“露西”：带着钻石飞向特洛伊小行星

文/迟惑

▲ “露西”探测特洛伊群的想象图

2021 年10 月16 日，美国宇航局用宇宙神5 运载火箭成功将露西小行星探测器发射升空。“露西”是第一个探索特洛伊小行星群的深空任务。

众所周知，在火星和木星轨道之间，存在着一个小行星带。但“特洛伊”的轨道更靠外一些，它们处在木星轨道上，有些在木星前面，有些在木星后面，看起来就像是簇拥着木星绕太阳公转。木星的质量很大，它的引力往往会让附近的所有小行星不是被吸引过去，就是被甩出去。但是，由于太阳和木星引力的综合影响，特洛伊小行星一直被限定在稳定的轨道上，也就是木星和太阳之间的拉格朗日点，迄今已经有几十亿年了，所以特洛伊小行星保留着从未被探索过的早期太阳系残留物样本。可以认为，它们是从40 亿年前保留下来的太阳系时间胶囊。这些原始的天体掌握着破译太阳系历史的重要线索，甚至可能向我们揭示地球上有机物质的来源乃至生命的起源。

▲ “露西”探测小行星的想象图

特洛伊小行星有多少

人们一度认为特洛伊小行星的数量非常巨大，根据天文观测，“希腊群”拥有16～24 万颗直径大于2 千米的小行星和约60 万颗直径大于1 千米的小行星。“特洛伊群”的天体数量比“希腊群”略多，尺寸近似。这个数字几乎赶上小行星带了，但总质量只有小行星带的五分之一，大约是地球质量的千分之一。

但最近的两项研究表明，上述数字可能高估太多了。根据新的估计，直径大于2 千米的特洛伊小行星，在L4 和L5 点的总数分别为6300±1000和3400±500。最大的特洛伊小行星是624 号“赫克托尔”，其平均直径为203±3.6 千米。

特洛伊小行星的轨道半径在5.05和5.35 个天文单位之间，平均半长轴为5.2±0.15 个天文单位。“希腊群”和“特洛伊群”分布在拉格朗日两点周围。每个“营地”沿木星轨道延伸约26°，总距离约为2.5 个天文单位。许多特洛伊小行星的轨道相对于木星轨道平面的倾角达到40°之多。

特洛伊小行星群探测史

1772 年，意大利出生的数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日在研究受限三体问题时预测，一个与行星共享轨道，但位于其前方或后方60°的小天体，将被困在这些点附近，沿着蝌蚪形或马蹄形轨道，在平衡点周围缓慢地摆动。这些前导点和尾随点被称为L4 和L5 拉格朗日点。在拉格朗日假设提出一个多世纪后，人们观察到第一颗被困在木星拉格朗日点的小行星。

一位叫做巴尔纳德的科学家于1904 年对特洛伊小行星进行了第一次有记录的观测，发现并确认了编号为12126 的1999 RM11 小行星，但他和其他人当时都没有意识到它的重要性。巴尔纳德认为他看到的是土星卫星福柏（Phoebe）。当时这两个天体相距只有两弧分。直到1999 年计算出该天体的轨道，人们才知道它是一个特洛伊小行星。

第一次得到正式命名的特洛伊小行星观测发生在1906 年2 月。当时海德堡-克尼斯图尔国家天文台的天文学家马克斯·沃尔夫在太阳-木星系统的拉格朗日点L4 发现了一颗小行星，后来将其命名为588 号“阿基里斯”。1906～1907 年，德国天文学家奥古斯特·科普夫又发现了两颗特洛伊小行星，分别是624 号“赫克托尔”和617 号“帕特洛克罗斯”。“赫克托尔”和“阿基里斯”一样，属于L4星系群，位于木星公转方向的前方，而“帕特洛克罗斯”是人们发现的第一颗位于L5 点的特洛伊小行星，处在木星运行方向的后方。到1938 年，人们已经发现了11 颗特洛伊小行星。这个数字直到1961 年才增加到14 颗。随着天文仪器的改进，人们发现的特洛伊小行星数量迅速增长：到2000 年1 月，共发现257 个；到2003 年5 月，数量增加到1600 个；到2018 年10 月，已知的L4 点特洛伊小行星有4601 个，L5 点有2439 个。

奥地利天文学家约翰·帕利萨提出，用古希腊时代特洛伊战争中的著名英雄来命名木星L4 和L5 点上所有小行星。帕利萨之所以有这个资格，是因为他第一个准确计算出了这些小行星的轨道。

▲ 特洛伊小行星带

L4 位置的小行星以希腊英雄命名，因此也被称为“希腊群”或“阿喀琉斯群”，L5 位置上的小行星则以特洛伊英雄命名，被称为“特洛伊群”。实际上，在这个命名规则建立之前，624 号“赫克托尔”和617 号“帕特洛克罗斯”就被命名了。

“露西”任务起源

美国宇航局每年都会要求下属科研团队提出申请，探测某些奇奇怪怪的对象。“露西”的立项申请是2014年11 月5 日提交的，到2015 年2 月，美国宇航局一共收到28 份提案。对这轮提案的要求，是必须在2021 年年底前发射。到2015 年9 月30 日，美国宇航局选定了5 个任务入围，每个任务获得300 万美元，以进行更深入的研究和分析。到2017 年1 月4 日，“露西”和小行星带探测计划“普赛克”战胜另外3 个项目，进入研发阶段。

2019 年1 月31 日，美国宇航局宣布“露西”将于2021 年10 月从佛罗里达州卡纳维拉尔角，用宇宙神5运载火箭发射，发射成本估计为1.483亿美元。2019 年2 月11 日，太空探索技术公司对这份合同提出抗议，表示它可以提供“更低的成本”。但是2019 年4 月4 日，太空探索技术公司撤回了抗议。

2020 年8 月28 日，美国宇航局宣布，“露西”已通过审查，可以进入总装测试阶段。2021 年7 月30 日，“露西”由C-17 运输机运送到佛罗里达州，2021 年9 月30 日封装进入火箭整流罩。

科学目标

“露西”将飞越并对7 个不同的特洛伊小行星进行遥感探索，以实现以下科学目标：

1.地表地质。“露西”将绘制小行星的反照率、形状、环形山空间分布和大小分布图，确定地壳结构和分层性质，并确定地表单元的相对年龄。

2.表面颜色和组成。“露西”将绘制特洛伊小行星表面的颜色、组成和风化层特性，并确定矿物、冰和有机物的分布。

3.地下特征和整体特征。“露西”将确定小行星质量和密度，并通过深入探究环形山、裂缝、喷出物覆盖层和暴露的层理来研究地下组成。

▲ “露西”计划探测的主要目标

4.卫星和环。“露西”将寻找特洛伊小行星的光环和卫星。

总体设计和有效载荷

为了携带足够的仪器和燃料，“露西”是个体积不小的探测器，展开后宽度达到15 米多。这主要是因为“露西”多数时间在深空飞行，太阳光强度没有地球轨道上那么大，所以携带了两个巨大的圆形太阳能电池，每个直径超过7 米。其它所有的仪器设备，以及与地球通信所需的2 米直径高增益天线，都装在航天器本体上。

“露西”的规格：

宽度： 15.8 米

高度：7.2 米（太阳能电池展开）或

3.8 米（太阳能电池收拢）

厚度：2.78 米

太阳能电池板直径：7.3 米

干重：821 千克

湿重：1550 千克

功率：最远交会点504 瓦

“露西”的探测仪器装在一个叫做仪器指向平台（IPP）的设备上，共有3 台遥感科学仪器。

拉尔夫

“拉尔夫”实际上是由两台仪器组成的。

第一台是彩色可见光成像仪，也叫做多光谱可见成像相机（MVIC），工作谱段在0.4～0.85 微米。MVIC 将拍摄特洛伊小行星目标的彩色图像，并帮助确定它们的活动程度。

第二台是红外成像光谱仪，也叫做线性标准具成像光谱阵列（LEISA），工作谱段1～3.6 微米。红外光谱仪用来寻找小行星的吸收谱段，在小行星表面寻找硅酸盐、冰和有机物的迹象。

彩色可见光成像仪和红外成像光谱仪之间并不是完全独立的。来自宇宙的电磁波进入镜头后，分束器将红外光发送给红外光谱仪，将可见光反射给可见光成像仪。一般彩色图像有3 个色带，但是“露西”的可见光成像仪有5 个颜色带，覆盖整个频谱。为了帮助科学家们在特洛伊小行星表面识别出不同的组成单元，科学家精心选择了每个具体的波段。例如，红色带对层状硅酸盐很敏感，这是科学家希望在特洛伊表面发现的一种水合矿物，而紫色带将有助于确定小行星表面是否含有陨硫铁（FeS）。紫色带对氯化萘吸收也很敏感，如果在小行星周围探测到氯化萘，则表明存在相关活动。可见光成像仪有6 个CCD阵列，每一个CCD 阵列分辨率达到5000 列×64 行。

▲ “露西”的有效载荷安装

红外光谱仪内部有一套标准化器件，将光分离成光谱。红外光谱仪可以用它分析小行星表面不同物质吸收和发射的波长，从而识别出可能存在的不同种类岩石、冰和有机化合物。红外光谱仪的探测器分辨率达到1000列×1400 行，每一行设计用来探测不同波长的红外光。因此，红外光谱仪可以从1000 千米外对500 米宽的陨石坑精确成像。因为“拉尔夫”拍摄的照片巨大，所以它带有256 千兆字节的内存。

“拉尔夫”将搜索特洛伊小行星的有机物、冰和水化矿物，帮助人们确定其表面组成。这个设备由美国宇航局飞行中心的团队负责。它的技术基础，是新视野探测器的同名仪器“拉尔夫”，以及用于“奥西里斯-雷克斯”的可见和红外光谱仪。“新视野”上的“拉尔夫”和“爱丽丝”紫外光谱仪一起，为人们提供了极为清晰的冥王星彩色图像。“露西”上的“拉尔夫”与“新视野”上的“拉尔夫”相比扩大了很多，质量增加了3 倍，功耗提高了4 倍。

“拉尔夫”并没有变焦功能，这主要是“露西”发射重量的限制迫使设计人员减少活动部件数量，而且活动部件太多了也容易引发故障。另外，太空中极端的温度差异，会导致光学设备散焦，因为光学系统对热胀冷缩比较敏感。所以“拉尔夫”的大部分零件是用单个铝毛坯切削出来的。整个设备采用同一种材料，意味着整体热膨胀系数相同，对于光学聚焦有很大的好处。甚至“拉尔夫”的反射镜都是用铝制成的，切削时用到了钻石刀具。

“拉尔夫”的参数：

质量：31.0 千克

功率：25.1 瓦

附件：75 毫米

焦距：450 毫米

彩色可见光成像仪参数：

非正式视野：29μrad/像素

工作波长：0.38-0.92 微米

光谱分辨率：47.550 毫米

红外成像光谱仪参数：

非正式视野：80μrad/像素

工作波长：1.0～3.6 微米

光谱分辨率：10 纳米

洛蒂斯

“洛蒂斯”是一台热发射光谱仪，它类似于在“奥西里斯-雷克斯”和火星全球勘测器上已经飞行验证过的同类仪器。这台红外光谱仪的工作频段是6～75 微米，用来了解特洛伊小行星的热惯性，以及天体保持热量的情况，从而探究小行星表面物质的组成和结构。

▲ “洛蒂斯”设备实拍

“洛蒂斯”的参数：

质量：7.7 千克

功率：17.6 瓦

视场角：10 毫微克

光谱范围：6～75 微米

光谱分辨率：10cm-1

虽然特洛伊小行星距离太阳有几亿千米远，但太阳光对它们的加热效应还是很明显的，所以这些小行星能够在远红外频段向外辐射。“洛蒂斯”就是用来探测这种辐射的，它采用一个直径15.2 厘米的望远镜，将入射能量聚焦到一个小型敏感器上。这样，“洛蒂斯”就像一个远程温度计。从技术上讲，“洛蒂斯”不是成像仪，但它可以测量小行星上不同点的温度，这些数据可以结合起来，生成表面特性的“图像”。

“洛蒂斯”将通过测量热惯性来检查风化层的物理性质。热惯性是测量物体加热或释放热量的速度，较小的颗粒具有较低的热惯性。例如，沙滩上的沙子在白天迅速升温，在晚上迅速降温。较大的颗粒具有很高的热惯性。与沙子相比，人行道在白天升温很慢，在晚上降温很慢。通过小行星上一天中不同时间的温度变化，科学家们可以测量出热惯性，从而推断出风化层中有多少灰尘、沙子或岩石。“洛蒂斯”还能探测到单个小行星上存在的热惯性差异，这是地面望远镜无法探测到的。

▲ “洛蒂斯”有效载荷的结构

▲ “洛里”有效载荷的结构

由于“洛蒂斯”是一个点光谱仪，而不是成像仪，它在每次交会中产生的数据量比其他仪器小得多。这种相对简单性为它赢得了“小仪器”的称号。根据不同的设置，“洛蒂斯”可以每0.5秒、1 秒或2 秒测量一次。

“洛蒂斯”由亚利桑那州立大学的一个团队建造。该仪器基于“奥西里斯-雷克斯”探测器的热发射光谱仪研制，沿用了大部分硬件。电子部分采用阿联酋希望号火星探测器上的埃米尔火星红外光谱仪有关设备。在“洛蒂斯”内部有一颗大钻石，用来作为分光器。

洛里

“洛里”是“露西”最敏感的相机，一些团队成员亲切地称其为任务的“鹰眼”。

“洛里”的参数：

质量：12.0 千克

功率：10.6 瓦

视野：5.1 mrad

瞬时视野（IFOV）：5.0μrad

主镜直径：20.8 厘米

焦距：262 厘米

分辨率：15 倍IFOV 微米

波长范围：450～850 纳米

每幅图像像素数：1024×1024

帧速率：1 赫兹

这种全色（黑白）相机是一种里氏-克雷蒂安望远镜，与哈勃空间望远镜是同一种类型。入射光沿着镜筒向下传播，被双曲主镜反射，然后继续沿镜筒向下传播，并被双曲副镜反射，副镜聚焦光线后，穿过主镜的开口，进入敏感器阵列。

1.“露西”在清洁厂房中进行测试

2.“洛里”设备的安装

3.“洛里”设备实拍

4.亚利桑那大学测试“露西”的设备

“洛里”的用途之一，是生成特洛伊小行星的清晰图像。尽管它们非常黑暗，但“洛里”能从1000 千米外，清楚地看到直径为70 米（即每像素14 米）的陨石坑，这就像站在足球场的一端，能够看到另一端的苍蝇一样。“洛里”的详细图像将帮助人们了解特洛伊小行星的表面地质。例如，这些图像将提供特洛伊陨石坑的信息，从而提供附近小行星数量的历史记录。“洛里”还将搜索特洛伊星群中的光环、卫星或其他活动。“洛里”从远处看到微弱目标的能力，也使其成为光学导航的完美之选。它可以帮助“露西”导航到太空中的某个指定点，然后用T2 相机（具有更宽的视野）帮助其他仪器准确地指向目标。

由于“洛里”是全色的，因此没有安装光学滤波器。“洛里”也没有活动部件，这降低了任务期间部件故障的风险。尽管它功能强大，但居然没有对焦机构。太空中的极端温差可能会导致像对焦机构这样的设备散焦（因为光学系统会随着温度的变化而膨胀和收缩），但“洛里”的大部分光学系统是由碳化硅制成的，当面对温度变化时，碳化硅不会膨胀或收缩太多，而且还可以快速散热以减少温差。

“洛里”由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的一个团队建造。该仪器继承了新视野号探测器上的同类仪器技术。新视野探测器拍摄到了冥王星和柯伊伯带天体阿罗科思的精确详细图像，令人大开眼界。“露西”任务上的“洛里”设备做了一些改动，例如用更坚固的铝替换复合材料制作挡板，但保留了其前身的许多经典设计。

“露西”的高增益天线主要任务是把探测到的数据和图像发回地球，但它也能够客串探测器，可以利用无线电信号的多普勒频移来确定目标的质量。另外，“露西”还可以用其终端追踪摄像头(T2CAM）拍摄小行星的宽视场图像，以更好地描绘小行星形状。而这个摄像头原本是科学家用来监视“露西”本身健康状况的。

漫长的旅途

“露西”在2021 年10 月发射后，在它前往特洛伊小行星的旅程之前，先要绕地球飞行两圈，加速后进入星际转移轨道。在前往特洛伊小行星的途中，“露西”将穿越主小行星带，并于2025 年4 月与52246 号小行星“唐纳约汉森”交会，这是“露西”目标中最小的。从地球上的测量显示，这颗C 型小行星的直径只有4 千米。这个天体的用处，主要是为“露西”的各种仪器提供一个测试和验证的机会。当然，“唐纳约汉森”本身也是一个有趣的天体。天文学家们已经认定，它是在1.3 亿年前因为一次大规模碰撞而产生的，这次碰撞产生了艾力冈小行星家族。

然后，“露西”继续向外，首先进入特洛伊小行星群的L4 子群，也就是“希腊群”。“露西”要正式拜访的第一颗特洛伊小行星是3548 号“尤里巴特斯”，它可比52246 号大多了，直径有64 千米之多。3548 号也是一颗C 型小行星，同样是因为碰撞产生的。不过在已知的特洛伊家族成员中，它倒是唯一的碰撞产物。对这颗小行星的探索或许能为人们解开关于特洛伊家族的一个谜团：C 型在小行星带里很常见，但为什么特洛伊群中唯一的碰撞产物是C 型呢？为什么这个群中没有D 型小行星呢？也许它是D 型小行星被撞击后解体的产物？

而且在2019 年1 月，“露西”团队了解到，3548 小行星还有一颗直径约1 千米的卫星，所以这次探测很可能是“买一送一”。具体探测日期预定是在2027 年8 月12 日。

在L4 群当中，下一个目标是15094 号“帕勒末”。这是“露西”的特洛伊群探测目标中最小的一个，是一颗直径21 千米的P 型小行星，与“普特洛克勒斯”和“梅诺提乌斯”双星是同一类型。这将是人类探测器第一次飞越这颗暗红色小行星，很多科学家认为它富含有机物。科学家们认为，“帕勒末”是一颗更大的P 型小行星的碰撞碎片，因此将它与“普特洛克勒斯”和“梅诺提乌斯”双星进行比较将非常有趣。“露西”会在2027 年9 月15 日造访“帕勒末”。

“露西”的又一个目标是11351号小行星“路特斯”，直径大约40千米，是一颗D 型小行星。它的特点是自转速度非常慢，一天有446 小时！这样漫长的一天，意味着它会在白天非常热，晚上又非常冷。所以，如果把它与其他D 型小行星相比较，会对它们的组成物质有更加深刻的认知。而且，人们从地球上观察到，它旋转时的亮度变化很大，这表明它可能是长条状的。当“露西”在2028 年4 月18 日飞过“路特斯”的时候，一切都将真相大白。

在飞掠“路特斯”几个月后，“露西”将近距离观察另一个D 型小行星21900 号“欧鲁斯”。它的直径达到51 千米，比之前那个D 型小行星“路特斯”大多了。“欧鲁斯”的亮度很小，有红色的物质。人们就此认为，它含有丰富的有机物和碳。“露西”将在2028 年11 月11 日与它交会。

▲ “露西”准备整流罩合盖

▲ “露西”团队

然后，“露西”将沿着轨道向地球轨道接近，再次远离轨道的时候，木星和特洛伊小行星群已经旋转到另外的相位。这样，“露西”将能够探测尾随木星的特洛伊小行星群L5，称为“特洛伊群”。2033 年3 月，“露西”将飞过617 号“普特洛克勒斯”和它的双星伙伴“梅诺提乌斯”，他们用希腊间谍的名字命名。这对双星小行星的飞越，将是此次任务的压轴大戏。然后，“露西”将处在一个稳定的轨道上，如果设备不损坏，可以在未来一次次穿越特洛伊小行星群。

“露西”的主要任务就是探测“普特洛克勒斯”和“梅诺提乌斯”。它们的平均直径分别为113 千米和104千米。科学家推测，它们可能是太阳系早期遗留下来的原始小行星。这两颗小行星处在相对高倾角的日心轨道上（22 度），这意味着它们大部分时间都不在黄道面上，是航天器很难到达的区域。幸运的是，“露西”的轨道正好在2033 年3 月3 日可以和它们交会。

带着钻石的“露西”

这个探测器之所以被称为“露西”，并不是任务概念的首字母缩写，不是希腊或者罗马神祗，而是有两个灵感来源。

▲ 搭载着“露西”的宇宙神5 运载火箭点火

1967 年披头士乐队曾经创作了一首歌曲名叫《钻石天空中的露西》。美国宇航局把探测器起名为“露西”，也是从这首歌得到了灵感。因此，他们把歌词和其他名人的智慧之词印在一块牌匾上，装在了探测器里。披头士乐队鼓手林戈·斯塔尔还专门为此制作一段视频，向已故队友、歌曲主创、摇滚巨星约翰·列侬致敬。而且，“露西”真的带了钻石上天。斯塔尔说：“我太激动了——‘露西’将带着钻石飞上天空，约翰尼会喜欢的。”

另一个灵感来源是一位真正存在过的人类。1974 年11 月24 日，考古学家唐纳德·约翰逊和汤姆·格雷在埃塞俄比亚发现了一个早期原始人的活化石。经过清理和拼接，人们认定，这不是类人猿，而是真正的人类。考古学家们高兴得不行，在当天晚上播放了披头士乐队的歌曲，载歌载舞。在跳舞的过程中，探险队员帕梅拉·奥德曼忽然想到一个名字，既然这位化石是个女性，就叫她“露西”好了。“露西”是迄今为止发现的人类化石中，年代最早的一个。“露西”化石为人类的进化提供了极其宝贵的证据。露西探测器用这位远古女性来命名，也是希望能找到独特证据，彻底改变人们对行星起源和太阳系形成的认识。

参与“露西”化石发现的古人类学家唐纳德·约翰逊在观看发射时说，自己瞬间就起了鸡皮疙瘩：“我再也不会像以前那样看着木星了……我的思想要爆炸。”