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                黎明號的告別

                • 何幸
                • 日期:2018-12-28
                • 34

                       據NASA報道,10月31日和11月1日連續兩≡天,黎明號都未能與NASA的深空網絡(Deep Space Network)進行常規聯系。在考慮了可能的失聯原因後,項目負責〖人認為“黎明號”的肼燃料已經耗盡,而這種燃料能確保探測器控制其方向。這使得“黎明號”無法調整天線與地球通信,也無法用太陽能板對準太陽進行充電。

                 

                Abstract

                 

                      回顧“黎明號”的一生,這顆遲暮的探測器曾為太陽系演化研究帶來曙光:“‘黎明號’的旅程是一次回到早期太陽系之旅——這也是我們命名它‘黎明號’的原因。”Dawn團隊的Carol Raymond如是說。

                      於2007年9月27日發射升空,“黎明號”的目的地是位ζ於火星和木星之間的小行星帶中最大的兩〓顆原行星:竈神星和矮行星谷神星。科學家們希望通過研究這兩顆小行星的原始數據,從而了解太陽系形成之初的狀況及過程。這趟帶領我們回到早期太陽系的旅途結束後,“黎明號”將作為首個拜訪矮行星並環繞地球以外兩個目的地運行的航天器,寫入太空探索的史冊。

                竈神星

                       之所以在小行星帶群星∞中挑中竈神星和谷神星,不僅是因為這兩顆小行星的質量占小行星帶總質量的█45%,更是由於其迷人的巨大差異性:谷神星和竈■神星都很早就在原行星盤形成,卻最終演化成了兩顆具∮有完全不同性質▲的行星——竈神星的組成類似於類地行星,有一個鐵核和一個布滿了峽谷、環形山和山脈的幹燥巖石表¤面,這是過去撞擊和火山活動的遺跡;而谷神星卻↙是顆更類似於太陽系外圍星體的典型冰質行星,擁有富含水的礦物質。

                谷神星

                      “黎明號”首席工程師Marc Rayman說:“看起來像是其初始位置的不同決定了它們的最終命運,我們現在相信谷神星形成於比它目前離太陽要遠得多的地方。”

                 

                Review

                 

                 紫色為黎明號,藍色是地球∩,黃色為△火星,淺藍色№是竈神星軌道,綠色是谷神星軌道

                       2011年7月16日,“黎明號”進入竈神星軌道⊙,成為首個圍繞木星和火星之間區域內飛■行的航天器。進入竈神星軌道後的14個月裏,黎明號不斷調整降低軌道,最終降至距竈神星表面200公裏處。“黎明號”對竈神星進行了多角度的全方位拍攝,共環繞竈神星1298圈,拍攝了近31000張影像。哈勃望遠鏡、凱克望遠鏡圖像中竈神星的朦朧面紗終於得以揭開,竈神星表面的細節首次完整清晰地展現在世人眼前。

                (左)哈勃空間望遠鏡2010年2月拍▂攝的竈神星(右)2012年9月黎明號拍攝的竈〗神星

                        “黎明號”發回的圖像展示了一個遍布撞擊坑、溝槽和各種礦物的巖石質◣表面。作為小行星帶內的第二大天體,竈神星寬約514公裏,較大的體積使竈神星能夠保持內部較高的溫度,相應的,也就可能有豐富的地質活動。

                 

                       事實上,與其說小行星,竈神星更像是一顆行星。“黎明號”的重力觀測數據顯示,不同於絕大多數小行星的“均質”,竈神星內部已經有了類似地球等類地行星的殼幔核分層結構,並且有著和類地行星一樣的金屬的內核、巖質的幔層和殼層。分析表明,竈神星內核以∞鐵元素為主要成分,半徑約110公裏。亞利桑那州大學的大衛-威廉斯認為,竈神星是多巖行星和火星、木星間數千顆小行星之間的一個“過渡天體”。

                       2012年9月5日,“黎明號”離開竈神星,向谷神星進發。眾所周知,探測器依靠引力環繞一顆天體運行,無需消耗能量。然而,無論是飛行途中的軌道調整、環繞中的變軌,還是離開所環繞天體時的推進,都需要能量。而通常而言,軌道器有限的燃料容量讓大多數軌道器無力掙脫中心天體的引力。

                       但黎明號做到了。

                       “對於我來說,‘黎明號’是真正的世界上第一艘行星際飛◣船。從未@有過任何航天器去到一顆遙遠的星體並在它的軌道上進行作業後脫離其@軌道,再去往另一顆星體。” Marc Rayman對“黎明號”的№喜愛之情溢於言表,“並且‘黎明號’是利用離子推動器來完成這一點的,而我第一次聽說離子推動器還是在《星際迷航》裏呢!”

                       其實,黎明號並非第Ψ一個使用離子推進發動機的探測器:自從NASA的深空1號探測器第一次把這個技術從科幻變為現實,JAXA的隼鳥號和隼鳥2號也都曾使用過離子發動機。

                 

                       離子發動機的原理是將推進劑氙(Xe)電離成氙離子和電子,再用高電壓將氙離子加速至高達90000英裏每小↘時(約150000千米每小◣時)的速度噴射出去,探測器本身則借助這個反沖力而加速。因離子推進劑比沖高,探測器需要攜帶燃料重量得以大大減少,從而大幅提升了太空旅行的效率。裝備有三個離子推動器的“黎明號”僅攜帶了425千克燃料,而總計獲得超過10km/s的速度增量。可以說,沒有離子推進器,“黎明號”就不可能實現此番星際旅行。

                       2015年3月6日,“黎明號”成功進入谷神星軌道,成為第一臺拜訪矮行星的探測器,以及第一臺環繞除地球之外兩個太陽系目標天體的探測器。

                       谷神星距離竈神星15億公裏。作為小行星帶的最大天體◥,谷神星直徑約945千米,質量占主帶小行星總質量35%以上。盡管身處小行星帶,它卻並非小行星,而是一顆矮行星。和行◥星一樣,矮行星直接環繞太陽々,並且達成流體靜力平衡的形狀,即在自身重力◢作用下,天體因塑性變形而將表面撫平,最終趨近球體。但與行星不同的是,矮行星沒能清除臨近軌道上的其他小天體和物質。如此看來,除了共同見證了太陽系的早期演化之外,谷神星和竈神星還都具有介於小行星和行星之間的性質,這也是使它們成為研究太陽系演化的絕佳樣本的原因。

                       “黎明號”在谷神星的主要任務依舊是采集並回報數據。NASA噴氣推進實驗室的黎明號任務經理Bob Mase說:“我們環繞谷神星的飛行計劃編排類似於環繞竈神星飛Ψ行時成功采用的方案。這次飛行的安排是以竈神星考察為基礎的,可以讓科學家直接比較這兩個小行星帶巨人之間的異同。”

                環繞竈神星軌□道(請點開查ξ看)環繞谷神星軌道(請點開查看)

                       “黎明號”的谷神星之旅原計劃分四個階段。初次全面考察後,黎明號螺旋下降;科學勘察軌道上,“黎明號”獲取了谷⌒ 神星的全球影像和全球地圖;測繪高軌上,“黎明號”拍攝“立體”照片,以展現地表的三維結構;測繪低軌上,“黎明號”利用伽瑪射線和中子探測器(GRaND)獲取數據,研究星體引力,揭示出地表附近的元素蹤跡。

                       2017年6月13日,“黎明號”接到延長服役任務。在4.5萬條卐可能的軌道中,NASA最終為“黎明號”選中了XMO7——一條距谷神星表面最小距離35公裏※的橢圓軌道。

                       2018年6月,黎明號借助離子推進器完成了最後一次變軌,在這個前所未有的有利位置上,“黎明號”測量伽馬射線和中子的數量和能量,拍攝谷神星表面地質可見光圖像,並使用其可見光和紅外測繪光譜儀探測谷神星的礦物,為了解谷㊣神星的物質構成以及含冰量提供了關鍵數據。

                       而這場激動人心的探索之旅中的華彩篇章,便是谷神星亮斑的發現了。

                       2015年1月13日,接近谷神星之初,“黎明號”便帶回了其最大謎團——谷神星的神秘●亮斑。之後的三年時間裏,直到“黎明號”長眠▓於谷神星,科學家們不①斷提出新的猜想,而謎底,仍ㄨ尚待揭曉。

                       起初,亮斑被認為是某種冰羽或者其他活躍的地質現象:這些亮斑在谷神星的黎明時分變得更加明亮,而在黃昏時幾近消失。這意味著陽光很可能在其中起重要作用,如加熱谷神星表面下方的冰層從而釋放某種形式的冰羽。當時另一種主流猜測則是,谷神星的冰表面覆蓋著一層極薄的土壤,在內部壓力下,冰被不定期地噴向空中,形成“冰火山”。

                       這些猜㊣想很快被“黎明號”發⌒ 回的地面數據推翻:反射光含有不同波長的光譜,不符合來自於冰的特點;同時,地面反射率的↓分析結果也顯示其亮度不符合冰的特征。此外,因為在谷神星上這個亮〓點位置的溫度應該在 230-250 開爾文(-40 到-20 攝氏度)左右。水冰在這個溫度下的真空環境裏會迅速揮發,即除非有水源持續提供新的冰層,亮斑不會穩定存在。

                Dawn拍攝的光斑通過晝夜分界線時的連續照片。光斑進入黑夜以後亮度迅速下降

                       隨著測繪的深入,亮斑數目從兩個增長到了一百三十個。

                 

                       光譜測量數據表明亮斑區域很有可能是由水合硫酸鎂組成。而可見光和紅外成像數據顯示它們由是碳酸鈉混合物。科學家猜想,這些化學成分通過一種水介反應,在撞擊坑形成後從谷神星內部輸送到表面。

                       遺憾的是,“黎明號”無法在任期內見證謎︼底的揭曉了。關於亮斑的本質〖,仍有眾多ㄨ重大謎團亟待厘清。“要解決這些問題,可能需要深入到谷神星表面之█下,因為從軌道上獲得的信息仍然有限。”參與谷神星研究的科學家Paul Schenk如是說。而需要深入表面之下探索的,除了可能的地下海洋,更有原始生命的蛛絲馬跡:2017年2月,黎明號的光譜儀在“谷神星”表面多處發現了脂肪族有機物。在富含水的谷神星上,有機物的發現意味著它具備了生命起源的基本條件。這也引出了一系列有趣的課題:有機物是自然產生的還是撞擊谷神星的隕石攜帶而來︽?谷神星上是否有演化出原始生命的可能?此外,谷神星隕石坑中物化性質與地球上熱液活動區域的相似性也為了解太陽系中其他天體,如最有可能出現地∑ 外生命的木衛二、土衛二上★原始生命的演化提供了無限可能。

                       “黎明號”的輝煌已然落幕,但它為行星研究帶來的曙光仍惠澤後人。2007年至今,“黎明號”服役11年,共傳回6萬9000多幅影像,超過132GB的數據。

                       接下來的20年裏,“黎明號”將作為星際探索的一塊裏程碑,沈睡在最終軌道XMO7上,和谷神星一起,等待新一代探測器的拜訪。

                 

                 

                 

                 

                文字:甘季鑫、李增

                編輯:李增