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黎明号的告别

  • 何幸
  • 日期:2018-12-28
  • 2069

       据NASA报道,10月31日和11月1日连续两天,黎明号都未能与NASA的深空网络(Deep Space Network)进行常规联系。在考虑了可能的失联原因后,项目负责人认为“黎明号”的肼燃料已经耗尽,而这种燃料能确保探测器控制其方向。这使得“黎明号”无法调整天线与地球通信,也无法用太阳能板对准太阳进行充电。

 

Abstract

 

      回顾“黎明号”的一生,这颗迟暮的探测器曾为太阳系演化研究带来曙光:“‘黎明号’的旅程是一次回到早期太阳系之旅——这也是我们命名它‘黎明号’的原因。”Dawn团队的Carol Raymond如是说。

      于2007年9月27日发射升空,“黎明号”的目的地是位于火星和木星之间的小行星带中最大的两颗原行星:灶神星和矮行星谷神星。科学家们希望通过研究这两颗小行星的原始数据,从而了解太阳系形成之初的状况及过程。这趟带领我们回到早期太阳系的旅途结束后,“黎明号”将作为首个拜访矮行星并环绕地球以外两个目的地运行的航天器,写入太空探索的史册。

灶神星

       之所以在小行星带群星中挑中灶神星和谷神星,不仅是因为这两颗小行星的质量占小行星带总质量的45%,更是由于其迷人的巨大差异性:谷神星和灶神星都很早就在原行星盘形成,却最终演化成了两颗具有完全不同性质的行星——灶神星的组成类似于类地行星,有一个铁核和一个布满了峡谷、环形山和山脉的干燥岩石表面,这是过去撞击和火山活动的遗迹;而谷神星却是颗更类似于太阳系外围星体的典型冰质行星,拥有富含水的矿物质。

谷神星

      “黎明号”首席工程师Marc Rayman说:“看起来像是其初始位置的不同决定了它们的最终命运,我们现在相信谷神星形成于比它目前离太阳要远得多的地方。”

 

Review

 

 紫色为黎明号,蓝色是地球,黄色为火星,浅蓝色是灶神星轨道,绿色是谷神星轨道

       2011年7月16日,“黎明号”进入灶神星轨道,成为首个围绕木星和火星之间区域内飞行的航天器。进入灶神星轨道后的14个月里,黎明号不断调整降低轨道,最终降至距灶神星表面200公里处。“黎明号”对灶神星进行了多角度的全方位拍摄,共环绕灶神星1298圈,拍摄了近31000张影像。哈勃望远镜、凯克望远镜图像中灶神星的朦胧面纱终于得以揭开,灶神星表面的细节首次完整清晰地展现在世人眼前。

(左)哈勃空间望远镜2010年2月拍摄的灶神星(右)2012年9月黎明号拍摄的灶神星

        “黎明号”发回的图像展示了一个遍布撞击坑、沟槽和各种矿物的岩石质表面。作为小行星带内的第二大天体,灶神星宽约514公里,较大的体积使灶神星能够保持内部较高的温度,相应的,也就可能有丰富的地质活动。

 

       事实上,与其说小行星,灶神星更像是一颗行星。“黎明号”的重力观测数据显示,不同于绝大多数小行星的“均质”,灶神星内部已经有了类似地球等类地行星的壳幔核分层结构,并且有着和类地行星一样的金属的内核、岩质的幔层和壳层。分析表明,灶神星内核以铁元素为主要成分,半径约110公里。亚利桑那州大学的大卫-威廉斯认为,灶神星是多岩行星和火星、木星间数千颗小行星之间的一个“过渡天体”。

       2012年9月5日,“黎明号”离开灶神星,向谷神星进发。众所周知,探测器依靠引力环绕一颗天体运行,无需消耗能量。然而,无论是飞行途中的轨道调整、环绕中的变轨,还是离开所环绕天体时的推进,都需要能量。而通常而言,轨道器有限的燃料容量让大多数轨道器无力挣脱中心天体的引力。

       但黎明号做到了。

       “对于我来说,‘黎明号’是真正的世界上第一艘行星际飞船。从未有过任何航天器去到一颗遥远的星体并在它的轨道上进行作业后脱离其轨道,再去往另一颗星体。” Marc Rayman对“黎明号”的喜爱之情溢于言表,“并且‘黎明号’是利用离子推动器来完成这一点的,而我第一次听说离子推动器还是在《星际迷航》里呢!”

       其实,黎明号并非第一个使用离子推进发动机的探测器:自从NASA的深空1号探测器第一次把这个技术从科幻变为现实,JAXA的隼鸟号和隼鸟2号也都曾使用过离子发动机。

 

       离子发动机的原理是将推进剂氙(Xe)电离成氙离子和电子,再用高电压将氙离子加速至高达90000英里每小时(约150000千米每小时)的速度喷射出去,探测器本身则借助这个反冲力而加速。因离子推进剂比冲高,探测器需要携带燃料重量得以大大减少,从而大幅提升了太空旅行的效率。装备有三个离子推动器的“黎明号”仅携带了425千克燃料,而总计获得超过10km/s的速度增量。可以说,没有离子推进器,“黎明号”就不可能实现此番星际旅行。

       2015年3月6日,“黎明号”成功进入谷神星轨道,成为第一台拜访矮行星的探测器,以及第一台环绕除地球之外两个太阳系目标天体的探测器。

       谷神星距离灶神星15亿公里。作为小行星带的最大天体,谷神星直径约945千米,质量占主带小行星总质量35%以上。尽管身处小行星带,它却并非小行星,而是一颗矮行星。和行星一样,矮行星直接环绕太阳,并且达成流体静力平衡的形状,即在自身重力作用下,天体因塑性变形而将表面抚平,最终趋近球体。但与行星不同的是,矮行星没能清除临近轨道上的其他小天体和物质。如此看来,除了共同见证了太阳系的早期演化之外,谷神星和灶神星还都具有介于小行星和行星之间的性质,这也是使它们成为研究太阳系演化的绝佳样本的原因。

       “黎明号”在谷神星的主要任务依旧是采集并回报数据。NASA喷气推进实验室的黎明号任务经理Bob Mase说:“我们环绕谷神星的飞行计划编排类似于环绕灶神星飞行时成功采用的方案。这次飞行的安排是以灶神星考察为基础的,可以让科学家直接比较这两个小行星带巨人之间的异同。”

环绕灶神星轨道(请点开查看)环绕谷神星轨道(请点开查看)

       “黎明号”的谷神星之旅原计划分四个阶段。初次全面考察后,黎明号螺旋下降;科学勘察轨道上,“黎明号”获取了谷神星的全球影像和全球地图;测绘高轨上,“黎明号”拍摄“立体”照片,以展现地表的三维结构;测绘低轨上,“黎明号”利用伽玛射线和中子探测器(GRaND)获取数据,研究星体引力,揭示出地表附近的元素踪迹。

       2017年6月13日,“黎明号”接到延长服役任务。在4.5万条可能的轨道中,NASA最终为“黎明号”选中了XMO7——一条距谷神星表面最小距离35公里的椭圆轨道。

       2018年6月,黎明号借助离子推进器完成了最后一次变轨,在这个前所未有的有利位置上,“黎明号”测量伽马射线和中子的数量和能量,拍摄谷神星表面地质可见光图像,并使用其可见光和红外测绘光谱仪探测谷神星的矿物,为了解谷神星的物质构成以及含冰量提供了关键数据。

       而这场激动人心的探索之旅中的华彩篇章,便是谷神星亮斑的发现了。

       2015年1月13日,接近谷神星之初,“黎明号”便带回了其最大谜团——谷神星的神秘亮斑。之后的三年时间里,直到“黎明号”长眠于谷神星,科学家们不断提出新的猜想,而谜底,仍尚待揭晓。

       起初,亮斑被认为是某种冰羽或者其他活跃的地质现象:这些亮斑在谷神星的黎明时分变得更加明亮,而在黄昏时几近消失。这意味着阳光很可能在其中起重要作用,如加热谷神星表面下方的冰层从而释放某种形式的冰羽。当时另一种主流猜测则是,谷神星的冰表面覆盖着一层极薄的土壤,在内部压力下,冰被不定期地喷向空中,形成“冰火山”。

       这些猜想很快被“黎明号”发回的地面数据推翻:反射光含有不同波长的光谱,不符合来自于冰的特点;同时,地面反射率的分析结果也显示其亮度不符合冰的特征。此外,因为在谷神星上这个亮点位置的温度应该在 230-250 开尔文(-40 到-20 摄氏度)左右。水冰在这个温度下的真空环境里会迅速挥发,即除非有水源持续提供新的冰层,亮斑不会稳定存在。

Dawn拍摄的光斑通过昼夜分界线时的连续照片。光斑进入黑夜以后亮度迅速下降

       随着测绘的深入,亮斑数目从两个增长到了一百三十个。

 

       光谱测量数据表明亮斑区域很有可能是由水合硫酸镁组成。而可见光和红外成像数据显示它们由是碳酸钠混合物。科学家猜想,这些化学成分通过一种水介反应,在撞击坑形成后从谷神星内部输送到表面。

       遗憾的是,“黎明号”无法在任期内见证谜底的揭晓了。关于亮斑的本质,仍有众多重大谜团亟待厘清。“要解决这些问题,可能需要深入到谷神星表面之下,因为从轨道上获得的信息仍然有限。”参与谷神星研究的科学家Paul Schenk如是说。而需要深入表面之下探索的,除了可能的地下海洋,更有原始生命的蛛丝马迹:2017年2月,黎明号的光谱仪在“谷神星”表面多处发现了脂肪族有机物。在富含水的谷神星上,有机物的发现意味着它具备了生命起源的基本条件。这也引出了一系列有趣的课题:有机物是自然产生的还是撞击谷神星的陨石携带而来?谷神星上是否有演化出原始生命的可能?此外,谷神星陨石坑中物化性质与地球上热液活动区域的相似性也为了解太阳系中其他天体,如最有可能出现地外生命的木卫二、土卫二上原始生命的演化提供了无限可能。

       “黎明号”的辉煌已然落幕,但它为行星研究带来的曙光仍惠泽后人。2007年至今,“黎明号”服役11年,共传回6万9000多幅影像,超过132GB的数据。

       接下来的20年里,“黎明号”将作为星际探索的一块里程碑,沉睡在最终轨道XMO7上,和谷神星一起,等待新一代探测器的拜访。

 

 

 

 

文字:甘季鑫、李增

编辑:李增