NASA露西探测器准备飞掠特洛伊小行星

编译 米斛

2021年7月30日，埃米利•格拉利什（Emily Gramlich）在科罗拉多州柏克莱太空军基地登上了一架军用C-17运输机。格拉利什是洛克希德•马丁公司的测试工程师。他此前从未登上军用运输机。C-17运输机看起来有点像一只吃太多的飞行鲨鱼，因此，这架飞机提供伸腿的空间比商业飞机更大。但因为货物占据了很多空间，所以在这架飞机里仍然需要节约每一寸空间。一架宇宙飞船放置在巨大的船运集装箱中，从组装地科罗拉多州运输到佛罗里达州的肯尼迪宇航中心。这架飞船名叫“露西”（Lucy），它即将踏上更久远的旅途：为期12年、途径8颗不同的小行星。

露西将在10月16日开始的发射窗口发射升空，前往特洛伊小行星所在的地方。特洛伊小行星是一群在木星轨道上绕太阳运动的小行星，这些小行星分布在木星周围，部分在木星前进方向的前面，部分在后面。从太阳系早期到现在的数十亿年间，特洛伊小行星就一直在引力的作用下被束缚在木星轨道上。这些小行星就像太阳系遥远部分的早期方式的定格，没有任何宇宙飞船造访过。

露西就像一架巨大的眼镜：直径24英尺的大致呈圆形的两个巨大太阳能板固定在小得多的飞船上。这两个太阳能板就像是戴着隐形眼镜的大眼睛，由所有器材和通信设备的飞船部分相连接。这次任务由博尔德的西南研究所牵头，于2017年被批准。在历经几年的设计、组装、测试之后，发射工作在2020年8月由洛克希德•马丁公司启动。

从科罗拉多州前往佛罗里达州的发射地的旅途最为忙碌。在这趟旅途中，每半小时，格拉利什（负责测试露西）需要解开安全带从座位上离开，记录温度和湿度，跟踪船用集装箱内部的环境，观察宇宙飞船暴露在什么环境中。这个集装箱（外观看上去像《太空时代》的战栗空间）其实是一个微小的无尘室。这个昵称“卡西尼集装箱”之前曾带着另外8艘宇宙飞船穿越这个国家，其中包括同样叫作“卡西尼”的土星探测器。

露西绝对体验过比在巡航高度、在箱子中穿越半个大洲的旅途更糟糕的经历。在洛克希德•马丁公司位于丹佛郊外的设施里，工程师震动、加热、冷却这个探测器，并把模拟太阳光打在探测器上，从而确保它能够应对宇宙和发射过程中的极端环境。他们测试了软件的代码，检查了各个部件的电流。按照工程师的说法，所有系统组成了一个整体，所以，所有系统都被运往佛罗里达，在那里露西将按计划在发射前通过最终测试。

格拉利什说：“前往其他行星的任务是一项充满压力的工作。”这样的任务的发射窗口比发射人造地球卫星的窗口更窄。因此让露西通过倒数第二项测试，并最终安全抵达肯尼迪航天中心赶上发射窗口是重要的里程碑。格拉利什说：“现在，在发射地点，有更加刺激的环节。”露西任务取名自1974年发现的人类祖先南方古猿的部分骨架化石。这个化石的发现改变了人类对自身起源和进化的认知。这个研究组希望这架宇宙飞船将通过了解太阳系的星辰和演化，对行星科学做出巨大贡献，就像露西的骨架之于古人类学一样。

在太阳系刚形成时，太阳周围环绕着由碎片组成的扁平状尘埃盘。大的岩石块和小的尘埃逐渐堆积在一起，越来越大并最终成长为现在我们看到的整齐的行星。小行星则是这个过程中被舍弃的材料。NASA露西项目的科学家汤姆•斯塔特勒（Tom Statler）说：“小行星是行星形成之前就存在并保留到现在的小碎片。”

他把小行星研究比作金字塔研究，如果金字塔本身是木星、土星、天王星和海王星，那么特洛伊小行星就是组成它们的材料。通过研究建造完成的金字塔并不能让我们了解足够多的信息，我们需要通过寻找废弃工地来探寻有关它们起源的信息。斯塔特勒说：“这些最终形成特洛伊小行星的天体都在外太阳系形成，后来移动并停留在它们现在所在的位置。它们就是一些本该清除但仍留在那里的天体。”

即使地球是一颗岩石行星而不是气态巨行星，研究这些位于外侧的行星仍将为我们提供很多关于太阳系形成的信息。斯塔特勒说：“在太阳系形成的过程中，太阳系的空间逐渐被打扫干净，因此不再单独形成新的行星。地球的演化和太阳系的演化密不可分，因此，为了了解地球，我们需要了解其他行星是如何形成和演化的。”

露西主要携带三个设备：L’LORRI、L’TES 和 L’Ralph。L’的前缀表示这些设备属于露西任务。这些设备都是基于之前其他探测器的设备设计。LORRI和Ralph是冥王星和柯伊伯带探测器“新地平线”号所携带。西南研究所太空任务部副主管米歇尔•文森特（Michael Vincent）说：“L’LORRI的意思是‘露西•洛里’。”OTES是探索本努（Bennu）小行星的OSIRIS-Rex探测器的一部分，部分来自先前探索火星的轨道探测器上被称为TES的设备。文森特说：“我们需要坚持克服我们已知的困难。”

L’LORRI本质上是一个神奇的相机，其清晰度很高，能够在600英里外拍到200英尺的坑。通过给这些坑定位，我们能了解这个小行星的过去。这个相机也能观察光环和卫星，并能把露西导航到目标小行星去。毕竟小行星在遥远的位置只能看到一个小点，在这些小点中确定航向的目标并不是一件容易的事情。文森特说：“这些天体在其轨道上并不是很大，并且我们要加速。”

L’TES类似于非接触式温度计，就像平时用于新冠筛查的那种温度计。但这个设备不是对着额头，而是对着小行星上的点，通过测量这个点辐射的红外线来采集温度数据。文森特说：“通过反复扫描小行星表面一段时间后，我们就能制作小行星的整体图像。”他们的目标是测量“热惯量”，也就是小行星不同部分升温或降温的快慢。这个数据能够反映小行星的物质构成。例如：沙子和岩石储存热量的能力是不同的，在日落的海滩漫步时，你就会注意到这一点。

最后一个设备L’Ralph包括两个子设备。一个用于分析红外线的设备叫LEISA。像分析指纹一样，它会通过分析红外线波长特征来寻找对应的物质，比方说，水和甲醇就有不同的红外线波长特征。通过这种方法我们可以区分小行星上的岩石、冰、有机物和含水的矿物。另一个五色相机叫作MVIC，可以拍摄从紫外到近红外波长范围的光，这个波长范围包括了全部的可见光。不同的颜色能够反映出小行星的物质组成。比方说像层状硅酸盐这样含水的矿物是红色的，而含硫酸铁的矿物陨硫铁则是紫色的。

西南研究所的卡里•霍韦特（Carly Howett）是负责L’Ralph设备的科学家。一般来说，红色是她最喜欢的光，因为红光比其他光更亮，能展现更多细节。她说：“如果我们在紫色波段发现小行星的活动并且紫色光亮了起来，那紫色可能成为我喜欢的新颜色。”但不论图像最终是什么样的，她都十分期待目睹这些人类从未观察过的小行星的样子。她说：“第一次看到新事物永远不会过时。”

但露西需要很长时间才能抵达这些小行星，原因是这些小行星所漂浮的气态巨行星被称为“外行星”。在前往那里之前，露西会两次飞掠地球来进行两次引力助攻。格拉利什正期待这样的时刻，分别在2022年和2024年，那时这架飞船将围绕地球快速弹起。和格拉利什一样的人将能够抬头看到他们设计、建造、测试的宇宙飞船及其点火发射。

发射后第四年，露西将飞掠名为“唐纳德•约翰逊”的非特洛伊小行星。露西将在那时进行一系列测试。在这个中段目标点完成测试后，露西将在之后的两年里继续她的旅途，直到其最终抵达特洛伊小行星所在的位置。露西会先花费一年多的时间来观察5颗位于木星前方的特洛伊小行星。这5颗小行星直径最小的只有半英里，最大的有40英里。所有小行星都将通过飞掠的方式进行观测。露西的组装、测试和发射行动主管克里•普里库尔（Cory Prykull）说：“飞船将飞掠这些小行星，就像从手指间穿过一样；我们没有登陆这些小行星的计划。”

完成这5颗小行星的飞掠之后，露西将完成令人惊奇的转弯：转向地球。露西将会返回地球，在地球引力的作用下绕地球一周，冲向在木星后方的另一群特洛伊小行星。对于我们来说，露西似乎就像空中划过的一道光，回到我们身边然后永远离开我们，飞向人类从未靠近的遥远地方。返回地球，再回到特洛伊小行星将耗费超过4年的时间。

当露西回到太阳系外行星所在的位置时，这架飞船还有最后一项任务要完成。2033年，当露西抵达位于木星后方的特洛伊小行星时，她将遇到一对直径分别为70英里和65英里小行星双星。露西将在完成其他任务之后飞掠这对小行星。通过这一计划，科学家可以比较位于木星前方和后方的特洛伊小行星的数据。在飞掠这对小行星双星之后，露西将完成她的基本任务，停留在位于特洛伊小行星的稳定轨道上。

或许有人会问：“为什么要花这么多时间前往这么多的目标小行星，它们不都是岩石吗？”对于这一疑问，解答的关键点在于多样性。就像斯塔特勒所说：“没有一颗小行星只是‘另一颗小行星’。”

在任务过程中，露西将从会合点使用高增益天线向地球传回图像和数据。但考虑到露西与最后一颗小行星见面要到2033年，至少需要在飞船发射后的第12年，完整的数据才能传回地球，这项任务的副主任研究员卡西•奥尔金（Cathy Olkin）说：“在研究外太阳系时，你必须足够耐心。”

随着露西降落在机场，这架飞船正在经历最后的检查。在8月的第一周，露西团队经受了一次“行动准备情况检查”。奥尔金说这项检查意味着“坐在操作台前，准备和假装正在实际发射。我们需要预演所有可能发生的情况”。

随后，工程师检查每一根导线来确认：电流是否正常，电脑和设备是否能够像装箱之前那样工作。这是格拉利什的特长。格拉利什说：“我喜欢这个测试，因为我们需要同时打开所有器件。”测试结果表明：飞船上所有的仪器部件都符合设计的要求。

接下来露西将接受最终的通信测试，从而确保飞船能够传回数据并接收地球发出的指令。在一些环节中，检测团队会把一束强光打在探测器背面，来确保散射的光子不会进入不该进入的地方甚至干扰仪器工作。

随着发射的临近，露西被放置在火箭的最上方。格拉利什和他的团队将会最后一次进行电子设备测试。所有设备的封装会被撤下，而这架飞船将经受最后一次检查。之后露西会被启动和准备发射。格拉利什说：“当这架宇宙飞船离开地面时，我们测试团队才能松口气。”

资料来源Wired