互动科普

谷神星，神秘的水世界

虽然从发现至今已有200多年，谷神星的神秘面纱依然未被揭开。在黎明号项目开始的时候，我们只知道谷神星表面主要由碳酸盐矿物和其他一些无机盐组成，而液态水在这些矿物的形成过程中必不可少。2003年年底和2004年年初，哈勃望远镜用迄今为止分辨率最高的相机拍摄到了30千米/像素的谷神星高分辨率图像，得到了大量关于谷神星的知识。谷神星内部可能含有占其总质量1/4的水，使谷神星成为在内太阳系（木星以内）中除地球以外含水最多的星球。而在谷神星形成之初，这些水极有可能以液态存在，甚至在今天也有可能在某些局部的表面以下存在液态水。很多理论研究表明，谷神星的演化和水的存在密切相关。由于谷神星的质量是所有小行星总质量的1/3，它的巨大含水量也使得火星和木星之间的小行星带里1/12的质量是水。地球上的水就很有可能来源于在太阳系形成早期碰撞了地球的小行星或者彗星。而水，特别是液态水，是地球生物必不可少的生命元素。同时，与位于外太阳系的木卫二（Europa,欧罗巴）、土卫二（Enceladus）以及土卫六（Titan,泰坦）这些富含冰以及液态海洋的天体相比，谷神星距离太阳近得多，其能量来源也充足得多。因此，谷神星在寻找生命起源这一天文研究的终极目标里的地位不言而喻。2014年年初，欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜（Herschel Space Observatory）发现了谷神星上的水蒸气，证实谷神星上存在水的挥发，以及可能的相关地质活动，为谷神星上水的研究开拓了一个新的方向。

在这样的大背景下，黎明号自然被赋予了新的使命，寄以重托。黎明号本来的任务是对谷神星这颗大行星的胚胎进行详细的表面图像和光谱观测，并且测量它的元素成分、重力场分布等重要特性，从而得到其矿物成分、内部结构、形成和演化历史的线索。而谷神星中可能含有大量的水以及表面气态水的发现，使黎明号又多了一项重要的任务：测量表层（1米以内）水的丰度、分布以及和内部的水的联系，以帮助我们了解谷神星上水的历史以及现在的物理状态。这一切都会为可能的后续探索打下坚实的基础。我们期待着在谷神星被发现200多年后，黎明号慢慢为我们揭开它的神秘面纱。

图1 黎明号接近谷神星的轨道示意图

完美的巧合

这两年太阳系的小天体探索好戏连台。2014年夏天，罗塞塔号到达彗星67P，并且由共同旅行10年之久的菲莱探测器成功实现人类探测器第一次在彗星上的软着陆，吸引了全世界的目光。2015年3月，黎明号到达谷神星，开始探索这一个神秘而有活力的老朋友，还首次在行星科学探索中实现了连续环绕2个小行星的科学探索。而新视野号也开始紧锣密鼓地准备7月份对冥王星的近距离飞越探索，拉开人类对海王星之外太阳系里最后观测到的一片遥远领地的探索序幕。

虽然时间上的接近纯属巧合，这3个项目在行星科学探索上却巧妙地互为补充、融为一体，将为我们描绘一个完整的太阳系形成早期的画面。

冥王星，虽然在1930年被发现后就与其他8颗行星并称九大行星达七十多年，但是天文学家早就发现它的几乎所有特性都和它的8个大哥哥截然不同，从而一直在怀疑它的真实身份。此外，自1992年另外一颗和冥王星轨道接近的天体被发现以后的十几年间，几百颗类似的天体在海王星之外被发现，特别是大小接近甚至可能超过冥王星的阋神星（Eris）的发现，使天文学家确认了在距离太阳30天文单位的海王星之外，还有一大片遥远寒冷的未知领地，而冥王星正是它们中第一个被发现的天体。这些天体被统称为海外天体。它们的确切起源人们还不确定，然而很大的可能是，它们也形成于太阳系早期。但是遥远的太阳、极低的温度，使得它们的物理演化和轨道演化都极其缓慢。同时，在它们之间应该还混迹了很多从八大行星形成的区域被散射出去的小天体。类似的区域在别的恒星周围也已经被注意到了。所以，新视野号对冥王星以及海外天体的探索，既是对太阳系起源时形成的遥远的小天体的探索，同时也是对其他恒星周围的行星系统形成的第一次探索。

相比之下，小行星在位于距离太阳5天文单位之内的地方形成，而彗星很可能是在5～10天文单位处形成。所以，同样是太阳系的“化石”，小行星、彗星和海外天体分别形成于早期太阳系的不同区域。正如我们使用不同的材料在环境不同的地方建造不同结构的高楼一样，这3类天体都是太阳系形成时期遗留下来的不同的建筑材料。这些在大行星上因为强烈的地质演化差不多被完全抹去的太阳系形成过程的线索，都被基本完整地保留在这些太阳系的“化石”中。罗塞塔号、黎明号以及新视野号，则是人类派出的3艘去往不同目的地的探险考察船。正如它们的名字一样，我们希望它们给我们带来新的视野，如罗塞塔石碑一样向我们展示出太阳系黎明时期的辉煌。

黎明号的归宿

谷神星将会是黎明号最后的归宿。由于没有了足够的反冲轮，黎明号需要使用燃料来保持它的飞行姿态，以及将太阳能帆板对准太阳采集能量，将天线对准地球和地面通信。因此，当燃料耗尽的时候，黎明号将无法控制自己的姿态，从而使所有系统失去电力供应，离子发动机也会失去动力。目前的预计是，所有燃料将会在2016年年底前用尽。

另一方面，国际上的行星保护协议规定，不允许任何人造飞行器在50年以内以任何形式接触含有水的地外天体，以免受到飞行器上可能附着的地球生命体的污染。由于谷神星上可能有大量的水，黎明号不能降落到或者碰撞到谷神星表面。因此，在黎明号项目结束以后，探测器将变成谷神星的人造卫星，陪伴谷神星等待着下一个人类飞行器的到达。

黎明号的灶神星之旅

黎明号对灶神星的数据收集，从2011年5月初距离灶神星120万千米的时候开始。经过3个月的缓慢接近，8月中旬黎明号到达轨道高度为3000千米的勘察轨道，主要对灶神星的全球光谱特性进行了2个多星期的全面观测。随后，探测器降低轨道高度，9月底到达高度为660千米的高制图轨道，由科学相机对灶神星进行全球多波段拍照，直到10月底。之后黎明号用1个半月的时间再次降低轨道高度至190千米，11月中旬到2012年4月底在低制图轨道收集γ射线和中子谱数据，以及相机和光谱数据。在低轨道完成考察任务以后，黎明号探测器开始抬升轨道高度，于6月下旬回到了高制图轨道的高度，进行了在高制图轨道的第2次观测。灶神星大约30°的自转轴倾角使得灶神星上也有类似于地球上的四季。在黎明号回到高制图轨道的时候，灶神星南半球已经从夏至进入了秋分，太阳也开始照亮北极区域。黎明号在这个轨道高度继续观测了近1个月，收集到了很多早些时候处于极夜的北极区域的照片和光谱数据。之后，黎明号于9月份离开灶神星，奔向下一个目标谷神星。

（本文发表于《科学世界》2015年第4期）