成就斐然的黎明号小行星探测器

庞之浩

2018年11月1日，美国国家航空航天局宣布，由于燃料耗尽，黎明号小行星探测器退役。其最终轨道经过精心设计，是距离谷神星最近的“安全轨道”，可保证黎明号在接下来的至少20年里不会撞上谷神星，以防不慎污染了这颗矮行星。2007年9月27日升空的黎明号首次为人类揭开了小行星带中两颗最大天体—灶神星和谷神星的面纱。下面就让我们一起来了解一下黎明号这位“传奇神探”吧！

黎明号任务标志

科学目标新颖

随着科学技术的发展，人类越来越认识到探测和开发小行星的重要意义。例如：小行星是太阳系形成时残留下来的初始物质，探测小行星能深入了解太阳系的最初物质组成，更好地研究太阳系的形成和演化;可以勘探近地小行星丰富的潜在矿物资源，为未来采矿做准备;有利于研究、开发出防止近地小行星撞击地球的新方法和技术;小行星有丰富的水资源，所以可作为载人登陆火星的中转站。

因此，近些年来，全球掀起了小行星探测热潮，并取得了显著的科技成果。就说最近，2019年2月22日，日本隼鸟2号成功在小行星龙宫着陆，然后采样，最终它将把样品运回地球进行研究;美国奥西里斯·雷克斯探测器也已进入目标小行星轨道，准备采样返回。

不过，2007年发射的黎明号与其他的小行星探测器不同，很有特点。它远赴火星和木星之间的小行星带，分别在2011年和2015年先后探测了灶神星和谷神星这2颗人类以前从未尝试接触的著名小行星（谷神星现已升级为矮行星），因为这2颗小行星不仅是“羊群中的骆驼”—在火星和木星间的小行星带中个头名列前茅，它们还与小行星带里的其他天体存在显著差别—它们带着亿万年前的瘢痕，那是一大块天体被撞碎成这条星河的证据;它们是时间胶囊，保存着水、有机物和其他令科学家惊叹的远古遗产。

小行星带被认为与太阳系诞生初期的历史密切相关，科学家们据此把首次探测它们的深空探测器命名为“黎明”，即探测太阳系的黎明。

黎明号的科学目标是：通过观测研究这2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;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;通过对这2种不同小行星（一颗冷而湿;另一颗热而干）的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。

首次一举两得

目前，深空探测器大都只能进入一个地外天体轨道进行探测，直至寿终正寝，或者像旅行者1号、2号那样以飞越方式走马观花地探测多个地外天体。而美国的黎明号是世界首个先后进入两个地外天体轨道的深空探测器，所以效率很高。

 黎明号拍摄的灶神星北部地区

 黎明号上装载装惰性气体——氙气的钛合金容器

利用黎明号上的同一套科学仪器探测两个不同目标，还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。

黎明号之所以能成为第1个在太阳系中先后环绕2个分离目标轨道工作的空间探测器，主要原因是它装有3台氙离子推进器，可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，向探测器提供强劲的推动力。它们的工作原理是用电子轰击氙气，释放出离子，离子则被快速排进太空中，推动探测器快速飞行。所以黎明號从地球起飞时使用了发射成本较低的火箭。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，这使得黎明号灵活性更大，发射窗口很长。此前，欧洲智慧1号、日本隼鸟号探测器等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。

黎明号上装有光谱绘图仪、帧幅数码相机、γ射线和中子光谱仪等科学观测仪器。这些仪器可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。黎明号还发现了许多奇特现象，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呈季节性变化，从而改变了人们对它的传统认识。

 黎明号的“五脏六腑”

收获丰硕成果

2011年7月15日，在飞行超过2.7×109千米后，黎明号进入灶神星轨道，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飞行器，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530千米的灶神星是小行星带中的第二大天体。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了探测，包括测绘灶神星表面，研究其成分，探究其地质史。2011年9月27日，黎明号进入距离灶神星680千米的环绕轨道，环绕一周的时间为12.3小时。后来在同年12月8日进入另一个环绕轨道，距离灶神星只有210千米，环绕一周的时间为4.3小时。

 黎明号拍摄的灶神星上的奇特地形：一排三个陨石坑

在一年多的环绕探测中，黎明号为灶神星拍摄了多角度的图片，帮助科学家绘制了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。从2011—2012年，黎明号传回了超过3万张灶神星图像。

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。

黎明号于2012年9月5日离开灶神星轨道，向谷神星飞去，2015年3月6日进入谷神星轨道。此后，它一般在距离谷神星表面大约378千米高的轨道运行。但在进入谷神星轨道后的3年多时间里，黎明号曾通过10次变轨，把探测高度先后从1.35万千米慢慢降至最近的35千米，对谷神星进行了全方位深入探测，也揭开了谷神星诸多重要秘密。例如：

2015年年初，在飞近谷神星但还没进入轨道时，黎明号就拍摄到一些有价值的照片。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。

另外一个重要发现是谷神星存在一些神秘的亮斑。发出亮光的物质估计是盐，很可能是在地下的盐水沸腾并蒸发到太空时留下的。亮斑形成的时间不长，这表明谷神星在过去一段时间里一直隐藏着液态水，甚至今天可能还保留着其中的一部分。

黎明号还发现谷神星上有一片冰冻海洋的残骸，上面覆盖着厚厚的黏土和盐壳。如果谷神星是在其目前所处的位置形成的话，年轻的太阳可能会把大部分的水蒸发掉。因此，一些科学家怀疑，谷神星是在木星和土星之后形成的，但是被气态巨行星早期剧烈的旋转所吸引。

谷神星两极存在水冰，地表之下可能存在支持生命的海洋，所以该星球表面或有生命体存在。谷神星火山口坑洼下面可能也含有水冰。对水的研究有助于了解太阳系化学成分分布、（矮）行星环境形成机制以及生命起源，同时也是为未来开展深空探测积累资源数据。最新研究表明，谷神星近地表水或存在近千万年。

黎明号在谷神星北半球一个直径为50千米的陨坑附近发现了有机化合物的踪迹，尽管目前还不能确定有机化合物的分子结构，但这种化合物和沥青岩等碳氢化合物类似，是可能构成生命的有机化合物。

不管是新鲜的盐类矿物、有机物、水冰的季节性变化，还是地下海洋的遺迹，都表明谷神星并不是一个“死寂”的星球，它至今依然是地质活跃、充满变化，甚至可能是具备维持生命条件的地方—就像木卫二或者土卫二那样。

由于在黎明号任务结束时，仍有很多谷神星的重大疑团尚未厘清，所以有科学家建议研制和发射新的探测器在谷神星上登陆和漫游。

 谷神星上发现的脂肪族有机物，颜色越浅说明含量越高

知识延伸：

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。不少专家认为，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”。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的条件之谜。

（责任编辑/陈莹  美术编辑/胡美岩）