圖解深空探測史

文/ 葉楠

小行星探測

小行星是太陽系內(nèi)廣泛分布的一類天體，迄今為止確認(rèn)的數(shù)量約80萬顆。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的小行星中絕大多數(shù)都分布在火星與木星之間的小行星帶內(nèi)，它們同其他大行星類似，都在黃道面附近運(yùn)行。小行星帶是我們探測太陽系外側(cè)天體的必經(jīng)區(qū)域，但也不必過分擔(dān)心，太陽系空間十分廣袤，即使最密集的小行星帶內(nèi)，小行星之間的平均距離也達(dá)到數(shù)百萬公里。此外，在地球附近也有近地小行星存在，它們才是對(duì)我們威脅最大的天體，對(duì)它們的監(jiān)測刻不容緩。

伽利略號(hào)兩次穿越小行星帶

美國的伽利略號(hào)木星探測器采用日心軌道，一次飛掠金星、兩次飛掠地球、兩次穿越小行星帶，最終飛向木星，整個(gè)旅程用了6年時(shí)間。在它兩次飛越小行星帶時(shí)，分別與兩顆小行星相會(huì)。1991年10月29日，“伽利略號(hào)”與951號(hào)小行星加斯普拉相遇，最近距離1600公里，這是人類深空探測史上接近的第一顆小行星。兩年后，當(dāng)“伽利略號(hào)”再次穿越小行星帶時(shí)接近了243號(hào)小行星艾達(dá)，艾達(dá)平均直徑約31.4公里、公轉(zhuǎn)周期4.84年、自轉(zhuǎn)周期4.63小時(shí)。令人不可思議的是，“伽利略號(hào)”還發(fā)現(xiàn)了艾達(dá)的衛(wèi)星，這是一顆直徑只有1.4公里的小天體。圖為“伽利略號(hào)”拍攝的艾達(dá)及其衛(wèi)星。

尼爾-舒梅克號(hào)登陸愛神星

美國的尼爾-舒梅克號(hào)小行星探測器名稱中的尼爾（NEAR）是近地小行星交會(huì)的縮寫，舒梅克則是為了紀(jì)念天文學(xué)家尤金·舒梅克?！澳釥?舒梅克號(hào)”于1996年2月17日發(fā)射升空，1997年6月27日，以1200公里的距離飛掠253號(hào)小行星瑪?shù)贍柕虏⑴臄z了照片（左圖）。2000年2月14日，“尼爾-舒梅克號(hào)”進(jìn)入愛神星軌道，為愛神星拍攝了照片（右圖）。2001年2月12日，“尼爾-舒梅克號(hào)”緩慢降落到愛神星南部，成為人類歷史上第一個(gè)在小行星上軟著陸的探測器。

卡西尼號(hào)遠(yuǎn)眺馬蘇爾斯基

2685號(hào)小行星馬蘇爾斯基位于小行星帶，軌道半長軸為3.85億公里、軌道周期為4.1年，1981年由天文學(xué)家愛德華·鮑威爾首先發(fā)現(xiàn)，并以行星地質(zhì)學(xué)家哈羅德·馬蘇爾斯基命名。馬蘇爾斯基對(duì)行星和月球表面研究有很大貢獻(xiàn)，尤其是在登陸地點(diǎn)的選取方面。2000年1月23日，“卡西尼號(hào)”在前往木星和土星途中飛越馬蘇爾斯基小行星，但由于距離有4倍月地距離，照片中的馬蘇爾斯基只顯示為一個(gè)亮點(diǎn)（如圖）。“卡西尼號(hào)”的觀測使人們對(duì)馬蘇爾斯基的物質(zhì)組成產(chǎn)生了興趣，后經(jīng)過光譜證實(shí)它是一顆司法星族石質(zhì)S型小行星。

星塵號(hào)探望安妮·弗蘭克

安妮·弗蘭克（1929―1945）（左圖），德國猶太人，《安妮日記》的作者，被害時(shí)年僅15歲，1942年開始書寫親歷二戰(zhàn)的經(jīng)歷。同一年，德國天文學(xué)家卡爾·萊茵穆特發(fā)現(xiàn)5535號(hào)小行星。1995年，這顆小行星正式命名為安妮·弗蘭克星。2002年11月2日，星塵號(hào)探測器在前往懷爾德2號(hào)彗星途中造訪了5535號(hào)小行星安妮·弗蘭克?！靶菈m號(hào)”從3079公里處飛掠，拍攝了它的照片（右圖），通過照片測定它的大小為6.6公里×5.0公里×3.4公里。

隼鳥號(hào)采樣返回

日本的隼鳥號(hào)是世界上首個(gè)從小行星上采樣并返回地球的探測器。2003年5月9日，“隼鳥號(hào)”發(fā)射升空，它的目標(biāo)是25143號(hào)小行星，去采集它的樣本并將采集到的樣本送回地球。25143號(hào)小行星是一顆穿越火星軌道的阿波羅型小行星，大小只有535米×294米×209米。阿波羅型小行星軌道會(huì)穿越地球軌道，其中有些非常接近地球，是有可能對(duì)我們造成巨大威脅的一類天體。25143號(hào)小行星發(fā)現(xiàn)于1998年，“隼鳥號(hào)”升空后被命名為糸川，以紀(jì)念日本火箭科學(xué)之父糸川英夫。左圖是“隼鳥號(hào)”于2005年拍攝的糸川小行星。

2007年4月“隼鳥號(hào)”開始返航，2010年6月13日重返大氣層，“隼鳥號(hào)”在大氣層中燒為灰燼，樣品艙著陸在澳大利亞（右圖）。在樣品艙內(nèi)發(fā)現(xiàn)了約1500顆小行星微粒，這是人類首次從月球以外天體取回樣品。

新視野號(hào)與小行星不期而遇

132524號(hào)小行星是一顆主帶小行星，近日點(diǎn)2.83億公里、遠(yuǎn)日點(diǎn)4.97億公里、軌道周期4.2年，2002年5月9日林肯近地天體研究中心的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它?！靶乱曇疤?hào)”發(fā)射于2006年1月19日，它的主要探測目標(biāo)是遙遠(yuǎn)的冥王星，同年6月13日，“新視野號(hào)”與132524號(hào)小行星不期而遇，彼此最近距離只有大約10.2萬公里，約為月地距離的四分之一。但遺憾的是“新視野號(hào)”上的大部分科學(xué)儀器都處于休眠狀態(tài)，只有75毫米焦距的拉爾夫望遠(yuǎn)鏡拍到了小行星的影像。圖中的兩個(gè)點(diǎn)分別是距離336萬公里（下）和134萬公里（上）時(shí)拍攝的圖像。正因?yàn)榇舜物w掠，132524號(hào)小行星被命名為APL，APL是約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的簡稱，也是“新視野號(hào)”的設(shè)計(jì)制造者。

羅塞塔號(hào)的小行星帶之旅

“羅塞塔號(hào)”在飛向67P彗星的途中遇到了2顆主帶小行星。2008年9月5日，“羅塞塔號(hào)”以每秒8.6公里的速度飛掠2867號(hào)小行星斯坦斯，最近距離不到800公里，飛掠時(shí)“羅塞塔號(hào)”正好拍攝到小行星被太陽照亮的一面（左圖），照片中發(fā)現(xiàn)的撞擊坑后來以各種寶石的名字來命名。2010年7月10日，“羅塞塔號(hào)”飛掠了21號(hào)小行星司琴星，其名稱來自于我國清代天文學(xué)家李善蘭，司琴星是一顆直徑超過100公里的主帶小行星，有著不同尋常的光譜特征，此次飛掠得到了它的清晰圖像（右圖），為后續(xù)研究提供了非常重要的資料。

黎明號(hào)繞飛灶神星

美國的黎明號(hào)探測器（左圖）于2007年9月27日發(fā)射升空，目標(biāo)是小行星帶最大的兩個(gè)天體——4號(hào)小行星灶神星和已經(jīng)升級(jí)為矮行星的谷神星?！袄杳魈?hào)”采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)，借助火星的引力加速前往小行星帶。2011年7月16日，“黎明號(hào)”進(jìn)入灶神星環(huán)繞軌道，成為首個(gè)環(huán)繞小行星運(yùn)行的探測器。2015年3月6日，“黎明號(hào)”進(jìn)入谷神星軌道，成為第一個(gè)近距離研究矮行星的探測器。之后的3年8個(gè)月里，“黎明號(hào)”降低軌道高度（距表面最近時(shí)僅34公里）對(duì)谷神星進(jìn)行詳查，獲得了豐碩成果。2018年11月3日，因?yàn)槿剂虾谋M，“黎明號(hào)”的探測任務(wù)結(jié)束。右圖是“黎明號(hào)”2011年7月9日拍攝的灶神星的立體圖像。

嫦娥二號(hào)飛掠4179號(hào)小行星

嫦娥二號(hào)是我國第二個(gè)月球探測器，在完成探月任務(wù)后于2011年6月9日開啟擴(kuò)展任務(wù)，離開月球前往距離地球150萬公里遠(yuǎn)的日地拉格朗日L2點(diǎn)，開始對(duì)太陽實(shí)施探測。2012年4月15日，“嫦娥二號(hào)”離開L2點(diǎn)前往有撞擊地球可能的4179號(hào)小行星進(jìn)行探測，4179號(hào)小行星近日點(diǎn)1.39億公里、遠(yuǎn)日點(diǎn)6.12億公里、公轉(zhuǎn)周期約為4年，據(jù)推算它距離地球最近可達(dá)89.76萬公里。2012年12月13日，“嫦娥二號(hào)”在距離地球約700萬公里處掠過4179號(hào)小行星，相對(duì)速度達(dá)每秒10.73公里，最近距離3.2公里，這是中國第一次對(duì)小行星進(jìn)行探測，也是繼美、歐、日之后第四個(gè)對(duì)小行星進(jìn)行探測的國家。圖為“嫦娥二號(hào)”飛掠時(shí)拍攝的4179號(hào)小行星照片。

隼鳥2號(hào)造訪龍宮

日本的隼鳥2號(hào)小行星探測器（左圖）是“隼鳥號(hào)”的后續(xù)任務(wù)，于2014年12月3日發(fā)射升空，目標(biāo)是162173號(hào)小行星龍宮。龍宮是一顆阿波羅型近地小行星，直徑約1公里，近日點(diǎn)1.44億公里、遠(yuǎn)日點(diǎn)2.13億公里、公轉(zhuǎn)周期1.3年。2018年10月3日，“隼鳥2號(hào)”接近龍宮并釋放了一個(gè)登陸器，登陸器內(nèi)部有兩臺(tái)重約1千克的小漫游車，名字分別為HIBOU和OWL。2019年2月22日，“隼鳥2號(hào)”成功登陸龍宮，4月5日，“隼鳥2號(hào)”向龍宮投射了重量為2.5千克的金屬撞擊器，成功撞擊小行星，地下巖石噴涌而出，右圖為撞擊時(shí)HIBOU拍攝的照片。2019年7月11日，“隼鳥2號(hào)”再次登陸龍宮采集地表下的巖石標(biāo)本，2020年將攜帶樣品返回地球。

冥王號(hào)近探貝努

2016年9月8日發(fā)射升空的冥王號(hào)探測器（左圖）是美國宇航局正在進(jìn)行的一項(xiàng)小行星探測及采樣返回任務(wù)，目標(biāo)是101955號(hào)小行星貝努。貝努直徑約500米、近日點(diǎn)1.35億公里、遠(yuǎn)日點(diǎn)2.04億公里、軌道周期1.2年，是一顆有一定幾率對(duì)地球造成危險(xiǎn)的小行星。貝努的命名來自于一位三年級(jí)小學(xué)生，得益于“冥王號(hào)”的形狀類似于埃及神話中的不死鳥——貝努鳥。2018年12月3日，“冥王號(hào)”抵達(dá)貝努，傳回了貝努的清晰照片（右圖）。12月31日，“冥王號(hào)”進(jìn)入貝努環(huán)繞軌道，高度僅有1.75公里，開始大規(guī)模的遙感測繪以選擇樣本地點(diǎn)。預(yù)計(jì)2023年“冥王號(hào)”將攜帶樣品返回地球。