冥王星（Pluto，小行星編號為134340，天文符號為?）是柯伊伯帶中的矮行星。冥王星是被發(fā)現(xiàn)的第一顆柯伊伯帶天體，第一顆類冥天體，是太陽系內(nèi)已知體積最大、質(zhì)量第二大的矮行星。

在直接圍繞太陽運行的天體中，冥王星體積排名第9，質(zhì)量排名第10。冥王星是體積最大的外海王星天體，其質(zhì)量僅次于位于離散盤中的鬩神星。與其他柯伊伯帶天體一樣，冥王星主要由巖石和冰組成，質(zhì)量相對較小，僅有月球質(zhì)量的1/6、月球體積的1/3。冥王星的軌道離心率及傾角皆較高，近日點為30天文單位（44億千米），遠(yuǎn)日點為49天文單位（74億千米）。冥王星會周期性進(jìn)入海王星軌道內(nèi)側(cè)，但因與海王星的軌道共振而不會碰撞。按平均距離計算，太陽光需要5.5小時才能到達(dá)冥王星。

1930年，克萊德·湯博發(fā)現(xiàn)冥王星，并將其視為第九大行星。1992年后在柯伊伯帶發(fā)現(xiàn)的一些質(zhì)量與冥王星相若的天體開始挑戰(zhàn)其行星地位。2005年發(fā)現(xiàn)的鬩神星質(zhì)量甚至比冥王星質(zhì)量多出27%，國際天文聯(lián)合會（IAU）因此在2006年正式定義行星概念，將冥王星排除出行星行列，重新劃為矮行星。

冥王星有五個已知的衛(wèi)星，軌道由內(nèi)到外為：冥衛(wèi)一（最大的衛(wèi)星，直徑略大于冥王星的一半）、冥衛(wèi)五、冥衛(wèi)二、冥衛(wèi)四、冥衛(wèi)三。冥王星和冥衛(wèi)一的質(zhì)心不在其中任何一個天體之內(nèi)，被非正式看做雙矮行星系統(tǒng)。2015年7月14日，美國宇航局發(fā)射的新視野號探測器飛掠冥王星系統(tǒng)，并進(jìn)行了詳細(xì)的測量和觀測，成為人類首顆造訪冥王星的探測器。

中文名

冥王星

外文名

Pluto

別????名

134340號小行星、冥神星

分????類

矮行星

發(fā)現(xiàn)者

克萊德·威廉·湯博

發(fā)現(xiàn)時間

1930年2月18日

質(zhì)????量

1.303?1022?kg(±0.003)

平均密度

1.854 g/cm3(±0.006)

直????徑

2376.6 km(±1.6)

表面溫度

-229 ℃

逃逸速度

1.212 km/s

反照率

0.49 至 0.66

視星等

14.53 等(13.65至16.3)

絕對星等

-0.7 等

自轉(zhuǎn)周期

6日9小時17分36秒(逆自轉(zhuǎn))

半長軸

39.482 天文單位

離心率

0.2488

公轉(zhuǎn)周期

247.94 年

平近點角

14.53 度

軌道傾角

17.16 度

升交點經(jīng)度

110.299 度

大氣層構(gòu)成

甲烷、氮氣、一氧化碳

已知衛(wèi)星數(shù)量

5

轉(zhuǎn)軸傾角

119.591±0.014°

角直徑

0.065″-0.115″

遠(yuǎn)日點

49.305 天文單位(73.760 億千米)

近日點

29.658 天文單位(44.368 億千米)

會合周期

366.73 天

平均公轉(zhuǎn)速度

4.743 km/s

表面積

1.779×10? km2

體????積

7.057×10? km3

表面重力

0.620 m/s2

近日點幅角

113.834°

赤道自轉(zhuǎn)速度

47.18 km/h

歷史

發(fā)現(xiàn)

在1840年代，奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）在分析天王星軌道的擾動后，利用牛頓力學(xué)來預(yù)測當(dāng)時未被發(fā)現(xiàn)的行星——海王星的位置。隨后在19世紀(jì)后期對海王星的觀測，使天文學(xué)家推測天王星的軌道正受到海王星以外的另一個行星的干擾。1906年，珀西瓦爾·洛厄爾（Percival Lowell），一位富有的波士頓人，于1894年在亞利桑那州弗拉格斯塔夫成立了羅威爾天文臺（Lowell Observatory）。1906年，他開始搜索第九大行星——行星X。到1909年，羅威爾和威廉·亨利·皮克林（William H. Pickering）提出了這種行星的幾種可能的天球坐標(biāo)。此項搜索一直持續(xù)到1916年羅威爾逝世為止，但是沒有任何成果。1915年3月19日的巡天已拍攝到了兩張帶有模糊的冥王星圖像的照片，但是這些圖像并沒有被正確辨認(rèn)出來。已知的此類前向重建照片還有15張，最早可追溯至葉凱士天文臺于1909年8月20日拍攝的照片。帕西瓦爾·羅威爾的遺孀康斯坦斯·羅威爾（Constance Lowell）企圖獲取天文臺中其夫所有的份額，為此展開了十年的法律訴訟。對X行星的搜索因由此產(chǎn)生的法律糾紛直至1929年才恢復(fù)。時任天文臺主管的維斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）在看到克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）的天文繪圖樣品后，將搜索X行星的任務(wù)交與湯博。

湯博的任務(wù)是系統(tǒng)地成對拍攝夜空照片、分析每對照片中位置變化的天體。湯博借助閃爍比對器快速調(diào)換感光干板搜索天體的位置變化或外觀變化。1930年2月18日湯博在經(jīng)歷近一年的搜索后在當(dāng)年1月23日與1月29日拍攝的照片中發(fā)現(xiàn)了一可能移動的天體。1月21日的一張質(zhì)量不佳的照片確認(rèn)了該天體的運動。在天文臺進(jìn)一步拍攝了驗證照片后，發(fā)現(xiàn)第九大行星的消息于1930年3月13日由電報發(fā)往哈佛大學(xué)天文臺。冥王星的公轉(zhuǎn)周期是247.68年，自從被發(fā)現(xiàn)以來，冥王星還沒有完整的繞太陽公轉(zhuǎn)一周。

命名

發(fā)現(xiàn)第九大行星的消息在全世界產(chǎn)生轟動。羅威爾天文臺擁有對該天體的命名權(quán)，他們從全世界收到了超過一千條命名建議，從Atlas到Zymal?？巳R德·湯博敦促維斯托·斯里弗盡快在他人起名前提出一個名字?？邓固顾埂ち_威爾提出了宙斯（Zeus），然后是珀西瓦爾（Percival），最后是康斯坦斯（Constance），這些建議被無視了。英國牛津的10歲女學(xué)生威妮夏·伯尼（Venetia Burney）因其對古羅馬神話的興趣建議以羅馬神話中的冥界之神普魯托（Pluto）命名此行星。伯尼在與其祖父福爾克納·梅丹（Falconer Madan）交談中提出了這個名字。原任牛津大學(xué)博德利圖書館館員的梅丹將這個名字交給了天文學(xué)教授赫伯特·霍爾·特納（Herbert Hall Turner），特納將此事拍電報發(fā)給了美國同行。

該天體正式于1930年7月12日命名。所有羅威爾天文臺成員允許在三個候選命名方案中投票選擇一個：密涅瓦（Minerva，已被一小行星使用）、克羅諾斯（Cronus，宙斯之父第一代泰坦十二神的領(lǐng)袖，因被不受歡迎的天文學(xué)家托馬斯·杰斐遜·杰克遜提出而落選）、普魯托（Pluto）。最后普魯托以全票通過，該命名于1930年5月1日公布。梅丹在得知此消息后獎勵其孫女威妮夏5英鎊（相當(dāng)于2014年的300英鎊或450美元）。Pluto獲選的部分原因是頭兩個字母P和L為帕西瓦爾·羅威爾的首字母縮寫。該天體的天文符號（?，Unicode為U+2647）是由字母P和L構(gòu)成的花押字。

普魯托（Pluto）這個名字迅速被大眾文化所接受。1930年華特·迪士尼（Walt Disney）似乎受普路托啟發(fā)設(shè)計了米老鼠的寵物狗布魯托（Pluto），但是迪士尼動畫師本·夏普斯廷無法確認(rèn)布魯托名字的來源。1941年格倫·西奧多·西博格（Glenn T. Seaborg）按照鈾（Uranium）以天王星（Uranus）命名、镎（Neptunium）以海王星（Neptune）命名的傳統(tǒng)將新創(chuàng)造的元素钚（Plutonium）以冥王星（Pluto）命名。

大多數(shù)語言以Pluto的不同文化的意譯變體稱呼該天體。日本天文學(xué)、民俗研究者野尻抱影提議在日語中以“冥王星”（Meiousei）稱呼。漢語、韓語直接借用了該名稱。越語（Sao Diêm V??ng）意為閻羅王星，源于漢語中的閻王（Yánwáng）。部分印度語言使用Pluto稱呼該冥王星，但是包括印地語在內(nèi)的其他印度語言使用印度教中的閻摩或佛教的閻羅王（都稱Yama）來稱呼冥王星。波利尼西亞語言也傾向于使用本土文化中的地獄之神稱呼冥王星，例如毛利語中的Whiro。

行星X爭議

冥王星一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它的模糊且不好分辨的圓面就使人們懷疑它是羅威爾定義的行星X。在整個20世紀(jì)，冥王星的質(zhì)量估計值都在向下修正。天文學(xué)家最初根據(jù)其對海王星和天王星的影響來計算其質(zhì)量。1931年，粗略計算得到的冥王星質(zhì)量大約等于地球的質(zhì)量，1948年又進(jìn)行了進(jìn)一步的計算，使質(zhì)量下降到了大約火星的質(zhì)量。1976年，夏威夷大學(xué)的戴爾·柯雷薩恩克（Dale Cruikshank）、卡爾·皮爾徹（Carl Pilcher）和大衛(wèi)·莫里森（David Morrison）首次計算了冥王星的反照率，發(fā)現(xiàn)與甲烷冰的反射情況相匹配。這意味著冥王星特別反光，鑒于它的大小，因此不會超過地球質(zhì)量的1％。冥王星的反照率是地球的1.4–1.9倍。

1978年，冥王星的衛(wèi)星冥衛(wèi)一（Charon）的發(fā)現(xiàn)，使冥王星的質(zhì)量首次得以測量，結(jié)果大約是地球質(zhì)量的0.2％，質(zhì)量太小無法解釋天王星軌道的問題。隨后尋找替代行星X的嘗試都失敗了，其中最著名的是羅伯特·薩頓·哈靈頓（Robert Sutton Harrington）的研究。1992年，邁爾斯·斯坦迪什（Myles Standish）使用了旅行者2號于1989年飛掠海王星時所獲得的數(shù)據(jù)，使得海王星質(zhì)量的估算值下調(diào)了0.5％（與火星質(zhì)量相當(dāng)）。根據(jù)新的數(shù)據(jù)重新計算海王星對天王星的引力效應(yīng)時，與之前計算的差異使得對行星X的需求消失了。之后，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為羅威爾定義的行星X并不存在。羅威爾在1915年對行星X的軌道和位置做出了預(yù)測，該預(yù)測與冥王星當(dāng)時的實際軌道及位置相當(dāng)接近。歐內(nèi)斯特·布朗（Ernest W. Brown）很快得出結(jié)論，冥王星的發(fā)現(xiàn)只是個巧合。

分類

“行星”有兩個主要定義。忽略通常不一致的技術(shù)細(xì)節(jié)，第一個要求天體是否像行星一樣運轉(zhuǎn)（例如其軌道和與其他物體的關(guān)系），第二個要求天體看起來像行星一樣（例如其是否具有行星地質(zhì)）。冥王星符合第二個定義，但不符合第一個定義。

從1992年起，發(fā)現(xiàn)了許多與冥王星相同體積的天體，這表明冥王星僅是柯伊伯帶天體的其中一員。這使它的行星地位成為爭議，許多人質(zhì)疑冥王星是否應(yīng)該與周圍天體一起考慮還是分開考慮。博物館和天文館館長有時會通過在太陽系的行星模型中忽略冥王星，從而引起爭議。2000年2月，紐約海登天文館（Hayden Planetarium）展示了只有八個行星的太陽系模型，一年后成為頭條新聞。

爭論在2006年8月達(dá)到頂峰，國際天文學(xué)聯(lián)盟的一項決議為“行星”一詞創(chuàng)建了正式定義。根據(jù)該決議，將太陽系中的物體視為行星有三個條件：1.天體必須繞太陽公轉(zhuǎn)。2.天體必須足夠大，才能通過其自身引力形成球形。更具體地說，其自身的重力應(yīng)將其拉成流體靜力平衡所定義的形狀。3.天體必須清除其軌道附近的區(qū)域。

冥王星不符合第三個條件。它的質(zhì)量遠(yuǎn)小于其軌道上其他物體的總質(zhì)量，只占后者的7%。與之相比，地球質(zhì)量是地球軌道上其他小天體質(zhì)量總和（不包括月球）的170萬倍。國際天文學(xué)聯(lián)合會進(jìn)一步?jīng)Q定，像冥王星一樣滿足標(biāo)準(zhǔn)1和2但不滿足標(biāo)準(zhǔn)3的天體將被稱為矮行星。2006年9月，國際天文學(xué)聯(lián)合會將冥王星、鬩神星及鬩衛(wèi)一編入小行星星表，并為其正式編號為（134340）Pluto，（136199）Eris和（136199）Eris I Dysnomia。如果冥王星在1930年被發(fā)現(xiàn)時就被編入小行星星表，那么它可能會被安排在早一個月發(fā)現(xiàn)的1163 Saga之后，編為1164號小行星。

在天文學(xué)界內(nèi)部，不少人對重新分類冥王星有所抵觸。美國宇航局新視野號冥王星任務(wù)的首席研究員艾倫·斯特恩（Alan Stern）嘲笑了國際天文學(xué)聯(lián)合會的決議，指出“由于技術(shù)原因，該定義令人討厭”。斯特恩爭辯說，按照新定義的行星概念，地球、火星、木星和海王星都將因為與小行星共享軌道，被排除在行星之外。他認(rèn)為，所有大型球形衛(wèi)星，包括月亮，也應(yīng)視為行星。他還指出，由于只有不到5％的天文學(xué)家對此表示贊成，因此該決定并不代表整個天文學(xué)界。當(dāng)時在羅威爾天文臺的馬克·布伊（Marc W. Buie）反對該定義。其他人則支持國際天文學(xué)聯(lián)合會。發(fā)現(xiàn)鬩神星（Eris）的天文學(xué)家邁克·布朗（Mike Brown）說：“人們通過完全瘋狂的、類似于馬戲團(tuán)的程序，以某種偶然的方式找到了正確的答案。即便這決定早就該來了。即使涉及到強(qiáng)烈的情緒，科學(xué)最終還是會自我糾正?！?/p>

公眾對國際天文學(xué)聯(lián)合會的決定反應(yīng)復(fù)雜。加利福尼亞州議會通過的一項決議開玩笑地將國際天文學(xué)聯(lián)合會的決定稱為“科學(xué)異端”。新墨西哥州眾議院通過了一項紀(jì)念該州長期居民克萊德·湯博的決議，該決議宣布在新墨西哥州的天空中，冥王星將一直被視為行星，并將2007年3月13日設(shè)為冥王星行星日。伊利諾伊州參議院在2009年通過了一項類似的決議，理由是冥王星的發(fā)現(xiàn)者克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）出生在伊利諾伊州。該決議聲稱，國際天文學(xué)聯(lián)合會將冥王星“不公平地降級為'矮行星'?！币恍┕娙耸恳簿芙^了這一改變，理由是科學(xué)界內(nèi)部對此問題或出于情感原因存在分歧，堅持認(rèn)為他們一直將冥王星稱為行星，并且無論國際天文學(xué)聯(lián)合會的決定如何，都將繼續(xù)這樣做。

2006年，美國方言協(xié)會第17屆投票將“plutoed”定為年度單詞，“pluto”變動詞后意為“使某人或某物，降級或貶值”。2008年8月在約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室舉行了一場辯論，雙方研究人員就國際天文學(xué)聯(lián)合會現(xiàn)行行星定義進(jìn)行了背靠背的辯論。會議發(fā)表了題為“大行星辯論”的會后新聞稿，指出科學(xué)家無法就行星的定義達(dá)成共識。2008年6月，國際天文學(xué)聯(lián)合會在一份新聞稿中宣布，類冥行星（Plutoid）一詞從此以后將用來指稱冥王星和其他軌道半長軸大于海王星的行星質(zhì)量天體，盡管該術(shù)語尚未得到廣泛使用。

軌道

冥王星的軌道周期約為248年。它的軌道特性與行星的軌道特性大不相同，行星靠近被稱為黃道的參考平面以近似圓形的軌道圍繞太陽運動。相比之下，冥王星的軌道相對于黃道略微傾斜（超過17°），偏心率略大（橢圓）。這種偏心率意味著冥王星的一小部分軌道比海王星的軌道更靠近太陽。冥王星-冥衛(wèi)一質(zhì)心于1989年9月5日到達(dá)近日點，并在1979年2月7日至1999年2月11日之間比海王星更靠近太陽。

冥王星在1930年初被發(fā)現(xiàn)時靠近雙子座δ，正在穿越黃道面。

從長期來看，冥王星的軌道是混亂的。使用計算機(jī)模擬可以向前和向后來預(yù)測數(shù)百萬年間冥王星的位置，因冥王星會受太陽系內(nèi)細(xì)微因素的影響改變軌道，超過李雅普諾夫時間（Lyapunov Time，一千萬年到兩千萬年）后，預(yù)測的不確定性會變大，難以預(yù)測的因素將逐漸改變冥王星在其軌道上的位置。冥王星軌道的半長軸在39.3至39.6天文單位之間變化，周期為19,951年，對應(yīng)于246至249年之間的軌道周期。冥王星的半長軸和公轉(zhuǎn)周期在變得越來越長。

與海王星的關(guān)系

盡管從正上方看，冥王星的軌道似乎與海王星的軌道交叉，但兩個天體的軌道是關(guān)聯(lián)的，因此它們永遠(yuǎn)不會碰撞甚至接近。冥王星軌道與海王星軌道并沒有交點。從極面上看冥王星與海王星的距離在冥王星處于近日點時最近，但此時冥王星因與海王星軌道相隔8天文單位而不會產(chǎn)生碰撞。冥王星的升交點和降交點與海王星的對應(yīng)交點相隔超過21°。光靠這還不足以保護(hù)冥王星。冥王星的軌道可能受到其他行星的攝動（拱點進(jìn)動）而最終與海王星相撞。因此還有其他機(jī)制防止兩顆天體相撞。其中最主要的機(jī)制是冥王星與海王星的2：3平均運動軌道共振：冥王星完成兩次公轉(zhuǎn)時，海王星完成三次公轉(zhuǎn)。該過程以495年的周期周而復(fù)始。在每個周期中，冥王星第一抵達(dá)近日點，海王星比冥王星落后50°。冥王星到達(dá)第二個近日點，海王星將完成其自身軌道的一半左右，比冥王星領(lǐng)先130°。因此冥王星與海王星的最近距離是17天文單位，大于冥王星與天王星的最近距離（11天文單位）。實際上，冥王星和海王星之間的最小距離發(fā)生在冥王星到達(dá)遠(yuǎn)日點時。

兩個物體之間的2：3共振高度穩(wěn)定，并已保持了數(shù)百萬年。該機(jī)制防止兩顆天體改變相對位置，使其無法靠近對方。即使冥王星的軌道與海王星軌道共面，這兩個天體也永遠(yuǎn)不會碰撞。平均運動共振的長期穩(wěn)定性歸因于相位保護(hù)。如果冥王星的周期略短于海王星的3/2，則會發(fā)生相對于海王星軌道的漂移，從而使它更靠近海王星的軌道。兩者之間的強(qiáng)烈引力使海王星的角動量轉(zhuǎn)移到冥王星。根據(jù)開普勒第三定律，這將使冥王星進(jìn)入稍大的軌道，并在其中運行得稍慢一些。經(jīng)過多次此類重復(fù)之后，冥王星被充分減速，海王星也被充分加速，以至于冥王星相對于海王星的軌道向相反方向漂移，直到過程逆轉(zhuǎn)。整個過程大約需要20000年。

其他機(jī)制

數(shù)值研究表明，冥王星和海王星軌道在數(shù)百萬年內(nèi)沒有太大變化。除了2：3平均運動共振之外，還有其他一些共振和相互作用可以增強(qiáng)冥王星的公轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。這些主要來自兩個額外的機(jī)制。

首先，冥王星的近日點幅角，也就是軌道和黃道的交點與最接近太陽的點之間的夾角，平均約為90°。這意味著當(dāng)冥王星最靠近太陽時，它位于太陽系平面上方最遠(yuǎn)的位置，從而防止與海王星的相遇。這是古在機(jī)制（Kozai mechanism）的結(jié)果，該機(jī)制將軌道傾角和離心率的周期性變化與更大的擾動體（在本例中為海王星）相關(guān)聯(lián)。冥王星近日點幅角相對于海王星變化的幅度為38°，冥王星近日點因此與海王星軌道的角距離總是大于52°(90°–38°)。兩顆天體的角距離大約每一萬年達(dá)到最小值。

其次，兩個物體的升交點經(jīng)度（它們與黃道相交的點）與以上近似共振。當(dāng)兩者經(jīng)度相同時（也就是說，可以通過兩個節(jié)點和太陽繪制一條直線時），冥王星的近日點正好位于90°，因此當(dāng)冥王星最接近太陽時，則位于海王星軌道上方的最高點。這就是所謂的1：1超共振。所有的類木行星，特別是木星，都在超共振的產(chǎn)生中發(fā)揮作用。

準(zhǔn)衛(wèi)星

在2012年，有人假設(shè)15810號小行星Arawn可能是冥王星的準(zhǔn)衛(wèi)星，這是一種特殊類型的共軌狀態(tài)。根據(jù)該假設(shè)，該天體將在每兩百萬年中的約35萬年成為冥王星準(zhǔn)衛(wèi)星。根據(jù)新視野號航天器在2015年進(jìn)行的測量，可以準(zhǔn)確地計算出Arawn的軌道。這些計算證實了假設(shè)中描述的整體動態(tài)。但是，天文學(xué)家之間尚無共識，是否應(yīng)根據(jù)這一運動將Arawn歸類為冥王星的準(zhǔn)衛(wèi)星，因為Arawn的軌道主要是由海王星控制的，冥王星引起一些較小的擾動。

自轉(zhuǎn)

冥王星的自轉(zhuǎn)周期，即它的一天，等于6.387地球日。像天王星一樣，冥王星在軌道平面的側(cè)著旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸傾角120度，因此季節(jié)性變化非常大。到了至日（夏至和冬至），它的四分之一表面處于極晝之下，而另一四分之一處于極夜之中。這種不尋常的自轉(zhuǎn)方向的原因已經(jīng)引起爭論。亞利桑那大學(xué)的研究表明，這可能由于天體會自轉(zhuǎn)始終的以最大程度地減少能量的方式調(diào)整自轉(zhuǎn)方向。這可能意味著天體會改變自轉(zhuǎn)方向，以在赤道附近放置多余的質(zhì)量，而缺乏質(zhì)量的區(qū)域會趨向兩極。這被稱為極移。根據(jù)亞利桑那大學(xué)發(fā)表的一篇論文，這可能是由于矮行星陰影區(qū)域積聚的大量凍結(jié)的氮冰所致。這些質(zhì)量會導(dǎo)致天體改變自轉(zhuǎn)方向，從而導(dǎo)致其異常的120°轉(zhuǎn)軸傾角。由于冥王星距離太陽很遠(yuǎn)，赤道溫度可能降至-240°C（33.1 K），導(dǎo)致氮氣凍結(jié)成氮冰，就像水會在地球上結(jié)冰一樣。在南極冰蓋增大數(shù)倍的情況下，地球上也會觀察到與冥王星的相同影響。

地質(zhì)

表面

冥王星表面的平原由98％以上的氮冰、微量的甲烷和一氧化碳組成。氮和一氧化碳在冥王星的背對冥衛(wèi)一的表面上最豐富，位置在經(jīng)度180°心形湯博地區(qū)（Tombaugh Regio）的西瓣斯普特尼克平原（Sputnik Planitia），而甲烷在其東部經(jīng)度300°附近最豐富。山脈則是由水冰構(gòu)成的。冥王星的表面變化很大，亮度和顏色都有很大差異。冥王星是太陽系中反差最大的天體之一，與土衛(wèi)八一樣具有強(qiáng)烈的反差。顏色從炭黑色到深橙色和白色不等。冥王星的顏色與木衛(wèi)一的顏色更相似，橙色比火星稍多，紅色比火星少。著名的地理特征包括湯博區(qū)域或心形區(qū)域（背對冥衛(wèi)一的一個較大明亮區(qū)域），克蘇魯斑（Cthulhu Macula）或鯨形區(qū)域（在后隨半球的一個較大的黑暗區(qū)域），以及“黃銅指環(huán)”（Brass Knuckles，前導(dǎo)半球上的一系列赤道暗區(qū)）。

斯普特尼克平原是心形區(qū)域的西瓣，一個1000千米寬覆蓋氮冰和一氧化碳冰的盆地，分布著多角形對流單體，對流單體攜著水冰殼和升華坑的漂浮塊向其邊緣移動，有明顯的冰川流入和流出盆地的跡象。斯普特尼克平原沒有新視野號可見的撞擊坑，表明它的年齡不到1000萬年。最新研究表明，該表面的年齡為18萬年左右。新視野科學(xué)團(tuán)隊將初步發(fā)現(xiàn)總結(jié)為：“冥王星顯示出令人驚訝的多種多樣的地質(zhì)地貌，包括由冰川學(xué)、地表-大氣相互作用，以及撞擊，構(gòu)造，可能的冰火山和質(zhì)量損失過程產(chǎn)生的地貌。”在斯普特尼克平原的西部地區(qū)，由平原中心向周圍山脈方向吹的風(fēng)形成了橫向沙丘。沙丘的波長在0.4-1千米范圍內(nèi)，很可能由200-300微米大小的甲烷顆粒組成。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

冥王星的密度為1.860±0.013g/cm3。由于放射性元素的衰變最終將加熱冰物質(zhì)，使巖石從冰中分離出來，因此科學(xué)家認(rèn)為冥王星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與眾不同，巖石物質(zhì)沉降到被水冰幔包圍的致密核心中。新視野號之前對核心的直徑估計為1700千米，占冥王星直徑的70％。這種加熱有可能持續(xù)進(jìn)行，在地幔邊界處形成100至180千米厚的液態(tài)水地下海洋。2016年9月，布朗大學(xué)的科學(xué)家模擬了據(jù)認(rèn)為形成了斯普特尼克平原的撞擊，并表明這可能是碰撞后液態(tài)水從下方上升的結(jié)果，這意味著存在至少100千米深的地下海洋。冥王星沒有磁場。2020年6月，天文學(xué)家報告了冥王星首次形成時可能存在內(nèi)部海洋的證據(jù)。

質(zhì)量與大小

冥王星的直徑為2376.6±3.2千米，其質(zhì)量為（1.303±0.003）×1022kg，是月球的17.7％（地球的0.22％）。其表面積為1.779×107 km2，與俄羅斯面積大致相同。它的表面重力為0.063g（地球為1g，月亮為0.17g）。由于冥王星太暗太小，發(fā)現(xiàn)后很長時間不能確定它的大小。最早估計它的直徑是6600千米，1949年改為10000千米。1950年杰拉德·柯伊伯用新建的5米望遠(yuǎn)鏡將其直徑修正為6000千米。1965年杰拉德·柯伊伯用冥王星掩暗星的方法定出直徑的上限為5500千米。1977年發(fā)現(xiàn)冥王星表面存在冰凍甲烷，按其反照率測算，冥王星的直徑縮小到2700千米。

1978年冥衛(wèi)一發(fā)現(xiàn)后，可以通過開普勒第三定律的牛頓公式計算冥王星-冥衛(wèi)一系統(tǒng)的質(zhì)量。對冥王星與冥衛(wèi)一掩星的觀測使科學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地確定冥王星的直徑，而自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)明也使他們能夠更準(zhǔn)確地確定冥王星的形狀。當(dāng)時一些天文學(xué)家觀測指出，冥王星的直徑約為2400千米，比月球（3475千米）還小，而卡戎直徑為1180千米，它與冥王星直徑之比是2:1，是九大行星中行星與衛(wèi)星直徑之比最小的。所以，有人認(rèn)為冥王星和冥衛(wèi)一更像一個雙行星系統(tǒng)。冥王星小于月球質(zhì)量的20%，比類地行星的質(zhì)量小得多，也小于太陽系中七個衛(wèi)星的質(zhì)量，包括木衛(wèi)三，土衛(wèi)六，木衛(wèi)三，木衛(wèi)一，月球，木衛(wèi)二和海衛(wèi)一。冥王星質(zhì)量遠(yuǎn)小于冥衛(wèi)一被發(fā)現(xiàn)之前的估算。冥王星的直徑是谷神星的直徑的兩倍以上，質(zhì)量是谷神星的質(zhì)量的12倍，谷神星是小行星帶中最大的天體。它比2005年發(fā)現(xiàn)的外海王星天體矮行星鬩神星的質(zhì)量要小，盡管冥王星的直徑略大于鬩神星的直徑2326千米。但由于沒有近距離探測過鬩神星，因此無法確定鬩神星一定比冥王星小。

冥王星大小的確定因其大氣和碳?xì)浠衔锉§F而變得復(fù)雜。2014年3月，Lellouch，de Bergh等人發(fā)表的論文發(fā)現(xiàn)了冥王星大氣中甲烷混合比，因此得出冥王星直徑大于2360千米的結(jié)論，“最佳猜測”值為2368千米。2015年7月13日，來自美國國家航空航天局（NASA）的新視野號遠(yuǎn)程偵察成像儀（LORRI）的圖像以及其他儀器的數(shù)據(jù)確定了冥王星的直徑為2370千米（1,470英里）。7月24日更新為2372千米（1,474英里），后來又更新為2374±8千米。根據(jù)新視野號無線電科學(xué)實驗裝置（REX）的無線電掩星觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果為直徑為2376.6±3.2千米。

大氣

冥王星擁有由氮氣（N2），甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）組成的薄弱大氣，這層大氣與冥王星表面的冰處于平衡狀態(tài)。 [107-108] 根據(jù)新視野號的測量，表面壓力約為1Pa（10μbar），約為地球表面大氣壓的一百萬分之一到十萬分之一。最初認(rèn)為，隨著冥王星不斷遠(yuǎn)離太陽，它的大氣層應(yīng)該逐漸凍結(jié)在表面上。后來，通過新視野數(shù)據(jù)和地面掩星的研究表明，冥王星的大氣密度卻在增加，并且可能在整個冥王星軌道周期中維持氣態(tài)。

新視野號的觀測表明，大氣中氮氣的逸出量比預(yù)期的少10,000倍。艾倫·斯特恩（Alan Stern）爭辯說，即使冥王星的表面溫度略有升高，也可能導(dǎo)致冥王星的大氣密度呈指數(shù)增長。從18hPa到280hPa（百帕，從火星的三倍到地球的四分之一）。在這樣的大氣密度下，氮氣會以液體形式流過整個表面。就像汗水從皮膚上蒸發(fā)時會冷卻身體一樣，冥王星的大氣升華也會使其表面冷卻。大氣氣體的存在可以追溯至1670千米高度，沒有明確的上邊界。

冥王星大氣中甲烷（一種強(qiáng)大的溫室氣體）的存在會引起溫度反轉(zhuǎn)，其大氣的平均溫度比其表面高幾十度，盡管新視野號的觀測表明冥王星的高層大氣要冷得多（70K，而不是大約100K）。冥王星的大氣層被分成大約20個規(guī)則間隔的薄霧層，最高可達(dá)150千米，這被認(rèn)為是冥王山脈上的氣流產(chǎn)生壓力波的結(jié)果。

2015年7月，新視野號探測器陸續(xù)發(fā)送冥王星冰山、冰塊、隕坑，甚至積雪的圖像，顯示冥王星有存在云層的證據(jù)。左側(cè)圖片顯示斯普特尼克平原東南部上空有一道非常明亮的低空煙霧，圖片右側(cè)Krun Macula區(qū)域陽光照射表面存在一個離散模糊云層，但是新視野號研究團(tuán)隊無法證實云層的真實存在。約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室發(fā)言人稱，研究小組認(rèn)為這是冥王星大氣層存在的證據(jù)，其中包括復(fù)雜的霧霾，科學(xué)家繼續(xù)分析和討論輸入數(shù)據(jù)。

這項研究產(chǎn)生一個疑問——是否冥王星應(yīng)當(dāng)恢復(fù)行星地位。如果冥王星存在云層，則意味著它存在著一個活躍的表面物質(zhì)循環(huán)，像地球的水循環(huán)或者土衛(wèi)六的甲烷循環(huán)。這項研究產(chǎn)生了關(guān)于冥王星表面和大氣層的新疑問，英國皇家天文學(xué)會主席馬丁·巴斯托（Martin Barstow）教授說：“這是新視野號探測器飛越冥王星時令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，雖然我認(rèn)為需要一些時間來理解我們所觀測到的信息。與地球相比，冥王星大氣層更稀薄，因此是否有云層存在較大的不確定性。巴斯托說：“地球大氣云層是大氣層中懸浮水滴形成的，我們可能看到（冥王星上的）一個類似效應(yīng)，但不一定是水，尤其當(dāng)溫度非常低時，或者表面釋放物質(zhì)形成云層，因此我們看到的區(qū)域存在更多氣體，看上去比周圍區(qū)域更加不透明。但是物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)稱，即使冥王星存在某種類型的活躍周期，它并不會恢復(fù)行星身份。巴斯托指出，太陽系其它星球也存在著活躍周期，例如：土衛(wèi)六（土星最大的衛(wèi)星），我并不認(rèn)為這項最新研究會成為恢復(fù)冥王星行星身份的有力證據(jù)。

衛(wèi)星

冥王星有五顆已知的自然衛(wèi)星，其中最大最接近冥王星的是冥衛(wèi)一。

冥衛(wèi)一（Charon）于1978年由天文學(xué)家詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）發(fā)現(xiàn)，是冥王星僅有的可能處于流體靜力平衡狀態(tài)的衛(wèi)星。冥衛(wèi)一的質(zhì)量足以使冥王星–冥衛(wèi)一系統(tǒng)的質(zhì)心位于冥王星星體之外。在冥衛(wèi)一之外，有四個較小的外接衛(wèi)星。按照與冥王星距離的順序，它們是冥衛(wèi)五（Styx），冥衛(wèi)二（Nix），冥衛(wèi)四（Kerberos）和冥衛(wèi)三（Hydra）。冥衛(wèi)二和冥衛(wèi)三都在2005年被發(fā)現(xiàn)，冥衛(wèi)四發(fā)現(xiàn)于2011年，冥衛(wèi)五發(fā)現(xiàn)于2012年。衛(wèi)星的軌道是圓形的（偏心率小于0.006），且與冥王星的赤道共面（軌道傾角小于1°），但與冥王星公轉(zhuǎn)軌道面大約傾斜了120°。冥王星系統(tǒng)高度緊湊，五顆已知的衛(wèi)星在穩(wěn)定升軌的區(qū)域的內(nèi)部3％內(nèi)運行。

所有冥王星衛(wèi)星的軌道周期都在軌道共振和近共振系統(tǒng)中。考慮到軌道進(jìn)動，冥衛(wèi)五，冥衛(wèi)二和冥衛(wèi)三軌道周期的比例精確為18：22：33。冥衛(wèi)五，冥衛(wèi)二，冥衛(wèi)四和冥衛(wèi)三與冥衛(wèi)一的周期之間存在一系列近似比率3：4：5：6。衛(wèi)星軌道越靠外，比率就越接近精確。

冥王星-冥衛(wèi)一系統(tǒng)質(zhì)心位于中心天體外部，是太陽系中的少數(shù)案例之一。 617號小行星及其衛(wèi)星系統(tǒng)（Patroclus–Menoetius）是一個較小的案例，而太陽-木星（Sun–Jupiter）系統(tǒng)是僅有的較大案例。冥衛(wèi)一和冥王星的大小相似，因此一些天文學(xué)家稱其為雙矮行星。該系統(tǒng)在行星系統(tǒng)之中也很不尋常，因為它們相互潮汐鎖定，冥王星和冥衛(wèi)一始終用相同的半球面向彼此。在一個天體的任何位置上來看，另一個總是在天空中相同的位置，或者總是被遮掩無法看到。這也意味著它們每個自轉(zhuǎn)周期等于整個系統(tǒng)圍繞其質(zhì)心的公轉(zhuǎn)周期。

2007年，雙子星天文臺觀察到冥衛(wèi)一表面有氨水合物和水晶體的斑塊，表明存在活躍的低溫間歇泉。據(jù)推測，在太陽系歷史早期，冥王星與類似大小的天體碰撞形成了冥王星的衛(wèi)星。碰撞釋放了大量物質(zhì)，這些物質(zhì)聚集形成冥王星周圍的衛(wèi)星。

起源

冥王星的起源和身份一直困擾著天文學(xué)家。一個被否定的早期假設(shè)認(rèn)為冥王星是海王星的逃逸衛(wèi)星，被海王星當(dāng)前最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一（Triton）擠出軌道。動力學(xué)研究表明這個假設(shè)是不可能的，因為冥王星從未在軌道上接近過海王星。直到1992年冥王星在太陽系中的真實定位才開始明確，當(dāng)時天文學(xué)家開始發(fā)現(xiàn)較小且冰冷的外海王星天體（TNO），它們不僅在軌道上而且在大小和組成方面都與冥王星相似。這種外海王星的天體被認(rèn)為是許多短周期彗星的來源。冥王星是柯伊伯帶中最大的成員之一，柯伊伯帶是位于距太陽30到50天文單位之間的天體聚集的穩(wěn)定帶狀區(qū)域。截至2011年，對柯伊伯帶中視星等21等以上的天體調(diào)查已接近完成，此外任何剩余的冥王星大小的天體預(yù)計都將距離太陽100天文單位以上。像其他柯伊伯帶天體（KBO）一樣，冥王星也與彗星有類似的特征。例如，太陽風(fēng)會逐漸將冥王星的表面物質(zhì)吹向太空。假設(shè)冥王星與地球一樣靠近太陽，它將像彗星一樣長出一條尾巴。這一說法也存在爭議，因為冥王星的逃逸速度太高以至于氣體無法逃脫。有人提出，冥王星可能是由眾多彗星和柯伊伯帶天體的聚集而形成的。

冥王星是最大的柯伊伯帶天體。海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一，稍大于冥王星，在地質(zhì)和大氣上都與它相似，被認(rèn)為是海王星捕獲的柯伊伯帶天體。鬩神星也與冥王星不相上下，但嚴(yán)格來說并不是柯伊伯帶的成員，一般被視為離散盤天體的成員。冥王星等大量柯伊伯帶天體與海王星處于2：3的軌道共振中。因冥王星最先被發(fā)現(xiàn)，具有這種軌道共振的柯伊伯帶天體稱為“類冥天體”（plutinos）。

與柯伊伯帶的其他成員一樣，冥王星被認(rèn)為是行星形成后剩余的微行星（Planetesimal）。這些微小天體屬于太陽周圍的原行星盤的一部分，但未能完全融合成一個完整的行星。大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為冥王星處于當(dāng)前位置，是由于海王星在太陽系形成初期突然發(fā)生行星遷移所致。當(dāng)海王星向外遷移時，靠近原始柯伊伯帶中的天體，俘獲其中的一個繞其旋轉(zhuǎn)（海衛(wèi)一），將部分天體鎖定為共振狀態(tài)，并將其他天體推入混沌軌道。離散盤是一個與柯伊伯帶重疊的動態(tài)不穩(wěn)定區(qū)域，離散盤天體被認(rèn)為是通過與海王星遷移的共振相互作用而被推至當(dāng)前位置的。 [136] 2004年，位于法國尼斯的蔚藍(lán)海岸天文臺的亞歷山德羅·莫比德利（Alessandro Morbidelli）創(chuàng)建了一個計算機(jī)模型，海王星向柯伊伯帶的遷移可能是由木星與土星之間的1：2共振形成觸發(fā)的。引力推動天王星和海王星進(jìn)入更高的軌道，并導(dǎo)致它們互換軌道位置，最終使海王星到太陽的距離增加了一倍。由此產(chǎn)生的物體從原始柯伊伯帶被逐出，也可以解釋太陽系形成六億年后的后期重轟炸期和木星特洛伊小行星的起源。在海王星遷移之前，冥王星在一個離太陽大約33天文單位的近圓形軌道上運行，之后海王星遷移干擾了冥王星的初始軌道并將其共振捕獲。尼斯模型計算時需要在原始微行星盤中包含約1000個冥王星大小的天體，其中包括海衛(wèi)一和鬩神星。

觀測與探測

冥王星與地球的距離過于遙遠(yuǎn)，使其難以被深入研究和探索。2015年7月14日，NASA的新視野號太空探測器飛越了冥王星系統(tǒng)，提供了許多信息。

觀測

冥王星的視星等平均為15.1，在近日點增亮至13.65。要想看到它，需要大約30厘米（12英寸）口徑的望遠(yuǎn)鏡。冥王星看起來像星星，即使在大型望遠(yuǎn)鏡中也看不到圓盤，它的角直徑只有0.11秒。冥王星最早的地圖是1980年代后期制作的，在冥衛(wèi)一對其近距離掩食期間，通過對冥王星-冥衛(wèi)一系統(tǒng)的總體平均亮度的變化進(jìn)行觀測。例如，掩蓋冥王星上表面的亮區(qū)比掩蓋暗區(qū)的總亮度變化更大。大量觀察結(jié)果數(shù)據(jù)交由計算機(jī)處理，創(chuàng)建亮度地圖。這種方法也可以跟蹤亮度隨時間的變化。更好的地圖是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）拍攝的圖像生成的，有更高的分辨率并且顯示更多細(xì)節(jié)，亮度變化精確到數(shù)百千米范圍，包括極地地區(qū)和大的亮區(qū)。這些地圖是通過復(fù)雜的計算機(jī)處理生成的，通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡提供的像素點找到了最合適的投影。直到2015年7月新視野號飛越冥王星系統(tǒng)之前，這些地圖仍然是冥王星最詳細(xì)的地圖，因為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上用于拍攝這些照片的兩個鏡頭已不再使用。

探測

新視野號飛船于2015年7月對冥王星進(jìn)行了飛掠觀測，這是首次也是僅有的一次直接探索冥王星的嘗試。新視野號于2006年發(fā)射，2006年9月下旬，在對其搭載的遠(yuǎn)程偵察成像儀進(jìn)行測試時，拍攝了冥王星的第一張遙遠(yuǎn)圖像。這些圖像是從約42億千米的距離拍攝的，證實了該航天器能夠追蹤遠(yuǎn)距離目標(biāo)的能力，這對于向冥王星和其他柯伊伯帶天體的航行至關(guān)重要。 2007年初，飛船通過木星的引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行加速。

在經(jīng)過3462天的飛越太陽系的旅行之后，新視野號于2015年7月14日完成對冥王星近距離的飛掠。對冥王星的科學(xué)觀測始于飛掠之前五個月，并且在飛掠之后持續(xù)了至少一個月。使用包括成像儀器和無線電測量工具在內(nèi)的遙感組件包進(jìn)行了觀察，也開展了光譜分析及其他實驗。新視野號的科學(xué)目標(biāo)是測量冥王星及冥衛(wèi)一的全球地質(zhì)和形態(tài)，繪制其表面組成，分析冥王星的中性大氣及其逃逸速率。在2016年10月25日，美國東部時間下午05:48，地面從新視野號收到了冥王星系統(tǒng)的最后數(shù)據(jù)（總共500億比特即6.25GB數(shù)據(jù)）。

自新視野號飛掠冥王星以后，科學(xué)家一直倡導(dǎo)執(zhí)行一次新的軌道探測任務(wù)，發(fā)射新的軌道探測器到冥王星以實現(xiàn)新的科學(xué)目標(biāo)。其中包括以每像素9.1米的精度繪制表面，觀測冥王星的小衛(wèi)星，觀察冥王星自轉(zhuǎn)軸如何變化，以及繪制因軸向傾斜而長期處于黑暗的區(qū)域的地形圖。最后一個目標(biāo)可以使用激光脈沖實現(xiàn)，生成冥王星的完整地形圖。新視野號首席研究員艾倫·斯特恩（Alan Stern）提倡研制一種類似卡西尼號的軌道探測器，該軌道器2030年左右發(fā)射（發(fā)現(xiàn)冥王星100周年），到達(dá)冥王星系統(tǒng)后根據(jù)需要使用冥衛(wèi)一的引力來調(diào)整其軌道以實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。在完成所有冥王星探測的科學(xué)目標(biāo)之后，軌道探測器可以利用冥衛(wèi)一的引力離開冥王星系統(tǒng)，并研究更多的柯伊伯帶天體。由美國國家航空航天局創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計劃資助的一項概念研究，該項目基于普林斯頓場反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的聚變反應(yīng)堆，包括冥王星軌道探測器和著陸器。

圖像精度

由于新視野號最接近背向冥衛(wèi)一的冥王星半球，面向冥衛(wèi)一半球的赤道區(qū)域僅以低分辨率成像。新視野號拍攝了冥王星北半球以及赤道地區(qū)以南約30度的圖像。冥王星南半球高緯度地區(qū)僅有從地球觀測到的圖像，分辨率非常低。1996年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的影像覆蓋了冥王星表面的85％，包括南緯75度的大型反照率特征。這足以顯示溫帶區(qū)黃斑的程度。由于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡儀器的細(xì)微改進(jìn)，后來的圖像分辨率稍好一些，但不包括冥王星最南端部分。

研究

2022年3月，據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)報道，《自然通訊》雜志發(fā)表的一項研究，揭示了科學(xué)家對于冥王星的最新發(fā)現(xiàn)，美國國家航空航天局“新視野號”任務(wù)拍攝的照片分析顯示，這顆矮行星上存在巨大冰火山，而這可能暗示生命的存在。據(jù)報道，該研究的作者、美國西南研究所科學(xué)家凱爾西·辛格說，發(fā)現(xiàn)了一片非常大的冰火山區(qū)域，該區(qū)域位于斯普特尼克號平原冰蓋的西南部。

辛格還推測，冥王星曾有過地下海洋，而冰火山的發(fā)現(xiàn)表明地下海洋或仍存在，加上冥王星內(nèi)部比此前認(rèn)為的具有更多熱量，由此引發(fā)有關(guān)冥王星潛在宜居性的探討。但辛格也指出，“對于任何試圖在那里生存的生物來說，仍然有很多挑戰(zhàn)?！?/p>

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