露西號(hào)任務(wù)將要探訪太陽系最古老的一類天體——木星特洛伊小行星。這個(gè)任務(wù)將是NASA到目前為止探測(cè)目標(biāo)最多、也是目標(biāo)距離最遠(yuǎn)的“發(fā)現(xiàn)”級(jí)項(xiàng)目。我們將從此任務(wù)開始，在本系列中陸續(xù)介紹目前和過去的深空探測(cè)任務(wù)，展示人類星際征途的偉大篇章。本文作者徐璐媛博士是澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理教授，從事行星遙感和行星地質(zhì)學(xué)研究，并為科普雜志和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)撰行星天文科普文章。

專欄主持人：李薦揚(yáng)

首個(gè)木星特洛伊小行星探測(cè)器

露西號(hào)的探測(cè)目標(biāo)是一類特殊的小行星：木星特洛伊小行星。

我們較為熟悉的主帶小行星，聚集在火星和木星軌道之間的主小行星帶中。人們常以小行星帶為界，把太陽系劃分為“內(nèi)太陽系”和“外太陽系”，木星特洛伊小行星就聚集在外太陽系。它們和其他區(qū)域的小行星一樣環(huán)繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，唯一特別的地方在于：特洛伊小行星是和木星“綁定”著一同環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的，或者說，特洛伊小行星所聚居的群落幾乎和木星共享同一條運(yùn)行軌道。如此穩(wěn)固的“綁定”關(guān)系，背后是引力這雙無形的大手在支配著一切。

兩個(gè)有環(huán)繞關(guān)系的天體周邊有5個(gè)“平衡點(diǎn)”，在這些點(diǎn)附近，兩個(gè)天體的引力綜合影響可以達(dá)到平衡——這5個(gè)點(diǎn)被稱為“拉格朗日點(diǎn)”（L1～L5）。這里的“兩個(gè)天體”可以是太陽和地球（日地）、地球和月球（地月），太陽和木星（日木）等。

兩個(gè)天體（圖中以太陽和地球?yàn)槔┲苓叺?個(gè)拉格朗日點(diǎn)L1～L5

如果有第三個(gè)天體位于這些拉格朗日點(diǎn)上，則可以輕易與兩個(gè)天體保持幾乎相對(duì)靜止的位置，探測(cè)器就經(jīng)常利用這些“風(fēng)水寶地”。例如，太陽探測(cè)器SOHO位于日地拉格朗日L1點(diǎn)附近；韋布空間望遠(yuǎn)鏡被安置在日地L2點(diǎn)附近；我國嫦娥四號(hào)任務(wù)的通信中繼星鵲橋號(hào)，位于地月拉格朗日L2點(diǎn)附近，可以幫助月球背面的嫦娥四號(hào)保持和地球的通信。

木星特洛伊小行星群，則位于太陽和木星（日木）連線兩側(cè)各60°間隔外的拉格朗日L4和L5兩個(gè)平衡點(diǎn)附近，分為L4特洛伊小行星群和L5特洛伊小行星群兩個(gè)群體。

特洛伊小行星的名字來源于希臘神話中的特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)，分列在木星L4和L5的兩團(tuán)特洛伊小行星群也分別被稱為“希臘陣營(yíng)”和“特洛伊陣營(yíng)”，其中的小行星分別以各自陣營(yíng)中的英雄命名。僅有的兩個(gè)例外是，位于L4區(qū)域的小行星赫克托耳（Hektor）在神話中其實(shí)屬于特洛伊陣營(yíng)，而L5區(qū)域的雙星系統(tǒng)之一帕特羅克洛斯（Patroclus）在神話中其實(shí)屬于希臘陣營(yíng)——這兩顆小行星是在確定此命名規(guī)則之前被命名的。

事實(shí)上，特洛伊小行星并不是木星獨(dú)有的。其他不少行星，例如天王星和海王星，甚至火星和地球也有自己“綁定”的特洛伊小行星（群）。只不過，木星特洛伊小行星群是最早被發(fā)現(xiàn)且數(shù)目最龐大的一支，因此在沒有特別說明的情況下，“特洛伊小行星”常常專指木星特洛伊小行星。

但奔赴木星、去往外太陽系并不容易——距離太陽越遠(yuǎn)，探測(cè)器接收到的太陽能就越弱。應(yīng)對(duì)之法無非兩種：

1?? 改為采用核能供電，像旅行者號(hào)、卡西尼號(hào)、新視野號(hào)那樣；

2?? 讓太陽能電池板盡可能寬大，增加接收太陽能的面積，但這樣會(huì)增加探測(cè)器的重量。

露西號(hào)這樣的“發(fā)現(xiàn)”級(jí)（小型）任務(wù)，在有限的預(yù)算內(nèi)很難享受到使用核電池的“待遇”，所以只能選擇第二種方式。

露西號(hào)探測(cè)器的太陽能板異常巨大，每塊直徑7.3米，在完全打開時(shí)，探測(cè)器全長(zhǎng)可達(dá)15.8米。露西號(hào)也將打破距離太陽最遠(yuǎn)的太陽能探測(cè)器運(yùn)行紀(jì)錄。

露西號(hào)的太陽能電池板

露西號(hào)的計(jì)劃探訪目標(biāo)

露西號(hào)不僅是人類首個(gè)近距離探訪特洛伊小行星的探測(cè)器，而且不止探訪一顆。它在發(fā)射時(shí)計(jì)劃探訪6顆木星特洛伊小行星——?dú)W律巴忒斯（Eurybates）、波呂墨勒（Polymele）、琉刻斯（Leucus）、荷魯斯（Orus）、帕特羅克洛斯（Patroclus）和墨諾提俄斯（Menoetius），1顆特洛伊小行星的衛(wèi)星奎塔（Queta）和1顆主帶小行星唐納德約翰松（Donaldjohanson），創(chuàng)下一次任務(wù)中探索最多天體的紀(jì)錄。

這些小行星各有特色，展現(xiàn)了太陽系中豐富多彩的星球面貌。

行星科學(xué)家們常借助小行星反射陽光的差異（光譜類型）來區(qū)分它們的組成成分，例如C型小行星富含碳質(zhì)礦物，S型小行星主要由硅質(zhì)礦物構(gòu)成，M型小行星富含金屬，D型和P型小行星可能富含有機(jī)物。不同軌道位置的小行星常常有著不同的成分類型，例如S型小行星在主帶和近地小行星中十分常見，但在特洛伊小行星中卻很稀有。

但即使在軌道位置相似的特洛伊小行星中，也混合著D型、P型、C型等多種類型。例如，唐納德約翰松和歐律巴忒斯的光譜類型相同，但位置和大小都有很大差異；歐律巴忒斯和荷魯斯大小差不多，但光譜類型又不一樣……

這些“相似”和“不同”，會(huì)給各個(gè)小行星的演化帶來什么影響？明明都是太陽系早期的“邊角料”，現(xiàn)在也在差不多的軌道位置，為什么會(huì)有這么大差別？是它們?cè)拘纬捎诓煌奈恢茫髞肀荒拘且Σ东@困在了一起？或是因?yàn)樘栂翟缙诘木扌行沁w移，連帶著小行星們發(fā)生了“乾坤大挪移”？露西號(hào)的“星口考察”，可以幫助我們重新認(rèn)識(shí)太陽系早期動(dòng)蕩的歷史。

值得一提的是，露西號(hào)原本計(jì)劃探測(cè)的小天體數(shù)目只有7顆，但這個(gè)探訪列表還在不斷壯大。

在露西號(hào)決定探訪小行星歐律巴忒斯之后，哈勃望遠(yuǎn)鏡在這顆小行星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆直徑約1千米的衛(wèi)星，這顆小衛(wèi)星在2020年10月被命名為“奎塔”。

小行星有衛(wèi)星，這本來就很少見，還正好在露西號(hào)的既定探測(cè)軌跡上，那肯定不能放過。于是，露西號(hào)的探測(cè)計(jì)劃里順勢(shì)就加了1個(gè)探訪目標(biāo)。

露西號(hào)發(fā)射時(shí)計(jì)劃的8個(gè)探測(cè)目標(biāo)

前面說過，從前的特洛伊小天體通常以希臘神話特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)中的英雄命名，但因?yàn)樾⌒行翘?，這個(gè)命名規(guī)則已經(jīng)難以為繼了。根據(jù)國際天文聯(lián)合會(huì)（IAU）的新規(guī)定：絕對(duì)星等大于12的小型木星特洛伊天體將以奧林匹克運(yùn)動(dòng)員的名字命名。“奎塔”（Queta）就來自墨西哥田徑運(yùn)動(dòng)員恩里克塔·巴西利奧（Enriqueta Basilio），又叫做奎塔·巴西利奧（Queta Basilio），是奧運(yùn)史上首位點(diǎn)燃奧運(yùn)圣火的女性火炬手。

1968年墨西哥城夏季奧運(yùn)會(huì)上，奎塔·巴西利奧點(diǎn)燃奧運(yùn)圣火

如何在12年里探訪8顆小天體？

為了多去幾顆特洛伊小行星，露西號(hào)選擇了“飛掠”這種探測(cè)方式，像前輩旅行者號(hào)、新視野號(hào)一樣，不環(huán)繞任何一個(gè)探訪目標(biāo)做長(zhǎng)期駐留，而是只與每個(gè)目標(biāo)擦肩而過，利用短暫的接近時(shí)期完成科學(xué)探測(cè)和數(shù)據(jù)收集。

科學(xué)家們?yōu)槁段魈?hào)精心設(shè)計(jì)了一條復(fù)雜的飛行軌道。發(fā)射升空之后，露西號(hào)將先后探訪1顆主帶小行星，4顆位于日木L4區(qū)域的特洛伊小行星和1顆衛(wèi)星，以及2顆位于日木L5區(qū)域的特洛伊小行星。全程將3次飛掠地球獲得重力助推并完成5次大幅度的軌道深空機(jī)動(dòng)。

事實(shí)上，露西號(hào)會(huì)始終環(huán)繞太陽飛行，只是通過合理的行程規(guī)劃加上適時(shí)的軌道調(diào)整，探測(cè)器能恰到好處地與每個(gè)目標(biāo)相遇。

首先是主帶小行星唐納德約翰松。特洛伊小行星群與木星共軌，而從地球飛到木星軌道，必然會(huì)穿過主小行星帶。露西號(hào)將第一個(gè)探訪目標(biāo)定為位于主小行星帶中的1981EQ5。在確定成為露西號(hào)的探測(cè)目標(biāo)之后，這顆小行星在2018年被正式命名為“唐納德約翰松”。

露西號(hào)飛掠主帶小行星唐納德約翰松的飛行路線（藍(lán)色和橙色虛線）示意圖

此后，露西號(hào)會(huì)繼續(xù)向外太陽系飛行，直到2027年抵達(dá)木星軌道，此時(shí)剛好能與L4特洛伊小行星群相遇。露西號(hào)將在2027~2028年先后探訪這里的4顆特洛伊小行星歐律巴忒斯、波呂墨勒、琉刻斯和荷魯斯，以及歐律巴忒斯的衛(wèi)星奎塔。

露西號(hào)飛掠5顆位于日木L4的特洛伊小天體的飛行路線（藍(lán)色和橙色虛線）示意圖

更精妙的是，露西號(hào)完成L4區(qū)域探測(cè)之后，將離開木星軌道，沿著自己的大橢圓路線飛回內(nèi)太陽系，甚至回到地球附近再借個(gè)力。等到露西號(hào)再次沿著大橢圓路線飛到木星軌道時(shí)，已經(jīng)是2033年——木星和兩團(tuán)特洛伊小行星群已經(jīng)繞著太陽公轉(zhuǎn)了將近半圈，露西號(hào)不用費(fèi)太大力氣就能順勢(shì)飛入L5區(qū)域，探訪其中的2顆直徑100多千米的小行星帕特羅克洛斯和墨諾提俄斯，這也將是人類探測(cè)器首次造訪兩顆小行星大小相當(dāng)?shù)碾p星系統(tǒng)。

露西號(hào)飛掠2顆位于日木L5的特洛伊小天體的飛行路線（橙色和棕色虛線）示意圖

此時(shí)距離露西號(hào)從地球出發(fā)，已經(jīng)過去了近12年。如果那時(shí)候露西號(hào)還健康的話，它甚至還能繼續(xù)飛行，利用木星和特洛伊小行星群公轉(zhuǎn)周期的規(guī)律，在此后的千百年里，以6年為周期反復(fù)穿梭在L4和L5小行星群中。

從太陽看來，露西號(hào)只是“簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單”在繞著自己轉(zhuǎn)圈，而從木星的視角看來，露西號(hào)仿佛在太空中反反復(fù)復(fù)跳著炫酷的“8字舞”。

木星視角下的露西號(hào)飛行軌跡（綠線），白（歐律巴忒斯及其衛(wèi)星）、粉（波呂墨勒）、紅（琉刻斯和荷魯斯）以及橙色（帕特羅克洛斯-墨諾提俄斯雙星系統(tǒng)）小點(diǎn)是露西號(hào)計(jì)劃飛掠的小行星們。

露西號(hào)攜帶了哪些科學(xué)儀器奔赴太空？它又邂逅了哪些驚喜與“奇跡”？未來還有哪些對(duì)于深空的探索計(jì)劃？......答案盡在《科學(xué)世界》星際征途專欄！

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第2期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛