從灶神星飛往谷神星

□ 編譯 謝 懿

從灶神星飛往谷神星

□ 編譯 謝 懿

圖片來(lái)自Wikipedia

曾環(huán)繞灶神星的曙光探測(cè)器正在飛向谷神星。這兩顆天體可能代表著太空碎石和宜居行星之間缺失的環(huán)節(jié)。

一開(kāi)始，太陽(yáng)系只是太陽(yáng)星云——一個(gè)由氣體和塵埃組成的坍縮物質(zhì)盤，在圍繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)星云中，粒子隨機(jī)相互撞擊并粘合在一起。之后，這一碰撞過(guò)程會(huì)繼續(xù)，就像滾雪球一樣越長(zhǎng)越大。隨著它們的生長(zhǎng)，它們的引力也會(huì)增大。當(dāng)它們的尺寸到達(dá)千米大小時(shí)，就會(huì)變成“星子”。星子會(huì)吸引周邊的物質(zhì)向它們靠攏。這會(huì)引發(fā)更大規(guī)模的碰撞，進(jìn)而形成更大的個(gè)體。太陽(yáng)系中的小型個(gè)體逐漸組合成了行星的胚胎，被稱為原行星。其中一些會(huì)生長(zhǎng)發(fā)育成真正的行星，亦如我們今天所看到的。

但它們中的大多數(shù)卻沒(méi)這么幸運(yùn)。隨著木星的生長(zhǎng)，它會(huì)從較小的原行星那里竊取物質(zhì)。這會(huì)使得碰撞發(fā)生的頻次降低，斷然抑制了其他原行星的發(fā)育。

這些尚不成熟的天體——從塵埃顆粒到矮行星——在數(shù)量上極為巨大?？梢匝由斓骄嚯x太陽(yáng)超過(guò)1光年的地方，奧爾特云——長(zhǎng)周期彗星的發(fā)源地——包含有數(shù)萬(wàn)億個(gè)天體，它們都是被巨行星的引力散射到那里的。位于海王星軌道之外的柯伊伯帶則包含有1,000多個(gè)已知的冰質(zhì)天體。在小行星帶中大約已知440,000顆小行星，其總數(shù)則可能以百萬(wàn)計(jì)?？傊?，太陽(yáng)系中充滿了體型較大的天體。它們既不是行星，也不是未經(jīng)雕琢的原始物質(zhì)。其中就包含了谷神星和灶神星，它們可以稱得上是行星的落選者。

在太陽(yáng)系開(kāi)始形成之后僅幾百萬(wàn)年，谷神星和灶神星就已成形。它們都是太陽(yáng)系早期的化石，讓科學(xué)家們可以直接看到它的發(fā)育階段，否則只能通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。灶神星上有一座22千米高的山以及比地球上任何的山谷都更深邃的山谷。目前只有模糊影像的谷神星可能也有著類似的極端地貌。它們加在一起占據(jù)了小行星帶總質(zhì)量的三分之一。

美國(guó)宇航局的曙光任務(wù)有著一段漫長(zhǎng)的征程，它的目標(biāo)是探訪谷神星和灶神星。發(fā)射于2007年，“曙光”花了4年的時(shí)間才抵達(dá)灶神星。在近14個(gè)月的時(shí)間里，“曙光”一直在圍繞灶神星做軌道飛行，期間拍攝了大量高分辨率的圖像?？茖W(xué)家們正在使用它們來(lái)在“紛飛的塵埃盤”和“當(dāng)前的太陽(yáng)系”之間架起橋梁。2012年9月5日，它再次啟程，前往谷神星。結(jié)合對(duì)灶神星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，“曙光”對(duì)谷神星的研究將幫助天文學(xué)家們解釋巖質(zhì)行星是如何形成的以及它們是如何獲得生命所必需的水分的。

“曙光”所獲得的灶神星南北半球地貌。不同的顏色代表了距其中心的距離：紫色較近，紅色較遠(yuǎn)。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/UCAL/MPS/DLR/IDA/PSI。

“曙光”拍攝的灶神星上兩座大型環(huán)形山的圖像。其中綠色的區(qū)域主要由富含鎂和鐵的硅酸鹽礦物組成，藍(lán)色的區(qū)域則相比紅色的區(qū)域含有更多的富碳水合礦物。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/JHUAPL。

任務(wù)動(dòng)機(jī)

三塊隕石的切片，它們已被“曙光”證實(shí)來(lái)自灶神星。版權(quán)：University of Tennessee。

在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小行星、原行星和矮行星中，科學(xué)家們選中谷神星和灶神星是有原因的。它們的大小意味著它們?cè)诔砷L(zhǎng)為行星的道路上比其他的小行星走得更遠(yuǎn)。和柯伊伯帶天體比起來(lái)，它們距離我們相對(duì)較近。此外，也許最有意思的一點(diǎn)是，它們之間有著鮮明的反差。

谷神星是一顆原始的冰質(zhì)矮行星，而灶神星則是一顆干燥的小行星。灶神星曾遭受過(guò)撞擊且被熔巖海所包裹。如果它們都形成于小行星帶內(nèi)，為什么最終的結(jié)果會(huì)如此大相徑庭？它們之間的差異也折射出了某些行星和衛(wèi)星之間的不同。天文學(xué)家們已經(jīng)對(duì)巖質(zhì)類地行星和外太陽(yáng)系中的冰質(zhì)衛(wèi)星有了許多了解，但他們并不知道任何介于這兩者之間的過(guò)渡類型。

“曙光”的主要目的是更多地了解太陽(yáng)系中的生命之水以及它們是如何出現(xiàn)在地球上的。科學(xué)家們并不清楚小行星和矮行星中含有多少水、這些水是何時(shí)出現(xiàn)的，抑或水又是如何從一顆小行星轉(zhuǎn)移到另一顆行星上的。天文學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為，谷神星富含水，而灶神星則缺乏水。不過(guò)，灶神星上的水含量并沒(méi)有之前想象的那么匱乏。這些水的來(lái)源以及它們?cè)谌绱寺L(zhǎng)的時(shí)間里是如何保存的，對(duì)于了解小行星帶乃至類地行星都是極為重要的。

研究水的起源、保存和轉(zhuǎn)移是“曙光”任務(wù)的核心，這從根本上將會(huì)回答一個(gè)重要的問(wèn)題：太陽(yáng)系是如何演化成一個(gè)我們可以生存的地方的？

一覽灶神星

“曙光”從地球啟程，花了4年時(shí)間前往直徑525千米的灶神星，其間借助火星的引力助推將其送往目的地。

曙光探測(cè)器攜帶了3臺(tái)科學(xué)儀器。分幅照相機(jī)——連接有電荷耦合器件的折射光學(xué)系統(tǒng)——既用于科學(xué)研究也用于導(dǎo)航：對(duì)灶神星和谷神星進(jìn)行觀測(cè)，確定自身的航向。另一臺(tái)是γ射線和中子探測(cè)器，它可以“嗅”出構(gòu)成巖石中的元素（例如，硅）、放射性元素和水。此外，“曙光”上的可見(jiàn)光和紅外分光儀也用來(lái)探測(cè)物質(zhì)的成分。它會(huì)搜尋小行星表面不同的原子和化合物，測(cè)定每一種物質(zhì)的分布。

做出顛覆性發(fā)現(xiàn)的是能夠探測(cè)出氫的儀器。盡管科學(xué)家們相信灶神星缺乏水，但“曙光”卻探測(cè)到了其表面上水合礦物——含有水分子的化合物——的信號(hào)。此外，它還發(fā)現(xiàn)了有地下冰存在的證據(jù)。灶神星表面上的這些水分也許能為破解太陽(yáng)系中其他的水疑難問(wèn)題提供線索，因?yàn)樾纬蛇@些物質(zhì)的機(jī)制可能也主導(dǎo)了水向內(nèi)太陽(yáng)系的輸運(yùn)。如果搞清楚了灶神星上的水是從何而來(lái)的，興許地球上水的起源也就隨之迎刃而解了。類似于兄弟姐妹，盡管有著不同的發(fā)色、身高和體重，但地球和灶神星卻是在相同的環(huán)境中成長(zhǎng)的。

要回答水是“如何”來(lái)的，它從本質(zhì)上與水是“何時(shí)”來(lái)的緊密相連。通過(guò)綜合地球上以及“曙光”的觀測(cè)，科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)“何時(shí)”有了一些了解?！笆锕狻睆牡厍蚯巴钌裥牵钌裥堑哪承┎糠忠惨训诌_(dá)了地球。長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家們一直認(rèn)為，一種常見(jiàn)的隕石——古銅鈣長(zhǎng)無(wú)球粒-鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)-奧長(zhǎng)古銅無(wú)球粒隕石，簡(jiǎn)稱HED隕石——起源自灶神星。灶神星的南極就像是被咬掉了巨大的一塊，科學(xué)家們推測(cè)如果把所有的HED隕石收集起來(lái)應(yīng)該正好能填平這座環(huán)形山。灶神星缺失的這一部分直徑505千米，約占其質(zhì)量的1%。從這座環(huán)形山山壁的頂端到其底部，長(zhǎng)約22千米——比珠穆朗瑪峰的高度值還多約14千米。

火星、水星、月亮以及灶神星和谷神星之間的大小比較。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/UCLA。

太空碎片

灶神星的這座環(huán)形山嵌在另一座更為年老的環(huán)形山之中。它們都是因?yàn)樵钌裥窃馐茏矒舳纬傻?。由于灶神星本身很大且密度較高，因此在這些撞擊中它并沒(méi)有和撞擊體合而為一。相反，撞擊產(chǎn)生了巨大的環(huán)形山和撞擊紋，后者就像把石頭扔入水中所泛起的漣漪。同時(shí)，有大量的巖石被濺射入太空，體積約有210萬(wàn)立方千米。

其中一些最終會(huì)掉到地球上，科學(xué)家們相信HED隕石就是來(lái)源于此。它們?cè)嫉某煞职凳?，類似于灶神星本身，這些碎片似乎在太陽(yáng)星云開(kāi)始凝結(jié)之后就已形成。“曙光”對(duì)灶神星的探測(cè)表明，其成分與HED隕石的成分相一致。

HED隕石的組成——亦如其名——告訴科學(xué)家，它們所形成的地方必定是分層的或者像行星那樣是分化的。在“曙光”之前，地質(zhì)學(xué)家們推測(cè)，灶神星上較重的鐵下沉進(jìn)入了其核心，形成了由橄欖石組成的地幔、由奧長(zhǎng)古銅無(wú)球粒巖構(gòu)成的地殼以及散布在地殼之上的鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖。“曙光”對(duì)HED隕石和灶神星之間關(guān)系的確認(rèn)佐證了這一模型的正確性。

灶神星南極的巨大環(huán)形山，這里是地球上HED隕石的發(fā)源地。下圖中不同的顏色代表了不同的高度。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI。

撞擊事件也會(huì)改變?cè)钌裥堑耐饷病！笆锕狻钡膱D像顯示，灶神星上布滿了大大小小的環(huán)形山。這些環(huán)形山的年齡相差很大，表明撞擊過(guò)程遍及太陽(yáng)系的整個(gè)歷史進(jìn)程。

當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，來(lái)自灶神星內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)與撞擊體的物質(zhì)相結(jié)合，濺射到其表面之上。在碰撞過(guò)程中，被鎖住的水冰會(huì)升溫，直接升華成氣體，由此一些隕擊坑會(huì)特別深。歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間地重復(fù)這一過(guò)程，灶神星的整個(gè)表面已經(jīng)被濺射物所覆蓋，其厚度在100米到幾千米之間。在如此大規(guī)模的外來(lái)“打擊”之下，灶神星是唯一一顆幸存下來(lái)的小行星，因此也是唯一一顆有著“新鮮”外表的小行星。

灶神星表皮檢查

不過(guò)，“曙光”的觀測(cè)表明，灶神星新鮮的“表皮”并非均一而蒼白。在它的表面上分布著淺色和深色區(qū)域以及縱橫交錯(cuò)的條紋?？茖W(xué)家們認(rèn)為，在環(huán)形山周圍的輻射紋中，物質(zhì)的顏色越淺，其年齡越小?！笆锕狻鄙峡梢?jiàn)光和紅外分光儀的觀測(cè)顯示，遍布灶神星的黑色物質(zhì)含有大量的碳。由于不與任何地質(zhì)結(jié)構(gòu)成協(xié)，因此它們有可能是如降雨一般落到其表面上的。

在灶神星表面上，哪里有黑色的物質(zhì)——與碳質(zhì)球粒隕石相符，一些科學(xué)家認(rèn)為是它們率先把水帶到了地球上——哪里就富含水。如果碳質(zhì)球粒隕石擊中灶神星，留下了它們的黑色物質(zhì)和水，那么同樣的過(guò)程也可能發(fā)生在地球身上。有意思的是，HED隕石沒(méi)有顯現(xiàn)出任何水或者是其他化合物的蹤跡。這意味著這些分子必定是在造就HED隕石的大沖撞發(fā)生之后才出現(xiàn)，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)與地球上的相吻合。

根據(jù)這些新的結(jié)果，相比其他小行星，灶神星在地質(zhì)學(xué)上更像月球和巖質(zhì)的行星。它更接近一顆較小的行星，而不是一顆較大的小行星。即便在“曙光”抵達(dá)它前，灶神星已被有些人稱為“最小的行星”。事實(shí)上，單看“曙光”所獲得的近距離圖像，你極有可能把它們誤認(rèn)為火星上的地貌或者地球上的非洲大裂谷。這些結(jié)構(gòu)表明，灶神星上曾經(jīng)有流淌的水，它們?cè)谒茉炝诉@些構(gòu)造之后蒸發(fā)殆盡了。

太空漫游

即使在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之下谷神星（左）和灶神星（右）仍是模糊不清的兩個(gè)小天體。版權(quán)：NASA/ESA/ HST。

在部分回答了有關(guān)灶神星的分化、含水量以及地質(zhì)學(xué)的回答之后，“曙光”與這顆原行星分道揚(yáng)鑣，其離子推進(jìn)系統(tǒng)把它送入了太陽(yáng)系中更遙遠(yuǎn)的地方。最終，它會(huì)與谷神星相遇。

2015年3月當(dāng)“曙光”抵達(dá)谷神星之際，它會(huì)圍繞這顆矮行星轉(zhuǎn)動(dòng)11個(gè)月。期間，它會(huì)慢慢地靠近谷神星。一開(kāi)始，它的軌道距谷神星表面約5,900千米，2015年8月它將下降到1,480千米。到2015年11月，“曙光”則會(huì)進(jìn)一步下降到距離谷神星表面370千米處。

在如此近的距離上，“曙光”將獲得這顆直徑950千米的矮行星前所未有的高分辨率影像。目前科學(xué)家們所拍攝的谷神星最佳圖像仍然模糊不清。盡管谷神星較大且可以直接觀測(cè)，但它到太陽(yáng)的距離達(dá)到了4.19億千米，這使得拍攝它的精細(xì)圖像并非易事。雖然科學(xué)家們對(duì)它充滿了興趣，但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)很少，只知道它很大，顏色較黑。

通過(guò)所能收集到的這一點(diǎn)點(diǎn)信息，科學(xué)家們知道其質(zhì)量已足夠大，在引力的作用下它可以形成一個(gè)球體——就像行星和大型的衛(wèi)星一樣。這一球形使得谷神星與冥王星一樣隸屬于矮行星的行列。

如天文學(xué)家們從地球上所了解到的，谷神星富含水。光譜分析顯示，在它多塵的表面之上擁有水合礦物，而其較低的密度則表明它的地幔主要由水冰構(gòu)成。如果真是如此，那谷神星將成為擁有冰質(zhì)殼層的天體中最靠近太陽(yáng)的一個(gè)，同時(shí)它也因此成為了介于內(nèi)太陽(yáng)系巖質(zhì)天體和外太陽(yáng)系冰質(zhì)/氣態(tài)天體之間的過(guò)渡類型。它可以告訴我們，為什么地球與木星附近及其之外的天體會(huì)有所不同。

然而，不入虎穴，焉得虎子。這顆特殊的矮行星并沒(méi)有濺射出任何物質(zhì)。落到地球上的隕石都起源自小行星帶，但卻沒(méi)有一塊被確認(rèn)是來(lái)自谷神星的。相比于它的鄰居灶神星——地球上已知的每16塊隕石中就有一塊來(lái)自它，谷神星很好地隱藏了它的秘密。

相對(duì)于地球上的望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)，距其近得多的“曙光”不僅將告訴我們谷神星上蘊(yùn)藏有多少水，它還能探測(cè)出這些水在哪兒，哪里還有其他的揮發(fā)性物質(zhì)。通過(guò)這些成分，科學(xué)家們將能夠搞清楚，在太陽(yáng)系歷史的早期生命所需的水和有機(jī)碳化合物是如何出現(xiàn)在巖質(zhì)天體上的以及它們之后又是如何演化的。

“曙光”的主要目標(biāo)之一就是去探測(cè)谷神星冰質(zhì)的殼層之下是否存在一個(gè)液態(tài)的海洋。這對(duì)于太陽(yáng)系形成的各種模型和天體生物學(xué)研究來(lái)說(shuō)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。除此之外，科學(xué)家們還打算靜觀其變。沒(méi)有人知道在谷神星的表面上會(huì)看到些什么。那里會(huì)有熱液活動(dòng)嗎？它是否會(huì)有一個(gè)稀薄的大氣層？谷神星有著什么樣的地下結(jié)構(gòu)？

無(wú)疑，這些以及其他更多的問(wèn)題都需要留待“曙光”抵達(dá)之后才能回答。這些問(wèn)題的答案將會(huì)描繪出谷神星以及太陽(yáng)系和地球的過(guò)往歷史。我們的太陽(yáng)系是一個(gè)包含有行星、衛(wèi)星、小天體和各種物質(zhì)的復(fù)雜系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)還承載著生命。如果想知道生命是如何起源的，那就必須先了解我們身處的環(huán)境。地球是太陽(yáng)系的一部分，因而也是這一環(huán)境的一部分。

就像原行星可以告訴我們行星的過(guò)去一樣，我們的太陽(yáng)系也能幫助科學(xué)家們了解其他天體系統(tǒng)的歷史，從它們是如何形成的到它們是否可以承載生命?，F(xiàn)在，人類有史以來(lái)第一次可以去探測(cè)圍繞其他恒星的行星系統(tǒng)，但這其中充滿了各種各樣的猜測(cè)。太陽(yáng)系是唯一一個(gè)可以實(shí)地檢驗(yàn)我們各種想法的地方。

乍看之下，類似“曙光”這樣的任務(wù)所能涵蓋的范圍十分有限——只探測(cè)谷神星和灶神星。但它們其實(shí)具有極強(qiáng)的代表性?！笆锕狻辈粌H正在改變我們對(duì)谷神星和灶神星的認(rèn)識(shí)，它還在改變我們對(duì)更大的宇宙的了解。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）