“黎明”再探小行星

1、黎明”再探小行星不久前美國航宇局的“深入撞擊”號順利升空，大家是 不是也像我一樣正期待著它在 7 月 4 日給我們帶來精彩的 “空中大碰撞”呢？以一顆人造銅頭飛彈挑戰(zhàn)氣勢洶洶的大 彗星，航宇局科學(xué)家們那近乎瘋狂的想象力令人傾倒，不過 他們可并沒有因此而止步不前，現(xiàn)在，他們又打起了小行星 的主意。代號為“黎明” （DAWN ）的小行星探測器的研制 工作早已提上了航宇局的議事日程，它計劃于 2006 年 6 月 17 日發(fā)射，并于 2010 年抵達灶神星，在完成對灶神星為期 一年的考察后，又將于 2014 年造訪谷神星。 “黎明”號攜帶 的科學(xué)儀器將詳細研究這兩顆小行星的質(zhì)量、大小、旋轉(zhuǎn)速 度以及

2、化學(xué)組成，為人類揭示太陽系形成之初的景象?！袄杳鳌毕肟词裁矗咳藗兒茉缇妥⒁獾?， 小行星帶以外的行星 （木星、 土星、 天王星和海王星，冥王星除外）體積和質(zhì)量都較大，而且都 沒有固態(tài)表面， 而小行星帶以內(nèi)的行星 （水星、 金星、 地球、 火星）體積和質(zhì)量都較小，并且都是固體星球，小行星帶成 了一條天然的“分水嶺” 。天文學(xué)家猜測，這些行星的大小 和形成時周圍環(huán)境中水份的多少，在它們的形成和演化過程 中扮演了某種角色，并最終導(dǎo)致了內(nèi)行星和外行星的差別。 “黎明”號將會幫助天文學(xué)家弄清楚這個角色?！袄杳鳌碧栍腥齻€主要科學(xué)目標(biāo)： 1、探明太陽系早期 的天體形成環(huán)境； 2、確定構(gòu)成類地行星的原始星體的物

3、理 和化學(xué)性質(zhì)，促進我們對類地行星形成過程的了解；3、通過比較兩顆演化軌跡大不相同的小行星（即灶神星和谷神 星）的形成和演化過程，確定主導(dǎo)行星演化的因素。 “黎明” 號航天器將要造訪的灶神星（平均直徑約為 520 千米）是最 亮的小行星， 谷神星（直徑約 960 千米）則是最大的小行星。 它們都位于主帶上，灶神星反射太陽光的能力比谷神星強得 多，所以雖然體積較小但亮度卻更高。谷神星保持著非常原 始的狀態(tài)而且富含水份，灶神星則演化程度更高而且相當(dāng)干 燥（和內(nèi)行星的特征相似） ，它們正是實現(xiàn)上述三個科學(xué)目 標(biāo)的極佳候選體。在長達 8 年的星際旅行中， “黎明”號所 攜帶的先進儀器將帶我們領(lǐng)略前所未

4、見的太陽系奇觀，包括 古老的河床、隕石坑等等，展現(xiàn)出幾十億年前的太陽系原始 風(fēng)貌。后勁實足的離子發(fā)動機細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，前往火星尋水的“機遇”號、 “勇氣”號以及“火星快車”等不到一年就抵達了火星，而 赫赫有名的“旅行者” 1 號奔赴木星也只花了不到兩年的時 間，為什么“黎明”號飛抵灶神星卻得將近四年，而且從灶 神星趕往谷神星也要差不多四年？奧秘就在于“黎明”號的 發(fā)動機。這是一種被稱為“離子推進器”的新型高效節(jié)能發(fā) 動機，科學(xué)家們已經(jīng)為之奮斗了 50 多年。它采用的燃料不 是“機遇”號等飛行器常用的化學(xué)燃料，而是一種比空氣重 四倍多的惰性氣體一一氙。當(dāng)“黎明”號被地面運載火箭送 出地球后

5、，離子發(fā)動機開始啟動。發(fā)動機利用太陽能從陰極 射線管中發(fā)射出電子，電子經(jīng)過環(huán)形磁場加速后，在磁場腔 中和氙原子發(fā)生碰撞。一個高速電子能把 54 個電子從單個 氙原子中轟擊出來，將氙原子電離成帶正電的離子。在磁腔 的尾部，有一對分別帶正電荷和負電荷的金屬網(wǎng)，正電荷和 氙離子產(chǎn)生的強大電磁推力把氙離子高速（約100000 千米/小時）噴射出去，并因此產(chǎn)生反沖力推動飛行器向前運動。 它的推力比化學(xué)燃料發(fā)動機要小得多，全速運行時，離子發(fā) 動機每消耗 2500 瓦電能只能產(chǎn)生 1/110 千克力的推力， 但是 它可以長時間運轉(zhuǎn)幾個月甚至幾年，結(jié)果，飛行器最終獲得 的速度可達化學(xué)燃料發(fā)動機所能達到的 10

6、 倍。航宇局的科 學(xué)家戲稱它為“有耐心的發(fā)動機” 。由于推力很小，它只適 合于航天器在摩擦力很小的星際空間中運行時使用，而不能作為運載火箭的動力裝置除了高效以外，離子發(fā)動機還有一個非常顯著的優(yōu)勢就 是節(jié)能。我們可以通過以下這個有點夸張的例子來對這兩種 發(fā)動機的區(qū)別有個直觀的了解。如果使用化學(xué)燃料發(fā)動機把 “黎明”號加速到 1000米/秒，或許只需要 20 分鐘，但是卻 要消耗約 300 千克燃料。而用離子發(fā)動機加速到同樣的速度 卻只需要 25 千克氙（不過得花費大概 100 天），不僅大大節(jié) 省了燃料并且還有效減輕了飛行器的重量，大大降低了火箭 發(fā)射的成本。不久前升空的“深入撞擊”號使用的也是

7、離子 發(fā)動機，它的發(fā)射實際上是對這種新型發(fā)動機的一次檢驗， 事實證明它完全通過了檢驗。在整個飛行任務(wù)中， “黎明” 號將攜帶足夠多的燃料并最終加速到 10000 米/秒以上的速 度，大大超過以往任何發(fā)動機系統(tǒng)所能達到的極限速度，雖 然加速時間可能要超過 6 年，不過考慮到低廉的成本，科學(xué) 家們認(rèn)為 6 年的等待是值得的?！袄杳鳌碧柌⒉皇切⌒行羌易逯械牡谝晃蝗祟愒L客。早 在 1991 年 10 月 29 日，“伽利略”號在飛往木星的途中就曾 向小行星 Gaspra 投過遠遠的一瞥 （當(dāng)時它們相距只有 16000 千米）；2001年 2月 12日（小行星發(fā)現(xiàn) 200周年），美國航 宇局的“尼爾蘇梅

8、克” 號飛船更完成了登陸愛神星的壯舉。 不過前者僅僅是走馬觀花，難免失之倉促，而后者拜訪的愛神星體積太?。ㄩL僅約 32 千米），未免讓人有些意猶未盡。 “黎明” 號的走訪對象則更具代表性， 觀測結(jié)果更令人期待。 而且借助于離子發(fā)動機提供的高效持久的動力， “黎明”號 將首次實現(xiàn)“一次飛行繞行兩個天體”的夢想，這個優(yōu)勢更 是讓它的前輩們望塵莫及。谷神星上是不是有由水冰組成的 極冠，甚至還有大氣？灶神星的表面巖層也比火星巖石磁化 得更厲害嗎？相信這一系列謎底都將在未來10 年內(nèi)揭開。相關(guān)鏈接小行星 在走近“黎明”號之前，讓我們先來認(rèn)識一下小行星。在火星和木星軌道之間（ 2.8 天文單位附近）聚集著

9、數(shù)以萬 計圍繞太陽旋轉(zhuǎn)著的小巖石體，它們中最大的直徑也不到月 球的十分之三，天文學(xué)家稱它們?yōu)椤靶⌒行恰?。這些小行星 散布的那條軌道帶稱為小行星“主帶” ，絕大多數(shù)小行星都 位于主帶上。 1898 年，隨著遠離主帶的“愛神星”闖進天文 學(xué)家的視野，人們開始意識到在主帶之外也還有小行星存在 （愛神星的軌道大大偏離主帶， 它的遠日點也只有 1.78 天文 單位）。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在這些非主帶小行星中有不少離 地球的軌道相當(dāng)近 （最近距離在 0.3 天文單位以內(nèi)） ，它們就 是“近地小行星”可能給地球生命帶來滅頂之災(zāi)的潛在 兇手。截止到 2005 年 1 月，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確定出了軌道的小 行星有 504669 顆，近地小行星有 3070