□ 問 天

行星科學與深空探測（三）
——太陽系小天體研究和行星深空探測的國際現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

□ 問 天

歐空局的“火星快車號”探測器（Mars Express）

小行星和彗星研究

小行星和彗星是45億年前太陽系形成時遺留的原始殘骸，包含著太陽系早期的物理和化學信息，對研究太陽系起源和行星系統(tǒng)形成具有重要科學意義，同時精密確定其軌道動力學演化又是目前空間環(huán)境和地球安全方面的重要現(xiàn)實需求。小行星和彗星主要分布在火星與木星軌道之間及海王星軌道之外，特別是20世紀90年代起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的位于海王星軌道之外的柯伊伯帶小天體，到目前已經(jīng)達到1300余顆，對揭示太陽系大行星的軌道遷移歷史提供了一個新的樣本，同時柯伊伯帶也是短周期彗星的來源地。

潛在威脅天體

太陽系內小天體在軌道運行過程中，有機會和地球交會的近地天體（Near Earth Object，NEO）能夠來到地球附近，甚至與地球相撞，其中那些直徑在200米以上且今后200年內將到達距離地球750萬千米以內的小天體，對地球威脅最大，它們被稱為“潛在威脅天體”（Potential Hazardous Objects，PHO）。這類天體總數(shù)估計在幾萬顆以上，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的不到1000顆。

科學家研究發(fā)現(xiàn)，直徑大于200米的近地天體撞擊地球的事件平均每47000年發(fā)生一次。近年來也多次發(fā)現(xiàn)小行星在月球距離或更近的距離上掠過地球，目前已知的碰撞危險程度最高的3顆小行星是2004VD17、2004MN4和1997XR2，不過仍需要更多的觀測資料來改進它們的軌道，并進行更高精度的危險評估。

彗星或小行星瓦解噴發(fā)出來的流星體也同樣會造成航天器的損壞。例如，在英仙座流星雨期間，和平號（Mir-1）空間站的太陽能帆板被流星體撞擊損壞；歐洲空間局的Olympus衛(wèi)星失蹤也是英仙座流星雨撞擊的結果。1998年11月18日，為躲避可能出現(xiàn)的獅子座流星暴，我國航天部門也對正在運行的航天器采取了保護措施。

圖1 2013年11月21日拍攝的ison彗星

小行星和彗星的探測與危險評估

從多方面看，地球是太陽系內一顆特殊的行星，與其在物質性態(tài)和結構方面類似的大行星還有水星、金星和火星，通常將它們一起稱為類地行星。研究其他類地行星，有助于人們從更寬的角度認識地球。例如，通過類地行星的比較研究，可以加深對地球大氣環(huán)流產(chǎn)生和維持機制的認識；反之，地球是人類觀測和研究最深入的類地行星，研究地球形成的科學理論和方法可以用于其他類地行星的研究。

行星形成和演化與其所處的空間環(huán)境密切相關，例如，行星際分子和塵埃含量會直接影響到行星形成問題，行星際磁場變化也會直接影響到行星內部磁場結構的反演結果；相反地，行星內部磁場變化將對行星磁層形態(tài)產(chǎn)生直接影響，行星磁層是地球科學和空間科學的重要內容。所以，行星科學與地球科學和空間科學關系密切，它們之間可以相互促進、共同發(fā)展。

對近地小天體的空間探測

對近地小天體的探測，除了基于地面設備外，目前國際上也實施了一些深空探測計劃，如美國的近地小行星探測器（Near Earth Asteroid Rendezvous，NEAR）項目的探測目標（433）Eros是一個阿莫爾（Amor）型近地小行星，日本隼鳥號（Hayabusa）項目的探測目標（25143）Ikotawa不僅是阿波羅（Apollo）型近地小行星，還是一個對地球構成潛在威脅的天體（PHO）。目前，更高精度觀測設備和更多觀測時間投入是近地小天體探測研究的核心問題，由此可以確定更精密的軌道，為其撞擊地球的危險性評估提供更可靠的依據(jù)。

圖2 直徑達18千米的951Gaspra小行星，伽利略號探測器拍攝

行星深空探測

國際上，目前擁有龐大的從事行星深空探測的工程技術和研究人員，主要分布在美國、歐洲、俄羅斯、中國和日本等幾個航空航天大國。從20世紀60年代，人類開始利用空間飛行器對月球和太陽系其他行星進行探測。到目前為止，以美國宇航局為代表的國際航空航天組織或機構先后實施了多個深空探測計劃，這些計劃基本涵蓋了太陽系內各類天體：行星、衛(wèi)星、小行星和彗星等。特別是每顆行星均有探測器到達過，還有探測器在月球和火星上成功著落并開展有效的探測工作。下面給出幾個具有代表性的深空探測計劃及其探測結果。

“火星環(huán)球勘測者號”探測器

美國宇航局（NASA）于1996年11月7日發(fā)射“火星環(huán)球勘測者號”探測器（Mars Global Surveyor），1997年9月11日該探測器進入火星軌道，2006年11月2日結束工作。主要科學探測目標是：火星上是否有水或生命跡象，火星的氣候特征，火星的地質特征，為未來人類登陸做準備。該探測器于2001年完成火星地質地貌圖，建立了精度更高的重力場模型，通過地表物質變化的觀測與比對推測了火星氣候變化特征。根據(jù)觀測資料推斷，火星可能存在一個液體的核。

圖3 “火星環(huán)球勘測者號”探測器（Mars Global Surveyor）

“火星探路者號”探測器

圖4 “火星探路者號”探測器（Mars Pathfinder）

美國宇航局（NASA）于1996年12月4日發(fā)射“火星探路者號”探測器（Mars Pathfinder），1997年7月4日該探測器在火星上著落，它攜帶的“索杰納號火星車”是人類送往火星的第一部火星車。主要科學探測目標：探測器進入大氣層過程探測，近距離和遠距離地表圖像獲取。該探測器發(fā)回了16000余幅探測器著落圖像和大量清晰的火星表面圖像資料，對火星表面土壤或巖石進行了20多種元素成分和含量的分析，拍攝到因風暴產(chǎn)生的塵埃在空中流動的現(xiàn)象等。通過地表觀測資料分析推斷，火星過去可能是溫暖和濕潤的行星。

“火星快車號”探測器

歐洲空間局（ESA）于2003年6月2號發(fā)射“火星快車號”探測器（Mars Express），同年12月25日進入火星軌道，并釋放了“獵犬2號”登陸器，不久登陸器失去聯(lián)系?！盎鹦强燔囂枴碧綔y器的設計壽命為1個火星年，但實際上直到2014年仍在工作。該探測器的主要科學探測目標包括：繪制火星地圖，表面物質探測，尋找水存在的證據(jù)等。該探測器在火星赤道附近發(fā)現(xiàn)大片氧化鐵沉積層，這里氧化鐵含量是火星其他地區(qū)的近5倍；它探測到火星地表下有一些潮濕環(huán)境存在的跡象，甚至可能存在潮濕和較溫暖的空間；該探測器繪制了火星極光圖；它進一步檢驗證實火星上曾經(jīng)存在河流的有關假說。

“伽利略號”探測器

圖5 “伽利略號”（Galileo）探測器

美國宇航局于1989年10月18日發(fā)射“伽利略號”（Galileo）探測器，由“亞特蘭蒂斯號”航天飛機將它送入太空，1995年12月7日接近木星?！百だ蕴枴笔鞘讉€圍繞木星公轉，對木星大氣進行探測的航天器。它的科學探測設計壽命為2年，但它的實際壽命達8年之久。由于燃料的消耗，“伽利略號”被安排撞向木星銷毀，于2003年9月21日以每秒50千米的速度墜落木星大氣層，結束它長達14年的空間飛行。

1993年8月在前往木星的旅途中，“伽利略號”發(fā)現(xiàn)了245號小行星艾達（Ida）的衛(wèi)星Dactyl。在1994年的彗星撞擊木星這一天文奇觀中，“伽利略號”觀測了舒梅克·列維九號彗星的碎片撞入木星的過程。在長達8年對木星及其衛(wèi)星的觀測中，“伽利略號”獲得了木星磁層和大氣運動的較全面的測量數(shù)據(jù)，新發(fā)現(xiàn)了多顆衛(wèi)星。首次發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)一（Io）和木衛(wèi)三（Ganymede）有內在磁場。根據(jù)觀測資料推斷出，木衛(wèi)二（Europa）可能存在一個大約10千米厚的內部海洋。特別是在該探測器墜落木星大氣的過程中，測量到在57分鐘之內0～22巴（1巴=105帕）的大氣壓變化值，極大地提升了人們對木星大氣的了解程度。

“旅行者1號”探測器

美國宇航局于1977年9月5日發(fā)射“旅行者1號”（Voyager-1）探測器，該探測器運行時間已超過37年，目前仍正常運作?？茖W家認為：現(xiàn)時它已飛出太陽系邊界，進入了行星際空間，探測器上的電池可以工作到2025年。它的主要科學探測目標：最初確定為探測木星和土星及其衛(wèi)星與環(huán)；之后增加了行星際和星際探測任務。1979年3月5日開始，在距離木星中心349000千米處，對木星的衛(wèi)星、環(huán)、磁場以及輻射環(huán)境作了近一個月的近距離深入探測和高分辨率成像觀測，首次發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一上的火山活動。1980年11月12日最接近土星，距離土星最高云層124000千米以內，探測到土星環(huán)的復雜結構，并發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六擁有濃密的大氣層。

在接近土衛(wèi)六的過程中，探測器經(jīng)行星攝動，開始了飛離太陽系的行程?！奥眯姓?號”上攜帶了一張銅質磁盤唱片，內容包括用55種人類語言錄制的問候語和各種音樂，旨在向“外星人”表達人類的問候。

圖6 “旅行者1號”（Voyager-1）探測器

“卡西尼-惠更斯號”探測器

美國宇航局和歐洲空間局于1997年10月16日聯(lián)合發(fā)射了“卡西尼-惠更斯號”（Cassini-huygens）探測器。它的主要科學探測目標是探測土星大氣、環(huán)、磁場及其衛(wèi)星。2004年6月，它首度近距離地飛越土衛(wèi)九并傳回了高分辨率圖像數(shù)據(jù)資料。2004年7月1日，探測器進入土星軌道。2005年1月14日，該探測器將“惠更斯號”釋放到土衛(wèi)六，“惠更斯號”在大氣層下降過程中和著陸以后送回了大量有關土衛(wèi)六大氣和地面的測量數(shù)據(jù)。

從2005年初，科學家通過分析由“卡西尼號”探測器傳回的土星上的閃電數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些閃電釋放出的能量比地球上的閃電強了1000倍。2006年3月10日，美國宇航局宣布，“‘卡西尼-惠更斯號'的影像資料表明：土衛(wèi)二上間歇泉噴發(fā)出的物質含有液態(tài)水存在的證據(jù)?！?006年9月20日，“卡西尼-惠更斯號”探測到土星G環(huán)和E環(huán)之間仍存在一個環(huán)。2006年7月，“卡西尼-惠更斯號”首度證明在土衛(wèi)六的北極附近存在碳氫化合物的湖，并在2007年1月再次證實。2006年10月，觀測到土星的南極正發(fā)生一個直徑5000千米的颶風。2009年7月，卡西尼的探測器發(fā)現(xiàn)并證實了第七顆新的土星衛(wèi)星。2010年12月5日，卡西尼在土星北半球發(fā)現(xiàn)一個比“木星大紅斑”還大的土星平流層旋渦，因為呈白色，被稱為“大白斑”，是目前太陽系觀測到的最大旋渦風暴。2012年10月25日，卡西尼又目睹了“土星大白斑”風暴造成的后果，旋渦風暴放電使得土星平流層溫度短時間內急劇上升。同時，地面的綠堤射電望遠鏡則觀測到乙烯氣體的急劇增加。目前，卡西尼仍在運轉，計劃工作到2017年。

圖7 “卡西尼-惠更斯號”（Cassinihuygens）探測器

火星勘測漫游車

圖8 “勇氣號”漫游車獲得的第一張火星地表照片

美國宇航局的“火星勘測漫游車”項目（Mars Exploration Rover Mission)包括兩個漫游車，一個是“勇氣號”（Spirit，MER-A）漫游車，另一個是“機遇號”（oppotunity，MER-B)漫游車。兩個探測器先后分別于2003年6月10日和2003年7月7日在佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射，于世界標準時間2004年1月4日和1月25日在火星著陸。著陸地點位于火星相反的兩側，分別是古謝夫環(huán)形山（Gusev Crater）和子午線平原高地（Meridiani Planum）?！盎鹦强睖y漫游車”項目的主要科學目標是，通過兩個漫游車尋找包含火星過去水活動信息的一些巖石和土壤，并分析它們的特性。2010年3月23日以后，科學家與“勇氣號”漫游車失去聯(lián)系。目前，“機遇號”仍在火星表面進行探測。

“勇氣號”漫游車通過在古謝夫地區(qū)勘察，發(fā)現(xiàn)了古謝夫平原輕微風化的證據(jù)，目前這里沒有湖泊，然而，在哥倫比亞山丘（Columbia Hills）發(fā)現(xiàn)了水成風化的明確證據(jù)。因此，科學家認為，很久之前古謝夫環(huán)形山包含著湖泊，后來這里的地面才被火成物質覆蓋?！坝職馓枴甭诬囘€發(fā)現(xiàn)所有地表塵土含有磁性物質成分，且不同地表部分覆蓋的塵土都相同?！皺C遇號”漫游車在著陸地發(fā)現(xiàn)了大量球狀物，這些球狀物或者松軟地位于地面之上，或者鑲嵌于巖石之中，科學家發(fā)現(xiàn)球狀物的化學成分中赤鐵礦的含量很高，且具有在水環(huán)境中形成的特征?！皺C遇號”所在地區(qū)的環(huán)形山側壁的分層巖礦和其化學成分，也暗示這里曾經(jīng)有過鹽湖的蒸發(fā)過程。2012年，“機遇號”經(jīng)過長途跋涉來到直徑25千米的“奮力環(huán)形山”（Endeavour Crater）邊緣進行勘測。

火星科學實驗室——“好奇號”火星車

“火星科學實驗室”是美國宇航局的火星探測項目，該項目在火星表面放置一個名字為“好奇號”（Curiosity）的漫游車。2011年11月26日在佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射該探測器，于世界標準時間2012年8月6日在火星的蓋爾環(huán)形山（Gale Crater）著陸。“火星科學實驗室”總的科學目的是，研究著陸地區(qū)的可居住性，研究火星的氣候條件和地質特性，為未來人類登陸火星項目做準備?！昂闷嫣枴甭诬嚹壳叭栽诨鹦巧咸綔y，2014年9月11日，它到達“夏普峰”（Sharp Mount）。經(jīng)過約2年的探測，該項目獲得了鼓舞人心的新發(fā)現(xiàn)，它在名為“約翰克萊恩（John Klein）”的地點鉆洞取樣，發(fā)現(xiàn)了土質礦物中硫氮氧磷碳等生命必需的化學元素，這說明火星過去有利于微生物的存在；“好奇號”還有多項探測成果，例如，它發(fā)現(xiàn)了古代河床的證據(jù)；在火星大氣中它至今沒有探測到甲烷氣體；它在著陸地區(qū)發(fā)現(xiàn)了碎石、沉積河床、可能的火山巖石、水流形成的沙丘、泥石等多種地質環(huán)境。在“火星科學實驗室”飛往火星的征途中，還探測到來自宇宙遠處和來自太陽的危害健康的輻射。

“羅塞塔號”彗星探測器

“羅塞塔號”空間探測器由歐洲空間局建造和發(fā)射，是世界上首個圍繞彗星運轉的探測器，主要探測目標為彗星67P/C-G，它由圍繞彗星運轉的軌道器和著陸器兩部分組成。2004年3月2日國際標準時間7：17在法屬圭亞那空間中心成功發(fā)射，2014年9月10日來到距離目標彗星30千米以內的距離，進入繞目標彗星運轉的軌道。按照探測任務規(guī)劃，2014年11月“菲萊著陸器”（Philae）將登陸彗星67P/C-G表面，現(xiàn)已成功登陸；2014年11月至2015年12月探測器將陪伴彗星67P/C-G圍繞太陽運轉；2015年12月結束探測任務。“羅塞塔號”探測器的終極科學目標是弄清彗星的來源，搞清楚彗星是在太陽系內誕生還是來自太陽系外？為此從以下幾個方面探測彗星，探究彗核形狀和動力學特性；查清彗星的化學、礦物和同位素組成清單；詳細了解彗星的揮發(fā)和忍耐太陽高溫照射的物理性質；弄明白彗尾如何產(chǎn)生以及在太陽風作用下的不同成分的不同反應；由于該探測器路經(jīng)兩個小行星，它還對這兩個小行星進行探測。2014年9月4日，“羅塞塔號”在飛往彗星67P/ C-G的過程中，獲得了第一批觀測數(shù)據(jù)。它發(fā)現(xiàn)在紫外波段目標彗星非常暗淡，目標彗星含有氫和氧元素，目標彗星表面沒有發(fā)現(xiàn)大面積的水冰。相信今后一兩年內該探測器還會獲得許多新的發(fā)現(xiàn)。

圖10 彗星67P/C-G，圓圈位置為著陸器“菲萊”的首選著陸地點

圖11 “菲萊”著陸器

“朱諾號”木星探測器

2011年8月5日，美國宇航局在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射“朱諾號”木星探測器，按規(guī)劃2016年7月抵達木星，之后沿穿過木星兩極上空的軌道對木星進行探測。主要科學目標是木星的化學成分、重力場、磁場和極區(qū)的磁層；研究木星如何形成？探究木星中心是否有巖質核心？研究木星大氣的對流情況？等等。按規(guī)劃“朱諾號”木星探測器在2017年10月結束任務。

圖12 “朱諾號”木星探測器的藝術概念圖

印度的“火星軌道任務探測器”

圖13 “火星軌道任務探測器”的美術概念圖

2013年11月5日，印度成功發(fā)射了“火星軌道任務探測器”（Mars Orbiter Mission），在印度語中被稱為“曼加里安”（Mangalyaan），是火星飛船的意思。2014年9月24日，它進入繞火星運轉的軌道，預期壽命6～10個月。該項目的主要目標首先是展示印度的火箭發(fā)射系統(tǒng)、宇宙飛船的制造與運行能力；其次，它還探測火星的表面特征，研究火星的形態(tài)和礦物特性，探索大氣的性質。2014年9月28日，該探測器發(fā)布了它的首張火星全球圖。

（責任編輯 張長喜）