成就斐然的黎明號小行星探測器

龐之浩

2018年11月1日，美國國家航空航天局宣布，由于燃料耗盡，黎明號小行星探測器退役。其最終軌道經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，是距離谷神星最近的“安全軌道”，可保證黎明號在接下來的至少20年里不會(huì)撞上谷神星，以防不慎污染了這顆矮行星。2007年9月27日升空的黎明號首次為人類揭開了小行星帶中兩顆最大天體—灶神星和谷神星的面紗。下面就讓我們一起來了解一下黎明號這位“傳奇神探”吧！

黎明號任務(wù)標(biāo)志

科學(xué)目標(biāo)新穎

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類越來越認(rèn)識(shí)到探測和開發(fā)小行星的重要意義。例如：小行星是太陽系形成時(shí)殘留下來的初始物質(zhì)，探測小行星能深入了解太陽系的最初物質(zhì)組成，更好地研究太陽系的形成和演化;可以勘探近地小行星豐富的潛在礦物資源，為未來采礦做準(zhǔn)備;有利于研究、開發(fā)出防止近地小行星撞擊地球的新方法和技術(shù);小行星有豐富的水資源，所以可作為載人登陸火星的中轉(zhuǎn)站。

因此，近些年來，全球掀起了小行星探測熱潮，并取得了顯著的科技成果。就說最近，2019年2月22日，日本隼鳥2號成功在小行星龍宮著陸，然后采樣，最終它將把樣品運(yùn)回地球進(jìn)行研究;美國奧西里斯·雷克斯探測器也已進(jìn)入目標(biāo)小行星軌道，準(zhǔn)備采樣返回。

不過，2007年發(fā)射的黎明號與其他的小行星探測器不同，很有特點(diǎn)。它遠(yuǎn)赴火星和木星之間的小行星帶，分別在2011年和2015年先后探測了灶神星和谷神星這2顆人類以前從未嘗試接觸的著名小行星（谷神星現(xiàn)已升級為矮行星），因?yàn)檫@2顆小行星不僅是“羊群中的駱駝”—在火星和木星間的小行星帶中個(gè)頭名列前茅，它們還與小行星帶里的其他天體存在顯著差別—它們帶著億萬年前的瘢痕，那是一大塊天體被撞碎成這條星河的證據(jù);它們是時(shí)間膠囊，保存著水、有機(jī)物和其他令科學(xué)家驚嘆的遠(yuǎn)古遺產(chǎn)。

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)此把首次探測它們的深空探測器命名為“黎明”，即探測太陽系的黎明。

黎明號的科學(xué)目標(biāo)是：通過觀測研究這2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(shí)科學(xué)家還希望了解小行星演化過程中水的作用;小行星上的物質(zhì)成分與類地行星起源時(shí)的物質(zhì)成分相似，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(shí);通過對這2種不同小行星（一顆冷而濕;另一顆熱而干）的起源和演化過程進(jìn)行分析比較，來測定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同和原因。

首次一舉兩得

目前，深空探測器大都只能進(jìn)入一個(gè)地外天體軌道進(jìn)行探測，直至壽終正寢，或者像旅行者1號、2號那樣以飛越方式走馬觀花地探測多個(gè)地外天體。而美國的黎明號是世界首個(gè)先后進(jìn)入兩個(gè)地外天體軌道的深空探測器，所以效率很高。

?黎明號拍攝的灶神星北部地區(qū)

?黎明號上裝載裝惰性氣體——氙氣的鈦合金容器

利用黎明號上的同一套科學(xué)儀器探測兩個(gè)不同目標(biāo)，還便于科學(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(yùn)行軌道數(shù)據(jù)，對比測算這兩個(gè)天體的引力場等參數(shù)。

黎明號之所以能成為第1個(gè)在太陽系中先后環(huán)繞2個(gè)分離目標(biāo)軌道工作的空間探測器，主要原因是它裝有3臺(tái)氙離子推進(jìn)器，可將太陽能轉(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(shí)速達(dá)14.32萬千米的離子流，向探測器提供強(qiáng)勁的推動(dòng)力。它們的工作原理是用電子轟擊氙氣，釋放出離子，離子則被快速排進(jìn)太空中，推動(dòng)探測器快速飛行。所以黎明號從地球起飛時(shí)使用了發(fā)射成本較低的火箭。另外，離子推進(jìn)器還有加速時(shí)間長、可取得較大的速度變化和便于控制等優(yōu)點(diǎn)，這使得黎明號靈活性更大，發(fā)射窗口很長。此前，歐洲智慧1號、日本隼鳥號探測器等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)。

黎明號上裝有光譜繪圖儀、幀幅數(shù)碼相機(jī)、γ射線和中子光譜儀等科學(xué)觀測儀器。這些儀器可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。黎明號還發(fā)現(xiàn)了許多奇特現(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呈季節(jié)性變化，從而改變了人們對它的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

?黎明號的“五臟六腑”

收獲豐碩成果

2011年7月15日，在飛行超過2.7×109千米后，黎明號進(jìn)入灶神星軌道，成為首個(gè)對火星和木星之間小行星帶中的小行星進(jìn)行探測的飛行器，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530千米的灶神星是小行星帶中的第二大天體。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)行了探測，包括測繪灶神星表面，研究其成分，探究其地質(zhì)史。2011年9月27日，黎明號進(jìn)入距離灶神星680千米的環(huán)繞軌道，環(huán)繞一周的時(shí)間為12.3小時(shí)。后來在同年12月8日進(jìn)入另一個(gè)環(huán)繞軌道，距離灶神星只有210千米，環(huán)繞一周的時(shí)間為4.3小時(shí)。

?黎明號拍攝的灶神星上的奇特地形：一排三個(gè)隕石坑

在一年多的環(huán)繞探測中，黎明號為灶神星拍攝了多角度的圖片，幫助科學(xué)家繪制了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(jì)灶神星的金屬核心直徑為220千米。美國科學(xué)家將灶神星視為獨(dú)一無二的一種小行星，認(rèn)為它是與巖石行星同時(shí)形成的大型小行星殘存。從2011—2012年，黎明號傳回了超過3萬張?jiān)钌裥菆D像。

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(gè)極不相同的天體竟可同處一個(gè)小行星帶上，其原因也是黎明號需要揭示的奧秘之一。

黎明號于2012年9月5日離開灶神星軌道，向谷神星飛去，2015年3月6日進(jìn)入谷神星軌道。此后，它一般在距離谷神星表面大約378千米高的軌道運(yùn)行。但在進(jìn)入谷神星軌道后的3年多時(shí)間里，黎明號曾通過10次變軌，把探測高度先后從1.35萬千米慢慢降至最近的35千米，對谷神星進(jìn)行了全方位深入探測，也揭開了谷神星諸多重要秘密。例如：

2015年年初，在飛近谷神星但還沒進(jìn)入軌道時(shí)，黎明號就拍攝到一些有價(jià)值的照片。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。

另外一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是谷神星存在一些神秘的亮斑。發(fā)出亮光的物質(zhì)估計(jì)是鹽，很可能是在地下的鹽水沸騰并蒸發(fā)到太空時(shí)留下的。亮斑形成的時(shí)間不長，這表明谷神星在過去一段時(shí)間里一直隱藏著液態(tài)水，甚至今天可能還保留著其中的一部分。

黎明號還發(fā)現(xiàn)谷神星上有一片冰凍海洋的殘骸，上面覆蓋著厚厚的黏土和鹽殼。如果谷神星是在其目前所處的位置形成的話，年輕的太陽可能會(huì)把大部分的水蒸發(fā)掉。因此，一些科學(xué)家懷疑，谷神星是在木星和土星之后形成的，但是被氣態(tài)巨行星早期劇烈的旋轉(zhuǎn)所吸引。

谷神星兩極存在水冰，地表之下可能存在支持生命的海洋，所以該星球表面或有生命體存在。谷神星火山口坑洼下面可能也含有水冰。對水的研究有助于了解太陽系化學(xué)成分分布、（矮）行星環(huán)境形成機(jī)制以及生命起源，同時(shí)也是為未來開展深空探測積累資源數(shù)據(jù)。最新研究表明，谷神星近地表水或存在近千萬年。

黎明號在谷神星北半球一個(gè)直徑為50千米的隕坑附近發(fā)現(xiàn)了有機(jī)化合物的蹤跡，盡管目前還不能確定有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，但這種化合物和瀝青巖等碳?xì)浠衔镱愃?，是可能?gòu)成生命的有機(jī)化合物。

不管是新鮮的鹽類礦物、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(gè)“死寂”的星球，它至今依然是地質(zhì)活躍、充滿變化，甚至可能是具備維持生命條件的地方—就像木衛(wèi)二或者土衛(wèi)二那樣。

由于在黎明號任務(wù)結(jié)束時(shí)，仍有很多谷神星的重大疑團(tuán)尚未厘清，所以有科學(xué)家建議研制和發(fā)射新的探測器在谷神星上登陸和漫游。

?谷神星上發(fā)現(xiàn)的脂肪族有機(jī)物，顏色越淺說明含量越高

知識(shí)延伸：

灶神星和谷神星都形成于大約45億年前，據(jù)估計(jì)，它們都形成于太陽系早期，并且由于木星的強(qiáng)大引力作用而演化遲緩。不少專家認(rèn)為，小行星是處于萌芽期，但未得到機(jī)會(huì)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”。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的條件之謎。

（責(zé)任編輯/陳瑩 ?美術(shù)編輯/胡美巖）