NASA露西探測器準備飛掠特洛伊小行星

編譯 米斛

2021年7月30日，埃米利?格拉利什（Emily Gramlich）在科羅拉多州柏克萊太空軍基地登上了一架軍用C-17運輸機。格拉利什是洛克希德?馬丁公司的測試工程師。他此前從未登上軍用運輸機。C-17運輸機看起來有點像一只吃太多的飛行鯊魚，因此，這架飛機提供伸腿的空間比商業飛機更大。但因為貨物占據了很多空間，所以在這架飛機里仍然需要節約每一寸空間。一架宇宙飛船放置在巨大的船運集裝箱中，從組裝地科羅拉多州運輸到佛羅里達州的肯尼迪宇航中心。這架飛船名叫“露西”（Lucy），它即將踏上更久遠的旅途：為期12年、途徑8顆不同的小行星。

露西將在10月16日開始的發射窗口發射升空，前往特洛伊小行星所在的地方。特洛伊小行星是一群在木星軌道上繞太陽運動的小行星，這些小行星分布在木星周圍，部分在木星前進方向的前面，部分在后面。從太陽系早期到現在的數十億年間，特洛伊小行星就一直在引力的作用下被束縛在木星軌道上。這些小行星就像太陽系遙遠部分的早期方式的定格，沒有任何宇宙飛船造訪過。

露西就像一架巨大的眼鏡：直徑24英尺的大致呈圓形的兩個巨大太陽能板固定在小得多的飛船上。這兩個太陽能板就像是戴著隱形眼鏡的大眼睛，由所有器材和通信設備的飛船部分相連接。這次任務由博爾德的西南研究所牽頭，于2017年被批準。在歷經幾年的設計、組裝、測試之后，發射工作在2020年8月由洛克希德?馬丁公司啟動。

從科羅拉多州前往佛羅里達州的發射地的旅途最為忙碌。在這趟旅途中，每半小時，格拉利什（負責測試露西）需要解開安全帶從座位上離開，記錄溫度和濕度，跟蹤船用集裝箱內部的環境，觀察宇宙飛船暴露在什么環境中。這個集裝箱（外觀看上去像《太空時代》的戰栗空間）其實是一個微小的無塵室。這個昵稱“卡西尼集裝箱”之前曾帶著另外8艘宇宙飛船穿越這個國家，其中包括同樣叫作“卡西尼”的土星探測器。

露西絕對體驗過比在巡航高度、在箱子中穿越半個大洲的旅途更糟糕的經歷。在洛克希德?馬丁公司位于丹佛郊外的設施里，工程師震動、加熱、冷卻這個探測器，并把模擬太陽光打在探測器上，從而確保它能夠應對宇宙和發射過程中的極端環境。他們測試了軟件的代碼，檢查了各個部件的電流。按照工程師的說法，所有系統組成了一個整體，所以，所有系統都被運往佛羅里達，在那里露西將按計劃在發射前通過最終測試。

格拉利什說：“前往其他行星的任務是一項充滿壓力的工作。”這樣的任務的發射窗口比發射人造地球衛星的窗口更窄。因此讓露西通過倒數第二項測試，并最終安全抵達肯尼迪航天中心趕上發射窗口是重要的里程碑。格拉利什說：“現在，在發射地點，有更加刺激的環節。”露西任務取名自1974年發現的人類祖先南方古猿的部分骨架化石。這個化石的發現改變了人類對自身起源和進化的認知。這個研究組希望這架宇宙飛船將通過了解太陽系的星辰和演化，對行星科學做出巨大貢獻，就像露西的骨架之于古人類學一樣。

在太陽系剛形成時，太陽周圍環繞著由碎片組成的扁平狀塵埃盤。大的巖石塊和小的塵埃逐漸堆積在一起，越來越大并最終成長為現在我們看到的整齊的行星。小行星則是這個過程中被舍棄的材料。NASA露西項目的科學家湯姆?斯塔特勒（Tom Statler）說：“小行星是行星形成之前就存在并保留到現在的小碎片。”

他把小行星研究比作金字塔研究，如果金字塔本身是木星、土星、天王星和海王星，那么特洛伊小行星就是組成它們的材料。通過研究建造完成的金字塔并不能讓我們了解足夠多的信息，我們需要通過尋找廢棄工地來探尋有關它們起源的信息。斯塔特勒說：“這些最終形成特洛伊小行星的天體都在外太陽系形成，后來移動并停留在它們現在所在的位置。它們就是一些本該清除但仍留在那里的天體。”

即使地球是一顆巖石行星而不是氣態巨行星，研究這些位于外側的行星仍將為我們提供很多關于太陽系形成的信息。斯塔特勒說：“在太陽系形成的過程中，太陽系的空間逐漸被打掃干凈，因此不再單獨形成新的行星。地球的演化和太陽系的演化密不可分，因此，為了了解地球，我們需要了解其他行星是如何形成和演化的。”

露西主要攜帶三個設備：L’LORRI、L’TES 和 L’Ralph。L’的前綴表示這些設備屬于露西任務。這些設備都是基于之前其他探測器的設備設計。LORRI和Ralph是冥王星和柯伊伯帶探測器“新地平線”號所攜帶。西南研究所太空任務部副主管米歇爾?文森特（Michael Vincent）說：“L’LORRI的意思是‘露西?洛里’。”OTES是探索本努（Bennu）小行星的OSIRIS-Rex探測器的一部分，部分來自先前探索火星的軌道探測器上被稱為TES的設備。文森特說：“我們需要堅持克服我們已知的困難。”

L’LORRI本質上是一個神奇的相機，其清晰度很高，能夠在600英里外拍到200英尺的坑。通過給這些坑定位，我們能了解這個小行星的過去。這個相機也能觀察光環和衛星，并能把露西導航到目標小行星去。畢竟小行星在遙遠的位置只能看到一個小點，在這些小點中確定航向的目標并不是一件容易的事情。文森特說：“這些天體在其軌道上并不是很大，并且我們要加速。”

L’TES類似于非接觸式溫度計，就像平時用于新冠篩查的那種溫度計。但這個設備不是對著額頭，而是對著小行星上的點，通過測量這個點輻射的紅外線來采集溫度數據。文森特說：“通過反復掃描小行星表面一段時間后，我們就能制作小行星的整體圖像。”他們的目標是測量“熱慣量”，也就是小行星不同部分升溫或降溫的快慢。這個數據能夠反映小行星的物質構成。例如：沙子和巖石儲存熱量的能力是不同的，在日落的海灘漫步時，你就會注意到這一點。

最后一個設備L’Ralph包括兩個子設備。一個用于分析紅外線的設備叫LEISA。像分析指紋一樣，它會通過分析紅外線波長特征來尋找對應的物質，比方說，水和甲醇就有不同的紅外線波長特征。通過這種方法我們可以區分小行星上的巖石、冰、有機物和含水的礦物。另一個五色相機叫作MVIC，可以拍攝從紫外到近紅外波長范圍的光，這個波長范圍包括了全部的可見光。不同的顏色能夠反映出小行星的物質組成。比方說像層狀硅酸鹽這樣含水的礦物是紅色的，而含硫酸鐵的礦物隕硫鐵則是紫色的。

西南研究所的卡里?霍韋特（Carly Howett）是負責L’Ralph設備的科學家。一般來說，紅色是她最喜歡的光，因為紅光比其他光更亮，能展現更多細節。她說：“如果我們在紫色波段發現小行星的活動并且紫色光亮了起來，那紫色可能成為我喜歡的新顏色。”但不論圖像最終是什么樣的，她都十分期待目睹這些人類從未觀察過的小行星的樣子。她說：“第一次看到新事物永遠不會過時。”

但露西需要很長時間才能抵達這些小行星，原因是這些小行星所漂浮的氣態巨行星被稱為“外行星”。在前往那里之前，露西會兩次飛掠地球來進行兩次引力助攻。格拉利什正期待這樣的時刻，分別在2022年和2024年，那時這架飛船將圍繞地球快速彈起。和格拉利什一樣的人將能夠抬頭看到他們設計、建造、測試的宇宙飛船及其點火發射。

發射后第四年，露西將飛掠名為“唐納德?約翰遜”的非特洛伊小行星。露西將在那時進行一系列測試。在這個中段目標點完成測試后，露西將在之后的兩年里繼續她的旅途，直到其最終抵達特洛伊小行星所在的位置。露西會先花費一年多的時間來觀察5顆位于木星前方的特洛伊小行星。這5顆小行星直徑最小的只有半英里，最大的有40英里。所有小行星都將通過飛掠的方式進行觀測。露西的組裝、測試和發射行動主管克里?普里庫爾（Cory Prykull）說：“飛船將飛掠這些小行星，就像從手指間穿過一樣；我們沒有登陸這些小行星的計劃。”

完成這5顆小行星的飛掠之后，露西將完成令人驚奇的轉彎：轉向地球。露西將會返回地球，在地球引力的作用下繞地球一周，沖向在木星后方的另一群特洛伊小行星。對于我們來說，露西似乎就像空中劃過的一道光，回到我們身邊然后永遠離開我們，飛向人類從未靠近的遙遠地方。返回地球，再回到特洛伊小行星將耗費超過4年的時間。

當露西回到太陽系外行星所在的位置時，這架飛船還有最后一項任務要完成。2033年，當露西抵達位于木星后方的特洛伊小行星時，她將遇到一對直徑分別為70英里和65英里小行星雙星。露西將在完成其他任務之后飛掠這對小行星。通過這一計劃，科學家可以比較位于木星前方和后方的特洛伊小行星的數據。在飛掠這對小行星雙星之后，露西將完成她的基本任務，停留在位于特洛伊小行星的穩定軌道上。

或許有人會問：“為什么要花這么多時間前往這么多的目標小行星，它們不都是巖石嗎？”對于這一疑問，解答的關鍵點在于多樣性。就像斯塔特勒所說：“沒有一顆小行星只是‘另一顆小行星’。”

在任務過程中，露西將從會合點使用高增益天線向地球傳回圖像和數據。但考慮到露西與最后一顆小行星見面要到2033年，至少需要在飛船發射后的第12年，完整的數據才能傳回地球，這項任務的副主任研究員卡西?奧爾金（Cathy Olkin）說：“在研究外太陽系時，你必須足夠耐心。”

隨著露西降落在機場，這架飛船正在經歷最后的檢查。在8月的第一周，露西團隊經受了一次“行動準備情況檢查”。奧爾金說這項檢查意味著“坐在操作臺前，準備和假裝正在實際發射。我們需要預演所有可能發生的情況”。

隨后，工程師檢查每一根導線來確認：電流是否正常，電腦和設備是否能夠像裝箱之前那樣工作。這是格拉利什的特長。格拉利什說：“我喜歡這個測試，因為我們需要同時打開所有器件。”測試結果表明：飛船上所有的儀器部件都符合設計的要求。

接下來露西將接受最終的通信測試，從而確保飛船能夠傳回數據并接收地球發出的指令。在一些環節中，檢測團隊會把一束強光打在探測器背面，來確保散射的光子不會進入不該進入的地方甚至干擾儀器工作。

隨著發射的臨近，露西被放置在火箭的最上方。格拉利什和他的團隊將會最后一次進行電子設備測試。所有設備的封裝會被撤下，而這架飛船將經受最后一次檢查。之后露西會被啟動和準備發射。格拉利什說：“當這架宇宙飛船離開地面時，我們測試團隊才能松口氣。”

資料來源Wired