太空探索

露西号:一趟旅行,追访太阳系的童年

露西号是首个探访木星特洛伊小行星群的探测器,2021 年 10 月发射,将用 12 年飞掠 8 颗小行星,解读太阳系形成之初留下的“化石”。

露西号:一趟旅行,追访太阳系的童年

想在一次旅行里拜访 11 个彼此相隔遥远的小世界,飞船该怎么走?露西号(Lucy)给出的答案是:反复借地球引力改变轨道。它于 2021 年 10 月 16 日 发射,是首个专程探访木星特洛伊小行星群的探测器;按现有任务计划,它将飞掠主小行星带和特洛伊群中的 11 颗小行星。

艺术想象图:露西号展开两面巨大的圆形太阳帆板,飞掠帕特罗克洛斯—墨诺提俄斯双小行星(NASA)
艺术想象图:露西号展开两面巨大的圆形太阳帆板,飞掠帕特罗克洛斯—墨诺提俄斯双小行星(NASA)

名字的由来:从一块古人类化石说起

探测器的名字来自 1974 年在埃塞俄比亚发现的著名古人类化石"露西"——一具约 320 万年前的南方古猿阿法种骨架。这块化石曾极大改写了人类对自身演化的认识,而任务团队希望,探测器露西也能同样照亮太阳系的"童年"。化石露西的名字又源自披头士乐队的名曲《Lucy in the Sky with Diamonds》,于是这艘飞船还带着一点浪漫的摇滚血统:它真的飞向了"镶满钻石的天空"。

史无前例的复杂航线

露西号由宇宙神 5 号火箭送入太空。由于化学火箭无法把它直接推往木星轨道,任务设计师安排了一条堪称"轨道艺术"的路线:探测器将三次飞掠地球,借助地球引力一次次"弹弓"加速,先后抵达木星轨道前方和后方的两团特洛伊小行星群。整个航程跨越约 64 亿公里,途中还要在主小行星带内进行两次"热身"飞掠。如此多目标、多次借力飞行的航线,在行星探测史上前所未有。

露西号 12 年航线示意图:在随木星转动的参考系中,绿色轨迹串起地球借力飞行与 L4、L5 两团特洛伊小行星群(NASA);本地化配图
露西号 12 年航线示意图:在随木星转动的参考系中,绿色轨迹串起地球借力飞行与 L4、L5 两团特洛伊小行星群(NASA);本地化配图

特洛伊小行星:太阳系形成的"化石"

特洛伊小行星聚集在木星轨道上、位于木星前后各 60 度的 拉格朗日 L4 与 L5 点 附近,在那里太阳与木星的引力达成微妙平衡,使它们被"困"了数十亿年。科学家认为,它们是约 45 亿年前行星形成时残留下来的原始星子,可能在巨行星早期迁徙时被捕获到今天的位置。值得注意的是,两团小行星的颜色和成分差异明显,有的偏红、有的偏暗,这暗示它们来自太阳系不同区域——解读这批"化石",就能反推行星诞生与搬家的历史。

艺术想象图:木星轨道上成群分布的特洛伊小行星,它们比主带小行星颜色更红、成分更原始(NASA/WISE)
艺术想象图:木星轨道上成群分布的特洛伊小行星,它们比主带小行星颜色更红、成分更原始(NASA/WISE)

探测器构造与科学载荷

露西号由洛克希德·马丁公司建造,最醒目的是两面直径 7.3 米 的圆形太阳帆板,展开后整器宽逾 14 米。当飞到距太阳最远约 5.7 天文单位处时,帆板只能提供约 500 瓦电力,露西也因此成为依靠太阳能飞得最远的探测器。所有科学仪器都安装在一个可精确指向的仪器平台上:高分辨率相机 L'LORRI 负责拍摄表面细节,彩色成像与红外光谱仪 L'Ralph 分析表面成分,热辐射光谱仪 L'TES 测量表面温度与热惯量,另有两台跟踪相机 T2CAM 用于飞掠时的自动瞄准。

露西号仪器指向平台结构示意图,从左至右标注出 L'LORRI 相机、T2CAM 跟踪相机、L'TES 热辐射光谱仪与 L'Ralph 光谱仪(NASA)
露西号仪器指向平台结构示意图,从左至右标注出 L'LORRI 相机、T2CAM 跟踪相机、L'TES 热辐射光谱仪与 L'Ralph 光谱仪(NASA)

为什么只飞掠,不停下来环绕?

这些目标分散在不同轨道上,露西号若为每一颗小行星都减速、入轨再离开,需要携带远超现实的燃料。飞掠就像从行驶的列车窗边快速拍照:相遇时间短,却能靠精确瞄准获取清晰影像、颜色、温度和质量线索。

由于信号传到地球需要几十分钟,近距离相遇时不能等地面逐个下命令。探测器要自己盯住目标,在几小时内完成一套提前排练好的观测动作。

已经到访与将要到访的目标

2023 年 11 月,露西号飞掠主带小行星 丁基内什,意外发现它身边还有一颗直径约 220 米的小卫星“塞拉姆”,而且塞拉姆本身是一对相互接触的双瓣天体。2025 年 4 月,探测器又飞掠了细长的小行星唐纳德约翰逊。按当前计划,露西将在 2027 至 2028 年间陆续造访欧律巴忒斯、波吕墨勒、琉科斯和奥鲁斯等特洛伊小行星,并在 2033 年 3 月飞掠 帕特罗克洛斯—墨诺提俄斯双星。这些未来节点仍取决于飞船状态和轨道执行情况。

2023 年 11 月露西号飞掠时拍摄的小行星丁基内什(上)与其卫星塞拉姆(下),后者被发现是一对接触双星(NASA/SwRI)
2023 年 11 月露西号飞掠时拍摄的小行星丁基内什(上)与其卫星塞拉姆(下),后者被发现是一对接触双星(NASA/SwRI)

三维模型来源

本应用的三维外观改编自 露西号 Lucy。murilo.kleine;CC BY 4.0,保留作者署名、来源与许可链接。2019 年概念模型,作者说明并非科学精确复原。 模型经过减面、压缩和显示适配,画面中的尺寸与初始姿态用于观察示意,并非遥测姿态。 许可:CC BY 4.0。

三维模型的主体采用金色、香槟色与冷色结构件的展示配色,配合柔和的观察用反光增强材质层次;这些颜色并非实物色彩的精确复原。

参考资料