一石二鸟——美国黎明号进入谷神星轨道

□ 士 元

一石二鸟
——美国黎明号进入谷神星轨道

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黎明号探测灶神星和谷神星两颗小行星示意图

“现在，我们终于有一艘飞船将要揭开这颗神秘星球的面纱。不久之后，我们将窥见谷神星从太阳系诞生之初保守至今的诸多秘密。”

——美国航空航天局黎明号探测器项目主管及首席工程师 马克•莱曼

黎明号小行星探测器2015年3月1日拍摄的谷神星。在这张图像上，谷神星呈现一轮弯月，大部分区域处于阴影之中，这是因为飞船轨道规划使其进入了视野背向太阳的方向，这一状况将一直持续到四月中旬才会逐渐改观。届时黎明号将从谷神星的阴影中走出来并开始拍摄极高分辨率的谷神星地表图像。

美国东部时间2015年3月6日07∶39(北京时间20∶39)，黎明号小行星探测器成功进入谷神星轨道，标志着人类探测器首次成功造访一颗矮行星。它将在距离谷神星表面大约378千米高的轨道运行，旨在增进人们对太阳系成长过程的了解。“我们即将创造历史，” 美国航空航天局喷气推进实验室黎明号任务项目主管罗伯特•梅斯说，“我们团队已经做好了准备，迫切地想要知道谷神星给我们储存了什么好东西。”该探测器于2007年9月27日发射升空，2011年7月首先进入了灶神星轨道，对其展开了14个月的探测，采集了关于灶神星的珍贵数据和图像；然后，又飞往谷神星进行探测。之所以探测灶神星和谷神星这两颗人类以前从未尝试接触的著名小行星，因为这两颗小行星(谷神星现已被改定为矮神星)不仅是“羊群中的骆驼”——火星和木星间的小行星带中个头名列前茅，还因为它们与小行星带里的其他天体存在显著差别。黎明号是第一个探测这个重要区域的人类探测器，也是世界上第一个先后环绕两个天体进行探测的无人航天器。

掀开谷神星神秘的面纱

太阳系的小行星带是位于火星和木星轨道间的小行星密集区域，天文学家估计这里有约50万颗种类各异的小行星。不少科学家认为，小行星是处于萌芽期但未得到机会成长起来的“行星婴儿”。灶神星、谷神星、智神星和婚神星被称为小行星带的“四大金刚”。灶神星和谷神星都形成于大约45亿年前，据估计，它们都形成于太阳系早期，并且由于木星的强大引力作用而演化迟缓。研究人员希望用黎明号对灶神星和谷神星进行细致研究，比较它们的演化进程，揭开小行星演变和这些天体形成条件之谜。

谷神星是这个小行星带中最大的天体，也是小行星带第一个被发现的天体。其平均直径约为950千米，整体密度较低(2.09克/立方厘米)，被认为含有大量水，相对温暖潮湿，与可能存在生命体的木卫二和土卫二能够相提并论。科学家认为，谷神星蕴藏着惊人数量的冰，冰盖下可能藏有海洋。它很可能是一个分化型星球，具有岩石内核，地幔层包含大量冰水物质，现探测到星球表面有大量载水矿物质。初步推测水占谷神星体积的40%。有趣的是，科学家宣称发现谷神星有水蒸气喷射物，并可能也存在次表层海洋。

美国行星科学研究所科学家李剑扬最近表示，他并不认为在天体生物学方面谷神星不如其他潜在宜居性的星球。生命存在需要3个基本条件——液态水、能量来源和某些化学成分(碳、氢、氮、氧、磷和硫黄等)，谷神星均占一定优势。谷神星是除地球之外太阳系内部最大的“蓄水池”，目前并不清楚这里有多少水资源，如果有的话，它们应当是液态形式。谷神星还能通过太阳能获得能量，因为它距离太阳仅2.8个天文单位，相比之下，木卫二和土卫二距离较远，分别是5.2和9个天文单位。谷神星羽状喷射物或多或少地证实该星球存在内部热量。

谷神星与灶神星差别很大。灶神星是与地球类似的岩石天体，而谷神星是典型的冰雪天体，这两个极不相同的天体竟可同处一个小行星带上，其原因也是黎明号需要揭示的奥秘之一。科学家认为，搜寻小行星带中这两个标志性天体的信息，有助揭开太阳系早期历史的奥秘。“研究谷神星让我们有机会开展太空中的历史学研究，打开了一扇通往我们太阳系历史早期篇章的窗户。” 美国航空航天局总部行星科学分部主管吉姆•格林（Jim Green）说，“黎明号发回的数据可能会给我们理解太阳系形成的过程带来重大突破。”

用“哈勃”空间望远镜观测到的谷神星

丰收女神色列斯（Ceres）

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丰收女神谷神星

据统计，太阳系中约有50万颗小行星和八大行星一样绕着太阳公转，它们大多体积很小，最早发现的四大小行星——谷神星（Ceres）、智神星（Pallas）、婚神星（Juno）和灶神星（Vesta），谷神星是最大的一颗，通常被称作“伟大的母亲”（谷神星现在归为矮神星）。这种称呼，就是来自那些遥远的罗马神话。在罗马神话中，色列斯（Ceres）是主管农业和丰收的女神，象征着养育人类文明的肥沃的土壤，她被作为滋养众生的母亲来被人们祭拜。

1801年，西西里岛天文学家朱塞佩•皮亚齐（Giuseppe Piazzi）率先发现了谷神星。谷神星是小行星带中质量最大的天体，表面积相当于美国国土面积的38%。当谷神星在近日点附近冲时，它的视星等可以达到+6.7等，裸眼观测相对较难，但视力特别敏锐的观测者也有可能看见这颗矮行星。谷神星在合的时候大约可达+9.3等，相当于使用10×50的双筒望远镜可以看见的最暗天体。因此，当谷神星位于地平线之上时，只要天空条件理想，都可以尝试用双筒望远镜发现其倩影。

一石二鸟的奇特路线

黎明号是世界上第一个先后环绕两个天体进行探测的无人航天器。

耗资4.66亿美元的黎明号于2009年2月飞经火星，在经过4年多的漫长旅行飞行后，于2011年到达灶神星，然后绕灶神运行了14个月。在2012年离开灶神星，奔向谷神星。它于2015年3月抵达谷神星后，对谷神星进行约16个月的探测，最终于2016年6月结束探测使命。

黎明号用氙离子发动机驱动近距离探测谷神星和灶神星，从而获得太阳系小行星带的一手资料。小行星带被认为与太阳系诞生初期的历史密切相关，科学家们据此将这一项目命名为“黎明”，即探测太阳系的黎明。

其科学目标是：通过观测研究这两颗小行星上的原始信息，来了解太阳系形成之初的状况及过程，同时科学家还希望了解小行星演化过程中水的作用；通过确定小行星上的物质成分，来加深对类地行星形成过程的认识，因为小行星上的物质成分与类地行星起源时的物质成分相似；通过对这两种不同小行星（1颗冷而湿，另1颗热而干）起源和演化过程进行分析比较，来测定其内部结构的不同和原因。

利用黎明号上的同一套科学仪器探测两个不同目标，便于科学家将两套探测数据进行准确的对比分析，并根据它环绕灶神星和谷神星的运行轨道数据，对比测算这两个天体的引力场等参数。

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把名字带进小行星带

小行星带

为了激起公众对探索的参与热情，美国航空航天局在黎明号发射之前发起了一项活动：通过该局网站报名，然后把报名者的名字写入安装在黎明号探测器上的微芯片里，跟探测器一起飞往小行星带。最后，一个记录着36万个人名的电脑芯片被附在黎明号上飞向小行星。

离子推进器——穿越太空的动力保证

黎明号是第一个在太阳系中环绕两个分离目标轨道的空间探测器，主要原因是它装有3台氙离子推进器，能将太阳能转化为电能，再通过电能电离惰性气体氙气的原子，产生时速达14.32万千米的离子流，向探测器提供日渐增强的推动力。它们的工作原理是用电子轰击氙气，释放出离子，离子则被快速喷射到太空中，推动探测器快速飞行。所以探测器从地球起飞时使用了发射成本较低的德尔塔-2火箭。另外，离子推进器还有加速时间长、可取得较大的速度变化和便于控制等优点，因此黎明号灵活性更大，发射窗口很长。此前，美国深空1号和欧洲智慧1号等空间探测器都曾成功使用过推力虽微小、但燃料效率非常高的离子推进系统。虽然这种发动机在3100秒时间内只能产生90毫牛的推力，但它能以极高速度运转数月甚至1年。

目前，行星际探测器大多使用化学燃料发动机，它在20分钟内消耗300千克的燃料，可获得1000米/秒的速度变化。而黎明号上的离子推进器每天消耗0.25千克氙，可获得10米/秒的速度增量。在最初4天，它的时速将逐渐提高到96千米，1年后时速将升至惊人的8850千米，而届时消耗的燃料只有15加仑，燃料利用效率是传统化学燃料发动机的10倍。

黎明号上的氙离子推进器总共消耗400千克氙燃料，其中在对灶神星进行探测时消耗氙275千克，对谷神星进行探测时消耗氙110千克。其轨道捕获、轨道转移和从灶神星逃逸都使用离子推进器。此外，黎明号还装有12台用于变轨和姿控的小型肼燃料发动机，每台推力为0.9牛。

谷神星探测任务负责人莱曼说，感谢离子推进器，如果使用传统推进器，黎明号无法造访两个陌生天体。

黎明号用离子推进器加速

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2015年2月19日黎明号探测器拍摄到谷神星上的神秘亮点

今年以来，由于离谷神星比较近，所以黎明号已获得了一些有价值的科学信息。1月13日，黎明号在距离谷神星38.3万千米拍摄了一些照片并传回（进入谷神星轨道之前拍摄的照片主要用于校准数据）。通过照片能分辨出谷神星表面阴暗面结构分布，隐约存在着陨坑，并发现有液态水从谷神星表面涌出，平均每秒涌水量达到6千克。其中一张照片上有神秘亮斑，它究竟是什么目前还无法确定，有分析认为这可能是谷神星水冰物质的反射。2月17日，美国又公布了黎明号探测器发回的谷神星照片。照片再次显示，谷神星上有多个神秘亮斑。这些照片是黎明号于2月12日距谷神星约8.3万千米处拍摄的，亮斑更多。通过黎明号2月19日在距离谷神星表面4.6万千米处拍的照片还发现另一处神秘亮斑（见上图），它令天文学家迷惑不解，有UFO爱好者认为，那里可能是外星人的基地。美国表示，在一个陨石坑中有两个白色亮点可能是冰或者盐，不过还要等待黎明号进一步靠近谷神星，拍到更加清晰的照片，届时最终答案才能揭晓。科学家相信这些特征透露了谷神星形成的过程，以及它的表面是否一直在发生变化。黎明号任务的首席研究员克里斯•罗素（Chris Russell）猜测：这可能指向一个火山喷发般的起源，但在下定论之前，他们将不得不期望更好的解决方案的到来。

种类繁多的观测仪器

采用铝结构的黎明号装有一些美国“轨道（碳）观测”卫星的一些部件，目的是节省费用。它装有光谱绘图仪、帧幅数码相机、γ射线和中子光谱仪等科学观测仪器。这些仪器用于测量小行星的质量、形状、体积和旋转状态，以及详细的元素和矿物成分，确定其构造和热的变化、磁力、核的大小，为人类带来前所未有的小行星上的峡谷、山脉、陨石坑、熔岩痕迹、两极冰帽、湖床河道等景色，有可能发现许多奇特现象，如谷神星也许有一层稀薄的大气和活跃的水文过程，后者使其两极的冰霜有季节性变化，从而改变对它的传统认识。

黎明号的“五脏六腑”

其光谱绘图仪主要用于测量两颗小行星表面的矿物成分。在小行星中如果探测到3微米谱的存在则表明含有水矿物，如果探测到1.4微米和1.9微米谱的存在则表明含有水分子。

探测器上有两台相同的帧幅数码相机，它们用于拍摄两颗小行星表面的图像和探测器的导航，质量为2.5千克，耗电1.8瓦。

它的γ射线和中子光谱仪能从水中探测是否有氢存在，用于探测小行星上的氧、硅、铁、铝、钙等元素和一些微量成分，绘制其成分分布图，其中中子光谱仪可探测质量比大于0.02%的水，确定谷神星壳中水的含量。科学家认为，要想探查谷神星是否依旧存在水，则必须从其表面的霜冻或水蒸气入手调查。谷神星地下甚至可能存在液态水。水被认为在谷神星发展演化的过程中，帮助其“防暑降温”。灶神星的情况则截然相反，它温度极高，内部已经融化，在早期进化过程中几乎就是一座随时都有可能喷发的火山。

黎明号还携带了磁强计，其探测能力约为±1000纳特。预期在黎明号飞行的高度上，灶神星和谷神星的磁场大约是500纳特。

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好事多磨

黎明号此行来之不易。它最初计划是在2006年5月27日发射，但因“经费超支及技术问题”，该项目曾中途下马过。但在舆论的重压之下，美国航空航天局在2006年3月15日又表示，要重新评审已取消的黎明号计划，因为负责这一计划的喷气推进实验室提出了执行该计划的新证据。美国航空航天局官员2006年3月27日宣布，重新启动黎明号计划，使这一度被决定放弃的黎明号小行星探测项目绝处逢生。美国航空航天局副局长说，如果中止黎明号探测器项目，还得再支付1000多万美元作为收尾费用；而如果把项目继续下去，尽管要超支7000多万美元，但大部分技术难题已经克服，成功希望较大。因此，美国航空航天局决定将黎明号项目进行下去。

黎明号任务标识

2015年3月6日，黎明号探测器进入环绕谷神星的轨道，历史性地对太阳系矮行星展开首次细致的探测。图片来源：NASA。

寂寞、孤独的小行星带之旅

2011年7月15日，在飞行超过2.7×109千米后，黎明号小行星探测器进入灶神星小行星轨道，成为首个对火星和木星之间小行星带中的小行星进行探测的空间探测器，并于同年8月11日正式开始了对这颗巨型岩质小行星的探测任务。直径约530千米的灶神星是黎明号此次探测任务的第一站。黎明号先后在高度从2700千米到120千米不等的几条不同轨道上进行探测，测绘灶神星表面，研究其成分，并探究其地质史。2011年9月27日，黎明号进入距离灶神星680千米的公转轨道，环绕一周的时间为12.3小时。后来在12月8日进入另一个公转轨道，距离灶神星只有210千米，环绕一周的时间为4.3小时。

在一年多的任务中，黎明号拍摄了多角度图片，帮助科学家绘制灶神星地形图并开展相关研究。2012年5月，美国首度公开黎明号获得的灶神星初步数据，估计灶神星的金属核心直径为220千米。美国科学家进一步将灶神星视为独一无二的一种小行星，认为它是与岩石行星同时形成的大型小行星残存。

2012年9月，美国发布消息称，黎明号发现的证据表明，一些更小的、富含水的小行星曾把它们自己熔入了灶神星的表面。这些水被锁定在水合矿物的内部，直到后来的天体碰撞产生了足够的热量，进而熔化了这些岩石，并将水分以气体的形式挥发掉，最终在小行星表面留下了坑坑洼洼的洞穴。这一发现展示了太阳系内部又一颗具有水循环的天体。

黎明号于2012年9月5日离开灶神星轨道，向谷神星飞去。截至2015年1月，黎明号距离谷神星大约64万千米，并正以725千米/小时的速度接近。2015年3月1日，它距离谷神星大约4.8万千米。谷神星目前还非常神秘，不像灶神星那样，还可以通过陨石来分析。黎明号的探测活动，将揭开该天体的神秘面纱。甚至有人预测在谷神星冰封的表面之下，或许存在生机勃勃的海洋！

（责任编辑 张恩红）

黎明号拍摄的灶神星上的奇特地形：一排三个陨石坑

黎明号相机拍摄的灶神星赤道南部区域

黎明号拍摄的灶神星北部地区