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宇宙窮游指南:曙光號花最少的錢,看最精彩的世界 | 邁向太空


- 2018年10月11日21時26分
- 科學文摘 / 果殼

果殼

2007年9月27日,曙光號(Dawn)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,開啟了它長達11年的奇幻旅程。

11年來,曙光號以一己之力,為人類揭開了小行星帶中兩顆最大天體——灶神星(Vesta)和穀神星(Ceres)的面紗。而在此之前,雖然人類從十九世紀初就發現了它們的存在,但在隨後近200年的漫長歲月里,這兩顆天體只不過是夜空中的兩個小小光點,看不清任何的細節。

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曙光號探測器先後環繞探測過灶神星(右)和穀神星(左) | NASA/JPL-Caltech

而如今,作為唯一環繞過兩顆地外天體、第一個環繞小行星帶天體、第一個探訪矮行星的探測器,曙光號正在走向生命的盡頭。用於調整姿態的肼推進劑會在未來幾天內耗盡,之後它將再也無法繼續觀測和傳回數據了。

作為NASA知名摳門項目Discovery項目的成員之一,曙光號保持住了該項目一貫的風格和水平:花最少的錢,看最精彩的世界,還要春蠶到死絲方盡,跟殘酷的命運死磕到最後一口氣。

現在,是時候回顧曙光號的一生了。

第一站

雛形類地行星、隕石之鄉、太陽系最高峰……


發射1年半後,曙光號於2009年2月7日飛掠火星,並藉助火星的引力助推。又經過2年半的航行,曙光號於2011年7月16日進入環繞灶神星的軌道。

灶神星位於太陽系的小行星帶中,這是火星和木星軌道之間的一片小天體聚集帶,而灶神星是其中僅次於穀神星的第二大天體,占了主帶小行星總質量的9%<1>,也是小行星帶中唯一一顆亮到可以用肉眼直接看到的天體。

環繞一顆天體進行長期探測,或者說成為一枚軌道器,並不是一件容易的事。我們熟知的其他多目標探測器,比如旅行者號和新視野號,都是技術上更容易實現的飛掠器,也就是以一定的距離飛過這顆天體,看到哪兒是哪兒,看不到的也就算了,然後揚長而去,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控制範圍,還能環繞這顆天體穩定地運轉——這對探測器的性能和軌道控制技術都是更大的考驗。

進入灶神星軌道後,曙光號多次降低和調整軌道,對灶神星進行了全方位多角度「掃射」。在長達14個月的觀測中,曙光號共環繞灶神星1298圈,拍攝了近31000張影像<2>,還收集了大量其他科學數據。

從2011年7月1日到2012年9月30日,曙光號環繞灶神星(中間綠點)的軌道(粉色軌跡) | 維基百科 by Phoenix7777,CC4.0

儘管在此之前,灶神星的一些表面特徵就已經被哈勃望遠鏡和一些地基望遠鏡(比如凱克望遠鏡)觀測過,但直到曙光號抵達那裡,人類才真正揭開了灶神星表面的種種細節。

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哈勃空間望遠鏡2010年2月拍攝的灶神星(左)和2012年9月曙光號拍攝的灶神星(右) | NASA/JPL-Caltech<3>

雖然都是小行星,但灶神星和穀神星這樣直徑超過500公里的大型小行星,和絕大多數直徑不足十幾公里的小行星完全不同——越大的天體越能保持內部的熱量,也越可能擁有豐富的地質活動。

不同於絕大多數小行星只是一顆近乎均質的「土豆」,曙光號的重力觀測數據<4>確認灶神星早已演化成了一顆「雞蛋」。灶神星和地球、火星等類地行星(以及月球)相似,內部已經有了殼幔核的分層結構,而且跟類地行星一樣,擁有金屬的內核、岩質的幔層和殼層。也就是說,灶神星完全就是一顆岩質原行星——

一顆形成於45.6億年前,最終沒能「發育進階」的類地行星雛形,而且很可能是目前僅存的一顆。

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的隕石,目前在地球上已經發現了2000多顆。早在曙光號任務之前,人類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<4>,曙光號任務的探測結果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%都來自於灶神星這一顆天體的碎片。

那這些碎片是怎麼來的?可能是約10-20億年前從灶神星上撞出來的。曙光號近距離探測了灶神星的南半球,發現南極附近有兩個巨大的撞擊盆地:較古老的Veneneia盆地和較年輕的Rheasilvia盆地。這兩個撞擊盆地實在太過巨大,僅僅是形成Rheasilvia盆地的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,以及還在天上飛著的、與HED隕石成分相似的小行星族。

曙光號還發現,如果以從山頂到山腳高度來算的話,Rheasilvia盆地的中央峰高達23公里,是目前太陽系中最高的山峰之一——遠高於地球上最高的夏威夷冒納凱阿火山,和火星上最高的奧林匹斯山不相上下。(珠穆朗瑪峰只是地球上海拔最高的山峰,與周圍的地勢相比,它的相對高度並不是最高的。)不過,它們的成因完全不同,冒納凱阿火山和奧林匹斯山都是火山作用的結果,而Rheasilvia盆地的中央峰則是劇烈撞擊之後在盆地中央產生的岩石回彈。

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圖A和B:Rheasilvia盆地中央峰的地形和影像圖,越藍表示越低,越紅表示越高;圖C:Rheasilvia盆地中央峰(黑線)、地球上夏威夷冒納凱阿火山(綠線),和火星上的奧林匹斯山(紅線)的高程剖面 | 參考文獻<4>。

第一次「續命」

靠的是離子推進器

環繞一顆天體運行並不需要能量和助推來維持,只靠引力就夠了,但改變軌道需要。不管是飛行途中的軌道調整,還是環繞天體時不斷變換軌道來觀測,都需要消耗燃料(推進劑)。

然而,一顆探測器能攜帶的燃料,畢竟是有限的。

對絕大多數軌道器來說,進入一個天體的軌道,就意味著「從一而終」了,因為它們攜帶的燃料不足讓它們離開這顆天體。

曙光號就膩害了。

2012年9月5日,曙光號不僅離開了灶神星軌道,又花費2年半時間,跋涉了15億公里前往了它人生中的第二站:穀神星。

這些都有賴於曙光號的離子推進發動機。

離子發動機的原理是這樣的: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並噴射出去,於是探測器就可以藉助反作用力而加速。不同於傳統的推進劑,離子推進劑要節省燃料得多,可以大大減少探測器需要攜帶燃料的重量,也就大大增加了長途太空旅行的效率。

曙光號並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個推進技術從科幻小說中帶向了現實世界,此後日本JAXA的隼鳥號、隼鳥2號使用的也是離子發動機。

離子發動機運行時會噴出藍色的「焰尾」,這也是所有使用離子發動機的探測器在藝術假想圖中的一大特徵。

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深空1號(左)和隼鳥號(右)使用離子推進發動機時的假想圖 | NASA,JAXA

第二站

亮斑、有機物、地下海……

在離子推進器的幫助下,曙光號於2015年3月6日成功進入環繞穀神星的軌道。

穀神星是小行星帶中最大的天體,直徑約945公里,質量占主帶小行星總質量的35%以上,同時還是小行星帶中唯一一顆矮行星。

按照國際天文聯合會(IAU)的定義,矮行星和行星一樣,都需要圍繞太陽公轉,也需要達到流體靜力學平衡(大致來說就是需要非常圓)。兩者的唯一區別是,矮行星不像行星那樣能夠清空自身軌道,比如穀神星所在的軌道附近還有很多其他小行星,冥王星所在的軌道附近也有很多其他小天體,它們都不是這片軌道上唯一的王者。

全拜這個定義所賜,曙光號幸運地成為了「第一個探訪矮行星的探測器」,比當時即將飛掠冥王星的新視野號早了4個多月。

進入穀神星軌道後的3年多時間裡,曙光號通過10次變軌,把探測高度從1.35萬公里慢慢降至最近的35公里,對穀神星進行了全方位深入探測,也揭開了穀神星的諸多重要秘密。

從2015年2月1日到2018年10月6日,曙光號環繞穀神星(中間綠點)的軌道(粉色軌跡)。後半段魔鬼一樣的步伐,看得簡直停不下來23333 | 維基百科 by Phoenix7777,CC4.0

在曙光號近距離造訪穀神星之前,穀神星的一大謎團是它神秘的亮斑。

2015年初,當曙光號開始接近穀神星時,科學家驚訝地發現穀神星上有兩塊非常明顯的亮斑,而且,這兩塊亮斑的位置和之前哈勃望遠鏡看到的亮斑並不一樣。哈勃沒有看到這兩個亮斑並不奇怪,畢竟曙光號發現的這兩個亮斑只有幾公里大,而遠在地球軌道上運行的哈勃望遠鏡只能分辨穀神星上近百公里寬的大型結構。

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哈勃望遠鏡2003年12月-2004年1月間拍攝的穀神星(左)和曙光號拍攝的穀神星(右)。右圖中間的兩個亮點就是神秘亮斑的位置 | NASA

隨著曙光號對穀神星的近距離深入探測,科學家漸漸發現,穀神星上完全不止這兩塊亮斑。最終,科學家一共在穀神星上發現了約130塊亮斑。最早發現的兩塊因為位於Occator撞擊坑中,後來被稱為「Occator亮斑」,是穀神星上最亮的區域。

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曙光號在穀神星表面發現了大約130塊亮斑(位置用藍色標出),Occator撞擊坑中的亮斑是穀神星上最亮的 ,第二亮的亮斑位於Oxo撞擊坑中 | NASA

這些亮斑到底是什麼?隨著曙光號探測的深入,人們不斷推翻之前的推測。

最初有人認為是冰火山或者排氣作用的結果,後來又認為是水合硫酸鎂鹽礦物<5>。2016年,曙光號的近紅外光譜數據表明,Occator亮斑里含有大量的碳酸鈉鹽,很可能是因為近期的地質活動才從地下露出表面的<6>。

除了鹽類礦物,2017年初,曙光號的光譜儀還在穀神星表面多處發現了脂肪族有機物,最主要的富集地在Ernutet撞擊坑西側邊緣<7>。

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不同於乾燥的灶神星,穀神星上一點都不缺水(冰),揮發的水蒸氣還會產生微弱的大氣層。不僅如此,曙光號還在南半球中緯度的Juling撞擊坑邊緣觀察到了水冰的季節性變化<8>:冬季結冰,水冰增加,夏季揮發消融,水冰減少。

穀神星的內部也大有玄機。和差不多同樣古老的灶神星一樣,穀神星也早已「進化」出了分層結構,但不同於類地行星那樣的灶神星,穀神星更像外太陽系的冰衛星:它可能只有一個岩質的內核(而不是灶神星那樣的金屬內核)。曙光號的重力探測數據顯示,穀神星的幔層主要是含水的岩石,而殼層則是岩石、水冰、各種鹽類和含水礦物的混合物。這些含水的岩石和礦物可能是遠古時候穀神星地下全球性海洋的遺蹟,而且可能至今仍有一部分液態海洋沒有被凍結<9>。

不管是新鮮的碳酸鈉鹽和有機物,還是水冰的季節性變化,以及地下海洋的遺蹟,這些跡象都表明穀神星並不是一顆「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——就像木衛二或者土衛二那樣。

第二次續命

靠的是肼推進劑

如果說第一次「續命」是拓展了曙光號生命的深度和廣度,那麼第二次就是名副其實的續命了——因為隨著任務的推進,曙光號上的動量輪相繼壞掉了。

動量輪是一種通過轉動來控制探測器姿態的裝置,通過供電維持轉動,從而保持某個方向上的穩定,有點類似於陀螺儀。現代太空飛行器大多採用三軸穩定的方式,以我們熟悉的飛機為例,當飛機需要左右轉向(x軸)、左右翻滾(y軸)或上下俯仰(z軸)時,就需要分別調整對應方向上的姿態。換句話說,探測器最起碼需要3個動量輪才行。

不同於曙光號上的離子推進發動機,只在需要改變軌道時才需要用到,動量輪卻是隨時隨地都有可能會用到的。曙光號觀測的時候,需要把對應的儀器瞄準目標區域;充電的時候,需要調整太陽能板的角度對準太陽;而傳回信號的時候,又需要把天線轉過來對準地球——而這些,都會隨著曙光號位置和工作內容的變化而不斷改變。

一言以蔽之,如果剩餘能夠工作的運量輪不足3個,那麼曙光號雖然還可以一直飛著,卻仍將無法探測、無法充電、無法傳回數據。

好在,曙光號一共帶了4個動量輪,就算壞掉一個,估計也問題不大。

然而,第一個動量輪早在2010年6月就壞了<10>,此時距曙光號抵達第一站灶神星還有……1年多的時間。不過,探測器在飛行途中基本不需要控制姿態,所以不礙事。事實上,好的3個動量輪也一直是關著的,直到曙光號快要抵達灶神星時才打開。

探測灶神星的14個月裡,一切順利。

到了2012年8月,曙光號開始準備離開灶神星時,第二個動量輪壞了。

對於深空探測器,出了啥故障都要靠地面指揮才能應對是不現實的——信號以光速傳播單程還要20多分鐘呢,黃花菜都涼了。所以,深空探測器都很智能,或者說有自主應對突發事件的能力。

於是,機智的曙光號直接關掉了所有的動量輪,通過離子推進配合化學推進離開了灶神星軌道。當故障信號傳回地球時,曙光號項目組也覺得這個應對非常明智,決定讓動量輪就這麼關著吧,反正路上用得著的時候也不多。

但問題是,只有兩個動量輪終究是不行的,何況剩下的兩個也早晚會在不久的將來壞掉,因為4個動量輪是一模一樣的設計,而同樣設計的動量輪在其他探測器上也陸續有故障發生。事實上,2005年時,隼鳥號就是因為壞掉了2個動量輪而嚴重影響了觀測。

怎麼辦呢?

還好,曙光號還攜帶了少量傳統火箭推進劑,稱為肼(N2H4,又叫聯氨),也可以用來調整姿態。於是,曙光號項目組決定採用「混合推進」模式,讓兩個動量輪配合肼推進劑一起工作。就是在這樣的狀態下,曙光號對穀神星展開了長達3年的環繞探測。

儘管遇到了動量輪的致命故障,但到2016年初,曙光號還是成功完成了所有預定目標,並在2016年6月中旬開始了擴展任務。畢竟,讓完成任務的探測器超期服役,已經是NASA一以貫之的優良傳統了。

然而,要是再壞一個動量輪的話,混合模式也會不管用了。早在2010年,項目組就決定,一旦第3個動量輪也出現故障,就將不再使用動量輪了。

到了2017年4月,第3個動量輪壞掉之後,最後一個動量輪也被關掉,再也沒有使用過。

從那時起,曙光號完全靠肼推進劑續命。

神龜雖壽,猶有竟時

11年,在平均設計壽命不超過36個月的Discovery項目里絕對算是長壽了。

只是,神龜雖壽,猶有竟時。

剛剛度過11歲生日的曙光號,正在不可避免地走向生命的盡頭,而這一切從2012年8月,第二個反應輪故障時就已經註定了。硬生生續了6年多的命,已經非常難得了。

2018年6月,曙光號藉助離子推進器完成了最後一次變軌,到達了最終軌道。這是一個大橢圓軌道,距離穀神星表面最近時只有35公里。曙光號要抓住這最後一次機會,以前所未有的近距離探測穀神星的表面。


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曙光號在最終工作軌道上近距離拍到了Occator亮斑的超清晰細節 | NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/Roman Tkachenko.

這也是曙光號最後一次使用離子推進器——畢竟,等到肼推進器耗完了,留著離子推進器燃料也沒用了。

2018年6月21日,曙光號關閉離子推進器。這片閃耀在小行星帶中的藍光永遠熄滅了。

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曙光號環繞穀神星的假想圖 | NASA

之後,曙光號將在這條最終軌道上一直觀測,直到肼推進劑完全耗盡為止。

飛翔的豐碑

在不遠的將來,或許就是10月中旬的某一天,當指令告訴曙光號需要消耗一點點肼來調整姿態時,曙光號將不再有能力完成指令,因為再也沒有燃料可用了。

當然,機智的曙光號會嘗試自動修復這個問題,比如選擇用備用噴口代替主噴口,但無論如何反應都將是徒勞的。曙光號將會發現自己無法修復這個問題,接下來便會切換到安全模式,同時切斷儀器的電源,等待來自地球的幫助。

地球上的項目組很快就會發現,曙光號的信號消失了。當然,人們也不會輕易就放棄,因為誰也無法確定曙光號就一定已經油盡燈枯了。萬一,曙光號只是出了其他故障呢?負責與探測器通信的地面深空網絡DSN還將花上幾天時間來努力信號,直到確認信號徹底消失為止。

面對油盡燈枯這樣的狀況,地球上的人類也只能是愛莫能助了。接下來,項目組會宣告任務終結,而曙光號則會繼續在那條最終軌道上運行,哪怕它已經永遠沉睡不醒了。

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曙光號最後一階段的大橢圓軌道,最近時距離穀神星表面只有35公里。圖中虛線是之前軌道的最低高度 | NASA/JPL-Caltech

曙光號的最終軌道是項目組精心設計的距離穀神星最近的「安全軌道」,可以確保曙光號在無法變軌的狀態下,至少短時間內不會撞上穀神星,以防不慎污染了這顆矮行星。

而人類則應該抓緊接下來的這段時間,設法再派出一枚探測器前往穀神星,來確認那裡是否真的具備維持生命的條件,甚至存在生命。

這個期限是20年。

在接下來的這20年里,曙光號將成為一座豐碑,環繞在穀神星上空,等待新的訪客自地球遠道而來。

如果20年時間不夠,那還可以略微放寬到50年,曙光號在此期間仍有99%的機率會繼續環繞穀神星運轉,而不至於墜毀在它的表面。

如果50年時間都不夠……

恐怕曙光號在天有靈,也會對人類引以自豪的探索精神表示失望了吧。

不過話說回來,大概也不至於如此悲觀。雖然目前還沒有重訪穀神星的計劃,但在太陽系的其他地方,JAXA的隼鳥2號和NASA的冥王號已經對另外兩顆小行星展開了探測。而在不遠的將來,NASA的Lucy和Psyche探測器也將於2023年前後發射升空,開始屬於它們的小行星奇幻旅程。

這代表著人類對太空的探索,前赴後繼,生生不息。

<1>.Pitjeva, E. V. "High-precision ephemerides of planets—EPM and determination of some astronomical constants." Solar System Research 39.3 (2005): 176-186.

<2>.http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/marc-rayman/dawn-journal-10-years-in-space.html

<3>.https://dawn.jpl.nasa.gov/features/what-we-knew/

Russell, C. T., et al. "Dawn at Vesta: Testing the protoplanetary paradigm." Science 336.6082 (2012): 684-686.

<4>.Nathues, A., et al. "Sublimation in bright spots on (1) Ceres." Nature 528.7581 (2015): 237.

<5>.De Sanctis, M. C., et al. "Bright carbonate deposits as evidence of aqueous alteration on (1) Ceres." Nature 536.7614 (2016): 54.

<6>.De Sanctis, M. C., et al. "Localized aliphatic organic material on the surface of Ceres." Science 355.6326 (2017): 719-722.

<7>.Raponi, Andrea, et al. "Variations in the amount of water ice on Ceres』 surface suggest a seasonal water cycle." Science advances 4.3 (2018): eaao3757.

<8>.https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6982

<9>.http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/marc-rayman/20170530-dawn-journal-adaptations.html

作者:灰原哀博士

編輯:Steed、東風

一個AI

可以說是宇宙級別的窮游達人了!

本文來自果殼,謝絕轉載.如有需要請聯繫sns@guokr.com

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