NASA黎明號即將結束任務：再見，小行星帶的窮游博主
原標題：NASA黎明號即將結束任務：再見，小行星帶的窮游博主
本文轉自微信公眾號：永結無情游相期邈雲漢（ID：haibaraemily_planets），作者：haibaraemily ，頭圖來自：視覺中國。
2018年註定是揪心的一年。
機遇號火星車，在這次火星沙塵暴之後還沒有醒過來，或許永遠都不會再醒過來。
好奇號火星車，也突然發生了故障，正在維修中。
哈勃望遠鏡，又壞了一個陀螺儀，已經暫時停止觀測進入安全模式。
……
今天我們要給上面的清單里再加上一個：黎明號探測器。
是的，NASA的黎明號（Dawn）
而此時的黎明號，才剛剛度過了它11歲生日。
作為NASA的知名摳門項目Discovery項目的成員之一，黎明號保持住了該項目的一貫風格和水平：花最少的錢，看最精彩的世界，還要春蠶到死絲方盡，和殘酷的命運死磕到最後一口氣。（尋找系外行星的開普勒探測器和之前我們介紹過的洞察號火星著陸器也是Discovery項目的成員之一，詳情參見：《NASA洞察號發射升空：火星探地黑科技，太陽系的時光機》）。
在這11年里，它以一己之力，為人類揭開了小行星帶中兩顆最大天體——灶神星（Vesta）和穀神星（Ceres）的面紗。
它也是目前為止唯一一個環繞了兩顆地外天體，第一個環繞小行星帶天體，第一個探訪矮行星的探測器。
幾百年後的人們如果回憶起這段人類的宇宙大航海早期的「寒酸」歲月，黎明號一定是最早的宇宙級窮游博主。
而在生命的最後時刻，多年來的一切會不會如同走馬燈一般在黎明號的腦海里一一重現？
窮游博主的青春紀念冊。圖片來源：NASA
11年的漫漫漂泊，
我曾飛過太陽系最高的山，
也曾「窺見」過冰下的海洋；
我曾探索過類地行星的過去，
也曾領略過冰衛星上的風光；
……
第一站：雛形類地行星、隕石之鄉、太陽系最高峰…..
2007年9月27日，黎明號探測器從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，開啟了它11年的奇幻旅程。
對，搭載黎明號的德爾塔II火箭就是前不久（今年9月15日）剛剛謝幕的那個德爾塔II火箭。來源：NASA
發射1年半後，黎明號於2009年2月7日飛掠火星，並藉助火星的引力助推。
又經過2年半的航行，黎明號於2011年7月16日進入灶神星軌道，這是小行星帶（火星和木星軌道之間的一個小天體聚集地）中僅次於穀神星的第二大天體，佔了主小行星帶總質量的9%[1]
（軌道器）
而軌道器則意味著探測器需要進入這個天體的引力控制範圍，還能環繞這顆天體穩定地運轉——這對探測器的性能和軌道控制技術都是更大的考驗。
進入灶神星軌道後，黎明號多次降低和調整軌道，對灶神星進行了全方位多角度「掃射」。在長達14個月的觀測中，黎明號共環繞灶神星1298圈，拍攝了近31000張影像[2]，還收集了大量其他科學數據。
圖：黎明號從2011年7月1日到2012年9月30日環繞灶神星（中間綠點）的軌道（粉色軌跡）。來源：維基by Phoenix7777，CC4.0
（左）哈勃空間望遠鏡2010年2月拍攝的灶神星；（右）2012年9月黎明號拍攝的灶神星。來源：NASA/JPL-Caltech [3]
雖然是小行星，但灶神星和穀神星這樣直徑500公里以上的大型小行星和直徑不足十幾公里的絕大多數小行星完全不同——越大的天體越能保持內部的熱，也越可能有豐富的地質活動。
不同於絕大多數小行星只是一個近乎均質的「土豆」，黎明號的重力觀測數據[4]（以及月球）相似，內部已經有了殼幔核的分層結構，而且也和類地行星一樣，有金屬的內核、岩質的幔層和殼層。也就是說，灶神星完全就是一顆岩質原行星——一顆形成於45.6億年前，最終沒能「發育進階」的類地行星雛形，而且很可能是目前僅存的一顆。
灶神星還是地球上隕石的一大來源。地球上發現的隕石中，有一大類叫作HED的隕石（古銅鈣無粒隕石（Howardites）、鈣長輝長無粒隕石（Eucrites）和古銅無球隕石（Diogenites）三種非球粒隕石的總稱），目前在地球上已經發現了2000多顆。早在黎明號任務之前，我們就已經通過望遠鏡觀測的光譜數據發現HED隕石極有可能都是來自灶神星[4]，黎明號任務的探測結果進一步證實了這種推測的合理性。也就是說，落入地球的隕石中可能有6%都是來自於灶神星這一顆天體的碎片。
那這些碎片是怎麼來的？可能是約10-20億年前從灶神星上撞出來的。黎明號近距離探測了灶神星的南半球，發現南極附近有兩個巨大的撞擊盆地：較古老的Veneneia盆地和較年輕的Rheasilvia盆地，這兩個撞擊盆地實在是太巨大了，僅僅是形成Rheasilvia盆地的撞擊事件產生的濺射物就足以產生所有落入地球的HED隕石和還在天上飛著的與HED隕石成分相似的小行星族了。
黎明號還發現，如果以從山頂到山腳高度來算的話，Rheasilvia盆地的中央峰高達23公里，是目前太陽系中最高的山峰之一——遠高於地球上最高的夏威夷冒納凱阿火山（珠穆朗瑪峰是海拔最高），和火星上最高的奧林匹斯山不相上下。不過，它們的成因完全不同，冒納凱阿火山和奧林匹斯山都是火山作用的結果，而Rheasilvia盆地的中央峰則是劇烈的撞擊之後在盆地中央產生的岩石回彈。
圖A和B：Rheasilvia盆地中央峰的地形和影像圖，越藍表示越低，越紅表示越高；圖C：Rheasilvia盆地中央峰（黑線）、地球上夏威夷冒納凱阿火山（綠線），和火星上的奧林匹斯山（紅線）的高程剖面。來源：參考文獻[4]。
第一次「續命」靠的是離子推進器
2012年9月5日，黎明號不僅離開了灶神星軌道，還又花費2年半時間，跋涉了15億公里前往了它人生中的第二站：穀神星。
離子發動機的原理是將推進劑氙（Xe）（比沖高），可以大大減少探測器需要攜帶燃料的重量，也就大大增加了長途太空旅行的效率。事實上，僅攜帶了425千克離子推進劑的黎明號總計獲得超過10km/s的速度增量，這在深空探測器中是無與倫比的。
不過黎明號並不是第一個使用離子推進發動機的探測器：NASA的深空1號探測器第一次把這個推進技術從科幻小說中帶向了現實世界，此後JAXA的隼鳥號、隼鳥2號使用的也是離子發動機。
（左）深空1號和（右）隼鳥和隼鳥2號使用離子推進發動機時的假想圖。來源：NASA，JAXA
第二站：亮斑、有機物、地下海…...
在離子推進器的幫助下，黎明號於2015年3月6日成功進入穀神星軌道。
穀神星是小行星帶中最大的天體（直徑約945千米），質量佔主帶小行星總質量的35%以上，同時還是小行星帶中唯一一顆矮行星。
（IAU）的定義，矮行星和行星一樣，都需要圍繞太陽公轉，也需要達到流體靜力學平衡（大致來說就是需要非常圓），兩者的唯一區別是矮行星沒能清空自身軌道，比如穀神星所在的軌道附近還有很多其他小行星，冥王星所在的軌道附近也有很多其他小天體，它們都不是這片軌道上唯一的王者。
全拜這個定義所賜，黎明號幸運地達成「第一顆探索矮行星的探測器」成就——比即將抵達冥王星的新視野號早了四個月。
進入穀神星軌道後的三年多時間裡，黎明號通過10次變軌，不斷把探測高度從1.35萬公里慢慢降至最近的35公里，對穀神星進行了全方位深入探測，也揭開了穀神星的諸多重要秘密。
圖：黎明號從2015年2月1日到2018年10月6日環繞穀神星（中間綠點）的軌道（粉色軌跡），後半段魔鬼一樣的步伐看得簡直停不下來23333。來源：維基by Phoenix7777，CC4.0
2015年初，當黎明號開始接近穀神星時，科學家們驚訝地發現穀神星上有兩個非常明顯的亮斑，而且，這兩個亮斑和之前哈勃望遠鏡中看到的亮斑位置並不一樣。哈勃沒有看到這兩個亮斑並不奇怪，畢竟黎明號發現的這兩個亮斑只有幾公里大，而哈勃望遠鏡的解析度卻有近百公里/像素。
這個亮斑因為位於之前穀神星的哈勃亮度圖裡的5號區域中，所以最初被稱為「5號亮斑」。
（左）哈勃望遠鏡2003年12月-2004年1月間拍攝的穀神星。（右）黎明號拍攝的穀神星，中間的兩個亮點就是神秘亮斑的位置。來源：NASA
隨著黎明號對穀神星的近距離深入探測，科學家們漸漸發現穀神星上完全不止這兩個亮斑…一共發現了約130個…而最早發現的「5號亮斑」因為位於Occator撞擊坑中，所以後來改稱為「Occator亮斑」，是穀神星上最亮的區域。
圖：黎明號發現的穀神星上約130個亮斑的位置（藍色區域），Occator撞擊坑中的亮斑時穀神星上最亮的，而第二亮的Oxo撞擊坑中的亮斑。來源：NASA
這個亮斑到底是什麼？隨著黎明號探測的深入，人們不斷推翻之前的推測。
最初有人認為是冰火山或者排氣作用的結果，後來又認為是水合硫酸鎂鹽礦物[5]…...2016年，黎明號的近紅外光譜數據表明Occator亮斑里含有大量的碳酸鈉鹽，很可能是因為近期的地質活動才從地下露出表面的[6]。
除了鹽類礦物，2017年初，黎明號的光譜儀還在穀神星表面多處發現了脂肪族有機物，最主要的富集地在Ernutet撞擊坑西邊邊緣[7]。
圖：穀神星上發現的脂肪族有機物，越淺說明含量越高。來源：參考文獻[7]
而且不同於乾燥的灶神星，穀神星上一點都不缺水（冰），揮發的水蒸氣還會產生微弱的大氣層。不僅如此，黎明號還在位於南半球中緯度區域的Juling撞擊坑（35°S, 168°E）邊緣觀察到了水冰的季節性變化[8]：冬季結冰，水冰增加，夏季揮發消融，水冰減少。
穀神星的內部也大有玄機。雖然和灶神星差不多古老的穀神星也早已「進化」出了分層結構，但不同於類地行星那樣的灶神星，穀神星更像外太陽系的冰衛星：它可能只有一個岩質的內核（而不是灶神星那樣的金屬內核）。黎明號的的重力探測數據顯示，穀神星的幔層主要是含水的岩石，而殼層則是岩石、水冰、各種鹽類和含水礦物的混合物——這些含水的岩石和礦物可能是遠古時候穀神星地下全球性海洋的遺迹，而且可能至今仍有一部分液態海洋沒有被凍結[9]。
近日根據黎明號觀測數據的最新研究成果還表明，穀神星的自轉軸也曾經經歷過劇烈的動蕩，它很可能和火星、木衛二、土衛二等行星一樣，都發生過自轉軸的重定向，也就是南北極的位置發生過很大的變化[10]。
第二次續命靠的是肼推進劑
動量輪是什麼？這是一種通過轉動來控制探測器姿態的裝置，通過充電保持轉動，從而保持某個方向上的穩定，功能有點類似陀螺儀，不過後者用於測量，而前者用於執行。現代航天器大多採用三軸穩定的方式，以我們熟悉的飛機為例，當飛機需要左右轉向（x軸）、左右翻滾（y軸）或上下俯仰（z軸）時，就需要分別調整對應方向上的姿態——也就是說，探測器最起碼需要三個動量輪才行。
前面我們說過，離子推進發動機是用來調整軌道的，因此黎明號並不總是需要離子發動機，尤其是在某個固定的軌道保持探測的時候，但動量輪則不然——觀測的時候，需要把對應的儀器瞄準目標區域；充電的時候，需要調整太陽能板的角度對準太陽，傳回信號的時候，需要把天線對準地球…而這些都會隨著探測器的位置和工作內容而不斷地改變。
一言以蔽之，如果工作的動量輪不足三個，那麼探測器雖然還是可以一直飛著，但是將無法探測、無法充電、無法傳回數據…emmm…
不過好在黎明號一共帶了4個動量輪。壞一個也沒事…
然後duang，第一個動量輪2010年6月就壞了[11]
探測灶神星的14個月里，一切順利。
2012年8月，當黎明號已經開始準備離開灶神星時，第二個動量輪壞了。
對於深空探測器，出了啥故障都要靠地球的指揮才能應對是不現實的，信號單程還要20多分鐘呢，黃花菜都涼了——所以深空探測器都很智能，或者說有自主應對突發事件的能力。
於是，機智的黎明號直接關掉了所有的動量輪，通過離子推進配合化學推進離開了灶神星軌道，而當故障信號傳回地球時，黎明號項目組也覺得這個應對非常明智，決定讓動量輪就這麼關著吧，反正路上用得著的時候也不多。
但問題是，只有兩個動量輪終究是不行的，何況剩下的兩個動量輪也早晚會在不久的將來壞掉。因為四個動量輪是一模一樣的設計，而同樣設計的動量輪在其他探測器上也陸續有故障發生…事實上，2005年時隼鳥號就是因為壞掉了2個動量輪而嚴重影響了觀測。
怎麼辦呢？
（N2H4，也叫聯氨）的傳統火箭推進劑，也可以用來調整姿態。於是黎明號項目組採用了「混合推進」模式，讓兩個動量輪配合肼推進劑一起工作——在這樣的狀態下對穀神星進行了長達3年的探測。
儘管遇到了動量輪的致命故障，但到2016年初，黎明號還是成功完成了所有預定目標，並在2016年6月中旬開始了擴展任務。
但如果再壞一個動量輪，那麼混合模式也沒啥用了。早在2010年，項目組就已經決定一旦第三個動量輪，就不再使用動量輪了。
因此當2017年4月第三個動量輪壞掉之後，第四個動量輪也被關掉了，而且再也沒有使用過。
烈士暮年，壯心不已
剛剛度過11歲生日（2018年9月27日）的黎明號正在不可避免地走向生命的盡頭，而這一切從2012年8月，第二個動量輪故障時就已經註定了。硬生生續了6年多的命，已經非常難得。
2018年6月，黎明號藉助離子推進器完成了最後一次變軌，進入了最終軌道XMO7[12]。這是一個大橢圓軌道，距離穀神星表面最近時只有35公里——黎明號要抓住最後一次機會，以前所未有的近距離探測穀神星的表面。
黎明號在最終軌道XMO7上近距離拍到的Occator亮斑的超清晰細節。來源： NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/Roman Tkachenko
這也是黎明號最後一次使用離子推進器——畢竟，等到肼推進器耗完了，留著離子推進器燃料也沒用啊。
2018年6月21日，黎明號關閉離子推進器。這片閃耀在小行星帶中的藍光永遠熄滅了。
圖：黎明號環繞穀神星的假想圖。來源：NASA
之後，黎明號將會在這個最終軌道上一直觀測到最後一刻，直到肼推進劑耗完為止。
神龜雖壽，終有盡時
11年，在平均設計壽命不超過36個月的Discovery項目里絕對算是長壽了。
只是，神龜雖壽，終有盡時。
當然，黎明號會嘗試自動修復這個問題，比如選擇用備用噴口代替主噴口，但這都是徒勞。
而當地面基站剛發現不能接收到信號時，也不會輕易放棄。因為這還不意味著黎明號已經油盡燈枯了，還可能是其他故障。地面深空網DSN還會花幾天時間來努力接收信號，直到確認收不到為止。
再然後，項目組會宣告任務終結，而黎明號會繼續在最終軌道上運行，雖然它已經永遠沉睡了。
圖：黎明號最後一階段的大橢圓軌道XMO7。虛線是之前軌道的最低高度。來源：NASA/JPL-Caltech
黎明號的最終軌道XMO7是項目組精心設計的距離穀神星最近的「安全軌道」，會保證黎明號在無法變軌的狀態下短期內不會撞上穀神星——以防不慎污染了這顆矮行星。
而人類會抓緊接這段時間來確認穀神星上是否真的具備維持生命的條件，甚至存在生命——比如再派出一艘探測器。
這個期限是20年。
在接下來的20年里，黎明號將會成為一座環繞在穀神星軌道上空的豐碑，等待新的地球訪客。
如果20年時間不夠，那還可以略微放寬到50年，曙光號在此期間仍有99%的概率會繼續環繞穀神星運轉，而不至於墜毀在它的表面。
不過，雖然目前還沒有重訪穀神星的計劃，但在太陽系的其他地方，另外兩顆小行星探測器，JAXA的隼鳥2號和NASA的OSIRIS-REx號已經順利開始了工作。
而在不遠的將來，NASA的小行星探測器Lucy和Psyche也將於2023年左右發射升空，開始屬於它們的奇幻旅程。
最後，如果想要更加深入了解黎明號十多年來的歷程的小夥伴們，向你們推薦NASA的《黎明號札記》（Dawn Journal）[13]。這是黎明號的項目主任兼總設計師Marc Rayman對黎明號歷程的記錄和感想，從2006年一直寫到現在，寫了上百篇。
簡單截取一段作為本文的結尾吧。
NASA | Dawn Journal[14]
簡要翻譯如下：
我熱愛與黎明號共處的這段工作時光（儘管它的探測目標甚至不是我最喜歡的）。我覺得黎明號真的非常酷，對此我相信你不會感到驚訝的。我為黎明號的成功感到開心，也並沒有對它的結束感到悲傷。但我真的對它能完成這麼多了不起的成就而激動不已。
在我研究生階段的時候，我的祖父去世了，當時我非常傷心。但當我和實驗室一名來自上海的科學家說到這件事的時候，他問我我的祖父多少歲了。在我告訴他我的祖父已經85歲了之後，這位睿智的紳士笑著對我說：「哦，你應該感到開心。」然後我立刻就意識到了。我當然應該感到開心——這說明我的祖父度過了一段這麼長的快樂人生！
而現在，輪到黎明號了。這顆探測器一路走來，克服了太多我們在設計和製造它的時候完全沒有想像到過的問題。它不僅超額完成了全部原定目標，而且在經歷了差點導致任務終結的重大事故之後，仍然取得了從沒有被想到過的重要成果。它帶給了我，以及無數人（我希望，其中也包括你）一場真正奇幻、激動人心又充滿發現的深空探險之旅。從任何意義上來說，黎明號都是一個非凡的成就。
[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
本文轉自微信公眾號：永結無情游相期邈雲漢（ID：haibaraemily_planets），作者：haibaraemily 。
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