“黎明”再探小行星

1、黎明”再探小行星不久前美國(guó)航宇局的“深入撞擊”號(hào)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(lái)精彩的 “空中大碰撞”呢？以一顆人造銅頭飛彈挑戰(zhàn)氣勢(shì)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(hào)為“黎明” （DAWN ）的小行星探測(cè)器的研制 工作早已提上了航宇局的議事日程，它計(jì)劃于 2006 年 6 月 17 日發(fā)射，并于 2010 年抵達(dá)灶神星，在完成對(duì)灶神星為期 一年的考察后，又將于 2014 年造訪谷神星。 “黎明”號(hào)攜帶 的科學(xué)儀器將詳細(xì)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(yáng)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(cè)，這些行星的大小 和形成時(shí)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(hào)將會(huì)幫助天文學(xué)家弄清楚這個(gè)角色?！袄杳鳌碧?hào)有三個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)： 1、探明太陽(yáng)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(jìn)我們對(duì)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(hào)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(yáng)光的能力比谷神星強(qiáng)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(shí)現(xiàn)上述三個(gè)科學(xué)目 標(biāo)的極佳候選體。在長(zhǎng)達(dá) 8 年的星際旅行中， “黎明”號(hào)所 攜帶的先進(jìn)儀器將帶我們領(lǐng)略前所未

4、見的太陽(yáng)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(yáng)系原始 風(fēng)貌。后勁實(shí)足的離子發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，前往火星尋水的“機(jī)遇”號(hào)、 “勇氣”號(hào)以及“火星快車”等不到一年就抵達(dá)了火星，而 赫赫有名的“旅行者” 1 號(hào)奔赴木星也只花了不到兩年的時(shí) 間，為什么“黎明”號(hào)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(hào)的 發(fā)動(dòng)機(jī)。這是一種被稱為“離子推進(jìn)器”的新型高效節(jié)能發(fā) 動(dòng)機(jī)，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(jī)遇”號(hào)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(hào)被地面運(yùn)載火箭送 出地球后

5、，離子發(fā)動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)利用太陽(yáng)能從陰極 射線管中發(fā)射出電子，電子經(jīng)過環(huán)形磁場(chǎng)加速后，在磁場(chǎng)腔 中和氙原子發(fā)生碰撞。一個(gè)高速電子能把 54 個(gè)電子從單個(gè) 氙原子中轟擊出來(lái)，將氙原子電離成帶正電的離子。在磁腔 的尾部，有一對(duì)分別帶正電荷和負(fù)電荷的金屬網(wǎng)，正電荷和 氙離子產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁推力把氙離子高速（約100000 千米/小時(shí)）噴射出去，并因此產(chǎn)生反沖力推動(dòng)飛行器向前運(yùn)動(dòng)。 它的推力比化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要小得多，全速運(yùn)行時(shí)，離子發(fā) 動(dòng)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)月甚至幾年，結(jié)果，飛行器最終獲得 的速度可達(dá)化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的 10

6、 倍。航宇局的科 學(xué)家戲稱它為“有耐心的發(fā)動(dòng)機(jī)” 。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(yùn)行時(shí)使用，而不能作為運(yùn)載火箭的動(dòng)力裝置除了高效以外，離子發(fā)動(dòng)機(jī)還有一個(gè)非常顯著的優(yōu)勢(shì)就 是節(jié)能。我們可以通過以下這個(gè)有點(diǎn)夸張的例子來(lái)對(duì)這兩種 發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別有個(gè)直觀的了解。如果使用化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)把 “黎明”號(hào)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(dòng)機(jī)加速到同樣的速度 卻只需要 25 千克氙（不過得花費(fèi)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(hào)使用的也是

7、離子 發(fā)動(dòng)機(jī)，它的發(fā)射實(shí)際上是對(duì)這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)的一次檢驗(yàn)， 事實(shí)證明它完全通過了檢驗(yàn)。在整個(gè)飛行任務(wù)中， “黎明” 號(hào)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)所能達(dá)到的極限速度，雖 然加速時(shí)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。“黎明”號(hào)并不是小行星家族中的第一位人類訪客。早 在 1991 年 10 月 29 日，“伽利略”號(hào)在飛往木星的途中就曾 向小行星 Gaspra 投過遠(yuǎn)遠(yuǎn)的一瞥 （當(dāng)時(shí)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(guó)航 宇局的“尼爾蘇梅

8、克” 號(hào)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(cāng)促，而后者拜訪的愛神星體積太?。ㄩL(zhǎng)僅約 32 千米），未免讓人有些意猶未盡。 “黎明” 號(hào)的走訪對(duì)象則更具代表性， 觀測(cè)結(jié)果更令人期待。 而且借助于離子發(fā)動(dòng)機(jī)提供的高效持久的動(dòng)力， “黎明”號(hào) 將首次實(shí)現(xiàn)“一次飛行繞行兩個(gè)天體”的夢(mèng)想，這個(gè)優(yōu)勢(shì)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(lái)10 年內(nèi)揭開。相關(guān)鏈接小行星 在走近“黎明”號(hào)之前，讓我們先來(lái)認(rèn)識(shí)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(wàn) 計(jì)圍繞太陽(yáng)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(yuǎn)離主帶的“愛神星”闖進(jìn)天文 學(xué)家的視野，人們開始意識(shí)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(yuǎn)日點(diǎn)也只有 1.78 天文 單位）。后來(lái)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(lái)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