小行星帶的窮游博主

徐蒙

第一站：雛形類地行星、隕石之鄉、太陽系最高峰

把黎明號送入太空的德爾塔Ⅱ火箭

2007年9月27日，黎明號探測器從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，開啟了它的奇幻旅程。發射1年半后，黎明號于2009年2月7日飛掠火星，并借助火星的引力助推，歷經兩年半，于2011年7月16日進入灶神星軌道。這是小行星帶（火星和木星軌道之間的一個小天體聚集地）中僅次于谷神星的第二大天體，占了主帶小行星總質量的9%，也是小行星帶中唯一一顆明亮到可以用肉眼觀測的天體。

一個軌道器環繞一顆天體進行長期探測并不是一件容易的事。我們熟知的其他多目標探測器，如旅行者號和新視野號，都是技術上更容易實現的飛掠器，它們的任務只是以一定距離飛過目標天體，然后揚長而去，奔向下一個天體。而軌道器則意味著探測器需要進入這個天體的引力范圍，還能環繞這個天體穩定地運行——這對探測器的性能和軌道控制技術來說都是更大的考驗。

進入灶神星軌道后，黎明號多次降低和調整軌道，對灶神星進行了全方位多角度“掃攝”。在長達14個月的觀測中，黎明號共環繞灶神星1298圈，拍攝了近31000張照片，還收集了大量科學數據。

盡管在此之前，灶神星的一些表面特征已經被哈勃空間望遠鏡和一些地基望遠鏡觀測到，但直到黎明號的到來，灶神星表面的種種細節才被真正揭開。

灶神星內部的核、幔、殼結構

雖然是小行星，但灶神星這樣直徑達500千米以上的大型小行星和直徑不足十幾千米的絕大多數小行星完全不同——越大的天體越能保持內部的熱，也越可能有豐富的地質活動。

絕大多數小行星只是一個近乎勻質的“土豆”，而黎明號的重力觀測數據確認了灶神星早已進化成一個“雞蛋”：灶神星和地球、火星等類地行星相似，已經有了金屬的內核、巖質的幔層和殼層。也就是說，灶神星形成于45.6億年前，是一顆最終沒能“發育進階”的類地行星雛形，而且它很可能是目前僅存的一顆巖質原行星。

灶神星還是地球上隕石的一大來源。地球上發現的隕石中，有一大類叫作HED隕石，是“古銅鈣無粒隕石”“鈣長輝長無粒隕石”和“古銅無球隕石”三種非球粒隕石的總稱，目前在地球上已經發現了2000多顆。早在黎明號任務之前，我們就已經通過望遠鏡觀測的光譜數據發現HED隕石極有可能都來自灶神星，黎明號的探測結果則進一步證實了這種推測的合理性。也就是說，落入地球的隕石中，可能有6%都是來自灶神星的碎片。

灶神星的南極地區，顯示雷亞希爾維亞盆地撞擊坑

那這些碎片是怎么來的呢？可能是約20億～10億年前從灶神星上撞出來的。黎明號近距離探測了灶神星的南半球，發現其南極附近有兩個巨大的撞擊盆地：較古老的維納尼亞盆地和較年輕的雷亞希爾維亞盆地。這兩個撞擊盆地面積巨大，僅雷亞希爾維亞盆地撞擊事件產生的濺射物，就足以產生所有落入地球的HED隕石和還在宇宙中飛馳的與HED隕石成分相似的小行星族。

黎明號還發現，雷亞希爾維亞盆地的中央峰高達23千米，是目前太陽系中最高的山峰之一，和火星上最高的奧林匹斯山不相上下。不過，它們的成因完全不同，奧林匹斯山是火山作用的結果，而雷亞希爾維亞盆地的中央峰則是劇烈撞擊之后在盆地中央產生的巖石回彈。

第二站：亮斑、有機物、地下海

黎明號拍攝的谷神星

2012年9月5日，黎明號離開了灶神星軌道，又花費兩年半的時間，跋涉15億千米前往旅途第二站：谷神星。

我們知道，環繞一顆天體運行并不需要能量和助推來維持，只靠引力就夠了。但飛行途中的軌道調整以及環繞天體進行觀測時不斷變換軌道，都需要消耗燃料（推進劑）。然而，一顆探測器能攜帶的推進劑畢竟有限，要展開長途之旅還需要一些“超強推進劑”來延續生命。黎明號的秘密武器就是離子推進劑。

離子推進發動機的原理是將推進劑“氙”電離成氙離子和電子，然后用高電壓將氙離子加速噴射出去，這樣探測器就可以借助反沖力進行加速。不同于傳統的固體或液體推進劑，離子推進劑更加節能，可以大大減少探測器需要攜帶的推進劑重量，也就大大提升了太空旅行的效率。事實上，黎明號僅攜帶了425千克離子推進劑就獲得了超過10千米/秒的速度增量，這在深空探測器中是無與倫比的。

不過黎明號并不是第一個使用離子推進發動機的探測器，NASA的深空1號探測器第一次把這項技術從科幻小說帶到了現實世界，此后日本的隼鳥號、隼鳥2號使用的也是離子推進發動機。

離子推進發動機運行時會噴出藍色的“尾焰”，這也是所有使用離子推進發動機的探測器在藝術假想圖中的一大特征。在離子推進發動機的幫助下，黎明號于2015年3月6日成功進入谷神星軌道。在進入谷神星軌道后的3年多時間里，黎明號通過10次變軌，不斷把探測高度從1.35萬千米降至35千米，此外它還對谷神星進行了全方位深入探測，揭開了谷神星的諸多秘密。

黎明號使用離子推進發動機時的概念圖

黎明號發現谷神星上約有130個亮斑的位置（藍色區域），Occator撞擊坑中的亮斑是谷神星上最亮的

在黎明號近距離造訪谷神星之前，圍繞谷神星的一大謎團就是它那神秘的亮斑。2015年初，當黎明號開始接近谷神星時，科學家們驚訝地發現谷神星上有兩塊明顯的亮斑，而且這兩塊亮斑和之前哈勃空間望遠鏡發現的亮斑位置并不一致。哈勃空間望遠鏡探測到的亮斑由于位于哈勃亮度圖里的5號區域，所以最初被稱為“5號亮斑”。隨著黎明號對谷神星的近距離深入探測，科學家們還在谷神星上發現了約130塊亮斑。而最早發現的“5號亮斑”因為位于Occator撞擊坑中，所以后來改稱為“Occator亮斑”，是谷神星上最亮的區域。

這個亮斑到底是什么？最初有人認為它是冰火山或者排氣作用的結果，后來有人認為是水合硫酸鎂鹽礦物。2016年，黎明號的近紅外光譜數據表明Occator亮斑里含有大量碳酸鈉鹽，很可能是因為近期的地質活動才從地下露出表面的。除了鹽類礦物，2017年初，黎明號的光譜儀還在谷神星表面多處發現了脂肪族有機物，最主要富集地在Ernutet撞擊坑西邊邊緣。

不同于干燥的灶神星，谷神星上一點兒都不缺水（冰），揮發的水蒸氣還會產生稀薄的大氣層。不僅如此，黎明號還在位于谷神星南半球中緯度地區的Juling撞擊坑邊緣觀察到水冰的季節性變化：冬季結冰，水冰增加;夏季揮發消融，水冰減少。

谷神星的內部也大有玄機。雖然和灶神星差不多，古老的谷神星也早已“進化”出了類地行星那樣的分層結構，但不同于類地行星的是，谷神星更像外太陽系的冰衛星，它可能只有一個巖質的內核，而非灶神星那樣的金屬內核。黎明號的重力探測數據顯示，谷神星的幔層主要是含水的巖石，而殼層則是巖石、水冰、各種鹽類和含水礦物的混合物——這些含水的巖石和礦物可能是遠古時期谷神星地下的全球性海洋遺跡，而且至今可能仍有一部分液態海洋埋在地下沒有被凍結。

對黎明號觀測數據的研究還表明，谷神星的自轉軸也曾經歷過劇烈動蕩，它很可能和火星、木衛二、土衛二等星體一樣，發生過自轉軸的重新定向，也就是南北極的位置相比于今天發生過很大的變化。而不管是新鮮的碳酸鈉鹽、有機物、水冰的季節性變化還是地下海洋的遺跡，都表明谷神星并不是一個“死寂”的星球，而是至今依然地質活躍、充滿變化，甚至可能具備維持生命條件的地方——就像木衛二和土衛二那樣。

第三站：最終軌道XM07

在黎明號長達11年的旅程中，有兩次“續命”的經歷。第一次幫助黎明號“續命”的是離子推進發動機，第二次的“貴人”就是肼推進劑。

隨著任務的推進，黎明號的部分動量輪相繼損壞。動量輪是一種通過充電保持轉動，進而控制探測器姿態的裝置?，F代航天器大多采用三軸穩定的方式，以飛機為例，當飛機需要左右轉向、左右翻滾或上下俯仰時，就需要分別調整對應方向上的姿態控制系統。同理，探測器也需要至少三個動量輪才行。

前面我們說過，離子推進發動機是用來調整軌道的，因此黎明號并不總是需要離子推進發動機，尤其是在某個固定軌道持續探測時。而動量輪對于探測器來說卻是必不可少的——觀測的時候，探測器需要把對應的儀器瞄準目標區域;充電的時候，探測器需要調整太陽能板的角度，使其對準太陽;傳回信號的時候，探測器需要把天線對準地球……這些需要調整姿態的工作內容都離不開動量輪。

黎明號一共帶了四個動量輪。2010年6月，第一個動量輪損壞，此時距黎明號抵達第一站灶神星還有一年時間，不過在路上基本不需要控制姿態，所以并不礙事。事實上，其余三個正常的動量輪也一直是關閉狀態，直到黎明號快要抵達灶神星時才開啟。2012年8月，當黎明號準備離開灶神星時，第二個動量輪也壞了。智能的黎明號自主關掉了所有動量輪，通過離子推進配合化學推進離開了灶神星軌道，而當故障信號傳回地球時，黎明號項目組也覺得這個應對措施非常明智，他們決定讓動量輪繼續關閉著，畢竟在路上暫時用不到動量輪，還有時間尋找解決辦法。

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黎明號在最終軌道XM07上近距離拍到的Occator亮斑的超清晰細節

這時，黎明號攜帶的少量傳統火箭推進劑——肼（N₂H₄），起到了至關重要的作用。黎明號項目組決定采用“混合推進”模式，讓兩個動量輪配合肼推進劑一起工作——在這樣的狀態下對谷神星進行了長達3年的探測。在肼的輔助之下，盡管兩個動量輪遇到了致命故障，但到2016年初，黎明號還是成功完成了所有預定目標，并在2016年6月中旬開始了擴展任務。不過，如果再壞一個動量輪，那么混合模式也沒什么用了。早在2010年，項目組就已經決定一旦第三個動量輪損壞，就徹底放棄使用動量輪。因此，當2017年4月第三個動量輪壞掉之后，第四個動量輪也被關閉，而且再也沒有啟用過。自此，黎明號完全靠肼推進劑延續生命。

2018年6月，黎明號借助離子推進發動機完成了最后一次變軌，進入了最終軌道XM07。這是一個大橢圓軌道，與谷神星表面的最近距離只有35千米。黎明號要抓住最后一次機會，以最近的距離探測一次谷神星表面。

2018年6月21日，黎明號關閉離子推進發動機。這縷閃耀在小行星帶中的藍光永遠地熄滅了。之后，黎明號在這個最終軌道上一直觀測到最后一刻，直到肼推進劑消耗完畢。

黎明號的最終軌道XM07是項目組精心設計的距離谷神星最近的“安全軌道”，它能夠保證黎明號在無法變軌的狀態下短期內（大約20年）不會撞上谷神星，以防不慎污染了這顆矮行星。而人類會抓緊這段時間來確認谷神星上是否真的具備維持生命的條件，甚至存在生命。在接下來的20年里，黎明號會環繞谷神星空轉，等待新的訪客到來。如果20年時間不夠，人們還可以將期限放寬至50年，黎明號在此期間仍有99%的概率能夠繼續環繞谷神星運行，不至于墜毀在它的表面。

不過，目前人們還沒有重訪谷神星的計劃，但在太陽系的其他地方，另外兩顆小行星探測器——隼鳥2號和OSIRIS-REx號都已經順利開展工作。在不遠的將來，NASA的小行星探測器Lucy和Psyche也將于2023年左右發射升空，開始屬于它們的奇幻旅程。這代表著人類對太空的探索，前赴后繼，生生不息。

最后，我想和大家分享《黎明號札記》中，總設計師馬克·雷曼的一段話：

“在研究生階段，我的祖父去世了，當時我非常傷心。但當我和實驗室一名來自上海的科學家說到這件事的時候，他問我祖父多少歲了。在我告訴他我的祖父已經85歲了之后，這位睿智的紳士笑著對我說：‘哦，你應該感到開心。然后我立刻就意識到了，我當然應該感到開心——這說明我的祖父度過了一段這么長的快樂人生！”

“現在，輪到黎明號了。這顆探測器一路走來，克服了太多我們在設計和制造它的時候完全沒有想象到的問題。它不僅超額完成了全部既定目標，而且在經歷了差點兒導致任務終結的重大事故之后，仍然取得了我們未曾想到的重要成果。它帶給了我，以及無數人（我希望，其中也包括你）一場真正奇幻、激動人心又充滿發現的深空探險之旅。從任何意義上來說，黎明號都是一個非凡的成就！”

黎明號飛掠谷神星概念圖