小行星帶的窮游博主

徐蒙

第一站：雛形類地行星、隕石之鄉(xiāng)、太陽系最高峰

把黎明號送入太空的德爾塔Ⅱ火箭

2007年9月27日，黎明號探測器從美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，開啟了它的奇幻旅程。發(fā)射1年半后，黎明號于2009年2月7日飛掠火星，并借助火星的引力助推，歷經(jīng)兩年半，于2011年7月16日進(jìn)入灶神星軌道。這是小行星帶（火星和木星軌道之間的一個小天體聚集地）中僅次于谷神星的第二大天體，占了主帶小行星總質(zhì)量的9%，也是小行星帶中唯一一顆明亮到可以用肉眼觀測的天體。

一個軌道器環(huán)繞一顆天體進(jìn)行長期探測并不是一件容易的事。我們熟知的其他多目標(biāo)探測器，如旅行者號和新視野號，都是技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)的飛掠器，它們的任務(wù)只是以一定距離飛過目標(biāo)天體，然后揚(yáng)長而去，奔向下一個天體。而軌道器則意味著探測器需要進(jìn)入這個天體的引力范圍，還能環(huán)繞這個天體穩(wěn)定地運(yùn)行——這對探測器的性能和軌道控制技術(shù)來說都是更大的考驗(yàn)。

進(jìn)入灶神星軌道后，黎明號多次降低和調(diào)整軌道，對灶神星進(jìn)行了全方位多角度“掃攝”。在長達(dá)14個月的觀測中，黎明號共環(huán)繞灶神星1298圈，拍攝了近31000張照片，還收集了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。

盡管在此之前，灶神星的一些表面特征已經(jīng)被哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和一些地基望遠(yuǎn)鏡觀測到，但直到黎明號的到來，灶神星表面的種種細(xì)節(jié)才被真正揭開。

灶神星內(nèi)部的核、幔、殼結(jié)構(gòu)

雖然是小行星，但灶神星這樣直徑達(dá)500千米以上的大型小行星和直徑不足十幾千米的絕大多數(shù)小行星完全不同——越大的天體越能保持內(nèi)部的熱，也越可能有豐富的地質(zhì)活動。

絕大多數(shù)小行星只是一個近乎勻質(zhì)的“土豆”，而黎明號的重力觀測數(shù)據(jù)確認(rèn)了灶神星早已進(jìn)化成一個“雞蛋”：灶神星和地球、火星等類地行星相似，已經(jīng)有了金屬的內(nèi)核、巖質(zhì)的幔層和殼層。也就是說，灶神星形成于45.6億年前，是一顆最終沒能“發(fā)育進(jìn)階”的類地行星雛形，而且它很可能是目前僅存的一顆巖質(zhì)原行星。

灶神星還是地球上隕石的一大來源。地球上發(fā)現(xiàn)的隕石中，有一大類叫作HED隕石，是“古銅鈣無粒隕石”“鈣長輝長無粒隕石”和“古銅無球隕石”三種非球粒隕石的總稱，目前在地球上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多顆。早在黎明號任務(wù)之前，我們就已經(jīng)通過望遠(yuǎn)鏡觀測的光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)HED隕石極有可能都來自灶神星，黎明號的探測結(jié)果則進(jìn)一步證實(shí)了這種推測的合理性。也就是說，落入地球的隕石中，可能有6%都是來自灶神星的碎片。

灶神星的南極地區(qū)，顯示雷亞希爾維亞盆地撞擊坑

那這些碎片是怎么來的呢？可能是約20億～10億年前從灶神星上撞出來的。黎明號近距離探測了灶神星的南半球，發(fā)現(xiàn)其南極附近有兩個巨大的撞擊盆地：較古老的維納尼亞盆地和較年輕的雷亞希爾維亞盆地。這兩個撞擊盆地面積巨大，僅雷亞希爾維亞盆地撞擊事件產(chǎn)生的濺射物，就足以產(chǎn)生所有落入地球的HED隕石和還在宇宙中飛馳的與HED隕石成分相似的小行星族。

黎明號還發(fā)現(xiàn)，雷亞希爾維亞盆地的中央峰高達(dá)23千米，是目前太陽系中最高的山峰之一，和火星上最高的奧林匹斯山不相上下。不過，它們的成因完全不同，奧林匹斯山是火山作用的結(jié)果，而雷亞希爾維亞盆地的中央峰則是劇烈撞擊之后在盆地中央產(chǎn)生的巖石回彈。

第二站：亮斑、有機(jī)物、地下海

黎明號拍攝的谷神星

2012年9月5日，黎明號離開了灶神星軌道，又花費(fèi)兩年半的時間，跋涉15億千米前往旅途第二站：谷神星。

我們知道，環(huán)繞一顆天體運(yùn)行并不需要能量和助推來維持，只靠引力就夠了。但飛行途中的軌道調(diào)整以及環(huán)繞天體進(jìn)行觀測時不斷變換軌道，都需要消耗燃料（推進(jìn)劑）。然而，一顆探測器能攜帶的推進(jìn)劑畢竟有限，要展開長途之旅還需要一些“超強(qiáng)推進(jìn)劑”來延續(xù)生命。黎明號的秘密武器就是離子推進(jìn)劑。

離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)的原理是將推進(jìn)劑“氙”電離成氙離子和電子，然后用高電壓將氙離子加速噴射出去，這樣探測器就可以借助反沖力進(jìn)行加速。不同于傳統(tǒng)的固體或液體推進(jìn)劑，離子推進(jìn)劑更加節(jié)能，可以大大減少探測器需要攜帶的推進(jìn)劑重量，也就大大提升了太空旅行的效率。事實(shí)上，黎明號僅攜帶了425千克離子推進(jìn)劑就獲得了超過10千米/秒的速度增量，這在深空探測器中是無與倫比的。

不過黎明號并不是第一個使用離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)的探測器，NASA的深空1號探測器第一次把這項(xiàng)技術(shù)從科幻小說帶到了現(xiàn)實(shí)世界，此后日本的隼鳥號、隼鳥2號使用的也是離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)。

離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時會噴出藍(lán)色的“尾焰”，這也是所有使用離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)的探測器在藝術(shù)假想圖中的一大特征。在離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)的幫助下，黎明號于2015年3月6日成功進(jìn)入谷神星軌道。在進(jìn)入谷神星軌道后的3年多時間里，黎明號通過10次變軌，不斷把探測高度從1.35萬千米降至35千米，此外它還對谷神星進(jìn)行了全方位深入探測，揭開了谷神星的諸多秘密。

黎明號使用離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)時的概念圖

黎明號發(fā)現(xiàn)谷神星上約有130個亮斑的位置（藍(lán)色區(qū)域），Occator撞擊坑中的亮斑是谷神星上最亮的

在黎明號近距離造訪谷神星之前，圍繞谷神星的一大謎團(tuán)就是它那神秘的亮斑。2015年初，當(dāng)黎明號開始接近谷神星時，科學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)谷神星上有兩塊明顯的亮斑，而且這兩塊亮斑和之前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的亮斑位置并不一致。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡探測到的亮斑由于位于哈勃亮度圖里的5號區(qū)域，所以最初被稱為“5號亮斑”。隨著黎明號對谷神星的近距離深入探測，科學(xué)家們還在谷神星上發(fā)現(xiàn)了約130塊亮斑。而最早發(fā)現(xiàn)的“5號亮斑”因?yàn)槲挥贠ccator撞擊坑中，所以后來改稱為“Occator亮斑”，是谷神星上最亮的區(qū)域。

這個亮斑到底是什么？最初有人認(rèn)為它是冰火山或者排氣作用的結(jié)果，后來有人認(rèn)為是水合硫酸鎂鹽礦物。2016年，黎明號的近紅外光譜數(shù)據(jù)表明Occator亮斑里含有大量碳酸鈉鹽，很可能是因?yàn)榻诘牡刭|(zhì)活動才從地下露出表面的。除了鹽類礦物，2017年初，黎明號的光譜儀還在谷神星表面多處發(fā)現(xiàn)了脂肪族有機(jī)物，最主要富集地在Ernutet撞擊坑西邊邊緣。

不同于干燥的灶神星，谷神星上一點(diǎn)兒都不缺水（冰），揮發(fā)的水蒸氣還會產(chǎn)生稀薄的大氣層。不僅如此，黎明號還在位于谷神星南半球中緯度地區(qū)的Juling撞擊坑邊緣觀察到水冰的季節(jié)性變化：冬季結(jié)冰，水冰增加;夏季揮發(fā)消融，水冰減少。

谷神星的內(nèi)部也大有玄機(jī)。雖然和灶神星差不多，古老的谷神星也早已“進(jìn)化”出了類地行星那樣的分層結(jié)構(gòu)，但不同于類地行星的是，谷神星更像外太陽系的冰衛(wèi)星，它可能只有一個巖質(zhì)的內(nèi)核，而非灶神星那樣的金屬內(nèi)核。黎明號的重力探測數(shù)據(jù)顯示，谷神星的幔層主要是含水的巖石，而殼層則是巖石、水冰、各種鹽類和含水礦物的混合物——這些含水的巖石和礦物可能是遠(yuǎn)古時期谷神星地下的全球性海洋遺跡，而且至今可能仍有一部分液態(tài)海洋埋在地下沒有被凍結(jié)。

對黎明號觀測數(shù)據(jù)的研究還表明，谷神星的自轉(zhuǎn)軸也曾經(jīng)歷過劇烈動蕩，它很可能和火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)二等星體一樣，發(fā)生過自轉(zhuǎn)軸的重新定向，也就是南北極的位置相比于今天發(fā)生過很大的變化。而不管是新鮮的碳酸鈉鹽、有機(jī)物、水冰的季節(jié)性變化還是地下海洋的遺跡，都表明谷神星并不是一個“死寂”的星球，而是至今依然地質(zhì)活躍、充滿變化，甚至可能具備維持生命條件的地方——就像木衛(wèi)二和土衛(wèi)二那樣。

第三站：最終軌道XM07

在黎明號長達(dá)11年的旅程中，有兩次“續(xù)命”的經(jīng)歷。第一次幫助黎明號“續(xù)命”的是離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)，第二次的“貴人”就是肼推進(jìn)劑。

隨著任務(wù)的推進(jìn)，黎明號的部分動量輪相繼損壞。動量輪是一種通過充電保持轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制探測器姿態(tài)的裝置。現(xiàn)代航天器大多采用三軸穩(wěn)定的方式，以飛機(jī)為例，當(dāng)飛機(jī)需要左右轉(zhuǎn)向、左右翻滾或上下俯仰時，就需要分別調(diào)整對應(yīng)方向上的姿態(tài)控制系統(tǒng)。同理，探測器也需要至少三個動量輪才行。

前面我們說過，離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)是用來調(diào)整軌道的，因此黎明號并不總是需要離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)，尤其是在某個固定軌道持續(xù)探測時。而動量輪對于探測器來說卻是必不可少的——觀測的時候，探測器需要把對應(yīng)的儀器瞄準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域;充電的時候，探測器需要調(diào)整太陽能板的角度，使其對準(zhǔn)太陽;傳回信號的時候，探測器需要把天線對準(zhǔn)地球……這些需要調(diào)整姿態(tài)的工作內(nèi)容都離不開動量輪。

黎明號一共帶了四個動量輪。2010年6月，第一個動量輪損壞，此時距黎明號抵達(dá)第一站灶神星還有一年時間，不過在路上基本不需要控制姿態(tài)，所以并不礙事。事實(shí)上，其余三個正常的動量輪也一直是關(guān)閉狀態(tài)，直到黎明號快要抵達(dá)灶神星時才開啟。2012年8月，當(dāng)黎明號準(zhǔn)備離開灶神星時，第二個動量輪也壞了。智能的黎明號自主關(guān)掉了所有動量輪，通過離子推進(jìn)配合化學(xué)推進(jìn)離開了灶神星軌道，而當(dāng)故障信號傳回地球時，黎明號項(xiàng)目組也覺得這個應(yīng)對措施非常明智，他們決定讓動量輪繼續(xù)關(guān)閉著，畢竟在路上暫時用不到動量輪，還有時間尋找解決辦法。

XMO7

黎明號在最終軌道XM07上近距離拍到的Occator亮斑的超清晰細(xì)節(jié)

這時，黎明號攜帶的少量傳統(tǒng)火箭推進(jìn)劑——肼（N₂H₄），起到了至關(guān)重要的作用。黎明號項(xiàng)目組決定采用“混合推進(jìn)”模式，讓兩個動量輪配合肼推進(jìn)劑一起工作——在這樣的狀態(tài)下對谷神星進(jìn)行了長達(dá)3年的探測。在肼的輔助之下，盡管兩個動量輪遇到了致命故障，但到2016年初，黎明號還是成功完成了所有預(yù)定目標(biāo)，并在2016年6月中旬開始了擴(kuò)展任務(wù)。不過，如果再壞一個動量輪，那么混合模式也沒什么用了。早在2010年，項(xiàng)目組就已經(jīng)決定一旦第三個動量輪損壞，就徹底放棄使用動量輪。因此，當(dāng)2017年4月第三個動量輪壞掉之后，第四個動量輪也被關(guān)閉，而且再也沒有啟用過。自此，黎明號完全靠肼推進(jìn)劑延續(xù)生命。

2018年6月，黎明號借助離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)完成了最后一次變軌，進(jìn)入了最終軌道XM07。這是一個大橢圓軌道，與谷神星表面的最近距離只有35千米。黎明號要抓住最后一次機(jī)會，以最近的距離探測一次谷神星表面。

2018年6月21日，黎明號關(guān)閉離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)。這縷閃耀在小行星帶中的藍(lán)光永遠(yuǎn)地熄滅了。之后，黎明號在這個最終軌道上一直觀測到最后一刻，直到肼推進(jìn)劑消耗完畢。

黎明號的最終軌道XM07是項(xiàng)目組精心設(shè)計(jì)的距離谷神星最近的“安全軌道”，它能夠保證黎明號在無法變軌的狀態(tài)下短期內(nèi)（大約20年）不會撞上谷神星，以防不慎污染了這顆矮行星。而人類會抓緊這段時間來確認(rèn)谷神星上是否真的具備維持生命的條件，甚至存在生命。在接下來的20年里，黎明號會環(huán)繞谷神星空轉(zhuǎn)，等待新的訪客到來。如果20年時間不夠，人們還可以將期限放寬至50年，黎明號在此期間仍有99%的概率能夠繼續(xù)環(huán)繞谷神星運(yùn)行，不至于墜毀在它的表面。

不過，目前人們還沒有重訪谷神星的計(jì)劃，但在太陽系的其他地方，另外兩顆小行星探測器——隼鳥2號和OSIRIS-REx號都已經(jīng)順利開展工作。在不遠(yuǎn)的將來，NASA的小行星探測器Lucy和Psyche也將于2023年左右發(fā)射升空，開始屬于它們的奇幻旅程。這代表著人類對太空的探索，前赴后繼，生生不息。

最后，我想和大家分享《黎明號札記》中，總設(shè)計(jì)師馬克·雷曼的一段話：

“在研究生階段，我的祖父去世了，當(dāng)時我非常傷心。但當(dāng)我和實(shí)驗(yàn)室一名來自上海的科學(xué)家說到這件事的時候，他問我祖父多少歲了。在我告訴他我的祖父已經(jīng)85歲了之后，這位睿智的紳士笑著對我說：‘哦，你應(yīng)該感到開心。然后我立刻就意識到了，我當(dāng)然應(yīng)該感到開心——這說明我的祖父度過了一段這么長的快樂人生！”

“現(xiàn)在，輪到黎明號了。這顆探測器一路走來，克服了太多我們在設(shè)計(jì)和制造它的時候完全沒有想象到的問題。它不僅超額完成了全部既定目標(biāo)，而且在經(jīng)歷了差點(diǎn)兒導(dǎo)致任務(wù)終結(jié)的重大事故之后，仍然取得了我們未曾想到的重要成果。它帶給了我，以及無數(shù)人（我希望，其中也包括你）一場真正奇幻、激動人心又充滿發(fā)現(xiàn)的深空探險(xiǎn)之旅。從任何意義上來說，黎明號都是一個非凡的成就！”

黎明號飛掠谷神星概念圖