為什么要探測谷神星？

對谷神星的探測是2015年的一個重要科學事件。科學家認為，這顆富含水冰的矮行星，有可能對人們了解太陽系的形成與演化起到促進作用。

南方周末記者 黃永明

歷史上，天文學家在計算太陽系的行星分布時，曾經認為火星和木星之間還存在一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的行星。那是1772年的事情。到了1801年，意大利天文學家朱塞普·皮亞齊果然在火星和木星之間發(fā)現(xiàn)了一個天體。人們把它稱為谷神星。

在半個世紀的時間里，谷神星曾被認為是計算中那顆缺失的行星；后來，天文學家們又把它歸入小行星的行列——它成為小行星帶中眾多天體的一員。進入21世紀，谷神星又從小行星升格為矮行星。

2015年3月6日，谷神星迎來了第一架人類探測器——美國宇航局（NASA）的“黎明號”。它是一架環(huán)繞谷神星飛行的探測器，攜帶了三部科學儀器，探測這顆從太陽系形成之初遺留下來的天體。

谷神星被認為形成于45.7億年前。它從內到外可以被分為三層：最內部是一個巖石核心，最外層是殼，兩者之間則是冰和水?？茖W家估計，谷神星內部可能存在2億立方千米的水，這比地球上的淡水總量還要多。

美國《科學》雜志將“黎明號”對谷神星的探測列為2015年的一個重要科學事件。2015年7月，“新地平線號”還將到達冥王星，二者探測的都是太陽系中富含水冰的矮行星，這些探測可能對人們了解太陽系的形成與演化起到推進作用。

“黎明號”的 兩個目標

探測谷神星的行動走到今天，頗費了一些周折。最初的計劃可以追溯到1980年代初。當時有一些探測小行星的方案被提交給歐洲空間局（ESA），但歐空局并沒有批準。后來歐空局想要跟美國宇航局合作探測小行星，美國宇航局卻沒有興趣。蘇聯(lián)有過探測谷神星的計劃，但那個計劃隨著蘇聯(lián)解體而中斷。

直到1996年，美國宇航局才有項目組提出將探測小行星帶中的小行星作為一個首要任務。這個項目也幾經周折，最后形成了“黎明號”任務。該任務在2004年通過了關鍵性的設計評審，探測器于2007年發(fā)射升空。

“黎明號”的一個創(chuàng)舉，是做到了同一架探測器先后環(huán)繞兩個天體進行探測。這種事情在科幻小說中司空見慣——太空旅行者乘著飛船先到達一個星球，然后再到達下一個。然而現(xiàn)實中，在“黎明號”之前并沒有人類探測器做到這一點。此前的探測器一般只有一個目標。

“黎明號”的第一個目標，是灶神星。灶神星是小行星帶中質量僅次于谷神星的天體，其直徑有525千米。在“黎明號”抵達那里之前，灶神星只是哈勃太空望遠鏡中一個模糊的天體。

2011年5月，“黎明號”抵達灶神星附近，開始了為期一年多的探測。探測的結果之一，是確認了灶神星與地球上某些隕石之間的關聯(lián)。

從以往的照片看，灶神星的整個南極是一個巨大的隕石坑；而在地球上，科學家發(fā)現(xiàn)有三類隕石的成分很可能與灶神星的成分一致。“黎明號”的近距離探測證實了三種隕石與灶神星的關聯(lián)：這些隕石很可能是在很久以前的碰撞中被拋入太空的灶神星物質。

“黎明號”還在灶神星上發(fā)現(xiàn)了一些深色的物質，從成分來看，這些物質不可能是在灶神星上形成的。它們可能是在撞擊中由位于太陽系更遙遠位置的天體帶來的。這些結果讓科學家得以更多了解灶神星的歷史。

在這次探測中，天文學家還發(fā)現(xiàn)灶神星是沒有衛(wèi)星的。盡管這個發(fā)現(xiàn)并不令人意外，但小行星雖小，卻也有可能擁有衛(wèi)星。2015年1月，從地球附近飛過的小行星2004BL86就被發(fā)現(xiàn)帶有一顆衛(wèi)星。

2012年9月，“黎明號”離開了灶神星?！袄杳魈枴敝阅軌蜃龅竭@一點，很大程度上得益于一種新的推進技術?！袄杳魈枴比蝿盏氖紫こ處燅R克·雷曼（Marc Rayman）在他的日記中寫道，一架探測器造訪兩個天體，“是傳統(tǒng)推進技術遠遠做不到的”。

雷曼早先曾在美國宇航局的另一個項目——“深空1號”——工作過。這個彗星探測器就最早用到了離子推進器，而“黎明號”沿用了這種推進器。按照雷曼的解釋，這種推進器施加的力是非常微弱的，相當于你把一張紙放在手上——你幾乎感覺不到它對手的壓力。然而，在太空中，沒有了摩擦力，這樣微弱的力就能夠在11天的時間里把探測器的速度從0加速到時速97千米。那么，在長達數(shù)年的持續(xù)推進中，“黎明號”就能達到很高的飛行速度了。

離子推進器還在“黎明號”飛行的過程中起到了其他作用?！袄杳魈枴北旧碛袃蓚€反作用輪，它們的作用是幫助探測器調整姿態(tài)。然而，在探測器到達灶神星之前，反作用輪中的一個壞掉了。離開灶神星后不久，另一個反作用輪也壞掉了。這讓技術人員不得不動用離子推進器來為探測器調姿。

“黎明號”的副首席科學家卡羅爾·雷蒙德（Carol Raymond）最近解釋，這讓探測器消耗更多的燃料，“因為我們有一個固定天線，我們不是面向天體表面收集數(shù)據(jù)，就是轉向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，所以，我們必須盡量減少轉向的次數(shù)，以達到最高效”。

“團隊做得很好，讓探測器做到了轉向時更慢，轉向的次數(shù)也更少。如果‘黎明號是一輛普銳斯汽車，那么我們現(xiàn)在就達到了超級惜油的狀態(tài)?！崩酌傻抡f。

谷神星的秘密

“黎明號”進入谷神星軌道的時候，位于美國宇航局噴氣推進實驗室的控制室里并沒有爆發(fā)出歡呼、尖叫，也沒有工作人員互相擁抱。這與人們通常印象中的航天項目的成功場面很不一樣?？刂剖依飵缀鯖]有人，絕大部分工作人員可能正在家里睡覺。

之所以會這樣，是因為“黎明號”的飛行方式很特別。它離開灶神星之后，在離子推進器的推動之下，盤旋著遠離太陽，慢慢地接近谷神星的軌道，直到它的飛行軌道與谷神星的軌道完全重合。當二者間的距離縮小到一定程度（60600千米）的時候，谷神星就會輕柔地將“黎明號”收入自己的引力范圍。

這一切都發(fā)生得很“自然”和緩慢，完全在設計之中，并沒有一個成功與失敗的關鍵時刻?；蛘哒f，“黎明號”的飛行與前面的1885天沒有太多不同，因而項目工作人員也就沒有一個特別的歡呼時刻。

在接近谷神星的時候，“黎明號”向地球發(fā)回了一些照片。科學家們在照片上看到了相對平坦的區(qū)域，那里隕石坑較少，這樣的區(qū)域可能是相對年輕的。

他們也發(fā)現(xiàn)了無法解釋的現(xiàn)象：谷神星表面的某些位置存在明亮的白色光點。最早在2014年底，“黎明號”就拍到了光點。在一張照片中，有兩個明亮的光點位于同一個盆地中。事實上，類似的光點以前哈勃望遠鏡也曾觀察到過。

這些光點是什么？一些人猜測那是冰的火山，但“黎明號”的項目科學家們更加謹慎，因為這些光點的附近看起來并不像有山丘。他們表示，到目前為止還沒有搞清楚那些白點究竟是什么。

在2014年，歐洲空間局的赫歇爾太空望遠鏡曾觀察到谷神星上存在兩處羽狀水汽噴射，它們就像是間歇式噴泉，把水蒸氣噴到太空中去。其中一處與白色光點的位置比較接近。這些噴泉的特性正有待“黎明號”前去考察。

水蒸氣噴泉可能暗示谷神星地表之下存在海洋。在太陽系的其他位置，比如木衛(wèi)二和土衛(wèi)二上，天文學家就猜測存在地下海洋。這些天體上的水體由于行星和附近衛(wèi)星的巨大潮汐作用而保持了液態(tài)。盡管谷神星并非存在于類似環(huán)境中，但科學家猜測，或許其內部仍存在一定程度的“地熱”，能夠讓水保持液態(tài)。

另外，天文學家還猜測谷神星可能存在大氣層。在溫度最高的時候，谷神星的表面可以達到零下38攝氏度。如果表面有冰的話，它們可能升華為水蒸氣。目前這些猜測正等待“黎明號”提供更多信息。

“黎明號”將環(huán)繞谷神星執(zhí)行歷時一年半的科學探測。在那之后，當它能量耗盡，也仍將在谷神星的引力下伴隨它飛行很長很長時間。

“自1801年被發(fā)現(xiàn)以來，谷神星一度被認為是行星，然后是小行星，再后來是矮行星。現(xiàn)在，在經歷了49億千米和七年半的旅程之后，‘黎明號把它稱之為‘家?！崩茁f。