1个探测器去8颗小行星，NASA这么抠门？
本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：haibaraemily，编辑：Steed，原文标题：《NASA最抠门任务启程，1个探测器去8颗小行星》，题图来自：NASA
北京时间2021年10月16日17:34，NASA露西号（Lucy）探测器搭乘宇宙神V-401火箭，从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角天军基地发射升空，正式开启它的外太阳系探测之旅。
露西号探测器发射升空 | NASA/Bill Ingalls
这个从NASA知名“抠门”项目里脱颖而出的探测器，将奔赴遥远的木星轨道，在接下来的12年探测中，相继探访8颗不同大小、类型和位置的小天体，为人类首次揭开木星特洛伊小行星的神秘面纱。
小项目里的大赢家
2017年1月5日，NASA正式公布了第8届“发现”级项目的2个当选任务，其中一个就是“露西号” [1]。
第8届“发现”级项目的2个当选任务示意图，左为露西号，右为灵神号 | SwRI and SSL/Peter Rubin [1]
“发现”级项目，是NASA深空探测项目三大梯队里规模最小、预算最低的一类，主打成本低、周期短、见效快的小型任务，每个任务常规预算约4.5-5亿美元，设计寿命不超过36个月，探测目标精简明确。
简单来说就是：更快、更好、更便宜。
只需要记得“发现”级项目最穷就完事儿了…… | haibaraemily
在这样的指导方针之下，开始于1992年的“发现”级项目至今已获批16个，其中11个任务成功开展，以极低的成本、极高的效率，大大增进了我们对太阳系内和系外诸多方面的认识。
目前所有获批的“发现”级项目。此外，月球勘测轨道飞行器（LRO）任务后来也被按照花费归入“发现”级项目，属于领养 | haibaraemily
虽说中的是个小项目，露西号实际“享受”到的规格并不低。在常规预算4.5亿美元的指标下，露西号的任务周期总预算已飙升至9.81亿美元——可以说是完全达到了中型项目“新疆界”级的预算待遇，多少能称得上是小项目里的大赢家了。
木星轨道上的“特洛伊”小行星
露西号的探测目标是一类特殊的小行星：木星特洛伊小行星。
我们较为熟悉的主带小行星，聚集在火星和木星轨道之间的主小行星带中。人们常以小行星带为界，把太阳系划分为“内太阳系”和“外太阳系”，木星特洛伊小行星就聚集在遥远的外太阳系。
它们和其他区域的小行星一样环绕着太阳转动，唯一特别的地方在于：特洛伊小行星是和木星“绑定”着一同环绕太阳公转的，或者说，特洛伊小行星所聚居的群落几乎和木星共享同一条飞行轨道。
与木星共享轨道的特洛伊小行星群 | 改编自维基
如此稳固的“绑定”关系，背后是引力这双无形大手。
两个有环绕关系的天体周边有5个“平衡点”——在这些点附近，两个天体的引力综合影响可以达到平衡——这5个点被称为“拉格朗日点”（L1-L5）。
这里的“两个天体”可以是太阳和地球（日地）、地球和月球（地月），也可以是太阳和木星（日木）等等。
两个天体（图中以太阳和地球为例）周边的5个拉格朗日点| 维基
如果有第3个天体位于这些拉格朗日点上，则可以轻易与这两个天体保持几乎相对静止。
探测器就经常利用这些“风水宝地”。例如，太阳探测器SOHO位于日地拉格朗日L1点附近，即将发射的鸽王之王·詹姆斯韦伯望远镜，计划被安置在日地L2点附近。
我国嫦娥四号任务的通讯中继星鹊桥号，位于地月拉格朗日L2点附近，可以帮助在月球背面探测的嫦娥四号保持和地球的通讯。
木星特洛伊小行星群，则位于太阳和木星（日木）连线两侧各60°间隔外的拉格朗日L4和L5这两个平衡点附近，分为L4特洛伊小行星群和L5特洛伊小行星群两团。
L4和L5特洛伊小行星群位置示意 | 维基
“特洛伊小行星”的名字来源于希腊神话中的“特洛伊战争”，分列在L4和L5的两团特洛伊小行星群也分别被称为“希腊阵营”和“特洛伊阵营”，其中的小行星分别以各自阵营中的英雄命名。
唯二的两个例外是：位于L4区域的小行星赫克托耳（Hektor），在神话中其实属于特洛伊阵营；L5区域的双星系统之一帕特罗克洛斯（Patroclus），在神话中其实属于希腊阵营。它们是在确定命名规则之前被命名的。
最大的10颗木星特洛伊小行星，都是熟悉的名字 | 汉化改编自维基
特洛伊小行星并不是木星独有的。其他行星，例如天王星和海王星，甚至火星和地球也有自己“绑定”的特洛伊小行星（群）。只不过，木星特洛伊小行星群被发现最早，且数目最为庞大，因此在不加限定词的情况下，“特洛伊小行星”也常常专指木星特洛伊小行星。
行星科学家认为，特洛伊小行星是外太阳系巨行星形成时期留下的残骸，是原行星盘中没能形成行星的“边角料”。因此，这些小行星可能非常古老，还保留着太阳系早期物质的成分和信息，和位于内太阳系的主带小行星、近地小行星一样，是我们追溯太阳系早期历史和演化的“时光胶囊”。
特洛伊小行星数目众多，目前记录在案的木星特洛伊小行星有1万多颗[2]，最大的直径200多千米，最小的只有约1千米。实际数目远不止这些，只是由于距离遥远，个头小的那些很难被发现。
即使是最大的那些，迄今为止我们也只是通过望远镜看到过一个个小亮点，不曾知道它们表面到底是什么样子——这正是露西号将为我们揭晓的“秘密”。
首个特洛伊小行星探测器
露西号不仅是人类首个近距离探访特洛伊小行星的探测器，而且不止探访一颗。
它全程计划探访6颗木星特洛伊小行星（Eurybates、Polymele、Leucus、Orus、Patroclus和Menoetius），1颗特洛伊小行星的卫星（Queta）和1颗主带小行星（Donaldjohanson），将创下一次任务中探索最多天体的记录。
露西号计划探访的全部8颗小天体的艺术想象 | NASA
别看露西号有这么多探测目标，这次旅程并不会千篇一律：这些小行星各有特色，展现了太阳系中丰富多彩的星球面貌。
露西号的8个探测目标 | 汉化整理自NASA [3]
行星科学家常借助小行星反射阳光的差异（光谱类型）来区分它们的组成成分，如C型主要由碳质构成，S型主要由硅质构成，M型主要由金属构成，D型和P型可能富含有机物……
不同轨道位置的小行星常常有着不同的成分类型，例如C型小行星在主带和近地小行星中十分常见，但在特洛伊小行星中却很稀有。但即使在轨道位置相似的特洛伊小行星中，也混合着D型、P型、C型等多种类型。
不只是成分差异，在露西号的探测目标中：
最小的小行星Donaldjohanson直径只有约4千米，而最大的Patroclus直径达到140千米；
自转最快的Polymele上只要6个小时就能过完一天，而自转最慢的Leucus上一天长达440个小时；
Patroclus和Menoetius在环绕太阳公转的同时，还是绕着共同质心转动的双星系统；直径仅64千米的Eurybates，还有一颗小小的卫星；
哈勃望远镜WFC3相机在2017年5月20-6月14日拍摄的Patroclus-Menoetius双星系统 | HST
这些“相似”和“不同”，会给各个小行星的演化带来什么影响？明明大家都是太阳系早期的“边角料”，现在也在差不多的轨道位置，为什么会有这么大差别？是它们原本形成于不同的位置，后来被木星引力捕获困在了一起？还是因为太阳系早期的巨行星迁移，连带着小行星发生了“乾坤大挪移”？
露西号的“星口考察”，可以帮助我们重新认识太阳系早期动荡的历史。
外太阳系小天体位置迁移的一种猜想。不同颜色的小点代表不同成分或类型的小天体，“冷”和“热”小天体群指的是轨道动力学上的“冷热”，表现为不同的轨道特征，并不指示温度 | 汉化改编自NASA
但奔赴木星，去往外太阳系并不容易：离太阳越远，探测器接收太阳能的效率就越低。
应对之法无非两种：一是改用核能供电，像旅行者号、卡西尼号、新视野号那样；二是让太阳能电池板尽可能宽大，增加接收太阳能的面积，但这样又会增加探测器的重量。
露西号这样的“发现”级（小型）任务，在有限的预算内是很难够得上使用核电池的待遇的，所以别无选择只能硬着头皮选择了第二种。
露西号探测器的太阳能板异常巨大，每块直径7.3米，在太阳能板完全打开时，探测器全长可达15.8米。露西号也将打破距离太阳最远的太阳能探测器运行记录。
露西号探测器示意图 | NASA/GSFC
感受一下露西号“遮天蔽日”的巨大太阳能电池板：
露西号的太阳能电池板 | NASA
以“露西”为名
露西号探测器的名字，来自一具名叫“露西”的骨骼化石，而这份化石的名字，又来自披头士的一首流行歌曲。
一首歌，一具化石，一颗探测器，是如何以一种奇妙的机缘相遇的？这还要从露西号的使命说起。
既然特洛伊小行星是我们追溯太阳系早期历史的“时光胶囊”（之一），那近距离探访这些小行星，就相当于让我们“登上时光机”，帮助我们探寻太阳系的起源和演化历程。
肩负这一使命的探测器，让项目组的科学家联想到了一具名叫“露西”的化石——
1974年11月24日，古人类学家唐纳德·约翰逊（Donald Johanson，记住这个名字，后面还会提到）等人在非洲埃塞俄比亚的哈达尔发现了一具形似人类的骸骨化石，编号AL 288-1。
当晚，在人们为此载歌载舞开party庆祝的时候，营地里循环播放着披头士的名曲《天空中戴着钻石的露西》（Lucy in the Sky with Diamonds）。酒足饭饱之后，无人记得到底是谁开始这么叫的，反正此后这具化石就一直被称为“露西”（Lucy hominin fossil）了 [5]。
（左）“露西”骨架 | ASU；（右）披头士乐队《天空中戴着钻石的露西》美国版乐谱封面 | 维基
后续研究显示，“露西”是一具女性阿尔法南方古猿（Australopithecus afarensis）化石，这一猿种具备直立行走的能力，为我们追溯人类的起源和演化历史提供了极其重要的考古证据。“露西”生活在距今约320万年前，（可能）是目前已知的“人类最古老的祖先”。
更为古老的湖畔南方古猿曾被认为是“露西”的祖先，但对2016年发现的、距今约380万年的男性湖畔南方古猿头骨MRD-VP-1/1的研究显示，两种猿类至少共存了10万年，可能并非简单的“直系祖先”关系 [6]。此外，智人的始祖到底是哪种猿类也存在争议。
追溯人类的起源和演化，和追溯太阳系的起源和演化，是不是看起来差不多的样子？好的，探测器就叫“露西号”吧。
露西号任务的徽章把这几个元素融合在了一起：钻石形状来自披头士歌曲《天空中佩戴钻石的露西》，左边的骨骼则代表古人类化石“露西” [7, 8]。
宇宙神V-401火箭整流罩上的露西号任务徽章，整流罩中包裹的就是露西号探测器 | NASA/Ben Smegelsky
12年，8颗小天体
为了多去几颗特洛伊小行星，露西号选择了“飞掠”这种探测方式，与每个目标擦肩而过，利用短暂的接近时期完成科学探测和数据收集。
科学家为露西号精心设计了一条复杂的飞行轨道[9-11]。
在2021年10月发射升空之后，露西号将先后探访1颗主带小行星；4颗位于日木L4区域的特洛伊小行星和1颗卫星；以及2颗位于日木L5区域的特洛伊小行星。全程将3次飞掠地球获得引力助推（EGA）并完成5次大幅度的轨道深空机动（DSM）。
事实上，露西号会始终环绕太阳飞行，只是通过合理的行程规划加上适时的轨道调整，探测器能恰到好处与每个目标相遇。
首先是主带小行星Donaldjohanson。这颗小行星原本无名，编号1981 EQ，在确定成为露西号的探测目标之后，于2018年被正式命名为Donaldjohanson，以纪念前面提到的露西化石发现者之一——唐纳德·约翰逊。
露西号飞掠主带小行星Donaldjohanson的飞行路线（蓝色和橙色虚线）示意图 | 制图：行星事务所；参考[10]
正式探测特洛伊小行星之前，露西号计划在这颗主带小行星身上先演练一番，测试一下科学仪器的性能，以期在之后的探测中展现出全部实力。
此后，露西号会继续向外太阳系飞行，直到2027年抵达木星轨道，刚好能与L4特洛伊小行星群相遇。露西号将在2027-2028年先后探访这里的4颗特洛伊小行星Eurybates、Polymele、Leucus、Orus，以及Eurybates的卫星Queta。
露西号飞掠5颗位于日木L4的特洛伊小天体的飞行路线（蓝色和橙色虚线）示意图 | 制图：行星事务所；参考[10]
更精妙的是，露西号完成L4区域探测之后，将离开木星轨道，沿着自己的大椭圆路线飞回内太阳系，甚至回到地球附近再借个力。等露西号再次沿着大椭圆路线飞到木星轨道时，已经是2033年了。
在此期间，木星和两团特洛伊小行星群也绕着太阳公转了将近半圈，露西号不用费太大力气就能顺势飞入L5区域，探访其中的两颗直径100多千米的小行星Patroclus和Menoetius。
这也将是人类探测器首次造访两颗小行星大小相当的双星系统。
露西号飞掠2颗位于日木L5的特洛伊小天体的飞行路线示意图（橙色和棕色虚线） | 制图：行星事务所；参考[10]
届时距离露西号从地球出发，已经过去了近12年。如果那时候露西号还健康的话，它甚至还能继续飞行，利用木星和特洛伊小行星群公转周期的规律，反复穿梭在L4和L5小行星群中。
从太阳看来，露西号只是“简简单单”在绕着自己转圈，而在木星的视角看来，露西号仿佛在太空中反反复复跳着炫酷的“8字舞” [3]。
木星视角下的露西号飞行轨迹，白、橙、红色小点是露西号计划飞掠的小行星们 | NASA
值得一提的是，露西号原本计划探测的小天体数目只有7颗，最终的8颗其实是个幸运的意外。
在露西号决定探访小行星Eurybates之后，哈勃望远镜在这颗小行星周围发现了一颗直径约1千米的卫星。这颗小卫星在2020年10月被命名为Queta。
哈勃望远镜拍到的小卫星（箭头所指的绿框中） | HST
小行星有卫星，这本来就挺少见的，还正好在露西号的既定探测轨迹上，当然不能放过。于是，露西号的探测计划里顺势就加了1个探访目标。
前面说过，从前的特洛伊小天体通常以希腊神话特洛伊战争中的英雄命名，但因为数目太多，这个命名规则已经难以为继了。
根据国际天文联合会（IAU）新规定：绝对星等大于12的小型木星特洛伊天体，将以奥林匹克运动员的名字命名。“Queta”（奎塔）就来自墨西哥田径运动员恩里克塔·巴西利奥（Enriqueta Basilio，也被称为Queta Basilio），她是奥运史上首位点燃奥运圣火的女性火炬手。
1968年夏季奥运会上，奎塔·巴西利奥点燃奥运圣火 | 维基
轻装简从，带着前辈们的“礼物”
追溯太阳系的起源和演化，是一个宏大而综合的课题。露西号实际要做的，是用自己携带的科学仪器，仔细考察每颗天体的表面成分、地质地貌、内部结构等各种特征，获取尽可能丰富且准确的观测数据，供行星科学家分析。
露西号总重821千克（不包括燃料），仅携带了四种科学仪器[3,12]。
露西号的科学仪器 | 汉化自NASA [3]
高分辨率可见光相机L’LORRI，可以拍摄全色影像（也就是黑白影像），波段覆盖0.35-0.85 微米。
露西号的L’LORRI相机示意图 | NASA
彩色可见光相机和红外成像光谱仪L’Ralph，包括彩色可见光相机MVIC和红外成像光谱仪LEISA两部分，前者可以拍摄彩色影像，后者可以探测小行星的表面成分，两者分别覆盖0.4-0.85 微米和1.0-3.8 微米波段。
露西号的L’Ralph相机示意图 | NASA
热辐射光谱仪L’TES，可以探测小行星的热惯量、表面成分、孔隙度等特征，波段覆盖6-100微米。
露西号的L’TES光谱仪示意图 | NASA
终端跟踪相机T2Cam，可以拍摄宽角影像，协助确定小行星的形状，覆盖0.4-0.8微米波段。
此外，露西号还会利用高增益天线测量无线电信号的多普勒频移，确定小行星的质量和密度分布。
出于节约成本和提高建造效率的考虑，露西号的科学仪器大都是在NASA之前探测器使用过的成熟仪器基础上设计建造的。
L’LORRI相机继承自新视野号的长焦距高分辨率相机LORRI，L’Ralph相机继承自新视野号的Ralph相机，L’TES光谱仪继承自冥王号（OSIRIS-REx）的OTES和火星全球探勘者号（MGS）的TES。
真就连名字都不带改的，前面直接加个代表露西号的L就完事儿了……
继承前辈探测器的仪器，是“发现”级项目的老传统了。总之能省的钱绝不多花，把花钱的事儿留给旗舰级这样的土豪项目去做就好。
小天体探测热潮，方兴未艾
启程前往外太阳系的露西号背后，是各国小天体探测如火如荼的热潮。
一方面，过去十几年里的小天体探测成果（深度撞击号、隼鸟号、罗塞塔号等）已大幅刷新了我们对诸多小行星和彗星的认知；另一方面，我们对许多类型的小天体的了解还依然近乎空白，尤其是那些位于遥远外太阳系的小天体。
这一边，探访近地小行星的JAXA隼鸟2号和NASA冥王号完成小行星采样还没多久；那一边，NASA的金属小行星探测器灵神号、JAXA的火星卫星探测器MMX、中国的首个近地小行星和主带彗星探测器都在紧锣密鼓地筹备之中，有望在接下来的数年里陆续发射升空。
即便等这些任务都发射了，人类依然还没有探测器近距离探测过半人马小天体、离散盘中的矮行星、木土天海王星的小卫星、长周期彗星等许多类型的小天体。
这个各国太空竞赛的新赛场，还有无数未知和惊喜等待着地球人的探测器前去探索和发现呢。
参考文献
[1] NASA | NASA Selects Two Missions to Explore the Early Solar System
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-two-missions-to-explore-the-early-solar-system
[2] IAU | Trojan Minor Planets
https://minorplanetcenter.net//iau/lists/Trojans.html
[3] http://lucy.swri.edu/img/graphics/LucyPoster_Mission_of_Discovery.pdf
[4] NASA | Lucy Mission FAQ
https://www.nasa.gov/content/goddard/lucy-mission-faq
[5] ASU-Institute of Human Origins | Lucy's Story
https://iho.asu.edu/about/lucys-story
[6] Nature | Rare 3.8-million-year-old skull recasts origins of iconic 'Lucy’ fossil
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02573-w
[7] NASA | NASA's Lucy in the Sky with … Asteroids?
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasas-lucy-in-the-sky-with-asteroids
[8] NASA | Inspiration Links The Beatles, a Fossil and a NASA Mission
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/inspiration-links-the-beatles-a-fossil-and-a-nasa-mission
[9] SWRI | Lucy Mission Tour
http://lucy.swri.edu/mission/Tour.html
SWRI | Lucy Mission Targets
http://lucy.swri.edu/mission/Targets.html
[10] Englander et al. (2019). Trajectory Design of the Lucy Mission to Explore the Diversity of the Jupiter Trojans. 70th International Astronautical Congress.
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190032357/downloads/20190032357.pdf
[11] NASA's Scientific Visualization Studio | Lucy mission trajectory
https://svs.gsfc.nasa.gov/4719
[12] SWRI | The Lucy Spacecraft and Payload
http://lucy.swri.edu/mission/Spacecraft.html
本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：haibaraemily，编辑：Steed