“黎明”號(hào)：太陽系偵探

□ 謝 懿/編譯

美國航宇局的黎明小行星探測器在2011年7月抵達(dá)了小行星灶神星。關(guān)于太陽系行星的形成它會(huì)告訴我們些什么呢？

黎明小行星探測器是美國航宇局與眾不同的一個(gè)探測器。它的名字并非源于一系列單詞的縮寫，而是寄托著科學(xué)家對它的希望——找到太陽系形成的關(guān)鍵線索。它會(huì)對灶神星進(jìn)行為期1年的勘測，研究它的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)?！袄杳鳌边€會(huì)告訴我們太陽系極早期會(huì)是什么樣子而我們又來自何方。

灶神星并不是被無人探測器造訪的第一顆小行星。2010年7月，羅塞塔探測器飛掠了司琴星。司琴星是目前被訪問過的相對較大的小行星，直徑大約100千米。其他的則都是較小且死寂的巖石、沙礫團(tuán)塊，而且飛掠都是極為短暫的驚鴻一瞥。灶神星則完全不同，它經(jīng)歷了行星形成過程。在某種意義上，灶神星是最小的類地行星。

“黎明”也很特殊。它重1,250千克，太陽能電池板翼展近20米。和使用傳統(tǒng)化學(xué)火箭來進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)不同，“黎明”使用太陽電力推進(jìn)系統(tǒng)。陽光被轉(zhuǎn)換成電力，然后電被用來電離氙原子并在電場中加速它們。結(jié)果是，氙離子會(huì)以約10,000千米/小時(shí)的速度被噴射出去，進(jìn)而在相反的方向上推動(dòng)“黎明”。使用離子驅(qū)動(dòng)的探測器具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，但缺點(diǎn)是速度非常慢——在2007年9月27日發(fā)射之后“黎明”用了差不多4年才抵達(dá)灶神星。

“黎明”對灶神星進(jìn)行環(huán)繞探測

小行星中的大個(gè)子

探測灶神星和谷神星的黎明小行星探測器

谷神星是第一顆被發(fā)現(xiàn)（1801年）的小行星，直徑約950千米。灶神星則由德國天文學(xué)家奧伯斯于1807年3月29日發(fā)現(xiàn)。根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所獲得的最佳圖像，它的大小為578千米×560千米×458千米。灶神星位于小行星帶的內(nèi)側(cè)，每3.63年繞太陽公轉(zhuǎn)一周，平均距離超過3.5億千米。從它的光譜判斷，它的表面成分和谷神星極為不同。谷神星的表面是深色的原始碳粒，是最常見的隕石成分。但灶神星更明亮的表面則由玄武巖組成。這暗示灶神星是一個(gè)“分層化”的天體，它曾經(jīng)必定處于高溫熔化的狀態(tài)，較重的元素下沉到了核心，而較輕的巖石則上浮到了表面。這是動(dòng)態(tài)的行星過程。當(dāng)巖漿在其表面流動(dòng)的時(shí)候，水和氣體會(huì)從內(nèi)部釋放出來。就此甚至還有可能會(huì)在灶神星上找到火山。

雖然“哈勃”所拍攝的灶神星圖像還沒有銳利到能顯示出火山以及其他小尺度的結(jié)構(gòu)，但它們卻揭示出了灶神星兩個(gè)令人興奮的表面特征：被稱為奧伯斯地區(qū)（以灶神星的發(fā)現(xiàn)者命名）的深色赤道區(qū)和位于其南極的一個(gè)尚未被命名的巨型隕擊坑。這個(gè)隕擊坑直徑460千米，其底部距離灶神星表面13千米。其中還有一個(gè)18千米高的中央峰，高度幾乎和隕擊坑壁相當(dāng)。造就它的撞擊可能穿透了灶神星的地殼，暴露出了其地幔物質(zhì)，為一窺其內(nèi)部提供了獨(dú)有的視角。它就此也成為了“黎明”的主要目標(biāo)。

產(chǎn)生這個(gè)隕擊坑的大碰撞必定會(huì)朝各個(gè)方向拋射出灶神星的碎片。而事實(shí)上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾千顆較小的小行星具有和灶神星完全相同的玄武巖成分。這些灶神型小行星直徑都不超過1千米，在和灶神星類似的軌道繞太陽公轉(zhuǎn)。以甲殼蟲樂隊(duì)主唱命名的列儂小行星就是其中的一員。灶神型小行星在小行星帶中的分布方式說明，這一劇烈的碰撞發(fā)生的時(shí)間不會(huì)早于10億年前。

更令人興奮的是，較小的灶神型小行星已經(jīng)遷移到了內(nèi)太陽系并墜落到了地球上。在所有已知的隕石中有不少于5%的屬于HED（古銅鈣長無球粒－鈣長輝長－奧長古銅無球粒）型。這些玄武巖隕石必定起源自一個(gè)具有火山活動(dòng)的天體，而它們的成分又和灶神星的表面完全相符。對于太陽系的其他天體而言，我們希望能從那里帶回樣本用于進(jìn)一步研究。但對于灶神星而言，大自然本身就完成了這一采樣返回任務(wù)。

黎明號(hào)小行星探測器飛往灶神星

拼接細(xì)節(jié)

確實(shí)，把對HED隕石的實(shí)驗(yàn)室研究和“黎明”將對灶神星進(jìn)行的細(xì)致觀測進(jìn)行對比會(huì)揭示出許多尚不為人知的細(xì)節(jié)。使用歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)成功獲得了灶神星不同區(qū)域的光譜，發(fā)現(xiàn)它們在不同的地點(diǎn)具有很大的變化。平均而言，灶神星的表面成分和古銅鈣長無球粒隕石相似，但和奧伯斯地區(qū)差不多相對的一小片區(qū)域則具有和奧長古銅無球粒隕石更相近的組成。觀測還發(fā)現(xiàn)，灶神星地勢較低的部分通常會(huì)更紅一些，說明粉狀的塵埃已經(jīng)對其進(jìn)行侵蝕超過了10億年。

“黎明”會(huì)極大地豐富和補(bǔ)充這些已經(jīng)獲得的誘人結(jié)果。它攜帶了兩個(gè)完全一樣的100萬像素分幀照相機(jī)，它們會(huì)在紫外、可見光和近紅外波段上對灶神星進(jìn)行勘測。它的可見光和紅外測繪分光儀會(huì)使用3塊濾光片來識(shí)別不同的礦物。它的γ射線和中子探測器則會(huì)研究其深至幾米的地殼的元素組成。最后，通過精確地追蹤“黎明”環(huán)繞灶神星的軌道，天文學(xué)家會(huì)測量它的重力場并確定它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的灶神星的不同表面

對灶神星進(jìn)行成像觀測也極為重要?！袄杳鳌睂⒗L制出分辨率達(dá)到幾十米的灶神星全圖，首次精確測定它的自轉(zhuǎn)和三維形狀。在“黎明”抵達(dá)灶神星時(shí)，正值它南半球的夏季，因此其南極的巨大隕擊坑會(huì)被太陽照亮。不過由于“黎明”會(huì)繞灶神星工作1年，在它的任務(wù)行將結(jié)束時(shí)灶神星的北極地區(qū)也會(huì)被照亮。在大多數(shù)時(shí)間里，“黎明”會(huì)處于距離灶神星表面約600千米的高軌上。之后，它會(huì)慢慢地下降到180千米高的低軌上。此時(shí)，它會(huì)調(diào)整自己的姿態(tài)，讓γ射線和中子探測器能詳盡地研究灶神星的表面，而照相機(jī)的使用則會(huì)受到一點(diǎn)限制。

深入灶神星

太陽系小行星帶的分布

黎明號(hào)從地球上空飛過

廠房中的黎明號(hào)

確定灶神星的形狀對于了解它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成而言至關(guān)重要。通過它對小行星阿雷特和海女星的軌道攝動(dòng)——它們會(huì)以只有幾百萬千米的距離規(guī)律地靠近灶神星，灶神星的質(zhì)量已經(jīng)被十分精確地測定了，約為地球的二萬分之一。但是為了確定灶神星的密度就需要更為精確地知道它的形狀。重力測量還會(huì)發(fā)現(xiàn)它表面之下可能的物質(zhì)聚集區(qū)——類似于月球上的質(zhì)量瘤。

除此之外，還會(huì)在灶神星上發(fā)現(xiàn)些什么呢？科學(xué)家們也不清楚。也許還會(huì)發(fā)現(xiàn)峭壁、懸崖和火山。研究灶神星的礦物還會(huì)揭示出在太陽系早期發(fā)生了什么，告訴我們行星形成的最初步驟。事實(shí)上，“黎明”團(tuán)隊(duì)更傾向于把灶神星當(dāng)成是一顆原行星而不是一顆普通的小行星。在太陽系早期，肯定還存在著更多類似灶神星的天體，但它們并沒有在之后的碰撞中幸存下來。

黎明”的觀測也將揭示出灶神星的隕擊歷史及其玄武巖地殼的年齡。通過對HED隕石的礦物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，有證據(jù)表明灶神星的“分層化”相對較快，最多只用了幾百萬年。肇事者可能是一場慘烈的宇宙轟炸，它也許剝離了這顆剛剛成形的原行星最外層10～15千米厚的物質(zhì)。這一事件發(fā)生在45億年前，當(dāng)時(shí)正值太陽系形成的極早期，比灶神星巨大的南極隕擊坑形成時(shí)間早了幾十億年。

有天文學(xué)家提出，這一極早期的轟擊事件可能是由于木星的形成和它的早期遷移所造成的?？紤]到灶神星在這場行星際浩劫中幸存下來的事實(shí)，新生的木星向內(nèi)遷移的距離應(yīng)該不會(huì)超過7,500萬千米。否則，如果木星進(jìn)入了更深的太陽系腹地，小行星帶中所有較大的天體都會(huì)在劇烈的沖撞中化為碎片。于是，對灶神星的研究可以更好地估計(jì)出木星的年齡。

黎明號(hào)拍攝的灶神星的三維圖片

灶神星南極地區(qū)的細(xì)節(jié)圖片

灶神星北半球的隕石坑，科學(xué)家們將它命名為“雪人”

2012年7月在離子引擎再一次點(diǎn)燃之后，“黎明”會(huì)離開灶神星。但故事還沒有完結(jié)，它會(huì)奔向下一個(gè)目標(biāo)——小行星帶中最大的天體谷神星。在科幻電影中可以看到火箭從一個(gè)目的地飛往下一個(gè)目的地，“黎明”的離子推進(jìn)系統(tǒng)則讓它成為了可能。這個(gè)偵探在未來的日子里還會(huì)繼續(xù)告訴我們更多有關(guān)太陽系的秘密。

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為什么要探測小行星？

小行星是太陽系形成時(shí)的殘存物。相對更靠近太陽的小行星物質(zhì)會(huì)很容易地被水星、金星、地球和火星這些較大的天體吸積。但是再往外，新生的巨行星木星則會(huì)攪動(dòng)這個(gè)盤。小行星會(huì)進(jìn)入無規(guī)則的軌道，相互間發(fā)生碰撞。最終，絕大多數(shù)小行星的直徑都不會(huì)長到幾十千米之上。所以，研究小行星能把我們帶回到太陽系起源時(shí)的歲月。