在支持除名的科學家眼中,則又有另一番合理說法。比如認為太陽系內有很多小行星質量不下冥王星其至更大一點,像穀神星之類的,所以如果冥王星是行星,那太陽系就要多一大堆行星。然後也有指出本書作者因為其事業成就的關係,自然與冥王星是否除名存在利益迴避問題。


總之我看這場仗還會繼續打上一陣子,現階段我的觀點就是,無論如何,四十八億公里的歡樂送,去看人類以前未曾實際接觸過的星體,怎樣都是有意思的科學成就。新視野號在透過木星重力加速飛往冥王星之後,便進入漫長的休眠期。


同時間地球上的科學家團隊則就觀測與操作,展開一連串的規畫和練習。在發射成功前人類只知道冥王星有凱倫這個巨大的衛星,以及2005年發現的尼克斯與海卓拉兩顆衛星。直到2011年才發現原來冥王星總共有五顆衛星,最後兩顆分別是史蒂克斯與柯貝羅斯。


但尷尬的一點是新視野號團隊當時不確定冥王星是否還有更多衛星,只是小到用哈伯望遠鏡也看不到,更別提模型跑下去冥王星還很可能有一個環。那要是新視野號撞上去怎麼辦?沒辦法,這之後新視野號只能不斷定時觀察,到底有沒有未知的衛星或環存在的跡象。並規畫出一個就觀測計畫來說失色很多,可安全性大幅提升的新路線。


當然幸運又或者說大宇宙意志發揮的一點是,當新視野號在2015接近冥王星時,看起來就真的只有五顆衛星,然後和模型不一樣的是也沒有環。所以新視野號最終還是按照原訂計畫,跑完大多數的觀測。除了因為剛開始同時壓縮照片與處理上傳指定,導致主電腦當機損失的時間外,可說是完美達成了冥王星地下軍當初的期盼。


跑了四十八億公里之後,除了達成非常令人感動的成就外,人類的收獲是什麼?答案是我們對這個宇宙的奇妙之處又知道得更多了,首先在原始想像(推測?)中,冥王星應該是一顆死寂沈默的行星。


但根據觀測結果,冥王星不但打趴過往認為,太小的行星無法持續維持地質活動的論點。又或者說,冥王星打翻了過往教科書上的常識。因為其地表有非常豐富的地表活動,並存在極其多變的地形,活躍程度甚至可能超越比其大上許多的行星。


寬達一千公里的固態氮冰河史普尼高原,在整個太陽系中絕無僅有,還存在藍色大氣與大氣霾層。而另一個打趴傳統概念的點則是,冥王星的大氣層流失率比預期低上一萬倍,這是因為其上層大氣溫度意外的低。同時從冥王星的表面地形可以判斷,過去曾存在流動或靜止的揮發性液體,內部也可能存在液態水海洋。


同時期衛星凱倫有巨大的赤道構造帶,暗示古代可能存在內部海洋;其極地的深紅極冠則可能是來自冥王星上的甲烷化學作用而成。至於冥王星其餘四顆衛星的觀測也都並不同於常態。終個來說這次觀測任務發現了許多人類過往不知道的事,傳回許多美麗圖像,但同時也留下大量謎團等待後人揭曉。


能做到這件事的大概是下一代甚至下下代的人類了,但誠如作者期待的,阿波羅計畫與航海家計畫啟發了他們這幾輩的科學家,或許新視野號也有望成為下一代點燃火花的開始。當然新視野號在探索完冥王星,以及一小塊的古柏帶後還能再走多遠,就要看NASA想不想延續這個可能性了。


冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅(Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto)是一部寫得十分活潑(又因為譯者譯文風格所以變得更活潑 XD)的科學探險故事。


閱讀本書可以看見橫亙在一個太空計畫中的風險與政治運作,以及執行計畫時的精密排程與種種運作過程,對飛向太空感興趣的讀者肯定能閱讀愉快。不過更重要的一點或許是,這是會不知不覺讓人感覺浪漫的故事。畢竟,這是能讓讀者與那已經在五十億光年之外、持續向更遠方前去的人造物體連結起來的冒險啊。



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