“黎明”再探小行星

1、黎明”再探小行星不久前美国航宇局的“深入撞击”号顺利升空，大家是 不是也像我一样正期待着它在 7 月 4 日给我们带来精彩的 “空中大碰撞”呢？以一颗人造铜头飞弹挑战气势汹汹的大 彗星，航宇局科学家们那近乎疯狂的想象力令人倾倒，不过 他们可并没有因此而止步不前，现在，他们又打起了小行星 的主意。代号为“黎明” （DAWN ）的小行星探测器的研制 工作早已提上了航宇局的议事日程，它计划于 2006 年 6 月 17 日发射，并于 2010 年抵达灶神星，在完成对灶神星为期 一年的考察后，又将于 2014 年造访谷神星。 “黎明”号携带 的科学仪器将详细研究这两颗小行星的质量、大小、旋转速 度以及

2、化学组成，为人类揭示太阳系形成之初的景象。“黎明”想看什么？人们很早就注意到， 小行星带以外的行星 （木星、 土星、 天王星和海王星，冥王星除外）体积和质量都较大，而且都 没有固态表面， 而小行星带以内的行星 （水星、 金星、 地球、 火星）体积和质量都较小，并且都是固体星球，小行星带成 了一条天然的“分水岭” 。天文学家猜测，这些行星的大小 和形成时周围环境中水份的多少，在它们的形成和演化过程 中扮演了某种角色，并最终导致了内行星和外行星的差别。 “黎明”号将会帮助天文学家弄清楚这个角色。“黎明”号有三个主要科学目标： 1、探明太阳系早期 的天体形成环境； 2、确定构成类地行星的原始星体的物

3、理 和化学性质，促进我们对类地行星形成过程的了解；3、通过比较两颗演化轨迹大不相同的小行星（即灶神星和谷神 星）的形成和演化过程，确定主导行星演化的因素。 “黎明” 号航天器将要造访的灶神星（平均直径约为 520 千米）是最 亮的小行星， 谷神星（直径约 960 千米）则是最大的小行星。 它们都位于主带上，灶神星反射太阳光的能力比谷神星强得 多，所以虽然体积较小但亮度却更高。谷神星保持着非常原 始的状态而且富含水份，灶神星则演化程度更高而且相当干 燥（和内行星的特征相似） ，它们正是实现上述三个科学目 标的极佳候选体。在长达 8 年的星际旅行中， “黎明”号所 携带的先进仪器将带我们领略前所未

4、见的太阳系奇观，包括 古老的河床、陨石坑等等，展现出几十亿年前的太阳系原始 风貌。后劲实足的离子发动机细心的读者可能会发现，前往火星寻水的“机遇”号、 “勇气”号以及“火星快车”等不到一年就抵达了火星，而 赫赫有名的“旅行者” 1 号奔赴木星也只花了不到两年的时 间，为什么“黎明”号飞抵灶神星却得将近四年，而且从灶 神星赶往谷神星也要差不多四年？奥秘就在于“黎明”号的 发动机。这是一种被称为“离子推进器”的新型高效节能发 动机，科学家们已经为之奋斗了 50 多年。它采用的燃料不 是“机遇”号等飞行器常用的化学燃料，而是一种比空气重 四倍多的惰性气体一一氙。当“黎明”号被地面运载火箭送 出地球后

5、，离子发动机开始启动。发动机利用太阳能从阴极 射线管中发射出电子，电子经过环形磁场加速后，在磁场腔 中和氙原子发生碰撞。一个高速电子能把 54 个电子从单个 氙原子中轰击出来，将氙原子电离成带正电的离子。在磁腔 的尾部，有一对分别带正电荷和负电荷的金属网，正电荷和 氙离子产生的强大电磁推力把氙离子高速（约100000 千米/小时）喷射出去，并因此产生反冲力推动飞行器向前运动。 它的推力比化学燃料发动机要小得多，全速运行时，离子发 动机每消耗 2500 瓦电能只能产生 1/110 千克力的推力， 但是 它可以长时间运转几个月甚至几年，结果，飞行器最终获得 的速度可达化学燃料发动机所能达到的 10

6、 倍。航宇局的科 学家戏称它为“有耐心的发动机” 。由于推力很小，它只适 合于航天器在摩擦力很小的星际空间中运行时使用，而不能作为运载火箭的动力装置除了高效以外，离子发动机还有一个非常显著的优势就 是节能。我们可以通过以下这个有点夸张的例子来对这两种 发动机的区别有个直观的了解。如果使用化学燃料发动机把 “黎明”号加速到 1000米/秒，或许只需要 20 分钟，但是却 要消耗约 300 千克燃料。而用离子发动机加速到同样的速度 却只需要 25 千克氙（不过得花费大概 100 天），不仅大大节 省了燃料并且还有效减轻了飞行器的重量，大大降低了火箭 发射的成本。不久前升空的“深入撞击”号使用的也是

7、离子 发动机，它的发射实际上是对这种新型发动机的一次检验， 事实证明它完全通过了检验。在整个飞行任务中， “黎明” 号将携带足够多的燃料并最终加速到 10000 米/秒以上的速 度，大大超过以往任何发动机系统所能达到的极限速度，虽 然加速时间可能要超过 6 年，不过考虑到低廉的成本，科学 家们认为 6 年的等待是值得的。“黎明”号并不是小行星家族中的第一位人类访客。早 在 1991 年 10 月 29 日，“伽利略”号在飞往木星的途中就曾 向小行星 Gaspra 投过远远的一瞥 （当时它们相距只有 16000 千米）；2001年 2月 12日（小行星发现 200周年），美国航 宇局的“尼尔苏梅

8、克” 号飞船更完成了登陆爱神星的壮举。 不过前者仅仅是走马观花，难免失之仓促，而后者拜访的爱神星体积太小（长仅约 32 千米），未免让人有些意犹未尽。 “黎明” 号的走访对象则更具代表性， 观测结果更令人期待。 而且借助于离子发动机提供的高效持久的动力， “黎明”号 将首次实现“一次飞行绕行两个天体”的梦想，这个优势更 是让它的前辈们望尘莫及。谷神星上是不是有由水冰组成的 极冠，甚至还有大气？灶神星的表面岩层也比火星岩石磁化 得更厉害吗？相信这一系列谜底都将在未来10 年内揭开。相关链接小行星 在走近“黎明”号之前，让我们先来认识一下小行星。在火星和木星轨道之间（ 2.8 天文单位附近）聚集着

9、数以万 计围绕太阳旋转着的小岩石体，它们中最大的直径也不到月 球的十分之三，天文学家称它们为“小行星” 。这些小行星 散布的那条轨道带称为小行星“主带” ，绝大多数小行星都 位于主带上。 1898 年，随着远离主带的“爱神星”闯进天文 学家的视野，人们开始意识到在主带之外也还有小行星存在 （爱神星的轨道大大偏离主带， 它的远日点也只有 1.78 天文 单位）。后来人们又发现，在这些非主带小行星中有不少离 地球的轨道相当近 （最近距离在 0.3 天文单位以内） ，它们就 是“近地小行星”可能给地球生命带来灭顶之灾的潜在 凶手。截止到 2005 年 1 月，已经发现并确定出了轨道的小 行星有 504669 颗，近地小行星有 3070