一石二鳥
——美國黎明號進(jìn)入谷神星軌道

□ 士 元

一石二鳥
——美國黎明號進(jìn)入谷神星軌道

□ 士 元

黎明號探測灶神星和谷神星兩顆小行星示意圖

“現(xiàn)在，我們終于有一艘飛船將要揭開這顆神秘星球的面紗。不久之后，我們將窺見谷神星從太陽系誕生之初保守至今的諸多秘密。”

——美國航空航天局黎明號探測器項目主管及首席工程師 馬克?萊曼

黎明號小行星探測器2015年3月1日拍攝的谷神星。在這張圖像上，谷神星呈現(xiàn)一輪彎月，大部分區(qū)域處于陰影之中，這是因為飛船軌道規(guī)劃使其進(jìn)入了視野背向太陽的方向，這一狀況將一直持續(xù)到四月中旬才會逐漸改觀。屆時黎明號將從谷神星的陰影中走出來并開始拍攝極高分辨率的谷神星地表圖像。

美國東部時間2015年3月6日07∶39(北京時間20∶39)，黎明號小行星探測器成功進(jìn)入谷神星軌道，標(biāo)志著人類探測器首次成功造訪一顆矮行星。它將在距離谷神星表面大約378千米高的軌道運行，旨在增進(jìn)人們對太陽系成長過程的了解?！拔覀兗磳?chuàng)造歷史，” 美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室黎明號任務(wù)項目主管羅伯特?梅斯說，“我們團隊已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，迫切地想要知道谷神星給我們儲存了什么好東西?！痹撎綔y器于2007年9月27日發(fā)射升空，2011年7月首先進(jìn)入了灶神星軌道，對其展開了14個月的探測，采集了關(guān)于灶神星的珍貴數(shù)據(jù)和圖像；然后，又飛往谷神星進(jìn)行探測。之所以探測灶神星和谷神星這兩顆人類以前從未嘗試接觸的著名小行星，因為這兩顆小行星(谷神星現(xiàn)已被改定為矮神星)不僅是“羊群中的駱駝”——火星和木星間的小行星帶中個頭名列前茅，還因為它們與小行星帶里的其他天體存在顯著差別。黎明號是第一個探測這個重要區(qū)域的人類探測器，也是世界上第一個先后環(huán)繞兩個天體進(jìn)行探測的無人航天器。

掀開谷神星神秘的面紗

太陽系的小行星帶是位于火星和木星軌道間的小行星密集區(qū)域，天文學(xué)家估計這里有約50萬顆種類各異的小行星。不少科學(xué)家認(rèn)為，小行星是處于萌芽期但未得到機會成長起來的“行星嬰兒”。灶神星、谷神星、智神星和婚神星被稱為小行星帶的“四大金剛”。灶神星和谷神星都形成于大約45億年前，據(jù)估計，它們都形成于太陽系早期，并且由于木星的強大引力作用而演化遲緩。研究人員希望用黎明號對灶神星和谷神星進(jìn)行細(xì)致研究，比較它們的演化進(jìn)程，揭開小行星演變和這些天體形成條件之謎。

谷神星是這個小行星帶中最大的天體，也是小行星帶第一個被發(fā)現(xiàn)的天體。其平均直徑約為950千米，整體密度較低(2.09克/立方厘米)，被認(rèn)為含有大量水，相對溫暖潮濕，與可能存在生命體的木衛(wèi)二和土衛(wèi)二能夠相提并論?？茖W(xué)家認(rèn)為，谷神星蘊藏著驚人數(shù)量的冰，冰蓋下可能藏有海洋。它很可能是一個分化型星球，具有巖石內(nèi)核，地幔層包含大量冰水物質(zhì)，現(xiàn)探測到星球表面有大量載水礦物質(zhì)。初步推測水占谷神星體積的40%。有趣的是，科學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)谷神星有水蒸氣噴射物，并可能也存在次表層海洋。

美國行星科學(xué)研究所科學(xué)家李劍揚最近表示，他并不認(rèn)為在天體生物學(xué)方面谷神星不如其他潛在宜居性的星球。生命存在需要3個基本條件——液態(tài)水、能量來源和某些化學(xué)成分(碳、氫、氮、氧、磷和硫黃等)，谷神星均占一定優(yōu)勢。谷神星是除地球之外太陽系內(nèi)部最大的“蓄水池”，目前并不清楚這里有多少水資源，如果有的話，它們應(yīng)當(dāng)是液態(tài)形式。谷神星還能通過太陽能獲得能量，因為它距離太陽僅2.8個天文單位，相比之下，木衛(wèi)二和土衛(wèi)二距離較遠(yuǎn)，分別是5.2和9個天文單位。谷神星羽狀噴射物或多或少地證實該星球存在內(nèi)部熱量。

谷神星與灶神星差別很大。灶神星是與地球類似的巖石天體，而谷神星是典型的冰雪天體，這兩個極不相同的天體竟可同處一個小行星帶上，其原因也是黎明號需要揭示的奧秘之一?？茖W(xué)家認(rèn)為，搜尋小行星帶中這兩個標(biāo)志性天體的信息，有助揭開太陽系早期歷史的奧秘。“研究谷神星讓我們有機會開展太空中的歷史學(xué)研究，打開了一扇通往我們太陽系歷史早期篇章的窗戶?！?美國航空航天局總部行星科學(xué)分部主管吉姆?格林（Jim Green）說，“黎明號發(fā)回的數(shù)據(jù)可能會給我們理解太陽系形成的過程帶來重大突破。”

用“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的谷神星

豐收女神色列斯（Ceres）

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豐收女神谷神星

據(jù)統(tǒng)計，太陽系中約有50萬顆小行星和八大行星一樣繞著太陽公轉(zhuǎn)，它們大多體積很小，最早發(fā)現(xiàn)的四大小行星——谷神星（Ceres）、智神星（Pallas）、婚神星（Juno）和灶神星（Vesta），谷神星是最大的一顆，通常被稱作“偉大的母親”（谷神星現(xiàn)在歸為矮神星）。這種稱呼，就是來自那些遙遠(yuǎn)的羅馬神話。在羅馬神話中，色列斯（Ceres）是主管農(nóng)業(yè)和豐收的女神，象征著養(yǎng)育人類文明的肥沃的土壤，她被作為滋養(yǎng)眾生的母親來被人們祭拜。

1801年，西西里島天文學(xué)家朱塞佩?皮亞齊（Giuseppe Piazzi）率先發(fā)現(xiàn)了谷神星。谷神星是小行星帶中質(zhì)量最大的天體，表面積相當(dāng)于美國國土面積的38%。當(dāng)谷神星在近日點附近沖時，它的視星等可以達(dá)到+6.7等，裸眼觀測相對較難，但視力特別敏銳的觀測者也有可能看見這顆矮行星。谷神星在合的時候大約可達(dá)+9.3等，相當(dāng)于使用10×50的雙筒望遠(yuǎn)鏡可以看見的最暗天體。因此，當(dāng)谷神星位于地平線之上時，只要天空條件理想，都可以嘗試用雙筒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)其倩影。

一石二鳥的奇特路線

黎明號是世界上第一個先后環(huán)繞兩個天體進(jìn)行探測的無人航天器。

耗資4.66億美元的黎明號于2009年2月飛經(jīng)火星，在經(jīng)過4年多的漫長旅行飛行后，于2011年到達(dá)灶神星，然后繞灶神運行了14個月。在2012年離開灶神星，奔向谷神星。它于2015年3月抵達(dá)谷神星后，對谷神星進(jìn)行約16個月的探測，最終于2016年6月結(jié)束探測使命。

黎明號用氙離子發(fā)動機驅(qū)動近距離探測谷神星和灶神星，從而獲得太陽系小行星帶的一手資料。小行星帶被認(rèn)為與太陽系誕生初期的歷史密切相關(guān)，科學(xué)家們據(jù)此將這一項目命名為“黎明”，即探測太陽系的黎明。

其科學(xué)目標(biāo)是：通過觀測研究這兩顆小行星上的原始信息，來了解太陽系形成之初的狀況及過程，同時科學(xué)家還希望了解小行星演化過程中水的作用；通過確定小行星上的物質(zhì)成分，來加深對類地行星形成過程的認(rèn)識，因為小行星上的物質(zhì)成分與類地行星起源時的物質(zhì)成分相似；通過對這兩種不同小行星（1顆冷而濕，另1顆熱而干）起源和演化過程進(jìn)行分析比較，來測定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同和原因。

利用黎明號上的同一套科學(xué)儀器探測兩個不同目標(biāo)，便于科學(xué)家將兩套探測數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的對比分析，并根據(jù)它環(huán)繞灶神星和谷神星的運行軌道數(shù)據(jù)，對比測算這兩個天體的引力場等參數(shù)。

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把名字帶進(jìn)小行星帶

小行星帶

為了激起公眾對探索的參與熱情，美國航空航天局在黎明號發(fā)射之前發(fā)起了一項活動：通過該局網(wǎng)站報名，然后把報名者的名字寫入安裝在黎明號探測器上的微芯片里，跟探測器一起飛往小行星帶。最后，一個記錄著36萬個人名的電腦芯片被附在黎明號上飛向小行星。

離子推進(jìn)器——穿越太空的動力保證

黎明號是第一個在太陽系中環(huán)繞兩個分離目標(biāo)軌道的空間探測器，主要原因是它裝有3臺氙離子推進(jìn)器，能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電能電離惰性氣體氙氣的原子，產(chǎn)生時速達(dá)14.32萬千米的離子流，向探測器提供日漸增強的推動力。它們的工作原理是用電子轟擊氙氣，釋放出離子，離子則被快速噴射到太空中，推動探測器快速飛行。所以探測器從地球起飛時使用了發(fā)射成本較低的德爾塔-2火箭。另外，離子推進(jìn)器還有加速時間長、可取得較大的速度變化和便于控制等優(yōu)點，因此黎明號靈活性更大，發(fā)射窗口很長。此前，美國深空1號和歐洲智慧1號等空間探測器都曾成功使用過推力雖微小、但燃料效率非常高的離子推進(jìn)系統(tǒng)。雖然這種發(fā)動機在3100秒時間內(nèi)只能產(chǎn)生90毫牛的推力，但它能以極高速度運轉(zhuǎn)數(shù)月甚至1年。

目前，行星際探測器大多使用化學(xué)燃料發(fā)動機，它在20分鐘內(nèi)消耗300千克的燃料，可獲得1000米/秒的速度變化。而黎明號上的離子推進(jìn)器每天消耗0.25千克氙，可獲得10米/秒的速度增量。在最初4天，它的時速將逐漸提高到96千米，1年后時速將升至驚人的8850千米，而屆時消耗的燃料只有15加侖，燃料利用效率是傳統(tǒng)化學(xué)燃料發(fā)動機的10倍。

黎明號上的氙離子推進(jìn)器總共消耗400千克氙燃料，其中在對灶神星進(jìn)行探測時消耗氙275千克，對谷神星進(jìn)行探測時消耗氙110千克。其軌道捕獲、軌道轉(zhuǎn)移和從灶神星逃逸都使用離子推進(jìn)器。此外，黎明號還裝有12臺用于變軌和姿控的小型肼燃料發(fā)動機，每臺推力為0.9牛。

谷神星探測任務(wù)負(fù)責(zé)人萊曼說，感謝離子推進(jìn)器，如果使用傳統(tǒng)推進(jìn)器，黎明號無法造訪兩個陌生天體。

黎明號用離子推進(jìn)器加速

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2015年2月19日黎明號探測器拍攝到谷神星上的神秘亮點

今年以來，由于離谷神星比較近，所以黎明號已獲得了一些有價值的科學(xué)信息。1月13日，黎明號在距離谷神星38.3萬千米拍攝了一些照片并傳回（進(jìn)入谷神星軌道之前拍攝的照片主要用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)）。通過照片能分辨出谷神星表面陰暗面結(jié)構(gòu)分布，隱約存在著隕坑，并發(fā)現(xiàn)有液態(tài)水從谷神星表面涌出，平均每秒涌水量達(dá)到6千克。其中一張照片上有神秘亮斑，它究竟是什么目前還無法確定，有分析認(rèn)為這可能是谷神星水冰物質(zhì)的反射。2月17日，美國又公布了黎明號探測器發(fā)回的谷神星照片。照片再次顯示，谷神星上有多個神秘亮斑。這些照片是黎明號于2月12日距谷神星約8.3萬千米處拍攝的，亮斑更多。通過黎明號2月19日在距離谷神星表面4.6萬千米處拍的照片還發(fā)現(xiàn)另一處神秘亮斑（見上圖），它令天文學(xué)家迷惑不解，有UFO愛好者認(rèn)為，那里可能是外星人的基地。美國表示，在一個隕石坑中有兩個白色亮點可能是冰或者鹽，不過還要等待黎明號進(jìn)一步靠近谷神星，拍到更加清晰的照片，屆時最終答案才能揭曉?？茖W(xué)家相信這些特征透露了谷神星形成的過程，以及它的表面是否一直在發(fā)生變化。黎明號任務(wù)的首席研究員克里斯?羅素（Chris Russell）猜測：這可能指向一個火山噴發(fā)般的起源，但在下定論之前，他們將不得不期望更好的解決方案的到來。

種類繁多的觀測儀器

采用鋁結(jié)構(gòu)的黎明號裝有一些美國“軌道（碳）觀測”衛(wèi)星的一些部件，目的是節(jié)省費用。它裝有光譜繪圖儀、幀幅數(shù)碼相機、γ射線和中子光譜儀等科學(xué)觀測儀器。這些儀器用于測量小行星的質(zhì)量、形狀、體積和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，以及詳細(xì)的元素和礦物成分，確定其構(gòu)造和熱的變化、磁力、核的大小，為人類帶來前所未有的小行星上的峽谷、山脈、隕石坑、熔巖痕跡、兩極冰帽、湖床河道等景色，有可能發(fā)現(xiàn)許多奇特現(xiàn)象，如谷神星也許有一層稀薄的大氣和活躍的水文過程，后者使其兩極的冰霜有季節(jié)性變化，從而改變對它的傳統(tǒng)認(rèn)識。

黎明號的“五臟六腑”

其光譜繪圖儀主要用于測量兩顆小行星表面的礦物成分。在小行星中如果探測到3微米譜的存在則表明含有水礦物，如果探測到1.4微米和1.9微米譜的存在則表明含有水分子。

探測器上有兩臺相同的幀幅數(shù)碼相機，它們用于拍攝兩顆小行星表面的圖像和探測器的導(dǎo)航，質(zhì)量為2.5千克，耗電1.8瓦。

它的γ射線和中子光譜儀能從水中探測是否有氫存在，用于探測小行星上的氧、硅、鐵、鋁、鈣等元素和一些微量成分，繪制其成分分布圖，其中中子光譜儀可探測質(zhì)量比大于0.02%的水，確定谷神星殼中水的含量。科學(xué)家認(rèn)為，要想探查谷神星是否依舊存在水，則必須從其表面的霜凍或水蒸氣入手調(diào)查。谷神星地下甚至可能存在液態(tài)水。水被認(rèn)為在谷神星發(fā)展演化的過程中，幫助其“防暑降溫”。灶神星的情況則截然相反，它溫度極高，內(nèi)部已經(jīng)融化，在早期進(jìn)化過程中幾乎就是一座隨時都有可能噴發(fā)的火山。

黎明號還攜帶了磁強計，其探測能力約為±1000納特。預(yù)期在黎明號飛行的高度上，灶神星和谷神星的磁場大約是500納特。

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好事多磨

黎明號此行來之不易。它最初計劃是在2006年5月27日發(fā)射，但因“經(jīng)費超支及技術(shù)問題”，該項目曾中途下馬過。但在輿論的重壓之下，美國航空航天局在2006年3月15日又表示，要重新評審已取消的黎明號計劃，因為負(fù)責(zé)這一計劃的噴氣推進(jìn)實驗室提出了執(zhí)行該計劃的新證據(jù)。美國航空航天局官員2006年3月27日宣布，重新啟動黎明號計劃，使這一度被決定放棄的黎明號小行星探測項目絕處逢生。美國航空航天局副局長說，如果中止黎明號探測器項目，還得再支付1000多萬美元作為收尾費用；而如果把項目繼續(xù)下去，盡管要超支7000多萬美元，但大部分技術(shù)難題已經(jīng)克服，成功希望較大。因此，美國航空航天局決定將黎明號項目進(jìn)行下去。

黎明號任務(wù)標(biāo)識

2015年3月6日，黎明號探測器進(jìn)入環(huán)繞谷神星的軌道，歷史性地對太陽系矮行星展開首次細(xì)致的探測。圖片來源：NASA。

寂寞、孤獨的小行星帶之旅

2011年7月15日，在飛行超過2.7×109千米后，黎明號小行星探測器進(jìn)入灶神星小行星軌道，成為首個對火星和木星之間小行星帶中的小行星進(jìn)行探測的空間探測器，并于同年8月11日正式開始了對這顆巨型巖質(zhì)小行星的探測任務(wù)。直徑約530千米的灶神星是黎明號此次探測任務(wù)的第一站。黎明號先后在高度從2700千米到120千米不等的幾條不同軌道上進(jìn)行探測，測繪灶神星表面，研究其成分，并探究其地質(zhì)史。2011年9月27日，黎明號進(jìn)入距離灶神星680千米的公轉(zhuǎn)軌道，環(huán)繞一周的時間為12.3小時。后來在12月8日進(jìn)入另一個公轉(zhuǎn)軌道，距離灶神星只有210千米，環(huán)繞一周的時間為4.3小時。

在一年多的任務(wù)中，黎明號拍攝了多角度圖片，幫助科學(xué)家繪制灶神星地形圖并開展相關(guān)研究。2012年5月，美國首度公開黎明號獲得的灶神星初步數(shù)據(jù)，估計灶神星的金屬核心直徑為220千米。美國科學(xué)家進(jìn)一步將灶神星視為獨一無二的一種小行星，認(rèn)為它是與巖石行星同時形成的大型小行星殘存。

2012年9月，美國發(fā)布消息稱，黎明號發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，一些更小的、富含水的小行星曾把它們自己熔入了灶神星的表面。這些水被鎖定在水合礦物的內(nèi)部，直到后來的天體碰撞產(chǎn)生了足夠的熱量，進(jìn)而熔化了這些巖石，并將水分以氣體的形式揮發(fā)掉，最終在小行星表面留下了坑坑洼洼的洞穴。這一發(fā)現(xiàn)展示了太陽系內(nèi)部又一顆具有水循環(huán)的天體。

黎明號于2012年9月5日離開灶神星軌道，向谷神星飛去。截至2015年1月，黎明號距離谷神星大約64萬千米，并正以725千米/小時的速度接近。2015年3月1日，它距離谷神星大約4.8萬千米。谷神星目前還非常神秘，不像灶神星那樣，還可以通過隕石來分析。黎明號的探測活動，將揭開該天體的神秘面紗。甚至有人預(yù)測在谷神星冰封的表面之下，或許存在生機勃勃的海洋！

（責(zé)任編輯 張恩紅）

黎明號拍攝的灶神星上的奇特地形：一排三個隕石坑

黎明號相機拍攝的灶神星赤道南部區(qū)域

黎明號拍攝的灶神星北部地區(qū)