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露西号踏上12年征途,探访7颗外太阳系古老“化石” | 行星事务所

Editor's Note

首发于公众号“果壳”,今天这版有一些修改。

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北京时间2021年10月16日17:34,NASA露西号探测器搭乘宇宙神V-401火箭,从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,正式开启它的外太阳系探测之旅

露西号探测器点火升空轨迹 | NASA/Bill Ingalls


这个从NASA知名“抠门”项目里脱颖而出的探测器,将奔赴遥远的木星轨道,在接下来的12年探测中,相继探访8颗不同大小、类型和位置的小天体,为人类首次揭开木星特洛伊小行星的神秘面纱


 小项目里的大赢家


2017年1月5日,NASA正式公布了第8届“发现”级项目(Discovery Program)的2个当选任务,其中一个就是“露西号” [1]。

第8届“发现”级项目的2个当选任务示意图,左为露西号,右为灵神号 | SwRI and SSL/Peter Rubin [1]


“发现”级项目,是NASA深空探测项目三大梯队里规模最小、预算最低的一类,主打成本低、周期短、见效快的小型任务,每个任务的常规预算约4.5-5亿美元(不包括发射和发射后的运营费用),设计寿命不超过36个月,探测目标精简明确。简单来说就是:更快、更好、更便宜,有生之年还能再看几十个。

只需要记得“发现”级项目最穷就完事儿了…PS:旗舰级除了深空探测项目之外,还有天文等其他领域的探测任务,但新疆界和发现级任务都只有深空探测项目 | haibaraemily


在这样的指导方针之下,开始于1992年的“发现”级项目至今已获批16个深空探测任务,其中11个任务成功开展,以极低的成本、极高的效率,大大增进了我们对太阳系内和系外诸多方面的认识。

目前所有获批的“发现”级项目。此外,月球勘测轨道飞行器(LRO)任务后来也被按照花费归入“发现”级项目,属于领养 | haibaraemily


但虽说中的是个小项目,
露西号实际“享受”到的规格并不低。在常规预算4.5亿美元的指标下,露西号的任务周期总预算已飙升至9.81亿美元,这还是在既没有像上届“发现”级选手洞察号那样因为仪器问题导致大幅延期,也没有因为新冠疫情受到太大经济损失的情况下——可以说是完全达到了中型项目“新疆界”级的预算待遇,多少能称得上是小项目里的大赢家了。



 奔向木星轨道,首个特洛伊小行星探测器


露西号的探测目标是一类特殊的小行星:木星特洛伊小行星


我们较为熟悉的主带小行星,聚集在火星和木星轨道之间的主小行星带中。人们常以小行星带为界,把太阳系划分为“内太阳系”和“外太阳系”,木星特洛伊小行星就聚集在遥远的外太阳系。它们和其他区域的小行星一样环绕着太阳转动,唯一特别的地方在于:特洛伊小行星是和木星“绑定”着一同环绕太阳公转的,或者说,特洛伊小行星所聚居的群落几乎和木星共享同一条飞行轨道

与木星共享轨道的特洛伊小行星群 | 改编自维基


如此稳固的“绑定”关系,背后是引力这双无形的大手在支配着一切。


两个有环绕关系的天体周边有5个“平衡点”,在这些点附近,两个天体的引力综合影响可以达到平衡——这5个点被称为“拉格朗日点”(L1-L5)。这里的“两个天体”可以是太阳和地球(日地)、地球和月球(地月),太阳和木星(日木)等等。

两个天体(图中以太阳和地球为例)周边的5个拉格朗日点L1-L5 | 维基


如果有第三个天体位于这些拉格朗日点上,则可以轻易与两个天体保持几乎相对静止的位置,探测器就经常利用这些“风水宝地”。例如,太阳探测器SOHO位于日地拉格朗日L1点附近,即将发射的鸽王中王·詹姆斯韦伯望远镜,计划被安置在日地L2点附近。


我国嫦娥四号任务的通讯中继星鹊桥号,位于地月拉格朗日L2点附近,可以帮助在月球背面探测的嫦娥四号探测器保持和地球的通讯。


木星特洛伊小行星群,则位于太阳和木星(日木)连线两侧各60°间隔外的拉格朗日L4和L5两个平衡点附近,分为L4特洛伊小行星群L5特洛伊小行星群两团。

L4和L5特洛伊小行星群位置示意 | 改编自维基


“特洛伊小行星”的名字来源于希腊神话中的“特洛伊战争”,木星分列在L4和L5的两团特洛伊小行星群也分别被称为“希腊阵营”和“特洛伊阵营”,其中的小行星分别以各自阵营中的英雄命名(唯二的两个例外是位于L4区域的小行星赫克托耳(Hektor)在神话中其实属于特洛伊阵营,而L5区域的双星系统之一帕特罗克洛斯(Patroclus)在神话中其实属于希腊阵营,这两颗小行星是在确定命名规则之前被命名的)

最大的10颗木星特洛伊小行星,都是熟悉的名字 | 汉化改编自维基


事实上,特洛伊小行星并不是木星独有的。其他不少行星,例如天王星和海王星,甚至火星和地球也有自己“绑定”的特洛伊小行星(群)。只不过,木星特洛伊小行星群是最早被发现,且数目最庞大的一支,因此在不加限定词的情况下,“特洛伊小行星”也常常专指木星特洛伊小行星


行星科学家们认为,特洛伊小行星是外太阳系巨行星形成时期留下的残骸,是没能从原行星盘中形成行星之后被剩下的“边角料”。因此,这些小行星可能非常古老,还保留着太阳系早期物质的成分和信息,和位于内太阳系的主带小行星、近地小行星一样,是我们追溯太阳系早期历史和演化的“时光胶囊”


特洛伊小行星数目众多,目前记录在案的木星特洛伊小行星有1万多颗 [2],最大的直径200多千米,最小的只有大约1千米,但实际数目远不止这些,只是由于距离遥远,个头小的那些很难被发现。但即使是其中最大的那些,迄今为止我们也只是通过望远镜看到过一个个小亮点,不曾知道它们表面到底是什么样子——这正是露西号即将为我们揭晓的“秘密”。

露西号近距离飞掠探索特洛伊小行星的艺术想象 | Swri


但奔赴木星,去往外太阳系并不容易:距离太阳越远,探测器接收太阳能的效率就越低。应对之法无非两种:一是改为采用核能供电,像旅行者号、卡西尼号、新视野号那样;二是让太阳能电池板尽可能宽大,增加接收太阳能的面积,但这样又会增加探测器的重量。露西号这样的“发现”级(小型)任务,在有限的预算内是很难够得上使用核电池的待遇的,所以别无选择只能硬着头皮选择了第二种。


露西号探测器的太阳能板异常巨大,每块直径7.3米,在太阳能板完全打开时,探测器全长可达15.8米。露西号也将打破距离太阳最远的太阳能探测器运行记录


露西号探测器示意图 | 改编自NASA


感受一下露西号“遮天蔽日”的巨大太阳能电池板:

露西号的太阳能电池板 | NASA


 8颗小天体,是哪8颗?


露西号不仅是人类首个近距离探访特洛伊小行星的探测器,而且不止探访一颗。它全程计划探访6颗木星特洛伊小行星(Eurybates、Polymele、Leucus、Orus、Patroclus和Menoetius),1颗特洛伊小行星的卫星(Queta)和1颗主带小行星(Donaldjohanson),创下一次任务中探索最多天体的记录

露西号计划探访的全部8颗小天体的艺术想象 | 改编自NASA


但别看露西号有这么多探测目标,这场旅程并不会千篇一律:这些小行星各有特色,展现了太阳系中丰富多彩的星球面貌

露西号的8个探测目标 | 汉化整理自NASA [3]


行星科学家们常借助小行星反射阳光的差异(光谱类型)来区分它们的组成成分,例如C型小行星主要由碳质构成,S型小行星主要由硅质构成,M型小行星主要由金属构成,D型和P型小行星可能富含有机物…不同轨道位置的小行星常常有着不同的成分类型,例如C型小行星在主带和近地小行星中十分常见,但在特洛伊小行星中却很稀有。


但即使在轨道位置相似的特洛伊小行星中,也混合着D型、P型、C型等多种类型

Donaldjohanson和Eurybates的光谱类型相同,但位置和大小都有很大差异;

Eurybates和Orus大小差不多,但光谱类型又不一样;

……


不只是成分差异,在露西号的探测目标中:

最小的小行星Donaldjohanson直径只有约4千米,而最大的Patroclus直径达到140千米;

自转最快的Polymele上只要6个小时就能过完一天,而自转最慢的Leucus上一天长达440个小时;

Patroclus和Menoetius在环绕太阳公转的同时,还是绕着共同质心转动的双星系统;直径仅64千米的Eurybates,还有一颗小小的卫星;

哈勃望远镜WFC3相机在2017年5月20-6月14日拍摄的Patroclus-Menoetius双星系统 | HST


……


这些“相似”和“不同”,会给各个小行星的演化带来什么影响?明明大家都是太阳系早期“边角料”形成的小天体,现在也在差不多的轨道位置,为什么会有这么大差别?是它们原本形成于不同的位置,后来被木星引力捕获困在了一起?或是因为太阳系早期的巨行星迁移,连带着小行星们发生了“乾坤大挪移”?露西号的“星口考察”,可以帮助我们重新认识太阳系早期动荡的历史

外太阳系小天体位置迁移的一种猜想。不同颜色的小点代表不同成分或类型的小天体,“冷”和“热”小天体群指的是轨道动力学上的“冷热”,表现为不同的轨道特征,并不指示温度 | 汉化改编自NASA


值得一提的是,露西号原本计划探测的小天体数目只有7颗,最终的8颗其实是个幸运的意外


在露西号决定探访小行星Eurybates之后,哈勃望远镜在这颗小行星周围发现了一颗直径约1千米的卫星,这颗小卫星在2020年10月被命名为Queta。

哈勃望远镜拍到的小卫星(箭头所指的绿框中) | HST


小行星有卫星,这本来就挺少见的,还正好在露西号的既定探测轨迹上,那肯定不能放过呀。于是,露西号的探测计划里顺势就加了1个探访目标。


如果你看的一些资料里说露西号的探测目标是7颗,不是说错了,仅仅是因为那些资料是Queta发现之前制作的


前面说过,从前的特洛伊小天体通常以希腊神话特洛伊战争中的英雄命名,但因为小行星太多,这个命名规则已经难以为继 根据国际天文联合会(IAU)新规定:绝对星等大于12的小型木星特洛伊天体将以奥林匹克运动员的名字命名,“Queta(奎塔)”就来自墨西哥田径运动员恩里克塔·巴西利奥(Enriqueta Basilio,也被称为Queta Basilio),她是奥运史上首位点燃奥运圣火的女性火炬手。

1968年夏季奥运会上,奎塔·巴西利奥点燃奥运圣火 | 维基


如果你不知道这7颗特洛伊小天体怎么念的话,嗯,NASA贴心地给出了注音 [4]

Eurybates: "yoo-RIB-a-teez" or "you-ri-BAY-teez"

Queta: "KEH-tah" 

Polymele: "pah-li-MEH-lee" or "pah-LIM-ah-lee"

Leucus: "LYOO-kus" or "LOO-kus"

Orus: "OR-us"

Patroclus: "pa-TROH-klus" or "PAT-roh-klus"

Menoetius: "men-EE-shus"


 以“露西”为名,探索太阳系的起源和演化


露西号探测器的名字,来自一具名叫“露西”的骨骼化石,而这份化石的名字,又来自披头士的一首流行歌曲。


一首歌,一具化石,一颗探测器,是如何以一种奇妙的机缘相遇的?这还要从露西号的使命说起。


既然特洛伊小行星是我们追溯太阳系早期历史的“时光胶囊”(之一),那近距离探访这些小行星,就相当于让我们“登上时光机”,可以帮助我们探寻太阳系的起源和演化历程


肩负这一使命的探测器,让项目组的科学家们联想到了一具名叫“露西”的化石——


1974年11月24日,古人类学家唐纳德·约翰逊(记住这个名字,后面还会提到)等人在非洲埃塞俄比亚的哈达尔发现了一具形似人类的骸骨化石,编号AL 288-1。当晚,在人们为此载歌载舞开party庆祝的时候,营地里循环播放着披头士的名曲《天空中戴着钻石的露西》(Lucy in the Sky with Diamonds)。酒足饭饱之后,无人记得到底是谁最开始这么叫的,反正此后这具化石就一直被称为“露西”(Lucy hominin fossil)了 [5]。

(左)“露西”骨架 | ASU;(右)披头士乐队《天空中戴着钻石的露西》美国版乐谱封面 | 维基


后续研究显示,“露西”是一具女性阿尔法南方古猿(Australopithecus afarensis)化石,这一猿种具备直立行走的能力,为我们追溯人类的起源和演化历史提供了极其重要的考古证据。“露西”生活在距今约320万年前,(可能)是目前已知的“人类最古老的祖先”(更为古老的湖畔南方古猿曾被认为是“露西”的祖先,但对2016年发现的、距今约380万年的男性湖畔南方古猿头骨MRD-VP-1/1的研究显示,两种猿类至少共存了10万年,可能并非简单的“直系祖先”关系 [6]。此外,智人的始祖到底是哪种猿类也存在争议)


追溯人类的起源和演化,和追溯太阳系的起源和演化,是不是看起来差不多的样子?特洛伊小行星,是不是就像记录了太阳系早期历史的“化石”?好的,探测器就叫“露西号”吧~


露西号任务的徽章就把这几个元素融合在了一起:钻石形状来自披头士歌曲《天空中佩戴钻石的露西》,左边的骨骼则代表古人类化石“露西” [7, 8]。

宇宙神V-401火箭整流罩上的露西号任务徽章,整流罩中包裹的就是露西号探测器 | NASA/Ben Smegelsky


对了,经典漫画《史努比》中有一个女性角色也叫“露西”,露西号项目组可没有忘记和这个经典形象互动。

 

 露西号项目组和史努比团队推特



 如何在12年里探访8颗小天体?


为了多去几颗特洛伊小行星,露西号选择了“飞掠”这种探测方式,像前辈旅行者号、新视野号一样,不环绕任何一个探访目标做长期驻留,而是只与每个目标擦肩而过,利用短暂的接近时期完成科学探测和数据收集。


科学家们为露西号精心设计了一条复杂的飞行轨道 


在2021年10月发射升空之后,露西号将先后探访1颗主带小行星;4颗位于日木L4区域的特洛伊小行星和1颗卫星;以及2颗位于日木L5区域的特洛伊小行星。全程将3次飞掠地球获得引力助推(EGA)并完成5次大幅度的轨道深空机动(DSM)[9-11]。


事实上,露西号会始终环绕太阳飞行,只是通过合理的行程规划加上适时的轨道调整,探测器能恰到好处地与每个目标相遇。


首先是主带小行星Donaldjohanson。


特洛伊小行星群与木星共轨,而从地球飞到木星轨道,必然会穿过主小行星带。本着不看白不看的精神,露西号将第一个探访目标定为位于主小行星带中1981 EQ5。在确定成为露西号的探测目标之后,这颗小行星在2018年被正式命名为Donaldjohanson,以纪念前面提到的露西化石发现者之一——唐纳德·约翰逊。

露西号飞掠主带小行星Donaldjohanson的飞行路线(蓝色和橙色虚线)示意图 | 制图:行星事务所;参考自:[10]


正式探测特洛伊小行星之前,露西号计划在这颗主带小行星身上先演练一番,测试一下科学仪器的性能,以期在之后的探测中展现出全部实力。


此后,露西号会继续向外太阳系飞行,直到2027年抵达木星轨道,此时刚好能与L4特洛伊小行星群相遇。露西号将在2027-28年里先后探访这里的4颗特洛伊小行星Eurybates、Polymele、Leucus、Orus,以及Eurybates的卫星Queta。

露西号飞掠5颗位于日木L4的特洛伊小天体的飞行路线(蓝色和橙色虚线)示意图 | 制图:行星事务所;参考自:[10]


更精妙的是,露西号完成L4区域探测之后,将离开木星轨道,沿着自己的大椭圆路线飞回内太阳系,甚至回到地球附近再借个力。等到露西号再次沿着大椭圆路线飞到木星轨道时,已经是2033年——木星和两团特洛伊小行星群已经绕着太阳公转了将近半圈,露西号不用费太大力气就能顺势飞入L5区域,探访其中的两颗直径100多千米的小行星Patroclus和Menoetius,这也将是人类探测器首次造访两颗小行星大小相当的双星系统。

露西号飞掠2颗位于日木L5的特洛伊小天体的飞行路线示意图(橙色和棕色虚线) | 制图:行星事务所;参考自:[10]


此时距离露西号从地球出发,已经过去了近12年。如果那时候露西号还健康的话,它甚至还能继续飞行,利用木星和特洛伊小行星群公转周期的规律,在此后的千百年里反复穿梭在L4和L5小行星群中。


从太阳看来,露西号只是“简简单单”在绕着自己转圈,而在木星的视角看来,露西号仿佛在太空中反反复复跳着炫酷的“8字舞” [3]

木星视角下的露西号飞行轨迹,白、橙、红色小点是露西号计划飞掠的小行星们 | NASA


 轻装简从,带着前辈们的“礼物”


追溯太阳系的起源和演化,是一个宏大而综合的课题。露西号实际要做的,是用自己携带的科学仪器,仔细考察每颗天体的表面成分、地质地貌、内部结构等各种特征,获取尽可能丰富且准确的观测数据,供行星科学家们进行分析。


露西号总重821千克(不包括燃料),仅携带了四种科学仪器 [3,12]。


露西号的科学仪器 | 改编自自NASA [12]


  • 高分辨率可见光相机L’LORRI,可以拍摄全色影像(也就是黑白影像),波段覆盖0.35-0.85 微米。

    (左)露西号的L’LORRI相机示意图;(右)约翰霍普金斯大学应用物理实验室,L’LORRI相机在准备做光学定标测试 | NASA [12]


  • 彩色可见光相机和红外成像光谱仪L’Ralph,露西号上最复杂的仪器,包括彩色可见光相机MVIC和红外成像光谱仪LEISA两部分。前者可以拍摄彩色影像,后者可以探测小行星的表面成分,两者分别覆盖0.4-0.85 微米和1.0-3.8 微米波段。


露西号的L’Ralph相机实物 | NASA [12]


  • 热辐射光谱仪L’TES,可以探测小行星的热惯量、表面成分、孔隙度等特征,波段覆盖6-100微米。

    亚利桑那州立大学洁净室中的露西号的L’TES光谱仪实拍 | NASA/ASU [12]


  • 终端跟踪相机T2Cam,可以拍摄宽角影像,协助确定小行星的形状,覆盖0.4-0.8微米波段。

  • 此外,露西号还会利用高增益天线测量无线电信号的多普勒频移,确定小行星的质量和密度分布。


出于节约成本和提高建造效率的考虑,露西号的科学仪器大都是在NASA之前探测器使用过的成熟仪器基础上设计建造的。L’LORRI相机继承自新视野号的长焦距高分辨率相机LORRI,L’Ralph相机继承自新视野号的Ralph相机,L’TES光谱仪继承自冥王号(OSIRIS-REx)的OTES和火星全球探勘者号(MGS)的TES。真就连名字都不带改的,前面直接加个代表露西号的L就完事儿了…


继承前辈探测器的仪器,是“发现”级项目的老传统了,洞察号的整体外形就借鉴自凤凰号。总之能省的钱绝不多花,尽量把花钱的事儿留给旗舰级这样的土豪项目去做就好


除了这些,露西号还继承了2艘先驱者号和2艘旅行者号的优良传统,也带上了一块铭牌。不同的是,露西号的铭牌并不是给地外生命看的,而是留给我们的子孙后代,留给未来的人类自己看的 [13]。毕竟露西号在未来的千百年里,都会在内外太阳系反复横跳转圈,那将来的地球人完全可能有能力研制出更先进的探测器,去截获这颗探测器——那时候,露西号自己也会成为一枚“化石”,一枚记录人类在某个特定阶段文明的化石,一枚真正的“时光胶囊”,这可能才是真正的宇宙考古吧


铭牌上除了露西号自己的发射和轨道信息之外,主要空间都刻上了各种诗人、音乐家、艺术家、科学家留下的话。(你们确定几千年后的未来人想看这种古董名人名言大合集么)  

露西号携带的铭牌 | SWRI [13]



 结语:小天体探测热潮,方兴未艾


启程前往外太阳系的露西号背后,是各国小天体探测如火如荼的热潮。


一方面,过去十几年里的小天体探测成果(深度撞击号、隼鸟号、罗塞塔号等)已经大幅刷新了我们对诸多小行星和彗星的认知;另一方面,我们对许多类型的小天体的了解还依然近乎空白,尤其是那些位于遥远外太阳系的小天体。


一边是探访近地小行星的JAXA隼鸟2号和NASA冥王号完成小行星采样还没多久;一边是NASA的金属小行星探测器灵神号、JAXA的火星卫星探测器MMX、中国的首个近地小行星和主带彗星探测器都在紧锣密鼓地筹备之中,有望在接下来的数年里陆续发射升空。


但即便等到这些任务都顺利完成了,人类依然还没有探测器近距离探测过半人马小天体、离散盘中的矮行星、木土天海王星的小卫星、长周期彗星等许多类型的小天体。


这个各国太空竞赛的新赛场,还有无数未知和惊喜等待着地球人的探测器前去探索和发现呢。


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 拓展阅读

 

教练,研究火星,我还有机会么?| 行星事务所特辑 

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金星、木卫一,还是海卫一?(NASA“发现级”项目)

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“死里逃生”的彗星41P



 参考资料

[1] NASA | NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-two-missions-to-explore-the-early-solar-system

[2] IAU | Trojan Minor Planets

https://minorplanetcenter.net//iau/lists/Trojans.html

[3] http://lucy.swri.edu/img/graphics/LucyPoster_Mission_of_Discovery.pdf

[4] NASA | Lucy Mission FAQ

https://www.nasa.gov/content/goddard/lucy-mission-faq

[5] ASU-Institute of Human Origins | Lucy's Story

https://iho.asu.edu/about/lucys-story

[6] Nature | Rare 3.8-million-year-old skull recasts origins of iconic ‘Lucy’ fossil

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02573-w

[7] NASA | NASA's Lucy in the Sky with … Asteroids?

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasas-lucy-in-the-sky-with-asteroids

[8] NASA | Inspiration Links The Beatles, a Fossil and a NASA Mission

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/inspiration-links-the-beatles-a-fossil-and-a-nasa-mission

[9] SWRI | Lucy Mission Tour

http://lucy.swri.edu/mission/Tour.html

SWRI | Lucy Mission Targets 

http://lucy.swri.edu/mission/Targets.html

[10] Englander et al. (2019). Trajectory Design of the Lucy Mission to Explore the Diversity of the Jupiter Trojans. 70th International Astronautical Congress.

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190032357/downloads/20190032357.pdf

[11] NASA's Scientific Visualization Studio | Lucy mission trajectory 

https://svs.gsfc.nasa.gov/4719

https://twitter.com/tony873004/status/1448801961260707840

[12] SWRI | The Lucy Spacecraft and Payload

http://lucy.swri.edu/mission/Spacecraft.html

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/first-scientific-instrument-installed-on-lucy-spacecraft

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/first-mission-to-the-trojan-asteroids-integrates-its-second-scientific-instrument

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/first-mission-to-trojans-installs-final-instrument

[13] http://lucy.swri.edu/LucyPlaque.html




关于作者

灰原哀博士(haibaraemily),从事行星科学研究,本公众号“行星事务所”(haibaraemily_planets)主页君。更多精彩,欢迎关注公众号~

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