冥王星[míng wáng xīng]
冥王星（Pluto，小行星编号134340，天文符号♇）是位于柯伊伯带中的一颗矮行星，亦为发现的首个柯伊伯带天体和类冥天体。它是已知体积最大的超海王星天体，也是太阳系中体积第九大和质量第十大绕太阳运行的天体。尽管其体积最大，但冥王星的质量仅次于离散盘中的阋神星，约为月球质量的六分之一，体积为月球的三分之一。冥王星主要由冰和岩石组成。
冥王星的轨道具有较高的离心率和倾角，距离太阳的范围在30到49个天文单位（44~74亿公里）之间。由于其轨道周期性地将其带到比海王星更近的位置，但由于稳定的轨道共振机制，冥王星和海王星不会发生碰撞。按平均距离计算，太阳光需要约5.5小时才能到达冥王星。
1930年，克莱德·汤博发现冥王星，当时它被认为是太阳系的第九大行星。然而自1992年以来，随着更多柯伊伯带天体的发现，冥王星的行星地位逐渐受到质疑。尤其是2005年发现的阋神星，其质量比冥王星大27%，促使国际天文学联合会（IAU）于2006年重新定义了“行星”的概念，将冥王星重新归类为矮行星。
冥王星拥有五颗已知卫星，分别为冥卫一（最大的卫星，直径略大于冥王星的一半）、冥卫二、冥卫三、冥卫四、冥卫五。由于冥王星和冥卫一的轨道质心不在任何一方之内，因此它们常被视为一个双矮行星系统。2015年7月14日，美国宇航局的新视野号探测器成功飞掠冥王星系统，完成了对冥王星及其卫星的详细观测，成为首个探测该天体系统的航天器。
历史
发现
发现
在1840年代，奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）在分析天王星轨道的扰动后，利用牛顿力学来预测当时未被发现的行星——海王星的位置。 [5]随后在19世纪后期对海王星的观测，使天文学家推测天王星的轨道正受到海王星以外的另一个行星的干扰。 [10]
1906年，珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），一位富有的波士顿人，于1894年在亚利桑那州弗拉格斯塔夫成立了罗威尔天文台（Lowell Observatory）。1906年，他开始搜索第九大行星——行星X。 [6]到1909年，罗威尔和威廉·亨利·皮克林（William H. Pickering）提出了这种行星的几种可能的天球坐标。 [7]
此项搜索一直持续到1916年罗威尔逝世为止，但是没有任何成果。1915年3月19日的巡天已拍摄到了两张带有模糊的冥王星图像的照片，但是这些图像并没有被正确辨认出来。 [7-8]已知的此类前向重建照片还有15张，最早可追溯至叶凯士天文台于1909年8月20日拍摄的照片。 [9]
帕西瓦尔·罗威尔的遗孀康斯坦斯·罗威尔（Constance Lowell）企图获取天文台中其夫所有的份额，为此展开了十年的法律诉讼。对X行星的搜索因由此产生的法律纠纷直至1929年才恢复。时任天文台主管的维斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）在看到克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）的天文绘图样品后，将搜索X行星的任务交与汤博。
汤博的任务是系统地成对拍摄夜空照片、分析每对照片中位置变化的天体。汤博借助闪烁比对器快速调换感光干板搜索天体的位置变化或外观变化。1930年2月18日汤博在经历近一年的搜索后在当年1月23日与1月29日拍摄的照片中发现了一可能移动的天体。1月21日的一张质量不佳的照片确认了该天体的运动。在天文台进一步拍摄了验证照片后，发现第九大行星的消息于1930年3月13日由电报发往哈佛大学天文台。 [7]
命名与符号
冥王星（Pluto）这个名字来源于罗马的冥府之神，同时也是希腊冥王哈迪斯（Hades）的别名。
在宣布发现后，洛厄尔天文台收到了超过一千个名称建议 [11]。最终有三个名称位居榜首：密涅瓦（Minerva）、冥王星（Pluto）和克洛诺斯（Cronus）。洛厄尔天文台工作人员最初选择“密涅瓦” [13]，但因该名称已用于一颗小行星而被拒绝；“克洛诺斯”则因不受欢迎且自负的天文学家托马斯·杰斐逊·杰克逊·西（Thomas Jefferson Jackson See）的推广而被排除。最终投票决定“冥王星”为一致选择。为了确保名称不会像天王星一样被更改，洛厄尔天文台向美国天文学会和皇家天文学会提出了该名称，并得到了两会一致通过 [14]。该名称于1930年5月1日正式公布。 [12]
在寄给洛厄尔的信件和电报中，“普鲁托”这个名字获得了约150次提名。第一个提名来自英国牛津的一名11岁小学生维妮蒂亚·伯尼（Venetia Burney，1918–2009），她对古典神话很感兴趣 [17]。当她的祖父福尔克纳·马丹（Falconer Madan）在早餐时读到冥王星的发现消息后，她向祖父建议了这个名字；马丹将其转告给天文学教授赫伯特·霍尔·特纳（Herbert Hall Turner），特纳在3月16日，即宣布后三天，通过电报将此建议传递给洛厄尔的同事 [13]。
“普鲁托”在神话中具有适当的象征意义：冥王星是土星的六个存活子女之一，而其他兄弟姐妹的名字已被用于命名主要或次要行星（其兄弟是木星和海王星，其姐妹是谷神星、婚神星和灶神星）。冥王和冥王星都居于“幽暗”之地，且冥王可以隐身，正如冥王星长久以来未被发现一样 [16]。进一步推动选择这一名字的原因是冥王星前两个字母“PL”正好是珀西瓦尔·洛厄尔（PercivalLowell）的首字母缩写；事实上，“Percival”曾是给新行星命名的热门建议之一 [15]。冥王星的行星符号⟨♇⟩是“PL”字母的组合。这一符号在天文学中已不常用，但在占星术中仍然常见。然而，冥王星最常见的占星符号，是一个可能象征冥王隐身帽的圆球和冥王权杖的组合，这一符号始于20世纪30年代初 [18]。
“普鲁托”这个名字迅速被广泛文化接受。1930年，沃尔特·迪士尼（Walt Disney）似乎受此启发，为米奇老鼠（Mickey Mouse）引入了一个叫Pluto的狗伙伴，尽管迪士尼动画师本·夏普斯坦（Ben Sharpsteen）无法证实为何选择了这个名字。1941年，格伦·T·西博格（GlennT. Seaborg）在创造出新元素钚（Plutonium）时，以此命名该元素，以延续用新发现的行星命名元素的传统，继天王星命名的铀（Uranium）和海王星命名的镎（Neptunium）之后 [19]。
大多数语言使用“冥王星”这一名称的各种音译形式。在日语中，野尻抱影（Houei Nojiri）建议使用“Meiōsei”（意为“冥王之星”），这一名称也被中文和韩文借用。印度的一些语言使用“普罗托”一名，但其他语言，如印地语，则使用印度教中的死亡之神阎摩（Yama）的名字。波利尼西亚语言也倾向于使用当地的冥府之神，如毛利语中的“Whiro”。虽然越南语可能会使用中文形式，但因越南语中的“冥”（Minh，意为“暗”）与“明”（Minh，意为“亮”）同音，因此未采用中文形式，而是采用佛教的阎摩王（Yama）概念，使用“星閻王”（Sao Diêm Vương）一名，源自中文的“閻王”（Yán Wáng / Yìhm Wòhng） [20]。
观测与探测
观测
冥王星与地球的距离过于遥远，使其难以被深入研究和探索。2015年7月14日，NASA的新视野号太空探测器飞越了冥王星系统，提供了许多信息。
冥王星的视星等平均为15.1等，在近日点增亮至13.65等。 [21]要想看到它，需要大约30厘米（12英寸）口径的望远镜。冥王星看起来像星星，即使在大型望远镜中也看不到圆盘，它的角直径只有0.11秒。 [22]冥王星最早的地图是1980年代后期制作的，在冥卫一对其近距离掩食期间，通过对冥王星-冥卫一系统的总体平均亮度的变化进行观测。
例如，掩盖冥王星上表面的亮区比掩盖暗区的总亮度变化更大。大量观察结果数据交由计算机处理，创建亮度地图。这种方法也可以跟踪亮度随时间的变化。 [23]更好的地图是由哈勃太空望远镜（HST）拍摄的图像生成的，有更高的分辨率并且显示更多细节 [27]，亮度变化精确到数百千米范围，包括极地地区和大的亮区。 [24]这些地图是通过复杂的计算机处理生成的，通过哈勃太空望远镜提供的像素点找到了最合适的投影。直到2015年7月新视野号飞越冥王星系统之前，这些地图仍然是冥王星最详细的地图，因为哈勃太空望远镜上用于拍摄这些照片的两个镜头已不再使用。 [28]
探测
新视野号飞船于2015年7月对冥王星进行了飞掠观测，这是首次也是仅有的一次直接探索冥王星的尝试。新视野号于2006年发射，2006年9月下旬，在对其搭载的远程侦察成像仪进行测试时，拍摄了冥王星的第一张遥远图像。 [25]这些图像是从约42亿千米的距离拍摄的，证实了该航天器能够追踪远距离目标的能力，这对于向冥王星和其他柯伊伯带天体的航行至关重要。2007年初，飞船通过木星的引力弹弓效应进行加速。
在经过3462天的飞越太阳系的旅行之后，新视野号于2015年7月14日完成对冥王星近距离的飞掠。对冥王星的科学观测始于飞掠之前五个月，并且在飞掠之后持续了至少一个月。 [26]使用包括成像仪器和无线电测量工具在内的遥感组件包进行了观察，也开展了光谱分析及其他实验。新视野号的科学目标是测量冥王星及冥卫一的全球地质和形态，绘制其表面组成，分析冥王星的中性大气及其逃逸速率。 [29]在2016年10月25日，美国东部时间下午05:48，地面从新视野号收到了冥王星系统的最后数据（总共500亿比特即6.25GB数据）。 [30-31]
自新视野号飞掠冥王星以后，科学家一直倡导执行一次新的轨道探测任务，发射新的轨道探测器到冥王星以实现新的科学目标。 [32-33]其中包括以每像素9.1米的精度绘制表面，观测冥王星的小卫星，观察冥王星自转轴如何变化，以及绘制因轴向倾斜而长期处于黑暗的区域的地形图。最后一个目标可以使用激光脉冲实现，生成冥王星的完整地形图。新视野号首席研究员艾伦·斯特恩（Alan Stern）提倡研制一种类似卡西尼号的轨道探测器，该轨道器2030年左右发射（发现冥王星100周年），到达冥王星系统后根据需要使用冥卫一的引力来调整其轨道以实现科学目标。 [34]
在完成所有冥王星探测的科学目标之后，轨道探测器可以利用冥卫一的引力离开冥王星系统，并研究更多的柯伊伯带天体。 [35]由美国国家航空航天局创新先进概念（NIAC）计划资助的一项概念研究，该项目基于普林斯顿场反转结构的聚变反应堆，包括冥王星轨道探测器和着陆器。 [36]
新视野号探测器拍摄了冥王星整个北半球的图像，以及从赤道到大约南纬30度的区域。较高的南纬地区仅从地球上以非常低的分辨率观察到 [37]。1996年哈勃太空望远镜的图像覆盖了冥王星85%的表面，并显示出南纬75度左右的大型反照率特征 [38]。这足以显示温带区域的暗斑（maculae）的分布。由于哈勃望远镜设备的微小改进，后续图像的分辨率有所提高。冥王星的次-卡戎半球赤道地区仅以低分辨率拍摄，因为“新视野号”在其最近飞掠时接近的是反-卡戎半球 [39]。
通过卡戎反光（Charon-shine，指从卡戎反射的光），新视野号能够检测到较高南纬地区的一些反照率变化。南极区域似乎比北极区域更暗，但在南半球有一个高反照率区域，可能是局部的氮或甲烷冰沉积物 [40]。
历史争议
冥王星被发现后，由于其微弱的亮度和缺乏可见的行星圆盘，人们对其是否为洛厄尔的“X行星”（Planet X）产生了怀疑 [41]。在整个20世纪，对冥王星质量的估计逐步下调 [42]，从Lowell估计的7倍地球质量 [42]，逐渐降低到Buie等人估计的0.00218倍地球质量 [43]。
天文学家最初是基于冥王星对海王星和天王星的假设影响来计算其质量的。1931年，冥王星的质量被计算为大致相当于地球，1948年的进一步计算将其质量降至约为火星 [44]。1976年，夏威夷大学的戴尔·克鲁克尚克（Dale Cruikshank）、卡尔·皮尔彻（Carl Pilcher）和大卫·莫里森（David Morrison）首次计算了冥王星的反照率，发现其与甲烷冰的反照率相符；这意味着冥王星在其体积下异常明亮，因此其质量不可能超过地球的1%。 [45]（冥王星的反照率是地球的1.4到1.9倍） [21]
新视野拍摄的冥王星地表图像
1978年，冥王星的卫星卡戎（Charon）的发现首次使得冥王星的质量得以测量：大约为地球质量的0.2%，远不足以解释天王星轨道中的差异。后续对替代“X行星”的搜索，尤其是由罗伯特·萨顿·哈林顿（Robert SuttonHarrington）领导的搜索，均未能成功 [46]。
1992年，迈尔斯·斯坦迪什（Myles Standish）利用“旅行者2号”在1989年飞掠海王星时的数据，重新计算了其对天王星的引力影响；此数据将海王星的质量下调了0.5%——与火星的质量相当。将这些新数据加入后，差异消失了，同时对“X行星”的需求也随之消失 [47]。
截至2000年，大多数科学家同意洛厄尔定义的“X行星”并不存在 [48]。洛厄尔曾在1915年预测了“X行星”的轨道和位置，该预测与冥王星的实际轨道及其当时的位置相当接近；然而，欧内斯特·W·布朗（Ernest W. Brown）在冥王星被发现后不久便得出结论，这只是一个巧合 [49]。
并且自1992年以来，许多与冥王星在相同区域内运行的天体被发现，这表明冥王星是称为柯伊伯带的天体群的一部分，以上种种使冥王星作为行星的官方地位变得具有争议，许多人质疑冥王星是否应该与其周围的天体群体分开或一起考虑。天文馆和博物馆的管理者偶尔通过将冥王星从太阳系模型中移除而引发争议。2000年2月，位于纽约市的海登天文馆展示了仅有八个行星的太阳系模型，这在近一年后成为头条新闻 [50]。
在19世纪40年代发现了许多其他小行星之后，谷神星、智神星、婚神星和灶神星在大多数天文学家中失去了行星的地位。另一方面，行星地质学家通常认为谷神星，偶尔也认为智神星和灶神星，与较小的小行星有所不同，因为它们足够大，经历了地质演化。 [51]
尽管最早发现的柯伊伯带天体非常小，但很快发现了一些大小与冥王星相近的天体，有些足够大（如同冥王星）以满足地质学上而非动力学上的行星标准 [52]。2005年7月29日，这一争论变得不可避免，因为加州理工学院的天文学家宣布发现了一个新的海王星外天体——阋神星（Eris），其质量显著超过冥王星，是自1846年发现海卫一以来太阳系中发现的最重天体。发现者和媒体最初称其为第十颗行星，尽管当时尚无官方共识是否将其称为行星，天文学界的其他人则认为这一发现是将冥王星重新归类为小行星的最有力论据 [53]。
在天体物理上，冥王星的质量因远远小于一般行星的规模而受到质疑，而在地质学上，冥王星等一类小质量的球状天体仍被视为行星，此外人文方面和民间意识对于“第九行星”的接纳在上世纪末已经根深蒂固，因此冥王星曾在历史上“是否能作为行星”而备受争议。
IAU定义与后续争议
关于冥王星地位的争论在2006年8月达到了高潮，国际天文学联合会（IAU）通过了一项决议，正式定义了“行星”一词。根据这一决议，太阳系中被认为是行星的天体必须符合以下三个条件：
1. 该天体必须绕太阳运行；
2. 该天体必须具有足够的质量，使其自身的引力使其达到流体静力学平衡状态的形状；
3. 具有清除自身轨道邻近区域的能力 [54]。
冥王星不符合第三个条件 [55]。它的质量明显小于其轨道中的其他天体的总质量，仅为0.07倍，而地球的质量是其轨道内（不包括月球）其他物质总质量的170万倍 [56]。IAU进一步决定，那些符合第1、2条但不符合第3条的天体将被称为“矮行星”。
2006年9月，IAU将冥王星、阋神星及其卫星悖神星（Dysnomia，意为悖论女神）列入小行星目录，并授予其小行星编号“(134340) 冥王星”、“(136199) 阋神星”和“(136199) 阋神星|悖神星” [57]。如果冥王星在1930年被发现时被包括在内，它可能会获得1164的编号，紧随一个月前发现的1163号萨迦小行星（Saga） [58]。
天文学界对这一重新分类存在一些抵制，尤其是行星科学家往往继续拒绝该定义，认为冥王星、卡戎、阋神星与谷神星都应被视为行星，这实际上意味着只接受IAU定义的第二条 [59]。NASA“新视野号”冥王星任务的首席研究员艾伦·斯特恩（Alan Stern）批评了IAU的决议 [59]。他还指出，投票支持这一决议的天文学家不到5%，因此这一决定并不代表整个天文学界的意见 [60]。当时在洛厄尔天文台的马克·W·布伊（Marc W. Buie）也反对这一定义。另一方面，也有如发现厄里斯的天文学家迈克·布朗（Mike Brown）支持IAU的决定 [61]。
但是公众对IAU决定的反应褒贬不一，例如在美国加利福尼亚州议会提出了一项戏谑的决议，称IAU的决定是“科学异端” [62]，等等。在国内，也存在一些公众成员也拒绝变更的现象，指出科学界对此问题的分歧，或出于情感原因，认为他们一直认为冥王星是行星，并将继续这样看待，无论IAU的决定如何。
在2008年6月，IAU宣布将“plutoid”一词用于冥王星和其他半长轴大于海王星轨道的类行星天体，尽管该词并未得到广泛使用。
起源假说
残留星子假说（Planetesimal Remnant Hypothesis）
该假说认为冥王星是太阳系早期原行星盘中未完全吸积成行星的“星子”残留物。其冰岩混合的成分（约70%岩石、30%冰）与柯伊伯带天体的普遍特征一致，支持其就地形成，其证据为：
1. 冥王星的氮冰表面与柯伊伯带天体（如阋神星）相似，表明共同起源 [63]。
2. 动力学模型显示，柯伊伯带天体可能保留了原始星子群的轨道分布 [64]。
该假说存在的争议点为：冥王星的质量远大于典型柯伊伯带天体，普通的吸积难以达到，可能需要特殊的条件，
但目前尚不清楚该条件具体内容。
碰撞碎片假说（Collisional Fragment Hypothesis）
部分学者推测冥王星可能源自更大天体的碰撞碎片，例如其卫星系统（如冥卫一Charon）可能通过巨型撞击形成类似地月系的系统，其假说论据为：
1. 冥王星-冥卫一系统的角动量与撞击模型吻合 [65]。
2. 柯伊伯带中存在类似碰撞家族（如妊神星） [66]。
该假说的潜在推翻点为：冥王星轨道倾角（17°）与柯伊伯带典型碰撞碎片群（黄道面）不一致。在行星轨道动力学中，同一起源类型的天体往往处于同一轨道平面，例如太阳系八大行星基本处于黄道面上。
轨道迁移假说（Orbital Migration Hypothesis）
该假说认为冥王星最初形成于太阳系更内侧区域（如海王星轨道附近），后因海王星向外迁移引发的引力扰动被散射至柯伊伯带，该假说论据为：
1. 尼斯模型（Nice Model）模拟显示巨行星迁移可重塑柯伊伯带结构 [67]。
2. 冥王星与海王星的3:2轨道共振支持动力学俘获机制 [68]。
存在的争议点：迁移过程中，如何避免被海王星完全弹射出太阳系的动力学过程尚存疑问。存在的争议点：迁移过程中，如何避免被海王星完全弹射出太阳系的动力学过程尚存疑问。
双星系统俘获假说（Binary Capture Hypothesis）
有研究提出冥王星与冥卫一可能曾为独立双星系统，后被太阳引力俘获。其高质心轨道与典型卫星系统差异显著，该假说的证据：
1. 太阳系外双星小天体（如Arrokoth）的存在支持双星俘获可能性 [69]。
2. 冥王星系统的高倾角可能暗示俘获过程。
存在的争议部分：俘获机制需极低概率的动力学条件，缺乏直接观测证据，且冥王星同位素丰度（如D/H比）与太阳系内天体一致，否定星际起源 [70]。在一项2017年的动力学模拟实验中，显示星际天体被捕获至稳定柯伊伯带轨道的概率极低 [71]。
理化性质
质量和大小
冥王星目前最准确的直径测量值为2376.6±3.2 km [72]，其表面积约1.774443×10⁷ km2，略大于俄罗斯或南极洲（含冬季南极海冰覆盖区域）。其质量为(1.303±0.003)×10²² kg，相当于月球质量的17.7%，或者地球质量的0.22% [73]，远低于类地行星及七大卫星（木卫三、土卫六、木卫四、木卫一、月球、木卫二、海卫一）。冥王星的表面重力约为0.063倍地球重力（月球为0.17倍），逃逸速度为4363.2 km/h，远低于地球的40270 km/h。
冥王星直径是小行星带最大的天体——谷神星的2倍以上，质量为其10倍以上，但质量略低于2005年发现的同样是柯伊伯带矮行星的阋神星（Eris）。不过冥王星直径（2376.6 km）略大于阋神星的约2326 km [74]。
冥王星大气层和碳氢化合物雾霾曾阻碍其尺寸测定 [75]。2014年3月，Lellouch与de Bergh等的研究显示，冥王星大气甲烷混合比支持其直径大于2360 km，最佳估值为2368 km [76]。2015年7月13日，NASA新视野号探测器的远程侦察成像仪（LORRI）数据确定其直径为2370 km [77]，而后在7月24日修正为2372公里，后续研究最终修正为2374±8 km [78]。最终通过新视野号无线电科学实验（REX）的掩星数据，测得精确直径为2376.6±3.2 km。
冥王星-冥卫一系统与地月系大小对比图
轨道和自转
冥王星的轨道周期约为248年，而轨道的半长轴在约39.3~39.6 AU（天文单位）之间周期性变化，周期约19951地球年 [79]。目前其半长轴与轨道周期均呈现增长趋势。其轨道特征与行星显著不同：行星绕太阳运行的轨道近乎圆形且基本位于黄道平面附近，而冥王星轨道相对黄道面的倾角较大（超过17°），且具有中等偏心率（呈椭圆形）——这种偏心性导致它的轨道甚至由一小段比海王星更靠近太阳。冥王星-冥卫一系统的质心于1989年9月5日抵达近日点 [80]，且在1979年2月7日到1999年2月11日，它比海王星离太阳更近 [81]。
尽管冥王星与海王星保持3:2轨道共振，但其轨道倾角与偏心率表现出混沌特性。通过计算机模拟可预测其未来或过去数百万年的位置，但超过李雅普诺夫时间（约1000~2000万年）后，计算结果将变得不可靠——冥王星的位置对太阳系中极微小的引力扰动高度敏感，这些难以预测的因素会逐渐改变其轨道状态 [82]。
冥王星的自转周期为6.387地球日 [83]。与天王星和智神星（2 Pallas）类似，冥王星以类似侧躺的姿态绕太阳公转，自转轴倾角达120°，因此季节变化极为剧烈：在至点时，其表面四分之一区域处于持续白昼，另四分之一则陷入连续黑暗。
关于这种异常倾角的成因存在争议。亚利桑那大学的研究表明，这可能与天体的自转会通过调整使能量最小化有关：多余质量会向赤道迁移，而质量缺失区域则趋向两极。这种现象称为极移 [84]（polar wander），因此冥王星的异常轴倾角，可能是其阴影区积聚的固态氮质量块所致。因冥王星距离太阳极远，赤道温度可低至−240°C/−400.0°F/33.1 K，氮在此温度下会像地球上的水一样冻结，所以这些氮冰可能导致天体重新定向，最终形成120°的轴倾角。如果把地球南极冰盖规模扩大数倍，也会观察到类似的极移效应 [85]。
地质结构
冥王星表面的平原由98%以上的氮冰构成，含微量甲烷与一氧化碳 [86]。氮和一氧化碳最富集于其背对冥卫一的半球（约180°经度区域，即汤博区西部的史波尼克平原），而甲烷浓度高峰出现在300°E（东经300度）附近 [87]。冥王星表面的山脉则主要由水冰构成，表面亮度和色彩差异显著，是太阳系中对比度最高的天体之一，与土卫八相当 [27]——其颜色范围涵盖炭黑色、深橙色至白色，整体色调更接近木卫一，但比火星更偏橙且红色调较弱。
冥王星表面的主要地形区包括：
1. 汤博区（Tombaugh Regio），即“心形区”，位于背对冥卫一的一侧的明亮区域。
2. 贝尔顿区（Belton Regio），即“鲸鱼”，位于后随半球的暗色区域。）
3. 铜指节区域（Brass Knuckles），前导半球赤道带的一系列暗斑。
冥王星表面细胞状地质结构图
此外还有一些小型地貌特征。例如，史波尼克平原（位于心形区西侧）是一个宽达1000 km的氮冰与一氧化碳冰盆地，表面被分割为多边形单元，这些单元被解释为对流单元，将漂浮的水冰壳块和升华坑向边缘输送 [88]，该区域可见冰川流入与流出盆地的明显痕迹，且未发现新视野号可辨识的撞击坑，表明其表面年龄小于1000万年 [89]。最新研究显示其表面年龄为18万年，误差−4到+9万年 [90]。在史波尼克平原西部，存在由平原中心向周围山脉方向的风力作用形成的横向沙丘场，沙丘波长介于0.4~1 km，可能由粒径200~300微米的甲烷颗粒构成 [91]。
冥王星密度为1.853±0.004 g/cm3 [92]，由于放射性元素衰变产生的热量最终会使冰与岩石分离，科学家推测其内部结构已分异：岩石物质沉降形成致密核心，外裹水冰地幔。新视野号任务前估算其核心直径约1700 km，占冥王星直径的70% [93]。此类热活动可能持续至今，在核幔边界形成100~180 km厚的液态水次表层海洋 [94]。
2020年，Denton等人在《地球物理研究快报》中发表称，在模拟形成史波尼克平原的撞击事件后，可能有液态水从下方上涌，暗示至少存在100 km深的次表层海洋 [95]。
2020年6月，天文学家提出冥王星在形成初期可能已具备次表层海洋及潜在宜居性 [96]。
2022年3月，研究团队指出莱特山（Wright Mons）与皮卡德山（Piccard Mons）实为多个小型低温火山穹丘合并形成，表明冥王星存在超出此前预期的内部热源 [97]。
冥王星内部结构示意图
大气结构
冥王星拥有以氮气（N₂）、甲烷（CH₄）和一氧化碳（CO）为主的稀薄大气层，这些气体与其表面冰层处于相态平衡 [98]。根据新视野号的测量数据，其表面气压约为1 Pa [99]，仅为地球大气压的百万分之一至十万分之一。早期理论认为，随着冥王星远离太阳，其大气会逐渐冻结至表面，但新视野号数据及地面掩星观测表明，冥王星大气密度反而增加，且在整个公转轨道周期内可能始终保持气态 [100]。新视野号观测显示，氮气的大气逃逸速率比预期低10000倍 [101]。
艾伦·斯特恩（AlanStern）提出，冥王星表面温度的小幅上升会导致大气密度指数级增长，气压范围可能从1.8 kPa（约为火星气压的3倍）~28 kPa（地球气压的四分之一），在这个密度下，氮气可能以液态形式在表面流动，参考皮肤汗液蒸发带热量的机制，冥王星大气的升华作用也会冷却地表。
冥王星的大气几乎不存在对流层，新视野号观测仅发现薄薄的对流层边界层，测量点处的边界层厚度为4 km，温度37±3 K，且该层呈非连续分布 [102]。2019年7月的一次掩星观测显示，冥王星大气压自2016年以来意外下降了20%，而在2021年，天文学家通过2018年掩星数据证实了这一趋势：光线从冥王星盘面后方透出的渐变减弱，表明大气正在变薄 [103]。
甲烷作为强效温室气体，在冥王星大气中形成逆温层，使其大气平均温度比表面高数十开尔文 [104]。但新视野号观测显示其高层大气温度远低于预期的70 K，而非预估的约100 K [101]。冥王星大气层被分为约20层间距规则的雾霾层，高度可达150 km，推测由气流越过冥王星山脉产生的压力波形成。
新视野号拍摄的冥王星大气层照片
卫星
天然卫星
冥王星已知有5颗天然卫星，其中最大且距离最近的是冥卫一（Charon），由天文学家詹姆斯·克里斯蒂于1978年发现，也是冥王星唯一可能处于流体静力平衡状态的卫星。但由于冥卫一的质量足以使系统的质心位于冥王星之外，天文学界部分学者认为冥卫一应该划分到“伴星”，因而认为冥王星-冥卫一系统是“双矮行星系统” [105]，是太阳系中少数质心位于主天体之外的案例之一（更小的例子如小行星帕特罗克洛斯-墨诺提俄斯双星系统，更大的仅有太阳-木星系统）。该系统的另一特殊性在于两者相互潮汐锁定——冥王星与冥卫一始终以同一半球相对。
其余四颗较小的环双星卫星按距离由近及远依次为：冥卫五（Styx）、冥卫二（Nix）、冥卫四（Kerberos）和冥卫三（Hydra）。冥卫二与冥卫三发现于2005年 [106]，冥卫四发现于2011年 [107]，冥卫五发现于2012年 [108]，所有卫星的轨道周期构成复杂的轨道共振与近共振系统，考虑进动效应后，冥卫五、冥卫二和冥卫三的轨道周期呈精确的18:22:33比例，冥卫五、冥卫二、冥卫四和冥卫三的周期与冥卫一周期间存在近似3:4:5:6的比例序列，且卫星距离越远，比例越接近精确值 [109]。这些卫星的轨道均接近圆形（偏心率e<0.006） [110]且与冥王星赤道面共面（轨道倾角θ<1°） [111]，因此相对冥王星公转轨道倾角约120°。冥王星系统高度紧凑：五颗已知卫星的轨道均位于顺行稳定区域的内侧3%范围内 [112]。
学界推测冥王星卫星形成于太阳系早期，可能来源于冥王星与另一大小相近天体的碰撞事件，撞击抛射物凝聚形成了现有卫星系统 [113]。
冥王星卫星对比图
准卫星
2012年的计算表明，小行星15810Arawn可能为冥王星的准卫星，即一种特殊的共轨构型 [114]（地球也拥有准卫星）。据推算，该天体在每200万年的周期内，约有35万年处于冥王星的准卫星状态 [115]。2016年新视野号探测器的测量数据进一步精确计算了Arawn的轨道，并验证了早期结论 [116]。
然而，天文学界对其分类尚未达成共识：尽管存在冥王星的偶然引力摄动，Arawn的轨道仍由海王星主导，因此是否应将其归为冥王星准卫星存在争议 [117]。
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本词条认证专家为：中国科学院大学天文与空间科学学院 王鑫教授
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