NASA黎明号即将结束任务:再见,小行星带的穷游博主
2018-10-16 08:41

NASA黎明号即将结束任务:再见,小行星带的穷游博主

本文转自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily ,头图来自:视觉中国。


2018年注定是揪心的一年。


开普勒探测器,在超期服役多年之后几乎已经耗尽了燃料。


机遇号火星车,在这次火星沙尘暴之后还没有醒过来,或许永远都不会再醒过来。


好奇号火星车,也突然发生了故障,正在维修中。


哈勃望远镜,又坏了一个陀螺仪,已经暂时停止观测进入安全模式。


……


它们无一例外都是工作多年,甚至超期服役多年的老兵,也无一例外已经饱经伤痛和衰老的侵蚀。


今天我们要给上面的清单里再加上一个:黎明号探测器。


是的,NASA的黎明号(Dawn)探测器也已经走到了生命的尽头,一旦最后一点燃料耗尽,黎明号就会永远结束任务——这一天会在十月接下来的任何时候突然来临。


而此时的黎明号,才刚刚度过了它11岁生日。


作为NASA的知名抠门项目Discovery项目的成员之一,黎明号保持住了该项目的一贯风格和水平:花最少的钱,看最精彩的世界,还要春蚕到死丝方尽,和残酷的命运死磕到最后一口气。(寻找系外行星的开普勒探测器和之前我们介绍过的洞察号火星着陆器也是Discovery项目的成员之一,详情参见:《NASA洞察号发射升空:火星探地黑科技,太阳系的时光机》)


在这11年里,它以一己之力,为人类揭开了小行星带中两颗最大天体——灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)的面纱。


它也是目前为止唯一一个环绕了两颗地外天体,第一个环绕小行星带天体,第一个探访矮行星的探测器。


几百年后的人们如果回忆起这段人类的宇宙大航海早期的“寒酸”岁月,黎明号一定是最早的宇宙级穷游博主。


而在生命的最后时刻,多年来的一切会不会如同走马灯一般在黎明号的脑海里一一重现?


穷游博主的青春纪念册。图片来源:NASA


11年的漫漫漂泊,


我曾飞过太阳系最高的山,


也曾“窥见”过冰下的海洋;


我曾探索过类地行星的过去,


也曾领略过冰卫星上的风光;


……


你会如何回忆我,微笑着还是很沉默?

 

第一站:雏形类地行星、陨石之乡、太阳系最高峰…..


2007年9月27日,黎明号探测器从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,开启了它11年的奇幻旅程。


对,搭载黎明号的德尔塔II火箭就是前不久(今年9月15日)刚刚谢幕的那个德尔塔II火箭。来源:NASA


发射1年半后,黎明号于2009年2月7日飞掠火星,并借助火星的引力助推。


又经过2年半的航行,黎明号于2011年7月16日进入灶神星轨道,这是小行星带(火星和木星轨道之间的一个小天体聚集地)中仅次于谷神星的第二大天体,占了主小行星带总质量的9%[1],也是小行星带中唯一一颗明亮到可以通过肉眼看到的天体。


环绕一颗天体进行长期探测(轨道器)并不是一件容易的事,我们所熟知的其他多目标探测器,比如旅行者号和新视野号,都是技术上更容易实现的飞掠器,也就是以一一定的距离飞过这颗天体,看到哪儿是哪儿,看不到的也就算了,然后扬长而去,奔向下一个天体。


而轨道器则意味着探测器需要进入这个天体的引力控制范围,还能环绕这颗天体稳定地运转——这对探测器的性能和轨道控制技术都是更大的考验。


进入灶神星轨道后,黎明号多次降低和调整轨道,对灶神星进行了全方位多角度“扫射”。在长达14个月的观测中,黎明号共环绕灶神星1298圈,拍摄了近31000张影像[2],还收集了大量其他科学数据。


图:黎明号从2011年7月1日到2012年9月30日环绕灶神星(中间绿点)的轨道(粉色轨迹)。来源:维基by Phoenix7777,CC4.0


尽管在此之前,灶神星的一些表面特征就已经被哈勃望远镜和一些地基望远镜(比如凯克望远镜)观测到过,但直到黎明号的到来,才真正揭开了灶神星表面的种种细节。


(左)哈勃空间望远镜2010年2月拍摄的灶神星;(右)2012年9月黎明号拍摄的灶神星。来源:NASA/JPL-Caltech [3]


虽然是小行星,但灶神星和谷神星这样直径500公里以上的大型小行星和直径不足十几公里的绝大多数小行星完全不同——越大的天体越能保持内部的热,也越可能有丰富的地质活动。


不同于绝大多数小行星只是一个近乎均质的“土豆”,黎明号的重力观测数据[4]确认了灶神星早已进化成了一个“鸡蛋”:灶神星和我们的地球、火星等类地行星(以及月球)相似,内部已经有了壳幔核的分层结构,而且也和类地行星一样,有金属的内核、岩质的幔层和壳层。也就是说,灶神星完全就是一颗岩质原行星——一颗形成于45.6亿年前,最终没能“发育进阶”的类地行星雏形,而且很可能是目前仅存的一颗。


灶神星还是地球上陨石的一大来源。地球上发现的陨石中,有一大类叫作HED的陨石(古铜钙无粒陨石(Howardites)、钙长辉长无粒陨石(Eucrites)和古铜无球陨石(Diogenites)三种非球粒陨石的总称),目前在地球上已经发现了2000多颗。早在黎明号任务之前,我们就已经通过望远镜观测的光谱数据发现HED陨石极有可能都是来自灶神星[4],黎明号任务的探测结果进一步证实了这种推测的合理性。也就是说,落入地球的陨石中可能有6%都是来自于灶神星这一颗天体的碎片。


那这些碎片是怎么来的?可能是约10-20亿年前从灶神星上撞出来的。黎明号近距离探测了灶神星的南半球,发现南极附近有两个巨大的撞击盆地:较古老的Veneneia盆地和较年轻的Rheasilvia盆地,这两个撞击盆地实在是太巨大了,仅仅是形成Rheasilvia盆地的撞击事件产生的溅射物就足以产生所有落入地球的HED陨石和还在天上飞着的与HED陨石成分相似的小行星族了。


黎明号还发现,如果以从山顶到山脚高度来算的话,Rheasilvia盆地的中央峰高达23公里,是目前太阳系中最高的山峰之一——远高于地球上最高的夏威夷冒纳凯阿火山(珠穆朗玛峰是海拔最高),和火星上最高的奥林匹斯山不相上下。不过,它们的成因完全不同,冒纳凯阿火山和奥林匹斯山都是火山作用的结果,而Rheasilvia盆地的中央峰则是剧烈的撞击之后在盆地中央产生的岩石回弹。


图A和B:Rheasilvia盆地中央峰的地形和影像图,越蓝表示越低,越红表示越高;图C:Rheasilvia盆地中央峰(黑线)、地球上夏威夷冒纳凯阿火山(绿线),和火星上的奥林匹斯山(红线)的高程剖面。来源:参考文献[4]。


第一次“续命”靠的是离子推进器


环绕一颗天体运行并不需要能量和助推来维持,只靠引力就够了,但改变轨道需要。不管是飞行途中的轨道调整,还是环绕天体时不断变换轨道来观测(也就是变换观测位置和高度),都需要消耗燃料(推进剂)


然而,一颗探测器能携带的燃料毕竟是有限的。


对绝大多数轨道器来说,进入一个天体的轨道,就意味着“从一而终”了,因为它们携带的燃料并不足让它们离开这颗天体。


黎明号就腻害了。


2012年9月5日,黎明号不仅离开了灶神星轨道,还又花费2年半时间,跋涉了15亿公里前往了它人生中的第二站:谷神星。


这些都有赖于黎明号的离子推进发动机。


离子发动机的原理是将推进剂氙(Xe)电离成氙离子和电子,然后用高电压将氙离子加速并喷射出去,于是探测器本身就可以借助这个反冲力而加速。不同于传统的推进剂,离子推进剂要节省燃料得多(比冲高),可以大大减少探测器需要携带燃料的重量,也就大大增加了长途太空旅行的效率。事实上,仅携带了425千克离子推进剂的黎明号总计获得超过10km/s的速度增量,这在深空探测器中是无与伦比的。


不过黎明号并不是第一个使用离子推进发动机的探测器:NASA的深空1号探测器第一次把这个推进技术从科幻小说中带向了现实世界,此后JAXA的隼鸟号、隼鸟2号使用的也是离子发动机。


离子发动机运行时会喷出蓝色的“焰尾”,这也是所有使用离子发动机的探测器在艺术假想图中的一大特征。


(左)深空1号和(右)隼鸟和隼鸟2号使用离子推进发动机时的假想图。来源:NASA,JAXA

 

第二站:亮斑、有机物、地下海…...


在离子推进器的帮助下,黎明号于2015年3月6日成功进入谷神星轨道。


谷神星是小行星带中最大的天体(直径约945千米),质量占主带小行星总质量的35%以上,同时还是小行星带中唯一一颗矮行星。


按照国际天文联合会(IAU)的定义,矮行星和行星一样,都需要围绕太阳公转,也需要达到流体静力学平衡(大致来说就是需要非常圆),两者的唯一区别是矮行星没能清空自身轨道,比如谷神星所在的轨道附近还有很多其他小行星,冥王星所在的轨道附近也有很多其他小天体,它们都不是这片轨道上唯一的王者。


全拜这个定义所赐,黎明号幸运地达成“第一颗探索矮行星的探测器”成就——比即将抵达冥王星的新视野号早了四个月。


进入谷神星轨道后的三年多时间里,黎明号通过10次变轨,不断把探测高度从1.35万公里慢慢降至最近的35公里,对谷神星进行了全方位深入探测,也揭开了谷神星的诸多重要秘密。


图:黎明号从2015年2月1日到2018年10月6日环绕谷神星(中间绿点)的轨道(粉色轨迹),后半段魔鬼一样的步伐看得简直停不下来23333。来源:维基by Phoenix7777,CC4.0


在黎明号近距离造访谷神星之前,谷神星的一大谜团是它神秘的亮斑。


2015年初,当黎明号开始接近谷神星时,科学家们惊讶地发现谷神星上有两个非常明显的亮斑,而且,这两个亮斑和之前哈勃望远镜中看到的亮斑位置并不一样。哈勃没有看到这两个亮斑并不奇怪,毕竟黎明号发现的这两个亮斑只有几公里大,而哈勃望远镜的分辨率却有近百公里/像素。


这个亮斑因为位于之前谷神星的哈勃亮度图里的5号区域中,所以最初被称为“5号亮斑”。


(左)哈勃望远镜2003年12月-2004年1月间拍摄的谷神星。(右)黎明号拍摄的谷神星,中间的两个亮点就是神秘亮斑的位置。来源:NASA


随着黎明号对谷神星的近距离深入探测,科学家们渐渐发现谷神星上完全不止这两个亮斑…一共发现了约130个…而最早发现的“5号亮斑”因为位于Occator撞击坑中,所以后来改称为“Occator亮斑”,是谷神星上最亮的区域。


图:黎明号发现的谷神星上约130个亮斑的位置(蓝色区域),Occator撞击坑中的亮斑时谷神星上最亮的,而第二亮的Oxo撞击坑中的亮斑。来源:NASA


这个亮斑到底是什么?随着黎明号探测的深入,人们不断推翻之前的推测。


最初有人认为是冰火山或者排气作用的结果,后来又认为是水合硫酸镁盐矿物[5]…...2016年,黎明号的近红外光谱数据表明Occator亮斑里含有大量的碳酸钠盐,很可能是因为近期的地质活动才从地下露出表面的[6]


除了盐类矿物,2017年初,黎明号的光谱仪还在谷神星表面多处发现了脂肪族有机物,最主要的富集地在Ernutet撞击坑西边边缘[7]


图:谷神星上发现的脂肪族有机物,越浅说明含量越高。来源:参考文献[7]


而且不同于干燥的灶神星,谷神星上一点都不缺水(冰),挥发的水蒸气还会产生微弱的大气层。不仅如此,黎明号还在位于南半球中纬度区域的Juling撞击坑(35°S, 168°E)边缘观察到了水冰的季节性变化[8]:冬季结冰,水冰增加,夏季挥发消融,水冰减少。


谷神星的内部也大有玄机。虽然和灶神星差不多古老的谷神星也早已“进化”出了分层结构,但不同于类地行星那样的灶神星,谷神星更像外太阳系的冰卫星:它可能只有一个岩质的内核(而不是灶神星那样的金属内核)。黎明号的的重力探测数据显示,谷神星的幔层主要是含水的岩石,而壳层则是岩石、水冰、各种盐类和含水矿物的混合物——这些含水的岩石和矿物可能是远古时候谷神星地下全球性海洋的遗迹,而且可能至今仍有一部分液态海洋没有被冻结[9]。


近日根据黎明号观测数据的最新研究成果还表明,谷神星的自转轴也曾经经历过剧烈的动荡,它很可能和火星、木卫二、土卫二等行星一样,都发生过自转轴的重定向,也就是南北极的位置发生过很大的变化[10]


而不管是新鲜的碳酸钠盐、有机物、水冰的季节性变化还是地下海洋的遗迹,都表明谷神星并不是一个“死寂”的星球,而是至今依然是地质活跃、充满变化,甚至可能具备维持生命的条件的地方——就像木卫二或者土卫二那样。 


 第二次续命靠的是肼推进剂


如果说,第一次“续命”是拓展了黎明号生命的深度和广度的话,第二次就是名副其实的续命了——因为随着任务的推进,黎明号的动量轮相继坏掉了。


动量轮是什么?这是一种通过转动来控制探测器姿态的装置,通过充电保持转动,从而保持某个方向上的稳定,功能有点类似陀螺仪,不过后者用于测量,而前者用于执行。现代航天器大多采用三轴稳定的方式,以我们熟悉的飞机为例,当飞机需要左右转向(x轴)、左右翻滚(y轴)或上下俯仰(z轴)时,就需要分别调整对应方向上的姿态——也就是说,探测器最起码需要三个动量轮才行。


前面我们说过,离子推进发动机是用来调整轨道的,因此黎明号并不总是需要离子发动机,尤其是在某个固定的轨道保持探测的时候,但动量轮则不然——观测的时候,需要把对应的仪器瞄准目标区域;充电的时候,需要调整太阳能板的角度对准太阳,传回信号的时候,需要把天线对准地球…而这些都会随着探测器的位置和工作内容而不断地改变。


一言以蔽之,如果工作的动量轮不足三个,那么探测器虽然还是可以一直飞着,但是将无法探测、无法充电、无法传回数据…emmm…



不过好在黎明号一共带了4个动量轮。坏一个也没事…


然后duang,第一个动量轮2010年6月就坏了[11],此时距黎明号抵达第一站灶神星还有…一年时间…不过在路上基本不需要控制姿态,所以不碍事。事实上,好的三个动量轮也一直是关着的,直到黎明号快要抵达灶神星时才打开。


探测灶神星的14个月里,一切顺利。


2012年8月,当黎明号已经开始准备离开灶神星时,第二个动量轮坏了。


对于深空探测器,出了啥故障都要靠地球的指挥才能应对是不现实的,信号单程还要20多分钟呢,黄花菜都凉了——所以深空探测器都很智能,或者说有自主应对突发事件的能力。


于是,机智的黎明号直接关掉了所有的动量轮,通过离子推进配合化学推进离开了灶神星轨道,而当故障信号传回地球时,黎明号项目组也觉得这个应对非常明智,决定让动量轮就这么关着吧,反正路上用得着的时候也不多。


但问题是,只有两个动量轮终究是不行的,何况剩下的两个动量轮也早晚会在不久的将来坏掉。因为四个动量轮是一模一样的设计,而同样设计的动量轮在其他探测器上也陆续有故障发生…事实上,2005年时隼鸟号就是因为坏掉了2个动量轮而严重影响了观测。


怎么办呢?


好在黎明号还携带了少量叫作肼(N2H4,也叫联氨)的传统火箭推进剂,也可以用来调整姿态。于是黎明号项目组采用了“混合推进”模式,让两个动量轮配合肼推进剂一起工作——在这样的状态下对谷神星进行了长达3年的探测。


尽管遇到了动量轮的致命故障,但到2016年初,黎明号还是成功完成了所有预定目标,并在2016年6月中旬开始了扩展任务。


但如果再坏一个动量轮,那么混合模式也没啥用了。早在2010年,项目组就已经决定一旦第三个动量轮,就不再使用动量轮了。


因此当2017年4月第三个动量轮坏掉之后,第四个动量轮也被关掉了,而且再也没有使用过。


自此,黎明号完全靠肼推进剂续命。


 烈士暮年,壮心不已


刚刚度过11岁生日(2018年9月27日)的黎明号正在不可避免地走向生命的尽头,而这一切从2012年8月,第二个动量轮故障时就已经注定了。硬生生续了6年多的命,已经非常难得。


2018年6月,黎明号借助离子推进器完成了最后一次变轨,进入了最终轨道XMO7[12]。这是一个大椭圆轨道,距离谷神星表面最近时只有35公里——黎明号要抓住最后一次机会,以前所未有的近距离探测谷神星的表面。


黎明号在最终轨道XMO7上近距离拍到的Occator亮斑的超清晰细节。来源: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/Roman Tkachenko


这也是黎明号最后一次使用离子推进器——毕竟,等到肼推进器耗完了,留着离子推进器燃料也没用啊。


2018年6月21日,黎明号关闭离子推进器。这片闪耀在小行星带中的蓝光永远熄灭了。


图:黎明号环绕谷神星的假想图。来源:NASA


之后,黎明号将会在这个最终轨道上一直观测到最后一刻,直到肼推进剂耗完为止。


 神龟虽寿,终有尽时 


11年,在平均设计寿命不超过36个月的Discovery项目里绝对算是长寿了。


只是,神龟虽寿,终有尽时。


在不远的将来,或许是十月中旬到下旬的某一天,当指令告诉黎明号需要消耗一点点肼来调整姿态时,黎明号将不再有能力完成指令,因为再也没有燃料了。


当然,黎明号会尝试自动修复这个问题,比如选择用备用喷口代替主喷口,但这都是徒劳。


当黎明号号发现自己无法修复这个问题时,将会切换到安全模式,也切断仪器的电源,等待地球的帮助…这当然也是不会有的,因为这不是一般的故障,油尽灯枯是救不了的。


而当地面基站刚发现不能接收到信号时,也不会轻易放弃。因为这还不意味着黎明号已经油尽灯枯了,还可能是其他故障。地面深空网DSN还会花几天时间来努力接收信号,直到确认收不到为止。


再然后,项目组会宣告任务终结,而黎明号会继续在最终轨道上运行,虽然它已经永远沉睡了。


图:黎明号最后一阶段的大椭圆轨道XMO7。虚线是之前轨道的最低高度。来源:NASA/JPL-Caltech


黎明号的最终轨道XMO7是项目组精心设计的距离谷神星最近的“安全轨道”,会保证黎明号在无法变轨的状态下短期内不会撞上谷神星——以防不慎污染了这颗矮行星。


而人类会抓紧接这段时间来确认谷神星上是否真的具备维持生命的条件,甚至存在生命——比如再派出一艘探测器。


这个期限是20年。


在接下来的20年里,黎明号将会成为一座环绕在谷神星轨道上空的丰碑,等待新的地球访客。


如果20年时间不够,那还可以略微放宽到50年,曙光号在此期间仍有99%的概率会继续环绕谷神星运转,而不至于坠毁在它的表面。


不过,虽然目前还没有重访谷神星的计划,但在太阳系的其他地方,另外两颗小行星探测器,JAXA的隼鸟2号和NASA的OSIRIS-REx号已经顺利开始了工作。


而在不远的将来,NASA的小行星探测器Lucy和Psyche也将于2023年左右发射升空,开始属于它们的奇幻旅程。


这代表着人类对太空的探索,前赴后继,生生不息。


 一点后记


最后,如果想要更加深入了解黎明号十多年来的历程的小伙伴们,向你们推荐NASA的《黎明号札记》(Dawn Journal)[13]。这是黎明号的项目主任兼总设计师Marc Rayman对黎明号历程的记录和感想,从2006年一直写到现在,写了上百篇。


读这些记录的时候,感觉就好像一个母亲在写孩子的成长日记。而如今,他也要送走自己的孩子了。


简单截取一段作为本文的结尾吧。


NASA | Dawn Journal [14] 


简要翻译如下:


我热爱与黎明号共处的这段工作时光(尽管它的探测目标甚至不是我最喜欢的)。我觉得黎明号真的非常酷,对此我相信你不会感到惊讶的。我为黎明号的成功感到开心,也并没有对它的结束感到悲伤。但我真的对它能完成这么多了不起的成就而激动不已。


在我研究生阶段的时候,我的祖父去世了,当时我非常伤心。但当我和实验室一名来自上海的科学家说到这件事的时候,他问我我的祖父多少岁了。在我告诉他我的祖父已经85岁了之后,这位睿智的绅士笑着对我说:“哦,你应该感到开心。”然后我立刻就意识到了。我当然应该感到开心——这说明我的祖父度过了一段这么长的快乐人生!


而现在,轮到黎明号了。这颗探测器一路走来,克服了太多我们在设计和制造它的时候完全没有想象到过的问题。它不仅超额完成了全部原定目标,而且在经历了差点导致任务终结的重大事故之后,仍然取得了从没有被想到过的重要成果。它带给了我,以及无数人(我希望,其中也包括你)一场真正奇幻、激动人心又充满发现的深空探险之旅。从任何意义上来说,黎明号都是一个非凡的成就。



 参考文献:


[1] Pitjeva, E. V."High-precision ephemerides of planets—EPM and determination of some astronomical constants." Solar System Research 39.3 (2005):176-186.

[2] NASA | Dawn Journal: 10 Years in Space

https://www.jpl.nasa.gov/blog/2017/9/dear-dawnniversaries

[3] NASA | Vesta and Ceres: What We Knew About These Worlds Before and After Dawn

https://dawn.jpl.nasa.gov/features/what-we-knew/

[4] Russell, C. T., et al. "Dawn at Vesta: Testing the protoplanetary paradigm." Science336.6082 (2012): 684-686.

[5] Nathues, A., et al. "Sublimation in bright spots on (1) Ceres." Nature528.7581 (2015): 237.

[6] De Sanctis, M. C., et al. "Bright carbonate deposits as evidence of aqueous alteration on (1) Ceres." Nature 536.7614 (2016): 54.

[7] De Sanctis, M. C., et al. "Localized aliphatic organic material on the surface of Ceres." Science 355.6326 (2017): 719-722.

[8] Raponi, Andrea, et al. "Variations in the amount of water ice on Ceres’ surface suggest aseasonal water cycle." Science advances 4.3 (2018): eaao3757.

[9] NASA | Dawn Finds Possible Ancient Ocean Remnants at Ceres

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6982

[10] Tricarico, P. (2018). True polar wander of Ceres due to heterogeneous crustal density. Nature Geoscience, 1.

[11] NASA | Dawn Journal: Adaptations

https://www.jpl.nasa.gov/blog/2017/5/dawnt-be-despondawnt-dear-readers

[12] NASA | Dawn Journal: Going Out on a High...Or Maybe a Low

https://www.jpl.nasa.gov/blog/2018/6/dear-phendawnmenal-readers

[13] NASA | Dawn Journal: Marc Rayman

https://dawn.jpl.nasa.gov/mission/journal.html

[14] NASA | Dawn Journal

https://www.jpl.nasa.gov/blog/2018/8/dear-sinceres-readers

[15] NASA | 2018 Mission Status Archive

https://dawn.jpl.nasa.gov/mission/status_2018.html


本文转自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily 。

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