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天上的特洛伊战争

admin 2021年10月29日 科技 17 0

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露西号在太阳系的运行轨道。(NASA网站/图)

1974年11月24日,古生物学家唐纳德・约翰森(Donald Johanson)和汤姆・盖伊(Tom Gray)在东非埃塞俄比亚的哈达尔发现了一具生活在约320万年前的阿法南方古猿的化石骨架标本。这具标本具有约40%的骨架,古生物学家借此可以还原该物种的身体形态,因此具有重大的科学意义。

这件标本的正式编号为AL288-1,而它更著名的名字是“露西”(Lucy)。科考队在一个晚上庆祝发现了这件标本,当晚的磁带录音机上反复播放着披头士的音乐《露西在缀满钻石的天空上》(Lucy in the Sky with Diamonds),所以科考队的成员帕梅拉・阿德尔曼(Pamela Alderman)就索性把这件化石命名为“露西”。

在很长的一段时间里,露西被认为是人类最早的祖先,因此这个普通的女孩名字在很多场合下被赋予了有关起源的意义。美国东部时间2021年10月16日5时34分(北京时间17时34分),美国国家航空航天局(NASA)的露西号(Lucy)小行星探测器在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场发射升空。天文学家希望,这个以人类非洲祖先命名的小行星探测器能够去探索行星起源和太阳系形成的秘密。

露西号探测器工作的艺术想象图。(NASA网站/图)

太阳系的“时间胶囊”

小行星是太阳系内绕太阳公转的小型天体。在太阳系内,有两个小行星聚集的区域:一个是在火星和木星之间,这里的小行星被称作主带小行星;另一个则位于木星和太阳系统的第四拉格朗日点(L4)与第五拉格朗日点(L5)附近,这些在太阳系外层环绕太阳运行的小行星以希腊神话中的特洛伊战争命名,被称作“特洛伊小行星”(Trojan Asteroids)。

露西号将要探访的目标小行星。(NASA网站/图)

小行星是天文学家研究的热门对象。2007年,NASA发射了研究主带小行星中更大的两颗天体的黎明号(Dawn)探测器,它的研究目标是小行星灶神星(Vesta)和内太阳系中唯一一颗矮行星谷神星(Ceres)。日本和美国也都先后发射了小行星取样返回探测器。这一次,露西号开创了小行星探索的新时代,它将是首个造访特洛伊小行星的探测器。

在天体力学中,一个小天体受到两个大天体的共同作用,会在5个位置上基本保持静止,前3个位置由瑞士数学家欧拉(Leonhard Paul Euler)算出,后3个位置由法国数学家拉格朗日(Joseph Lagrange)算出,这5个点被称作拉格朗日点,分别记作L1、L2、L3、L4和L5。其中,只有L4和L5是稳定的。

特洛伊小行星分成两组,都位于木星的轨道上,分布在木星运行的“前方”和“后方”。通常情况下,像木星这样巨大的气态巨行星,能够清除轨道上的小行星。但是,在太阳和木星组成的系统中,两组特洛伊小行星同太阳和木星间的距离相同,也就是位于这个系统的L4和L5附近,这样它们就在太阳和木星引力的共同影响下,受力达到了一种平衡状态,因此可以稳定地存在于这个系统的L4和L5点附近长达数十亿年。

行星形成和演化模型表明,特洛伊小行星很有可能是形成太阳系外层行星的剩余材料,因此成为太阳系自四十多亿年前诞生以来的“时间胶囊”。这些独一无二的、此前从未被探索过的原始天体作为早期太阳系遗迹的样本,含有解密太阳系历史的关键线索,甚至能够帮助我们获得关于地球上的有机物乃至生命起源的信息。

根据计划,露西号在12年的任务期内将会飞掠8个目标,包括1颗主带小行星、6颗特洛伊小行星以及1颗小行星的卫星,并对这些目标进行遥感观测,以了解这些小天体的地表地质学、地表色彩和组成及内部性质。它不仅会先后到达特洛伊小行星的两个区域,同时也会首次近距离探测这个小行星群里全部三种主要类型的小行星(分别称作C型、P型和D型)。暗红色的P型和D型特洛伊小行星代表了发现于海王星轨道之外的柯伊伯带内的小行星,而C型是主要发现于主带小行星外侧的类型。天文学家猜测,在尘埃构成的保温层之下,这些小行星可能富含水和其他挥发性成分。

别具一格的命名

1906年2月22日,德国天文学家马克斯・沃尔夫(Max Wolf)发现了首颗位于太阳-木星系统L4点上的小行星(编号588)。8个月之后,沃尔夫的学生奥古斯特・卡普夫(August Kopff)在L5点附近也发现了一颗小行星(编号617)。几个月后,卡普夫在L4点附近又发现了一颗小行星(编号624)。

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当时,除了轨道异常的小行星外,大部分小行星都以希腊或者罗马神话中的女性形象来命名。在当时的天文学家看来,沃尔夫和卡普夫发现的这3颗小行星的轨道显然很奇怪,因此奥地利天文学家约翰・帕里萨(Johann Palisa)建议以荷马史诗《伊利亚特》(Iliad)中参加了特洛伊战争的3个人物阿喀琉斯(Achilles)、帕特洛克罗斯(Patroclus)和赫克托(Hektor)来命名先后发现的3颗小行星。

此后,天文学家陆续在L4和L5附近发现了其他小行星。他们接着以特洛伊战争中的英雄来命名这些小行星,因此开始称这些小行星为特洛伊小行星。同时,命名逐渐形成惯例,即以希腊人物命名L4点的小行星,以特洛伊人物命名L5点的小行星,这样这两组小行星也分别被称作“希腊军营”(Greek camp)和“特洛伊军营”(Trojan camp)。不过,由于帕里萨最初为特洛伊小行星命名时并没有先见之明,因此,位于希腊军营中的赫克托实际上是一名“特洛伊间谍”,而位于特洛伊军营中的帕特洛克罗斯则成了一名“希腊间谍”。

截至2021年6月,天文学家一共发现了超过1万颗特洛伊小行星,其中包括6303颗希腊军营小行星以及3708颗特洛伊军营小行星。但是,这与特洛伊小行星的实际数量相比也许只是九牛一毛而已。根据天文学家的估计,在特洛伊小行星的两个区域内,加起来可能有超过100万颗直径在1千米以上的小行星。

12年的探索之旅

露西号是之一个在一项任务中探索如此之多目标的探测器,因此它的轨道非常复杂。在发射升空后,露西号会先两次近距离飞掠地球,分别是在2022年10月15日和2024年12月12日,以获得引力助推,然后开始飞向特洛伊小行星的旅程。

在特洛伊小行星的两个分布区域中,露西号会在2027年至2028年间先飞掠位于木星“前方”的那一组小行星,即位于L4点附近的目标。而在飞往L4点的过程中,露西号会在2025年4月20日飞掠一颗主带小行星,这颗编号为52246的小行星被露西号团队命名为“唐纳德・约翰森”,正是为了纪念露西化石的发现者之一。

在L4点附近的区域,露西号会飞掠4颗小行星和一颗小行星的卫星,日程安排是在2027年8月12日飞掠编号3548的小行星欧律巴忒斯(Eurybates)和它的卫星克塔(Queta),在2027年9月15日飞掠编号15094的小行星珀勒末(Polymele),在2028年4月18日飞掠编号11351的小行星琉科斯(Leucus)以及在2028年11月11日飞掠编号21900的小行星奥瑞斯(Orus)。

此后,露西号会于2030年12月25日再次途经地球并获得引力助推。在它这次飞离地球的时候,木星和特洛伊小行星也在沿轨道运行,所以露西可以飞向在木星“后方”的L5点附近的区域。2033年3月3日,露西号将飞掠双星系统帕特洛克罗斯(Patroclus)和墨诺提俄斯(Menoetius)。在希腊神话中,墨诺提俄斯是帕特洛克罗斯的父亲。完成这次飞掠后,露西号就完成了任务的最终使命。但是,由于露西号位于一个稳定的轨道上,因此在接下来的很长时间里,它都会以6年为一个周期在L4和L5之间来回穿行。

探索小行星的利器

2015年9月30日,NASA选择露西号作为任务概念,拨款进行进一步研究。2017年1月4日,NASA确定露西号为第13项发现级(Discovery)项目。发现级是NASA资助的探索太阳系奥秘的中型研究项目,项目预算一般在5亿美元左右,不过露西号到发射前实际投入已经接近10亿美元。此前著名的发现级项目包括开普勒太空望远镜(Kepler Space Telescope)和洞察号火星探测器(In Sight)等。2021年6月2日,NASA最新批准了第14、15两项发现级计划,均为飞往金星的探测器,分别是真理号(VERITAS)和达芬奇+(DAVINCI+)。

露西号宽度为15.8米,但是这一宽度在很大程度上是被两个直径分别为7.3米的太阳能电池板所占据。因为露西号将在远离太阳的木星轨道上工作,因此必须配备巨大的太阳能电池板才能获得足够的能量,它也将成为距离太阳最远的使用太阳能的探测器。在发射升空大约一个半小时后,露西号已经成功打开太阳能电池板并开始给探测器的电池充电。

露西号携带的3件主要的科学载荷都位于小得多的探测器平台上,分别是:拉尔夫(Ralph)、远距离侦查成像仪(LORRI)和热辐射光谱仪(TES)。拉尔夫其实是由两台仪器组成的:一是可见光成像仪(MVIC),二是红外成像光谱仪(LEISA)。前者可以获得特洛伊小行星的彩色图像,帮助科学家了解它们的活跃程度;而后者可以寻找作为可能存在于特洛伊小行星表面的不同的硅酸盐、冰和有机物的特征的吸收谱线。

远距离侦查成像仪是高空间分辨率可视成像仪,这个仪器将会提供特洛伊小行星表面充满细节的图像。热辐射光谱仪与NASA在欧西里斯号(OSIRIS-REx)小行星取样探测器和火星全球勘探器(Mars Global Surveyor)上搭载的仪器类似,这个红外光谱仪将使露西号团队了解更多关于特洛伊小行星的性质,包括它们的热惯性,也就是这些天体能够多好地保存自身的热量。这些能够告诉我们关于小行星表面上的物质组成和结构的信息。

此外,露西号的高增益天线还将利用无线电信号的多普勒频移来确定这些小天体的质量。同时,它还能利用它的终端跟踪摄像头(T2CAM)来拍摄这些小行星的宽视场图像,从而更好地约束小行星的形状。

等待是值得的

特洛伊小行星是太阳系的时间胶囊,而露西号则会成为未来人类眼中的时间胶囊。

露西号团队认为,我们的后代在遥远的某一天也许会发现露西号在太阳系的行星间飞行,因此他们在露西号上安装了一个铭牌,上面记录着露西号的发射时间、发射时太阳系各行星的相对位置,同时还有爱因斯坦(Albert Einstein)、马丁・路德・金(Martin Luther King)和卡尔・萨根(Carl Sagan)等人说过的话,他们都思考过人类生存的状态以及我们在宇宙中的位置。

作为之一颗飞向特洛伊小行星的探测器,露西号承载了天文学家揭开太阳系起源秘密的重托。露西号首席科学家哈尔・利维森(Hal Levison)在NASA官网上表示:“我们从2014年就有了露西号的任务概念,所以这次发射筹划已久。露西号还需要几年时间才能到达之一颗特洛伊小行星,但是因为这些小天体具有巨大的科学价值,这些等待和努力都是值得的。它们就像是天空中的钻石。”

伴随着更多小行星探测器的发射以及小行星取样返回的实现(除了日本和美国的探测器外,中国也计划在2025年前后实施近地小行星取样返回),天文学家有望对这些太阳系中的小天体有更加深入的了解,从而打开一个认识太阳系的新世界。

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