成就斐然的黎明號小行星探測器

龐之浩

2018年11月1日，美國國家航空航天局宣布，由于燃料耗盡，黎明號小行星探測器退役。其最終軌道經過精心設計，是距離谷神星最近的“安全軌道”，可保證黎明號在接下來的至少20年里不會撞上谷神星，以防不慎污染了這顆矮行星。2007年9月27日升空的黎明號首次為人類揭開了小行星帶中兩顆最大天體—灶神星和谷神星的面紗。下面就讓我們一起來了解一下黎明號這位“傳奇神探”吧！

黎明號任務標志

科學目標新穎

隨著科學技術的發展，人類越來越認識到探測和開發小行星的重要意義。例如：小行星是太陽系形成時殘留下來的初始物質，探測小行星能深入了解太陽系的最初物質組成，更好地研究太陽系的形成和演化;可以勘探近地小行星豐富的潛在礦物資源，為未來采礦做準備;有利于研究、開發出防止近地小行星撞擊地球的新方法和技術;小行星有豐富的水資源，所以可作為載人登陸火星的中轉站。

因此，近些年來，全球掀起了小行星探測熱潮，并取得了顯著的科技成果。就說最近，2019年2月22日，日本隼鳥2號成功在小行星龍宮著陸，然后采樣，最終它將把樣品運回地球進行研究;美國奧西里斯·雷克斯探測器也已進入目標小行星軌道，準備采樣返回。

不過，2007年發射的黎明號與其他的小行星探測器不同，很有特點。它遠赴火星和木星之間的小行星帶，分別在2011年和2015年先后探測了灶神星和谷神星這2顆人類以前從未嘗試接觸的著名小行星（谷神星現已升級為矮行星），因為這2顆小行星不僅是“羊群中的駱駝”—在火星和木星間的小行星帶中個頭名列前茅，它們還與小行星帶里的其他天體存在顯著差別—它們帶著億萬年前的瘢痕，那是一大塊天體被撞碎成這條星河的證據;它們是時間膠囊，保存著水、有機物和其他令科學家驚嘆的遠古遺產。

小行星帶被認為與太陽系誕生初期的歷史密切相關，科學家們據此把首次探測它們的深空探測器命名為“黎明”，即探測太陽系的黎明。

黎明號的科學目標是：通過觀測研究這2顆小行星上的原始信息，來了解太陽系形成之初的狀況及過程，同時科學家還希望了解小行星演化過程中水的作用;小行星上的物質成分與類地行星起源時的物質成分相似，通過確定小行星上的物質成分，來加深對類地行星形成過程的認識;通過對這2種不同小行星（一顆冷而濕;另一顆熱而干）的起源和演化過程進行分析比較，來測定其內部結構的不同和原因。

首次一舉兩得

目前，深空探測器大都只能進入一個地外天體軌道進行探測，直至壽終正寢，或者像旅行者1號、2號那樣以飛越方式走馬觀花地探測多個地外天體。而美國的黎明號是世界首個先后進入兩個地外天體軌道的深空探測器，所以效率很高。

?黎明號拍攝的灶神星北部地區

?黎明號上裝載裝惰性氣體——氙氣的鈦合金容器

利用黎明號上的同一套科學儀器探測兩個不同目標，還便于科學家將兩套探測數據進行準確的對比分析，并根據它環繞灶神星和谷神星的運行軌道數據，對比測算這兩個天體的引力場等參數。

黎明號之所以能成為第1個在太陽系中先后環繞2個分離目標軌道工作的空間探測器，主要原因是它裝有3臺氙離子推進器，可將太陽能轉化為電能，再通過電能電離惰性氣體氙氣的原子，產生時速達14.32萬千米的離子流，向探測器提供強勁的推動力。它們的工作原理是用電子轟擊氙氣，釋放出離子，離子則被快速排進太空中，推動探測器快速飛行。所以黎明號從地球起飛時使用了發射成本較低的火箭。另外，離子推進器還有加速時間長、可取得較大的速度變化和便于控制等優點，這使得黎明號靈活性更大，發射窗口很長。此前，歐洲智慧1號、日本隼鳥號探測器等都曾成功使用過推力雖微小、但燃料效率非常高的離子推進系統。

黎明號上裝有光譜繪圖儀、幀幅數碼相機、γ射線和中子光譜儀等科學觀測儀器。這些儀器可用于測量小行星的質量、形狀、體積和旋轉狀態，以及詳細的元素和礦物成分，確定其構造和熱的變化、磁力、核的大小，為人類帶來前所未有的小行星上的峽谷、山脈、隕石坑、熔巖痕跡、兩極冰帽、湖床河道等景色。黎明號還發現了許多奇特現象，如谷神星也許有一層稀薄的大氣和活躍的水文過程，后者使其兩極的冰霜呈季節性變化，從而改變了人們對它的傳統認識。

?黎明號的“五臟六腑”

收獲豐碩成果

2011年7月15日，在飛行超過2.7×109千米后，黎明號進入灶神星軌道，成為首個對火星和木星之間小行星帶中的小行星進行探測的飛行器，并于同年8月11日正式開始了對這顆巨型巖質小行星的探測任務。

直徑約530千米的灶神星是小行星帶中的第二大天體。黎明號先后在高度從2700千米到120千米不等的幾條不同軌道上進行了探測，包括測繪灶神星表面，研究其成分，探究其地質史。2011年9月27日，黎明號進入距離灶神星680千米的環繞軌道，環繞一周的時間為12.3小時。后來在同年12月8日進入另一個環繞軌道，距離灶神星只有210千米，環繞一周的時間為4.3小時。

?黎明號拍攝的灶神星上的奇特地形：一排三個隕石坑

在一年多的環繞探測中，黎明號為灶神星拍攝了多角度的圖片，幫助科學家繪制了灶神星地形圖并開展相關研究。2012年5月，美國首度公開黎明號獲得的灶神星初步數據，估計灶神星的金屬核心直徑為220千米。美國科學家將灶神星視為獨一無二的一種小行星，認為它是與巖石行星同時形成的大型小行星殘存。從2011—2012年，黎明號傳回了超過3萬張灶神星圖像。

谷神星與灶神星差別很大。灶神星是與地球類似的巖石天體，而谷神星是典型的冰雪天體，這兩個極不相同的天體竟可同處一個小行星帶上，其原因也是黎明號需要揭示的奧秘之一。

黎明號于2012年9月5日離開灶神星軌道，向谷神星飛去，2015年3月6日進入谷神星軌道。此后，它一般在距離谷神星表面大約378千米高的軌道運行。但在進入谷神星軌道后的3年多時間里，黎明號曾通過10次變軌，把探測高度先后從1.35萬千米慢慢降至最近的35千米，對谷神星進行了全方位深入探測，也揭開了谷神星諸多重要秘密。例如：

2015年年初，在飛近谷神星但還沒進入軌道時，黎明號就拍攝到一些有價值的照片。通過照片能分辨出谷神星表面陰暗面結構分布，隱約存在著隕坑，并發現有液態水從谷神星表面涌出，平均每秒涌水量達到6千克。

另外一個重要發現是谷神星存在一些神秘的亮斑。發出亮光的物質估計是鹽，很可能是在地下的鹽水沸騰并蒸發到太空時留下的。亮斑形成的時間不長，這表明谷神星在過去一段時間里一直隱藏著液態水，甚至今天可能還保留著其中的一部分。

黎明號還發現谷神星上有一片冰凍海洋的殘骸，上面覆蓋著厚厚的黏土和鹽殼。如果谷神星是在其目前所處的位置形成的話，年輕的太陽可能會把大部分的水蒸發掉。因此，一些科學家懷疑，谷神星是在木星和土星之后形成的，但是被氣態巨行星早期劇烈的旋轉所吸引。

谷神星兩極存在水冰，地表之下可能存在支持生命的海洋，所以該星球表面或有生命體存在。谷神星火山口坑洼下面可能也含有水冰。對水的研究有助于了解太陽系化學成分分布、（矮）行星環境形成機制以及生命起源，同時也是為未來開展深空探測積累資源數據。最新研究表明，谷神星近地表水或存在近千萬年。

黎明號在谷神星北半球一個直徑為50千米的隕坑附近發現了有機化合物的蹤跡，盡管目前還不能確定有機化合物的分子結構，但這種化合物和瀝青巖等碳氫化合物類似，是可能構成生命的有機化合物。

不管是新鮮的鹽類礦物、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，它至今依然是地質活躍、充滿變化，甚至可能是具備維持生命條件的地方—就像木衛二或者土衛二那樣。

由于在黎明號任務結束時，仍有很多谷神星的重大疑團尚未厘清，所以有科學家建議研制和發射新的探測器在谷神星上登陸和漫游。

?谷神星上發現的脂肪族有機物，顏色越淺說明含量越高

知識延伸：

灶神星和谷神星都形成于大約45億年前，據估計，它們都形成于太陽系早期，并且由于木星的強大引力作用而演化遲緩。不少專家認為，小行星是處于萌芽期，但未得到機會成長起來的“行星嬰兒”。灶神星、谷神星、智神星和婚神星被稱為小行星帶的“四大金剛”。研究人員希望用黎明號對灶神星和谷神星進行細致研究，比較它們的演化進程，揭開小行星演變和這些天體形成的條件之謎。

（責任編輯/陳瑩 ?美術編輯/胡美巖）