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曙光”：太阳系侦探
Shea 发表于 2011-12-12
Govert Schilling　文　Shea　编译
美国宇航局的曙光小行星探测器在2011年7月抵达了小行星灶神星。关于太阳系行星的形成它会告诉我们些什么呢？
曙光小行星探测器是美国宇航局与众不同的一个探测器。它的名字并非源于一系列单词的缩写，相反来自科学家的希望――“曙光”能为太阳系的形成提供关键线索。它会对灶神星进行为期1年的勘测，研究它的成分，确定它的结构。“曙光”还会告诉我们太阳系极早期会是什么样子而我们又来自何方。

[图片说明]：将会探测灶神星和谷神星的曙光小行星探测器。版权：NASA/JPL。
灶神星并不是被无人探测器造访的第一颗小行星。2010年7月，罗塞塔探测器飞掠了司琴星。司琴星是目前被访问过的相对较大的小行星，直径大约100千米。其他的则都是较小且死寂的岩石、沙砾团块，而且飞掠都是极为短暂的惊鸿一瞥。灶神星则完全不同，它经历了行星形成过程。在某种意义上，灶神星是最小的类地行星。
“曙光”也很特殊。它重1,250千克，太阳能电池板翼展近20米。和使用传统化学火箭来进行轨道机动不同，“曙光”使用太阳电力推进系统。阳光被转换成电力，然后电被用来电离氙原子并在电场中加速它们。结果是，氙离子会以约10,000千米/小时的速度被喷射出去，进而在相反的方向上推动“曙光”。使用离子驱动的探测器具有很强的机动性，但缺点是速度非常慢――在2007年9月27日发射之后“曙光”用了差不多4年才抵达灶神星。
那么为什么要探测小行星呢？回答很直接：它们是内太阳系形成时的残存物。相对更靠近太阳，这些从原行星盘中凝聚出来的铁、岩团块会很容易地被水星、金星、地球和火星这些较大的天体吸积。但是再往外，新生的巨行星木星则会搅动这个盘。小行星会进入无规则的轨道，相互间发生碰撞。最终，绝大多数小行星的直径都不会长到几十千米之上。所以，研究小行星能把我们带回到太阳系起源时的岁月。
小行星中的大个子
不过，有一些小行星确实相当大。谷神星是第一颗被发现（1801年）的小行星，直径约950千米。灶神星则由德国天文学家奥伯斯于1807年3月29日发现。根据哈勃空间望远镜所获得的最佳图像，它的大小为578千米×560千米×458千米。灶神星位于小行星带的内侧，每3.63年绕太阳公转一周，平均距离超过3.5亿千米。从它的光谱判断，它的表面成分和谷神星极为不同。谷神星的表面是深色的原始碳粒，是最常见的陨石成分。但灶神星更明亮的表面则由玄武岩组成。这暗示灶神星是一个“分层化”的天体，它曾经必定处于高温熔化的状态，较重的元素下沉到了核心，而较轻的岩石则上浮到了表面。这是动态的行星过程。当岩浆在其表面流动的时候，水和气体会从内部释放出来。就此甚至还有可能会在灶神星上找到火山。
虽然“哈勃”所拍摄的灶神星图像还没有锐利到能显示出火山以及其他小尺度的结构，但它们却揭示出了灶神星两个令人兴奋的表面特征：被称为奥伯斯地区（以灶神星的发现者命名）的深色赤道区和位于其南极的一个尚未被命名的巨型陨击坑。这个陨击坑直径460千米，其底部距离灶神星表面13千米。其中还有一个18千米高的中央峰，高度几乎和陨击坑壁相当。造就它的撞击可能穿透了灶神星的地壳，暴露出了其地幔物质，为一窥其内部提供了独有的视角。它就此也成为了“曙光”的主要目标。

[图片说明]：“曙光”对灶神星进行环绕探测。版权：McREL。
产生这个陨击坑的大碰撞必定会朝各个方向抛射出灶神星的碎片。而事实上，已经发现了几千颗较小的小行星具有和灶神星完全相同的玄武岩成分。这些灶神型小行星直径都不超过1千米，在和灶神星类似的轨道上绕太阳公转。以披头士乐队主唱命名的列侬小行星就是其中的一员。灶神型小行星在小行星带中的分布方式说明，这一剧烈的碰撞发生的时间不会早于10亿年前。
更令人兴奋的是，较小的灶神型小行星已经迁移到了内太阳系并坠落到了地球上。在所有已知的陨石中有不少于5%的属于“古铜钙长无球粒－钙长辉长－奥长古铜无球粒”（HED）型。这些玄武岩陨石必定起源自一个具有火山活动的天体，而它们的成分又和灶神星的表面完全相符。对于太阳系的其他天体而言，我们希望能从那里带回样本用于进一步研究。但对于灶神星而言，大自然本身就完成了这一采样返回任务。
拼接细节
确实，把对HED陨石的实验室研究和“曙光”将对灶神星进行的细致观测进行对比会揭示出许多尚不为人知的细节。使用欧洲南方天文台的甚大望远镜，天文学家已经成功获得了灶神星不同区域的光谱，发现它们在不同的地点具有很大的变化。平均而言，灶神星的表面成分和古铜钙长无球粒陨石相似，但和奥伯斯地区差不多相对的一小片区域则具有和奥长古铜无球粒陨石更相近的组成。观测还发现，灶神星地势较低的部分通常会更红一些，说明粉状的尘埃已经对其进行侵蚀超过了10亿年。
“曙光”会极大地丰富和补充这些已经获得的诱人结果。它携带了两个完全一样的100万像素分帧照相机，它们会在紫外、可见光和近红外波段上对灶神星进行勘测。它的可见光和红外测绘分光仪会使用3块滤光片来识别不同的矿物。它的γ射线和中子探测器则会研究其深至几米的地壳的元素组成。最后，通过精确地追踪“曙光”环绕灶神星的轨道，天文学家会测量它的重力场并确定它的内部结构和物质分布。

[图片说明]：哈勃空间望远镜拍摄的灶神星的不同表面。版权：NASA/ESA/STScI/UMd。
对灶神星进行成像观测也极为重要。“曙光”将绘制出分辨率达到几十米的灶神星全图，首次精确测定它的自转和三维形状。在“曙光”抵达灶神星时，正值它南半球的夏季，因此其南极的巨大陨击坑会被太阳照亮。不过由于“曙光”会绕灶神星工作1年，在它的任务行将结束时灶神星的北极地区也会被照亮。在大多数时间里，“曙光”会处于距离灶神星表面约600千米的高轨上。之后，它会慢慢地下降到180千米高的低轨上。此时，它会调整自己的姿态，让γ射线和中子探测器能详尽地研究灶神星的表面，而照相机的使用则会受到一点限制。
深入灶神星
确定灶神星的形状对于了解它的内部结构和组成而言至关重要。通过它对小行星阿雷特和海女星的轨道摄动――它们会以只有几百万千米的距离规律地靠近灶神星，灶神星的质量已经被十分精确的测定了，约为地球的二万分之一。但是为了确定灶神星的密度就需要更为精确地知道它的形状。重力测量还会发现它表面之下可能的物质聚集区――类似于月球上的质量瘤。
除此之外，还会在灶神星上发现些什么呢？科学家们也不清楚。也许还会发现峭壁、悬崖和火山。研究灶神星的矿物还会揭示出在太阳系早期的发生了什么，告诉我们行星形成的最初步骤。事实上，“曙光”团队更倾向于把灶神星当成是一颗原行星而不是一颗普通的小行星。在太阳系早期，肯定还存在着更多类似灶神星的天体，但它们并没有在之后的碰撞中幸存下来。
“曙光”的观测也将揭示出灶神星的陨击历史及其玄武岩地壳的年龄。通过对HED陨石的矿物学研究发现，有证据表明灶神星的“分层化”相对较快，最多只用了几百万年。肇事者可能是一场惨烈的宇宙轰炸，它也许剥离了这颗刚刚成形的原行星最外层10～15千米厚的物质。这一事件发生在45亿年前，当时正值太阳系形成的极早期，比灶神星巨大的南极陨击坑形成时间早了几十亿年。

[图片说明]：太阳系小行星带的分布。版权：McREL。
有天文学家提出，这一极早期的轰击事件可能是由于木星的形成和它的早期迁移所造成的。考虑到灶神星在这场行星际浩劫中幸存下来的事实，新生的木星向内迁移的距离应该不会超过7,500万千米。否则，如果木星进入了更深的太阳系腹地，小行星带中所有较大的天体都会在剧烈的冲撞中化为碎片。于是，对灶神星的研究可以更好地估计出木星的年龄。
2012年7月在离子引擎再一次点燃之后，“曙光”会离开灶神星。但故事还没有完结，它会奔向下一个目标――小行星带中最大的天体谷神星。在科幻电影中可以看到火箭从一个目的地飞往下一个目的地，“曙光”的离子推进系统则让它成为了可能。这个侦探在未来的日子里还会继续告诉我们更多有关太阳系的秘密。
（本文已刊载于《太空探索》杂志2011年第10期）
[Sky at Night 2011年7月]