为什么要探测谷神星？

对谷神星的探测是2015年的一个重要科学事件。科学家认为，这颗富含水冰的矮行星，有可能对人们了解太阳系的形成与演化起到促进作用。

南方周末记者 黄永明

历史上，天文学家在计算太阳系的行星分布时，曾经认为火星和木星之间还存在一颗尚未被发现的行星。那是1772年的事情。到了1801年，意大利天文学家朱塞普·皮亚齐果然在火星和木星之间发现了一个天体。人们把它称为谷神星。

在半个世纪的时间里，谷神星曾被认为是计算中那颗缺失的行星；后来，天文学家们又把它归入小行星的行列——它成为小行星带中众多天体的一员。进入21世纪，谷神星又从小行星升格为矮行星。

2015年3月6日，谷神星迎来了第一架人类探测器——美国宇航局（NASA）的“黎明号”。它是一架环绕谷神星飞行的探测器，携带了三部科学仪器，探测这颗从太阳系形成之初遗留下来的天体。

谷神星被认为形成于45.7亿年前。它从内到外可以被分为三层：最内部是一个岩石核心，最外层是壳，两者之间则是冰和水。科学家估计，谷神星内部可能存在2亿立方千米的水，这比地球上的淡水总量还要多。

美国《科学》杂志将“黎明号”对谷神星的探测列为2015年的一个重要科学事件。2015年7月，“新地平线号”还将到达冥王星，二者探测的都是太阳系中富含水冰的矮行星，这些探测可能对人们了解太阳系的形成与演化起到推进作用。

“黎明号”的 两个目标

探测谷神星的行动走到今天，颇费了一些周折。最初的计划可以追溯到1980年代初。当时有一些探测小行星的方案被提交给欧洲空间局（ESA），但欧空局并没有批准。后来欧空局想要跟美国宇航局合作探测小行星，美国宇航局却没有兴趣。苏联有过探测谷神星的计划，但那个计划随着苏联解体而中断。

直到1996年，美国宇航局才有项目组提出将探测小行星带中的小行星作为一个首要任务。这个项目也几经周折，最后形成了“黎明号”任务。该任务在2004年通过了关键性的设计评审，探测器于2007年发射升空。

“黎明号”的一个创举，是做到了同一架探测器先后环绕两个天体进行探测。这种事情在科幻小说中司空见惯——太空旅行者乘着飞船先到达一个星球，然后再到达下一个。然而现实中，在“黎明号”之前并没有人类探测器做到这一点。此前的探测器一般只有一个目标。

“黎明号”的第一个目标，是灶神星。灶神星是小行星带中质量仅次于谷神星的天体，其直径有525千米。在“黎明号”抵达那里之前，灶神星只是哈勃太空望远镜中一个模糊的天体。

2011年5月，“黎明号”抵达灶神星附近，开始了为期一年多的探测。探测的结果之一，是确认了灶神星与地球上某些陨石之间的关联。

从以往的照片看，灶神星的整个南极是一个巨大的陨石坑；而在地球上，科学家发现有三类陨石的成分很可能与灶神星的成分一致。“黎明号”的近距离探测证实了三种陨石与灶神星的关联：这些陨石很可能是在很久以前的碰撞中被抛入太空的灶神星物质。

“黎明号”还在灶神星上发现了一些深色的物质，从成分来看，这些物质不可能是在灶神星上形成的。它们可能是在撞击中由位于太阳系更遥远位置的天体带来的。这些结果让科学家得以更多了解灶神星的历史。

在这次探测中，天文学家还发现灶神星是没有卫星的。尽管这个发现并不令人意外，但小行星虽小，却也有可能拥有卫星。2015年1月，从地球附近飞过的小行星2004BL86就被发现带有一颗卫星。

2012年9月，“黎明号”离开了灶神星。“黎明号”之所以能够做到这一点，很大程度上得益于一种新的推进技术。“黎明号”任务的首席工程师马克·雷曼（Marc Rayman）在他的日记中写道，一架探测器造访两个天体，“是传统推进技术远远做不到的”。

雷曼早先曾在美国宇航局的另一个项目——“深空1号”——工作过。这个彗星探测器就最早用到了离子推进器，而“黎明号”沿用了这种推进器。按照雷曼的解释，这种推进器施加的力是非常微弱的，相当于你把一张纸放在手上——你几乎感觉不到它对手的压力。然而，在太空中，没有了摩擦力，这样微弱的力就能够在11天的时间里把探测器的速度从0加速到时速97千米。那么，在长达数年的持续推进中，“黎明号”就能达到很高的飞行速度了。

离子推进器还在“黎明号”飞行的过程中起到了其他作用。“黎明号”本身有两个反作用轮，它们的作用是帮助探测器调整姿态。然而，在探测器到达灶神星之前，反作用轮中的一个坏掉了。离开灶神星后不久，另一个反作用轮也坏掉了。这让技术人员不得不动用离子推进器来为探测器调姿。

“黎明号”的副首席科学家卡罗尔·雷蒙德（Carol Raymond）最近解释，这让探测器消耗更多的燃料，“因为我们有一个固定天线，我们不是面向天体表面收集数据，就是转向地球发送数据，所以，我们必须尽量减少转向的次数，以达到最高效”。

“团队做得很好，让探测器做到了转向时更慢，转向的次数也更少。如果‘黎明号是一辆普锐斯汽车，那么我们现在就达到了超级惜油的状态。”雷蒙德说。

谷神星的秘密

“黎明号”进入谷神星轨道的时候，位于美国宇航局喷气推进实验室的控制室里并没有爆发出欢呼、尖叫，也没有工作人员互相拥抱。这与人们通常印象中的航天项目的成功场面很不一样。控制室里几乎没有人，绝大部分工作人员可能正在家里睡觉。

之所以会这样，是因为“黎明号”的飞行方式很特别。它离开灶神星之后，在离子推进器的推动之下，盘旋着远离太阳，慢慢地接近谷神星的轨道，直到它的飞行轨道与谷神星的轨道完全重合。当二者间的距离缩小到一定程度（60600千米）的时候，谷神星就会轻柔地将“黎明号”收入自己的引力范围。

这一切都发生得很“自然”和缓慢，完全在设计之中，并没有一个成功与失败的关键时刻。或者说，“黎明号”的飞行与前面的1885天没有太多不同，因而项目工作人员也就没有一个特别的欢呼时刻。

在接近谷神星的时候，“黎明号”向地球发回了一些照片。科学家们在照片上看到了相对平坦的区域，那里陨石坑较少，这样的区域可能是相对年轻的。

他们也发现了无法解释的现象：谷神星表面的某些位置存在明亮的白色光点。最早在2014年底，“黎明号”就拍到了光点。在一张照片中，有两个明亮的光点位于同一个盆地中。事实上，类似的光点以前哈勃望远镜也曾观察到过。

这些光点是什么？一些人猜测那是冰的火山，但“黎明号”的项目科学家们更加谨慎，因为这些光点的附近看起来并不像有山丘。他们表示，到目前为止还没有搞清楚那些白点究竟是什么。

在2014年，欧洲空间局的赫歇尔太空望远镜曾观察到谷神星上存在两处羽状水汽喷射，它们就像是间歇式喷泉，把水蒸气喷到太空中去。其中一处与白色光点的位置比较接近。这些喷泉的特性正有待“黎明号”前去考察。

水蒸气喷泉可能暗示谷神星地表之下存在海洋。在太阳系的其他位置，比如木卫二和土卫二上，天文学家就猜测存在地下海洋。这些天体上的水体由于行星和附近卫星的巨大潮汐作用而保持了液态。尽管谷神星并非存在于类似环境中，但科学家猜测，或许其内部仍存在一定程度的“地热”，能够让水保持液态。

另外，天文学家还猜测谷神星可能存在大气层。在温度最高的时候，谷神星的表面可以达到零下38摄氏度。如果表面有冰的话，它们可能升华为水蒸气。目前这些猜测正等待“黎明号”提供更多信息。

“黎明号”将环绕谷神星执行历时一年半的科学探测。在那之后，当它能量耗尽，也仍将在谷神星的引力下伴随它飞行很长很长时间。

“自1801年被发现以来，谷神星一度被认为是行星，然后是小行星，再后来是矮行星。现在，在经历了49亿千米和七年半的旅程之后，‘黎明号把它称之为‘家。”雷曼说。