灵神号发射!直冲太阳系神秘金属星球,揭秘地核古老密码

更新时间:2023-10-14 22:08:52作者:无忧百科

灵神号发射!直冲太阳系神秘金属星球,揭秘地核古老密码

北京时间2023年10月13日22:19(14:19 UT),NASA灵神号(Psyche)探测器搭乘SpaceX重型猎鹰火箭,从美国肯尼迪航天中心发射升空,前往同名的金属小行星——灵神星(Psyche)




载着灵神号的重型猎鹰火箭发射升空 | John Kraus

这是重型猎鹰火箭首次发射有效载荷进入绕日轨道,如果不算当年首飞时扔出地球的那辆特斯拉跑车的话……

太长不看版


灵神号将于2029年8月抵达灵神星 | NASA

灵神星:太阳系最大的金属小行星

太阳系中,栖息着数以百万计的小行星。它们形成于太阳系早期,如今游荡在太阳系中不同的轨道位置,大小、形状、成分也各不相同。

随着深空探测技术的发展,人类探测器已经近距离造访过许多类型的小行星。例如:JAXA的隼鸟号深入探测过富硅的S型(岩质)小行星糸川,JAXA的隼鸟2号和NASA的冥王号分别深入探测过富碳的C型(碳质)小行星龙宫和贝努。


除灶神星外(太大了画不下),被人类探测器近距离探访过的小行星们 | 改编自:TPS

如果跳出小行星的范畴,人类探测器早已近距离造访过类地行星(如地球、火星、水星)、气态行星(如木星、土星)、冰卫星(如木卫二、土卫二)、彗星(例如彗星67P)等各种类型的天体,近距离领略过太阳系不同的风景。


探测器近距离拍摄的火星、木星和土卫二(大小未按比例) | NASA

只有一块小行星拼图,至今还没有补全。

行星科学家通常按光谱成分把小行星分为三大类,除了C型和S型外,第三类就是富金属(通常是铁和镍)的M型小行星——人类探测器还从未近距离、深入探测过任何一颗金属小行星。

注:2010年,欧空局罗塞塔任务曾在探访彗星67P/楚留莫夫的途中,以最近3168 公里的距离飞掠过一颗可能的M型小行星Lutetia,并开展了一些简单、短暂而有限的探测。

灵神星,就是一颗富铁镍金属的小行星,而且是太阳系已知的金属小行星中最大最重的那颗。


相比于碳质(C型)和岩质(S型)小行星,金属(M型)小行星通常雷达反照率更高,成分与富铁镍的陨石(尤其是含铁镍金属50%以上的CB类球粒陨石)相似,平均密度也更高。图中灵神星近十年观测的平均密度在3000-5000 kg/m3(Kleopatra和Lutetia也很可能是M型小行星),远高于大多数碳质和岩质小行星的平均密度,表明这些金属小行星中大概率混有铁镍这类高密度的金属成分 | 参考资料 [1]

灵神号:探访那扇映照地球内核的窗

除了填补小行星探测领域的空白,金属小行星本身,也对我们认识太阳系的演化,尤其是我们地球这样的岩质星球演化,有着独特的意义。

这就涉及到一个重要的问题:金属小行星,是怎么形成的?

一个广为接受的观点是:来自地球这样的固态天体深处的铁镍内核

我们知道,地球不是一颗从内到外均质的“土豆”,而是有着多层内部结构的“鸡蛋”。事实上,不仅是地球,月球、火星、水星、金星这样的大型固态天体全都是这样。这是为什么呢?

地质和地球物理学家认为,这是因为大型固态天体在形成之初的“胚胎”时期,很可能都经历过一个极其炙热的“冶炼炉”阶段。“冶炼炉”中的热,来自固态天体形成之初的吸积、内部放射性元素衰减和外界密集的撞击,其中较大的那些天体中产生的热量足以熔融自身。

在这个“冶炼炉”里,天体内的各种物质在熔融状态下顺势被“分离”开来:较重的元素(比如铁和镍)向中心“下沉”形成内核;相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层,最终形成从内到外密度逐渐变小的“核幔壳”分层结构。

这,就是固态天体的热分异


大型岩质天体热分异的大致过程 | 制图:haibaraemily

当然,实际的分层远比这更多更复杂。但总而言之,经历过热分异的固态天体都“进化”成了分过层的“鸡蛋”

那么,如果我们想近距离探测地核的成分和性质,做得到么?

做不到,人类目前连挖穿地壳,直接探测地幔都还做不到

但如果现在有一类小行星,它们在形成的早期(“星子”时期)经历了和地球相似的热分异过程,形成了和地球相似的铁镍内核,之后又被太阳系早期剧烈的天体撞击作用“剥去”了外层的壳幔,只剩下铁镍内核了——那你是不是要一拍大腿:我们去探测这样的小行星,四舍五入不就相当于探测了地球的内核了嘛!


灵神星的成分,可能与地球这样的类地行星内核相似 | NASA/JPL [2]

甚至,如果我们认为地球自发的偶极磁场来自富铁镍的地核,那…这样与地核同源的金属小行星会不会也还保存着磁场,或者“封印”着古磁场的痕迹呢?


灵神星可能的形成过程示意:一颗已经分层的固态天体,被撞击剥去了外层物质,只剩下了内部的金属铁核,在向外产生着磁场 | NASA/JPL [2]

于是,作为太阳系中最大的金属小行星,灵神星就这样被选中,成为灵神号的探测目标。

2017年1月5日,NASA正式公布了第8届“发现”级项目(Discovery Program)的2个当选任务:露西号灵神号[3]。露西号的目标是首次探访位于外太阳系的多颗木星特洛伊小行星(详见:),灵神号的目标是首次探访位于主小行星带的金属小行星——灵神星 。


第8届“发现”级项目的2个当选任务示意图,左为露西号,右为灵神号 | SwRI and SSL/Peter Rubin [3]

“发现”级项目,是NASA深空探测项目梯队里规模最小、预算最低的一类,主打成本低、周期短、见效快的小型任务,每个任务的常规预算约4.5-5亿美元(不包括发射费用),设计寿命不超过36个月,探测目标精简明确。简单来说就是:更快、更好、更便宜,有生之年还能再看几十个。


目前所有获批的“发现”级项目。此外,月球勘测轨道飞行器(LRO)任务后来也被按照花费归入“发现”级项目,属于领养 | haibaraemily

不过,近些年的“发现”级项目个个远超常规预算,灵神号更是如此。原本计划2022年发射的时候,灵神号的预算已经高达9.9亿美元,而延期到2023年之后,预算更是可能会飙升到11.3亿美元[4]——可以说完全达到了中型项目“新疆界”级的预算待遇

唉,延期就是多花钱,这事儿韦布望远镜最有经验 。

轨道和探测规划

灵神号的目标非常简单直接:飞到小行星带找到灵神星就完事儿了

那灵神星在哪儿呢?灵神星位于火星和木星轨道之间的主小行星带中,距离太阳约3天文单位(天文单位,天文学家在太阳系中常用的距离单位,即太阳到地球的平均距离)。


灵神星轨道(红线)位置 | 参考资料 [5]

因此,灵神号的轨道设计也非常常规:2023年10月发射升空后,灵神号计划于2026年5月飞掠火星获得引力助推,之后沿着会合轨道于2029年8月抵达灵神星附近,开始科学探测,最后于2031年11月结束任务。

当然,如果灵神号足够健康长寿的话,说不定还有拓展任务。


灵神号计划轨道 | 汉化自:ASU [6, 7]

在前往灵神星的飞行途中,灵神号将使用太阳能电推进系统(SEP),用太阳能为霍尔推进器提供电能 [8]。

相比于传统的化学推进系统,太阳能电推进系统可以让探测器携带更轻的燃料,但产生更高的推进比冲,相似的推进技术曾成功应用于NASA十多年前的黎明号任务。

为此,灵神号探测器配备了巨大的太阳能板,整个探测器 加上太阳能板展开后长24.76米,宽7.34米,大小差不多相当于一个网球场。


灵神号探测器展开后的大小示意 | 汉化自:ASU [9]

灵神号的太阳能电推进系统会激发霍尔推进器中的氙离子,在太空中产生美丽的蓝绿色羽流。可以想象,灵神星在太空中飞行的时候,身后差不多就是这样的场景:


灵神号的太阳能电推进系统(SEP)工作中 | SSL [8]

抵达灵神星附近后,灵神号将进入环灵神星轨道,开展不少于21个月的科学探测。灵神号团队把这一阶段进一步分为从A到D的4个轨道阶段,轨道高度逐渐降低 [6, 10, 11]:

- A轨:特征轨道段(characterization),高度709千米,倾角90°,周期32.6小时。主要目标:灵神星磁场探测,形貌初步探测。


- B轨:地形轨道段(topography),高度303千米,倾角90°,周期11.6小时。主要目标:灵神星地形探测、磁场探测,进一步分为B1段和B2段。

- C轨:重力科学轨道段(gravity science),高度190千米,倾角90°,周期7.2小时。主要目标:灵神星重力场和磁场探测。

- D轨:元素成分制图轨道段(elemental mapping),高度75千米,倾角160°,周期3.6小时。主要目标:灵神星表面化学元素成分探测。


灵神号环绕灵神星阶段的计划轨道(不同资料给出的数据略有差异) | 汉化自:ASU [6]

不过,为了兼顾探测阶段灵神星受到的光照变化,灵神号计划的探测顺序并不是逐渐降轨,而是A轨→B1轨→D轨→C轨→B2轨,高低轨交错。

虽然灵神星个头还挺大,平均直径约220公里,在主小行星带中可以排进前20,但还完全没有大到能被地基望远镜清楚拍到的程度。因此,想要真正认识这颗金属小行星,还是非得探测器出马才行。

目前,基于地基雷达探测推测,灵神星大致长这样:


灵神号形状模型 | 参考资料 [12]

NASA给出的灵神星艺术想象图长这样:


图源:NASA/ASU

至于这颗小行星到底长啥样,就要等灵神号抵达之后才知道了。

科学仪器

灵神号探测器主体部分长3.1米、宽2.4米,大小与小面包车相当:


汉化自:ASU [9]

配合不同轨道阶段的科学探测目标,灵神号共携带了4种科学仪器[9, 13, 14]:


汉化自:ASU [9]

1)多光谱成像仪(Multispectral Imager)×2:用于拍摄灵神星表面不同波段的影像;获取灵神星表面地形;探测灵神星表面的矿物成分,尤其是金属成分的比例。



灵神号的一对多光谱成像仪位置(上)和外形(下)| NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS [13]

2)磁强计(Magnetometer) ×2:用于探测灵神星的磁场强度。如果灵神星真的曾经有过磁场,这将是一个重要证据,能够证实它真的是一个已经完成热分异的早期星子内核。



灵神号的一对磁强计位置(上)和外形(下)| NASA/JPL-Caltech [13]

3)伽马射线和中子谱仪(Gamma-Ray and Neutron Spectrometer):前者用于探测灵神星的化学元素成分,后者用于探测灵神星表面受宇宙射线激发的中子。



灵神号的伽马射线谱仪和中子谱仪位置(上)和外形(下)| Johns Hopkins APL/Ed Whitman [13]

4)X波段无线电远程通讯系统(X-band radio telecommunications system):主要用于与地球通讯,接收指令,发送探测数据;兼用于探测灵神星的重力数据,获取灵神星的自转、质量、重力场、内部结构等信息。




灵神号的X波段天线位置(上,中)和外形(下)| NASA/JPL-Caltech [13]

此外,灵神号还计划在任务中验证一项新的激光通讯技术:深空光学通讯(DSOC)[14,15]。该技术将信息加载在近红外波段的光子而非无线电波中,以实现深空探测器与地球的高速率通讯。



灵神号搭载的深空光学通讯激光收发器的位置(上)和外形(下)| NASA/JPL-Caltech [15]

灵神号搭载的深空光学通讯发回的数据,将由美国加州理工学院帕洛玛山天文台(Palomar Observatory)的5.1米口径海尔望远镜(Hale)接收。


加州理工学院帕洛玛山天文台 | NASA/JPL-Caltech [15]

灵神号本次计划开展的深空光学通讯实验,是该技术首次尝试用于月球以外的深空探测


灵神号项目组计划分两个阶段开展DSOC技术实验(粉色点线),持续约两年时间。第一阶段从发射持续到2024年6月,第二阶段计划从 2025年1月持续到10月 | 汉化自:NASA/JPL-Caltech [7]

灵神星作为一个从未被人类探测器探访过的新世界,我们还不知道它会带来多少惊喜和新的谜题。

但至少,在灵神号现有的规划中,长达两年多的探索有望揭开一系列关于灵神星、关于金属小行星的谜团,例如:

期待2029年的灵神号,能够给出这些问题的答案。

参考文献

[1] Elkins-Tanton, L. T., Asphaug, E., Bell III, J. F., Bierson, C. J., Bills, B. G., Bottke, W. F., ... & Zuber, M. T. (2022). Distinguishing the origin of asteroid (16) Psyche. Space Science Reviews, 218(3), 17.

[2] NASA's Psyche Mission to an Asteroid: Official NASA Trailer

https://images.nasa.gov/details/JPL-20230717-PSYCHEf-0001-ASU Psyche Mission Trailer Revised

[3] NASA | NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-two-missions-to-explore-the-early-solar-system

[4] NASA Psyche mission back on track for October launch

https://spacenews.com/nasa-psyche-mission-back-on-track-for-october-launch/

[5] National Academy of Sciences | The NASA Psyche Mission: An Electric Journey to a Metal World

https://www.youtube.com/watch?v=y4098wfkI-k

[6] https://psyche.asu.edu/mission/

[7] https://www.jpl.nasa.gov/images/pia24930-psyches-mission-plan

[8] NASA | Psyche is an SEP Mission…. What’s that mean?

https://psyche.asu.edu/2018/01/12/psyche-sep-mission-whats-mean/

[9] ASU | The Spacecraft

https://psyche.asu.edu/mission/the-spacecraft/

[10] https://www.jpl.nasa.gov/images/pia26102-psyche-orbital-operations

[11] Jaumann, R., Bell III, J. F., Polanskey, C. A., Raymond, C. A., Aspaugh, E., Bercovici, D., ... & Zuber, M. T. (2022). The Psyche topography and geomorphology investigation. Space Science Reviews, 218(2), 7.

[12] Shepard, M. K., de Kleer, K., Cambioni, S., Taylor, P. A., Virkki, A. K., Rívera-Valentin, E. G., ... & Camarca, M. (2021). Asteroid 16 Psyche: shape, features, and global map. The Planetary Science Journal, 2(4), 125.

[13] ASU | Instruments & Science Investigations

https://psyche.asu.edu/mission/instruments-science-investigations/

[14] NASA | Psyche Fact Sheet

https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/documents/Psyche_Fact_Sheet.pdf

[15] NASA | Deep Space Optical Communications (DSOC)

https://www.nasa.gov/solar-system/deep-space-optical-communications-dsoc/

[16] Elkins-Tanton, L. T., Weiss, B. P., & Zuber, M. T. (2011). Chondrites as samples of differentiated planetesimals. Earth and Planetary Science Letters, 305(1-2), 1-10.

作者:haibaraemily

编辑:Steed

封面图来源:NASA

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