“露西”：帶著鉆石飛向特洛伊小行星

文/遲惑

▲ “露西”探測特洛伊群的想象圖

2021 年10 月16 日，美國宇航局用宇宙神5 運載火箭成功將露西小行星探測器發射升空?！奥段鳌笔堑谝粋€探索特洛伊小行星群的深空任務。

眾所周知，在火星和木星軌道之間，存在著一個小行星帶。但“特洛伊”的軌道更靠外一些，它們處在木星軌道上，有些在木星前面，有些在木星后面，看起來就像是簇擁著木星繞太陽公轉。木星的質量很大，它的引力往往會讓附近的所有小行星不是被吸引過去，就是被甩出去。但是，由于太陽和木星引力的綜合影響，特洛伊小行星一直被限定在穩定的軌道上，也就是木星和太陽之間的拉格朗日點，迄今已經有幾十億年了，所以特洛伊小行星保留著從未被探索過的早期太陽系殘留物樣本。可以認為，它們是從40 億年前保留下來的太陽系時間膠囊。這些原始的天體掌握著破譯太陽系歷史的重要線索，甚至可能向我們揭示地球上有機物質的來源乃至生命的起源。

▲ “露西”探測小行星的想象圖

特洛伊小行星有多少

人們一度認為特洛伊小行星的數量非常巨大，根據天文觀測，“希臘群”擁有16～24 萬顆直徑大于2 千米的小行星和約60 萬顆直徑大于1 千米的小行星。“特洛伊群”的天體數量比“希臘群”略多，尺寸近似。這個數字幾乎趕上小行星帶了，但總質量只有小行星帶的五分之一，大約是地球質量的千分之一。

但最近的兩項研究表明，上述數字可能高估太多了。根據新的估計，直徑大于2 千米的特洛伊小行星，在L4 和L5 點的總數分別為6300±1000和3400±500。最大的特洛伊小行星是624 號“赫克托爾”，其平均直徑為203±3.6 千米。

特洛伊小行星的軌道半徑在5.05和5.35 個天文單位之間，平均半長軸為5.2±0.15 個天文單位?！跋ＥD群”和“特洛伊群”分布在拉格朗日兩點周圍。每個“營地”沿木星軌道延伸約26°，總距離約為2.5 個天文單位。許多特洛伊小行星的軌道相對于木星軌道平面的傾角達到40°之多。

特洛伊小行星群探測史

1772 年，意大利出生的數學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日在研究受限三體問題時預測，一個與行星共享軌道，但位于其前方或后方60°的小天體，將被困在這些點附近，沿著蝌蚪形或馬蹄形軌道，在平衡點周圍緩慢地擺動。這些前導點和尾隨點被稱為L4 和L5 拉格朗日點。在拉格朗日假設提出一個多世紀后，人們觀察到第一顆被困在木星拉格朗日點的小行星。

一位叫做巴爾納德的科學家于1904 年對特洛伊小行星進行了第一次有記錄的觀測，發現并確認了編號為12126 的1999 RM11 小行星，但他和其他人當時都沒有意識到它的重要性。巴爾納德認為他看到的是土星衛星福柏（Phoebe）。當時這兩個天體相距只有兩弧分。直到1999 年計算出該天體的軌道，人們才知道它是一個特洛伊小行星。

第一次得到正式命名的特洛伊小行星觀測發生在1906 年2 月。當時海德堡-克尼斯圖爾國家天文臺的天文學家馬克斯·沃爾夫在太陽-木星系統的拉格朗日點L4 發現了一顆小行星，后來將其命名為588 號“阿基里斯”。1906～1907 年，德國天文學家奧古斯特·科普夫又發現了兩顆特洛伊小行星，分別是624 號“赫克托爾”和617 號“帕特洛克羅斯”。“赫克托爾”和“阿基里斯”一樣，屬于L4星系群，位于木星公轉方向的前方，而“帕特洛克羅斯”是人們發現的第一顆位于L5 點的特洛伊小行星，處在木星運行方向的后方。到1938 年，人們已經發現了11 顆特洛伊小行星。這個數字直到1961 年才增加到14 顆。隨著天文儀器的改進，人們發現的特洛伊小行星數量迅速增長：到2000 年1 月，共發現257 個；到2003 年5 月，數量增加到1600 個；到2018 年10 月，已知的L4 點特洛伊小行星有4601 個，L5 點有2439 個。

奧地利天文學家約翰·帕利薩提出，用古希臘時代特洛伊戰爭中的著名英雄來命名木星L4 和L5 點上所有小行星。帕利薩之所以有這個資格，是因為他第一個準確計算出了這些小行星的軌道。

▲ 特洛伊小行星帶

L4 位置的小行星以希臘英雄命名，因此也被稱為“希臘群”或“阿喀琉斯群”，L5 位置上的小行星則以特洛伊英雄命名，被稱為“特洛伊群”。實際上，在這個命名規則建立之前，624 號“赫克托爾”和617 號“帕特洛克羅斯”就被命名了。

“露西”任務起源

美國宇航局每年都會要求下屬科研團隊提出申請，探測某些奇奇怪怪的對象?！奥段鳌钡牧㈨椛暾埵?014年11 月5 日提交的，到2015 年2 月，美國宇航局一共收到28 份提案。對這輪提案的要求，是必須在2021 年年底前發射。到2015 年9 月30 日，美國宇航局選定了5 個任務入圍，每個任務獲得300 萬美元，以進行更深入的研究和分析。到2017 年1 月4 日，“露西”和小行星帶探測計劃“普賽克”戰勝另外3 個項目，進入研發階段。

2019 年1 月31 日，美國宇航局宣布“露西”將于2021 年10 月從佛羅里達州卡納維拉爾角，用宇宙神5運載火箭發射，發射成本估計為1.483億美元。2019 年2 月11 日，太空探索技術公司對這份合同提出抗議，表示它可以提供“更低的成本”。但是2019 年4 月4 日，太空探索技術公司撤回了抗議。

2020 年8 月28 日，美國宇航局宣布，“露西”已通過審查，可以進入總裝測試階段。2021 年7 月30 日，“露西”由C-17 運輸機運送到佛羅里達州，2021 年9 月30 日封裝進入火箭整流罩。

科學目標

“露西”將飛越并對7 個不同的特洛伊小行星進行遙感探索，以實現以下科學目標：

1.地表地質。“露西”將繪制小行星的反照率、形狀、環形山空間分布和大小分布圖，確定地殼結構和分層性質，并確定地表單元的相對年齡。

2.表面顏色和組成。“露西”將繪制特洛伊小行星表面的顏色、組成和風化層特性，并確定礦物、冰和有機物的分布。

3.地下特征和整體特征。“露西”將確定小行星質量和密度，并通過深入探究環形山、裂縫、噴出物覆蓋層和暴露的層理來研究地下組成。

▲ “露西”計劃探測的主要目標

4.衛星和環?！奥段鳌睂ふ姨芈逡列⌒行堑墓猸h和衛星。

總體設計和有效載荷

為了攜帶足夠的儀器和燃料，“露西”是個體積不小的探測器，展開后寬度達到15 米多。這主要是因為“露西”多數時間在深空飛行，太陽光強度沒有地球軌道上那么大，所以攜帶了兩個巨大的圓形太陽能電池，每個直徑超過7 米。其它所有的儀器設備，以及與地球通信所需的2 米直徑高增益天線，都裝在航天器本體上。

“露西”的規格：

寬度： 15.8 米

高度：7.2 米（太陽能電池展開）或

3.8 米（太陽能電池收攏）

厚度：2.78 米

太陽能電池板直徑：7.3 米

干重：821 千克

濕重：1550 千克

功率：最遠交會點504 瓦

“露西”的探測儀器裝在一個叫做儀器指向平臺（IPP）的設備上，共有3 臺遙感科學儀器。

拉爾夫

“拉爾夫”實際上是由兩臺儀器組成的。

第一臺是彩色可見光成像儀，也叫做多光譜可見成像相機（MVIC），工作譜段在0.4～0.85 微米。MVIC 將拍攝特洛伊小行星目標的彩色圖像，并幫助確定它們的活動程度。

第二臺是紅外成像光譜儀，也叫做線性標準具成像光譜陣列（LEISA），工作譜段1～3.6 微米。紅外光譜儀用來尋找小行星的吸收譜段，在小行星表面尋找硅酸鹽、冰和有機物的跡象。

彩色可見光成像儀和紅外成像光譜儀之間并不是完全獨立的。來自宇宙的電磁波進入鏡頭后，分束器將紅外光發送給紅外光譜儀，將可見光反射給可見光成像儀。一般彩色圖像有3 個色帶，但是“露西”的可見光成像儀有5 個顏色帶，覆蓋整個頻譜。為了幫助科學家們在特洛伊小行星表面識別出不同的組成單元，科學家精心選擇了每個具體的波段。例如，紅色帶對層狀硅酸鹽很敏感，這是科學家希望在特洛伊表面發現的一種水合礦物，而紫色帶將有助于確定小行星表面是否含有隕硫鐵（FeS）。紫色帶對氯化萘吸收也很敏感，如果在小行星周圍探測到氯化萘，則表明存在相關活動。可見光成像儀有6 個CCD陣列，每一個CCD 陣列分辨率達到5000 列×64 行。

▲ “露西”的有效載荷安裝

紅外光譜儀內部有一套標準化器件，將光分離成光譜。紅外光譜儀可以用它分析小行星表面不同物質吸收和發射的波長，從而識別出可能存在的不同種類巖石、冰和有機化合物。紅外光譜儀的探測器分辨率達到1000列×1400 行，每一行設計用來探測不同波長的紅外光。因此，紅外光譜儀可以從1000 千米外對500 米寬的隕石坑精確成像。因為“拉爾夫”拍攝的照片巨大，所以它帶有256 千兆字節的內存。

“拉爾夫”將搜索特洛伊小行星的有機物、冰和水化礦物，幫助人們確定其表面組成。這個設備由美國宇航局飛行中心的團隊負責。它的技術基礎，是新視野探測器的同名儀器“拉爾夫”，以及用于“奧西里斯-雷克斯”的可見和紅外光譜儀?！靶乱曇啊鄙系摹袄瓲柗颉焙汀皭埯惤z”紫外光譜儀一起，為人們提供了極為清晰的冥王星彩色圖像?！奥段鳌鄙系摹袄瓲柗颉迸c“新視野”上的“拉爾夫”相比擴大了很多，質量增加了3 倍，功耗提高了4 倍。

“拉爾夫”并沒有變焦功能，這主要是“露西”發射重量的限制迫使設計人員減少活動部件數量，而且活動部件太多了也容易引發故障。另外，太空中極端的溫度差異，會導致光學設備散焦，因為光學系統對熱脹冷縮比較敏感。所以“拉爾夫”的大部分零件是用單個鋁毛坯切削出來的。整個設備采用同一種材料，意味著整體熱膨脹系數相同，對于光學聚焦有很大的好處。甚至“拉爾夫”的反射鏡都是用鋁制成的，切削時用到了鉆石刀具。

“拉爾夫”的參數：

質量：31.0 千克

功率：25.1 瓦

附件：75 毫米

焦距：450 毫米

彩色可見光成像儀參數：

非正式視野：29μrad/像素

工作波長：0.38-0.92 微米

光譜分辨率：47.550 毫米

紅外成像光譜儀參數：

非正式視野：80μrad/像素

工作波長：1.0～3.6 微米

光譜分辨率：10 納米

洛蒂斯

“洛蒂斯”是一臺熱發射光譜儀，它類似于在“奧西里斯-雷克斯”和火星全球勘測器上已經飛行驗證過的同類儀器。這臺紅外光譜儀的工作頻段是6～75 微米，用來了解特洛伊小行星的熱慣性，以及天體保持熱量的情況，從而探究小行星表面物質的組成和結構。

▲ “洛蒂斯”設備實拍

“洛蒂斯”的參數：

質量：7.7 千克

功率：17.6 瓦

視場角：10 毫微克

光譜范圍：6～75 微米

光譜分辨率：10cm-1

雖然特洛伊小行星距離太陽有幾億千米遠，但太陽光對它們的加熱效應還是很明顯的，所以這些小行星能夠在遠紅外頻段向外輻射?！奥宓偎埂本褪怯脕硖綔y這種輻射的，它采用一個直徑15.2 厘米的望遠鏡，將入射能量聚焦到一個小型敏感器上。這樣，“洛蒂斯”就像一個遠程溫度計。從技術上講，“洛蒂斯”不是成像儀，但它可以測量小行星上不同點的溫度，這些數據可以結合起來，生成表面特性的“圖像”。

“洛蒂斯”將通過測量熱慣性來檢查風化層的物理性質。熱慣性是測量物體加熱或釋放熱量的速度，較小的顆粒具有較低的熱慣性。例如，沙灘上的沙子在白天迅速升溫，在晚上迅速降溫。較大的顆粒具有很高的熱慣性。與沙子相比，人行道在白天升溫很慢，在晚上降溫很慢。通過小行星上一天中不同時間的溫度變化，科學家們可以測量出熱慣性，從而推斷出風化層中有多少灰塵、沙子或巖石?！奥宓偎埂边€能探測到單個小行星上存在的熱慣性差異，這是地面望遠鏡無法探測到的。

▲ “洛蒂斯”有效載荷的結構

▲ “洛里”有效載荷的結構

由于“洛蒂斯”是一個點光譜儀，而不是成像儀，它在每次交會中產生的數據量比其他儀器小得多。這種相對簡單性為它贏得了“小儀器”的稱號。根據不同的設置，“洛蒂斯”可以每0.5秒、1 秒或2 秒測量一次。

“洛蒂斯”由亞利桑那州立大學的一個團隊建造。該儀器基于“奧西里斯-雷克斯”探測器的熱發射光譜儀研制，沿用了大部分硬件。電子部分采用阿聯酋希望號火星探測器上的埃米爾火星紅外光譜儀有關設備。在“洛蒂斯”內部有一顆大鉆石，用來作為分光器。

洛里

“洛里”是“露西”最敏感的相機，一些團隊成員親切地稱其為任務的“鷹眼”。

“洛里”的參數：

質量：12.0 千克

功率：10.6 瓦

視野：5.1 mrad

瞬時視野（IFOV）：5.0μrad

主鏡直徑：20.8 厘米

焦距：262 厘米

分辨率：15 倍IFOV 微米

波長范圍：450～850 納米

每幅圖像像素數：1024×1024

幀速率：1 赫茲

這種全色（黑白）相機是一種里氏-克雷蒂安望遠鏡，與哈勃空間望遠鏡是同一種類型。入射光沿著鏡筒向下傳播，被雙曲主鏡反射，然后繼續沿鏡筒向下傳播，并被雙曲副鏡反射，副鏡聚焦光線后，穿過主鏡的開口，進入敏感器陣列。

1.“露西”在清潔廠房中進行測試

2.“洛里”設備的安裝

3.“洛里”設備實拍

4.亞利桑那大學測試“露西”的設備

“洛里”的用途之一，是生成特洛伊小行星的清晰圖像。盡管它們非常黑暗，但“洛里”能從1000 千米外，清楚地看到直徑為70 米（即每像素14 米）的隕石坑，這就像站在足球場的一端，能夠看到另一端的蒼蠅一樣?！奥謇铩钡脑敿殘D像將幫助人們了解特洛伊小行星的表面地質。例如，這些圖像將提供特洛伊隕石坑的信息，從而提供附近小行星數量的歷史記錄。“洛里”還將搜索特洛伊星群中的光環、衛星或其他活動?！奥謇铩睆倪h處看到微弱目標的能力，也使其成為光學導航的完美之選。它可以幫助“露西”導航到太空中的某個指定點，然后用T2 相機（具有更寬的視野）幫助其他儀器準確地指向目標。

由于“洛里”是全色的，因此沒有安裝光學濾波器?！奥謇铩币矝]有活動部件，這降低了任務期間部件故障的風險。盡管它功能強大，但居然沒有對焦機構。太空中的極端溫差可能會導致像對焦機構這樣的設備散焦（因為光學系統會隨著溫度的變化而膨脹和收縮），但“洛里”的大部分光學系統是由碳化硅制成的，當面對溫度變化時，碳化硅不會膨脹或收縮太多，而且還可以快速散熱以減少溫差。

“洛里”由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的一個團隊建造。該儀器繼承了新視野號探測器上的同類儀器技術。新視野探測器拍攝到了冥王星和柯伊伯帶天體阿羅科思的精確詳細圖像，令人大開眼界。“露西”任務上的“洛里”設備做了一些改動，例如用更堅固的鋁替換復合材料制作擋板，但保留了其前身的許多經典設計。

“露西”的高增益天線主要任務是把探測到的數據和圖像發回地球，但它也能夠客串探測器，可以利用無線電信號的多普勒頻移來確定目標的質量。另外，“露西”還可以用其終端追蹤攝像頭(T2CAM）拍攝小行星的寬視場圖像，以更好地描繪小行星形狀。而這個攝像頭原本是科學家用來監視“露西”本身健康狀況的。

漫長的旅途

“露西”在2021 年10 月發射后，在它前往特洛伊小行星的旅程之前，先要繞地球飛行兩圈，加速后進入星際轉移軌道。在前往特洛伊小行星的途中，“露西”將穿越主小行星帶，并于2025 年4 月與52246 號小行星“唐納約漢森”交會，這是“露西”目標中最小的。從地球上的測量顯示，這顆C 型小行星的直徑只有4 千米。這個天體的用處，主要是為“露西”的各種儀器提供一個測試和驗證的機會。當然，“唐納約漢森”本身也是一個有趣的天體。天文學家們已經認定，它是在1.3 億年前因為一次大規模碰撞而產生的，這次碰撞產生了艾力岡小行星家族。

然后，“露西”繼續向外，首先進入特洛伊小行星群的L4 子群，也就是“希臘群”?！奥段鳌币桨菰L的第一顆特洛伊小行星是3548 號“尤里巴特斯”，它可比52246 號大多了，直徑有64 千米之多。3548 號也是一顆C 型小行星，同樣是因為碰撞產生的。不過在已知的特洛伊家族成員中，它倒是唯一的碰撞產物。對這顆小行星的探索或許能為人們解開關于特洛伊家族的一個謎團：C 型在小行星帶里很常見，但為什么特洛伊群中唯一的碰撞產物是C 型呢？為什么這個群中沒有D 型小行星呢？也許它是D 型小行星被撞擊后解體的產物？

而且在2019 年1 月，“露西”團隊了解到，3548 小行星還有一顆直徑約1 千米的衛星，所以這次探測很可能是“買一送一”。具體探測日期預定是在2027 年8 月12 日。

在L4 群當中，下一個目標是15094 號“帕勒末”。這是“露西”的特洛伊群探測目標中最小的一個，是一顆直徑21 千米的P 型小行星，與“普特洛克勒斯”和“梅諾提烏斯”雙星是同一類型。這將是人類探測器第一次飛越這顆暗紅色小行星，很多科學家認為它富含有機物?？茖W家們認為，“帕勒末”是一顆更大的P 型小行星的碰撞碎片，因此將它與“普特洛克勒斯”和“梅諾提烏斯”雙星進行比較將非常有趣。“露西”會在2027 年9 月15 日造訪“帕勒末”。

“露西”的又一個目標是11351號小行星“路特斯”，直徑大約40千米，是一顆D 型小行星。它的特點是自轉速度非常慢，一天有446 小時！這樣漫長的一天，意味著它會在白天非常熱，晚上又非常冷。所以，如果把它與其他D 型小行星相比較，會對它們的組成物質有更加深刻的認知。而且，人們從地球上觀察到，它旋轉時的亮度變化很大，這表明它可能是長條狀的。當“露西”在2028 年4 月18 日飛過“路特斯”的時候，一切都將真相大白。

在飛掠“路特斯”幾個月后，“露西”將近距離觀察另一個D 型小行星21900 號“歐魯斯”。它的直徑達到51 千米，比之前那個D 型小行星“路特斯”大多了?！皻W魯斯”的亮度很小，有紅色的物質。人們就此認為，它含有豐富的有機物和碳?！奥段鳌睂⒃?028 年11 月11 日與它交會。

▲ “露西”準備整流罩合蓋

▲ “露西”團隊

然后，“露西”將沿著軌道向地球軌道接近，再次遠離軌道的時候，木星和特洛伊小行星群已經旋轉到另外的相位。這樣，“露西”將能夠探測尾隨木星的特洛伊小行星群L5，稱為“特洛伊群”。2033 年3 月，“露西”將飛過617 號“普特洛克勒斯”和它的雙星伙伴“梅諾提烏斯”，他們用希臘間諜的名字命名。這對雙星小行星的飛越，將是此次任務的壓軸大戲。然后，“露西”將處在一個穩定的軌道上，如果設備不損壞，可以在未來一次次穿越特洛伊小行星群。

“露西”的主要任務就是探測“普特洛克勒斯”和“梅諾提烏斯”。它們的平均直徑分別為113 千米和104千米?？茖W家推測，它們可能是太陽系早期遺留下來的原始小行星。這兩顆小行星處在相對高傾角的日心軌道上（22 度），這意味著它們大部分時間都不在黃道面上，是航天器很難到達的區域。幸運的是，“露西”的軌道正好在2033 年3 月3 日可以和它們交會。

帶著鉆石的“露西”

這個探測器之所以被稱為“露西”，并不是任務概念的首字母縮寫，不是希臘或者羅馬神祗，而是有兩個靈感來源。

▲ 搭載著“露西”的宇宙神5 運載火箭點火

1967 年披頭士樂隊曾經創作了一首歌曲名叫《鉆石天空中的露西》。美國宇航局把探測器起名為“露西”，也是從這首歌得到了靈感。因此，他們把歌詞和其他名人的智慧之詞印在一塊牌匾上，裝在了探測器里。披頭士樂隊鼓手林戈·斯塔爾還專門為此制作一段視頻，向已故隊友、歌曲主創、搖滾巨星約翰·列儂致敬。而且，“露西”真的帶了鉆石上天。斯塔爾說：“我太激動了——‘露西’將帶著鉆石飛上天空，約翰尼會喜歡的?！?/p>

另一個靈感來源是一位真正存在過的人類。1974 年11 月24 日，考古學家唐納德·約翰遜和湯姆·格雷在埃塞俄比亞發現了一個早期原始人的活化石。經過清理和拼接，人們認定，這不是類人猿，而是真正的人類?？脊艑W家們高興得不行，在當天晚上播放了披頭士樂隊的歌曲，載歌載舞。在跳舞的過程中，探險隊員帕梅拉·奧德曼忽然想到一個名字，既然這位化石是個女性，就叫她“露西”好了?！奥段鳌笔瞧駷橹拱l現的人類化石中，年代最早的一個。“露西”化石為人類的進化提供了極其寶貴的證據。露西探測器用這位遠古女性來命名，也是希望能找到獨特證據，徹底改變人們對行星起源和太陽系形成的認識。

參與“露西”化石發現的古人類學家唐納德·約翰遜在觀看發射時說，自己瞬間就起了雞皮疙瘩：“我再也不會像以前那樣看著木星了……我的思想要爆炸?！?/p>