北京時間2021年10月16日17：34，NASA露西號（Lucy）探測器搭乘宇宙神V-401火箭，從美國佛羅里達州卡納維拉爾角天軍基地發射升空，正式開啓它的外太陽系探測之旅。

　露西號探測器發射升空 | NASA/Bill Ingalls

這個從NASA知名“摳門”項目裏脫穎而出的探測器，將奔赴遙遠的木星軌道，在接下來的12年探測中，相繼探訪8顆不同大小、類型和位置的小天體，爲人類首次揭開木星特洛伊小行星的神祕面紗。

太長不看版

• NASA露西號探測器啓程前往木星軌道；

• 主要探測木星特洛伊小行星，它們是追溯太陽系早期歷史的“時光膠囊”；

• 此行將幫助我們重新認識太陽系早期動盪的歷史。

小項目裏的大贏家

2017年1月5日，NASA正式公佈了第8屆“發現”級項目的2個當選任務，其中一個就是“露西號“。

第8屆“發現”級項目的2個當選任務示意圖，左爲露西號，右爲靈神號 | SwRI and SSL/Peter Rubin

“發現”級項目，是NASA深空探測項目三大梯隊裏規模最小、預算最低的一類，主打成本低、週期短、見效快的小型任務，每個任務常規預算約4.5-5億美元，設計壽命不超過36個月，探測目標精簡明確。

簡單來說就是：更快、更好、更便宜。

只需要記得“發現”級項目最窮就完事兒了……  | haibaraemily

在這樣的指導方針之下，開始於1992年的“發現”級項目至今已獲批16個，其中11個任務成功開展，以極低的成本、極高的效率，大大增進了我們對太陽系內和系外諸多方面的認識。

目前所有獲批的“發現”級項目。此外，月球勘測軌道飛行器（LRO）任務後來也被按照花費歸入“發現”級項目，屬於領養 | haibaraemily

雖說中的是個小項目，露西號實際“享受”到的規格並不低。在常規預算4.5億美元的指標下，露西號的任務週期總預算已飆升至9.81億美元——可以說是完全達到了中型項目“新疆界”級的預算待遇，多少能稱得上是小項目裏的大贏家了。

木星軌道上的“特洛伊”小行星

露西號的探測目標是一類特殊的小行星：木星特洛伊小行星。

我們較爲熟悉的主帶小行星，聚集在火星和木星軌道之間的主小行星帶中。人們常以小行星帶爲界，把太陽系劃分爲“內太陽系”和“外太陽系”，木星特洛伊小行星就聚集在遙遠的外太陽系。

它們和其他區域的小行星一樣環繞着太陽轉動，唯一特別的地方在於：特洛伊小行星是和木星“綁定”着一同環繞太陽公轉的，或者說，特洛伊小行星所聚居的羣落幾乎和木星共享同一條飛行軌道。

　與木星共享軌道的特洛伊小行星羣 | 改編自維基

如此穩固的“綁定”關係，背後是引力這雙無形大手。

兩個有環繞關係的天體周邊有5個“平衡點”——在這些點附近，兩個天體的引力綜合影響可以達到平衡——這5個點被稱爲“拉格朗日點”（L1-L5）。

這裏的“兩個天體”可以是太陽和地球（日地）、地球和月球（地月），也可以是太陽和木星（日木）等等。

兩個天體（圖中以太陽和地球爲例）周邊的5個拉格朗日點| 維基

如果有第3個天體位於這些拉格朗日點上，則可以輕易與這兩個天體保持幾乎相對靜止。

探測器就經常利用這些“風水寶地”。例如，太陽探測器SOHO位於日地拉格朗日L1點附近，即將發射的鴿王之王·詹姆斯韋伯望遠鏡，計劃被安置在日地L2點附近。

我國嫦娥四號任務的通訊中繼星鵲橋號，位於地月拉格朗日L2點附近，可以幫助在月球背面探測的嫦娥四號保持和地球的通訊。

木星特洛伊小行星羣，則位於太陽和木星（日木）連線兩側各60°間隔外的拉格朗日L4和L5這兩個平衡點附近，分爲L4特洛伊小行星羣和L5特洛伊小行星羣兩團。

L4和L5特洛伊小行星羣位置示意 | 改編自維基

“特洛伊小行星”的名字來源於希臘神話中的“特洛伊戰爭”，分列在L4和L5的兩團特洛伊小行星羣也分別被稱爲“希臘陣營”和“特洛伊陣營”，其中的小行星分別以各自陣營中的英雄命名。

唯二的兩個例外是：位於L4區域的小行星赫克託耳（Hektor），在神話中其實屬於特洛伊陣營；L5區域的雙星系統之一帕特羅克洛斯（Patroclus），在神話中其實屬於希臘陣營。它們是在確定命名規則之前被命名的。

最大的10顆木星特洛伊小行星，都是熟悉的名字 | 漢化改編自維基

特洛伊小行星並不是木星獨有的。其他行星，例如天王星和海王星，甚至火星和地球也有自己“綁定”的特洛伊小行星（羣）。只不過，木星特洛伊小行星羣被發現最早，且數目最爲龐大，因此在不加限定詞的情況下，“特洛伊小行星”也常常專指木星特洛伊小行星。

行星科學家認爲，特洛伊小行星是外太陽系巨行星形成時期留下的殘骸，是原行星盤中沒能形成行星的“邊角料”。因此，這些小行星可能非常古老，還保留着太陽系早期物質的成分和信息，和位於內太陽系的主帶小行星、近地小行星一樣，是我們追溯太陽系早期歷史和演化的“時光膠囊”。

特洛伊小行星數目衆多，目前記錄在案的木星特洛伊小行星有1萬多顆，最大的直徑200多千米，最小的只有約1千米。實際數目遠不止這些，只是由於距離遙遠，個頭小的那些很難被發現。

即使是最大的那些，迄今爲止我們也只是通過望遠鏡看到過一個個小亮點，不曾知道它們表面到底是什麼樣子——這正是露西號將爲我們揭曉的“祕密”。

首個特洛伊小行星探測器

露西號不僅是人類首個近距離探訪特洛伊小行星的探測器，而且不止探訪一顆。

它全程計劃探訪6顆木星特洛伊小行星（Eurybates、Polymele、Leucus、Orus、Patroclus和Menoetius），1顆特洛伊小行星的衛星（Queta）和1顆主帶小行星（Donaldjohanson），將創下一次任務中探索最多天體的記錄。

露西號計劃探訪的全部8顆小天體的藝術想象 | 改編自NASA

別看露西號有這麼多探測目標，這場旅程並不會千篇一律：這些小行星各有特色，展現了太陽系中豐富多彩的星球面貌。

露西號的8個探測目標 | 漢化整理自NASA

行星科學家常藉助小行星反射陽光的差異（光譜類型）來區分它們的組成成分，如C型主要由碳質構成，S型主要由硅質構成，M型主要由金屬構成，D型和P型可能富含有機物…… 

不同軌道位置的小行星常常有着不同的成分類型，例如C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，也混合着D型、P型、C型等多種類型。

不只是成分差異，在露西號的探測目標中：

• 最小的小行星Donaldjohanson直徑只有約4千米，而最大的Patroclus直徑達到140千米；

• 自轉最快的Polymele上只要6個小時就能過完一天，而自轉最慢的Leucus上一天長達440個小時；

• Patroclus和Menoetius在環繞太陽公轉的同時，還是繞着共同質心轉動的雙星系統；直徑僅64千米的Eurybates，還有一顆小小的衛星；

哈勃望遠鏡WFC3相機在2017年5月20-6月14日拍攝的Patroclus-Menoetius雙星系統 | HST

這些“相似”和“不同”，會給各個小行星的演化帶來什麼影響？明明大家都是太陽系早期的“邊角料”，現在也在差不多的軌道位置，爲什麼會有這麼大差別？是它們原本形成於不同的位置，後來被木星引力捕獲困在了一起？還是因爲太陽系早期的巨行星遷移，連帶着小行星發生了“乾坤大挪移”？

露西號的“星口考察”，可以幫助我們重新認識太陽系早期動盪的歷史。

外太陽系小天體位置遷移的一種猜想。不同顏色的小點代表不同成分或類型的小天體，“冷”和“熱”小天體羣指的是軌道動力學上的“冷熱”，表現爲不同的軌道特徵，並不指示溫度 | 漢化改編自NASA

但奔赴木星，去往外太陽系並不容易：離太陽越遠，探測器接收太陽能的效率就越低。

應對之法無非兩種：一是改用核能供電，像旅行者號、卡西尼號、新視野號那樣；二是讓太陽能電池板儘可能寬大，增加接收太陽能的面積，但這樣又會增加探測器的重量。

露西號這樣的“發現”級（小型）任務，在有限的預算內是很難夠得上使用核電池的待遇的，所以別無選擇只能硬着頭皮選擇了第二種。

露西號探測器的太陽能板異常巨大，每塊直徑7.3米，在太陽能板完全打開時，探測器全長可達15.8米。露西號也將打破距離太陽最遠的太陽能探測器運行記錄。

　露西號探測器示意圖 | NASA/GSFC

感受一下露西號“遮天蔽日”的巨大太陽能電池板：

　露西號的太陽能電池板 | NASA

以“露西”爲名

露西號探測器的名字，來自一具名叫“露西”的骨骼化石，而這份化石的名字，又來自披頭士的一首流行歌曲。

一首歌，一具化石，一顆探測器，是如何以一種奇妙的機緣相遇的？這還要從露西號的使命說起。

既然特洛伊小行星是我們追溯太陽系早期歷史的“時光膠囊”（之一），那近距離探訪這些小行星，就相當於讓我們“登上時光機”，幫助我們探尋太陽系的起源和演化歷程。

肩負這一使命的探測器，讓項目組的科學家聯想到了一具名叫“露西”的化石——

1974年11月24日，古人類學家唐納德·約翰遜（Donald Johanson，記住這個名字，後面還會提到）等人在非洲埃塞俄比亞的哈達爾發現了一具形似人類的骸骨化石，編號AL 288-1。

當晚，在人們爲此載歌載舞開party慶祝的時候，營地裏循環播放着披頭士的名曲《天空中戴着鑽石的露西》（Lucy in the Sky with Diamonds）。酒足飯飽之後，無人記得到底是誰開始這麼叫的，反正此後這具化石就一直被稱爲“露西”（Lucy hominin fossil）了。

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後續研究顯示，“露西”是一具女性阿爾法南方古猿（Australopithecus afarensis）化石，這一猿種具備直立行走的能力，爲我們追溯人類的起源和演化歷史提供了極其重要的考古證據。“露西”生活在距今約320萬年前，（可能）是目前已知的“人類最古老的祖先”。

更爲古老的湖畔南方古猿曾被認爲是“露西”的祖先，但對2016年發現的、距今約380萬年的男性湖畔南方古猿頭骨MRD-VP-1/1的研究顯示，兩種猿類至少共存了10萬年，可能並非簡單的“直系祖先”關係。此外，智人的始祖到底是哪種猿類也存在爭議。

追溯人類的起源和演化，和追溯太陽系的起源和演化，是不是看起來差不多的樣子？好的，探測器就叫“露西號”吧~

露西號任務的徽章把這幾個元素融合在了一起：鑽石形狀來自披頭士歌曲《天空中佩戴鑽石的露西》，左邊的骨骼則代表古人類化石“露西”。

宇宙神V-401火箭整流罩上的露西號任務徽章，整流罩中包裹的就是露西號探測器 | NASA/Ben Smegelsky

12年，8顆小天體

爲了多去幾顆特洛伊小行星，露西號選擇了“飛掠”這種探測方式，與每個目標擦肩而過，利用短暫的接近時期完成科學探測和數據收集。

科學家爲露西號精心設計了一條複雜的飛行軌道。

在2021年10月發射升空之後，露西號將先後探訪1顆主帶小行星；4顆位於日木L4區域的特洛伊小行星和1顆衛星；以及2顆位於日木L5區域的特洛伊小行星。全程將3次飛掠地球獲得引力助推（EGA）並完成5次大幅度的軌道深空機動（DSM）。

事實上，露西號會始終環繞太陽飛行，只是通過合理的行程規劃加上適時的軌道調整，探測器能恰到好處與每個目標相遇。

首先是主帶小行星Donaldjohanson。這顆小行星原本無名，編號1981 EQ，在確定成爲露西號的探測目標之後，於2018年被正式命名爲Donaldjohanson，以紀念前面提到的露西化石發現者之一——唐納德·約翰遜。

露西號飛掠主帶小行星Donaldjohanson的飛行路線（藍色和橙色虛線）示意圖 | 製圖：行星事務所

正式探測特洛伊小行星之前，露西號計劃在這顆主帶小行星身上先演練一番，測試一下科學儀器的性能，以期在之後的探測中展現出全部實力。

此後，露西號會繼續向外太陽系飛行，直到2027年抵達木星軌道，剛好能與L4特洛伊小行星羣相遇。露西號將在2027-2028年先後探訪這裏的4顆特洛伊小行星Eurybates、Polymele、Leucus、Orus，以及Eurybates的衛星Queta。

露西號飛掠5顆位於日木L4的特洛伊小天體的飛行路線（藍色和橙色虛線）示意圖 | 製圖：行星事務所

更精妙的是，露西號完成L4區域探測之後，將離開木星軌道，沿着自己的大橢圓路線飛回內太陽系，甚至回到地球附近再借個力。等露西號再次沿着大橢圓路線飛到木星軌道時，已經是2033年了。

在此期間，木星和兩團特洛伊小行星羣也繞着太陽公轉了將近半圈，露西號不用費太大力氣就能順勢飛入L5區域，探訪其中的兩顆直徑100多千米的小行星Patroclus和Menoetius。

這也將是人類探測器首次造訪兩顆小行星大小相當的雙星系統。

　露西號飛掠2顆位於日木L5的特洛伊小天體的飛行路線示意圖（橙色和棕色虛線） | 製圖：行星事務所

屆時距離露西號從地球出發，已經過去了近12年。如果那時候露西號還健康的話，它甚至還能繼續飛行，利用木星和特洛伊小行星羣公轉週期的規律，反覆穿梭在L4和L5小行星羣中。

從太陽看來，露西號只是“簡簡單單”在繞着自己轉圈，而在木星的視角看來，露西號彷彿在太空中反反覆覆跳着炫酷的“8字舞”。

木星視角下的露西號飛行軌跡，白、橙、紅色小點是露西號計劃飛掠的小行星們 | NASA

值得一提的是，露西號原本計劃探測的小天體數目只有7顆，最終的8顆其實是個幸運的意外。

在露西號決定探訪小行星Eurybates之後，哈勃望遠鏡在這顆小行星周圍發現了一顆直徑約1千米的衛星。這顆小衛星在2020年10月被命名爲Queta。

　哈勃望遠鏡拍到的小衛星（箭頭所指的綠框中） | HST

小行星有衛星，這本來就挺少見的，還正好在露西號的既定探測軌跡上，當然不能放過。於是，露西號的探測計劃裏順勢就加了1個探訪目標。

前面說過，從前的特洛伊小天體通常以希臘神話特洛伊戰爭中的英雄命名，但因爲數目太多，這個命名規則已經難以爲繼了。

根據國際天文聯合會（IAU）新規定：絕對星等大於12的小型木星特洛伊天體，將以奧林匹克運動員的名字命名。“Queta”（奎塔）就來自墨西哥田徑運動員恩裏克塔·巴西利奧（Enriqueta Basilio，也被稱爲Queta Basilio），她是奧運史上首位點燃奧運聖火的女性火炬手。

1968年夏季奧運會上，奎塔·巴西利奧點燃奧運聖火 | 維基

輕裝簡從，帶着前輩們的“禮物”

追溯太陽系的起源和演化，是一個宏大而綜合的課題。露西號實際要做的，是用自己攜帶的科學儀器，仔細考察每顆天體的表面成分、地質地貌、內部結構等各種特徵，獲取儘可能豐富且準確的觀測數據，供行星科學家分析。

露西號總重821千克（不包括燃料），僅攜帶了四種科學儀器。

　露西號的科學儀器 | 漢化自NASA

• 高分辨率可見光相機L’LORRI，可以拍攝全色影像（也就是黑白影像），波段覆蓋0.35-0.85 微米。

露西號的L’LORRI相機示意圖 | NASA

• 彩色可見光相機和紅外成像光譜儀L’Ralph，包括彩色可見光相機MVIC和紅外成像光譜儀LEISA兩部分，前者可以拍攝彩色影像，後者可以探測小行星的表面成分，兩者分別覆蓋0.4-0.85 微米和1.0-3.8 微米波段。

露西號的L’Ralph相機示意圖 | NASA

• 熱輻射光譜儀L’TES，可以探測小行星的熱慣量、表面成分、孔隙度等特徵，波段覆蓋6-100微米。

  露西號的L’TES光譜儀示意圖 | NASA

• 終端跟蹤相機T2Cam，可以拍攝寬角影像，協助確定小行星的形狀，覆蓋0.4-0.8微米波段。

此外，露西號還會利用高增益天線測量無線電信號的多普勒頻移，確定小行星的質量和密度分佈。

出於節約成本和提高建造效率的考慮，露西號的科學儀器大都是在NASA之前探測器使用過的成熟儀器基礎上設計建造的。

L’LORRI相機繼承自新視野號的長焦距高分辨率相機LORRI，L’Ralph相機繼承自新視野號的Ralph相機，L’TES光譜儀繼承自冥王號（OSIRIS-REx）的OTES和火星全球探勘者號（MGS）的TES。

真就連名字都不帶改的，前面直接加個代表露西號的L就完事兒了……

繼承前輩探測器的儀器，是“發現”級項目的老傳統了。總之能省的錢絕不多花，把花錢的事兒留給旗艦級這樣的土豪項目去做就好。

小天體探測熱潮，方興未艾

啓程前往外太陽系的露西號背後，是各國小天體探測如火如荼的熱潮。

一方面，過去十幾年裏的小天體探測成果（深度撞擊號、隼鳥號、羅塞塔號等）已大幅刷新了我們對諸多小行星和彗星的認知；另一方面，我們對許多類型的小天體的瞭解還依然近乎空白，尤其是那些位於遙遠外太陽系的小天體。

這一邊，探訪近地小行星的JAXA隼鳥2號和NASA冥王號完成小行星採樣還沒多久；那一邊，NASA的金屬小行星探測器靈神號、JAXA的火星衛星探測器MMX、中國的首個近地小行星和主帶彗星探測器都在緊鑼密鼓地籌備之中，有望在接下來的數年裏陸續發射升空。

即便等這些任務都發射了，人類依然還沒有探測器近距離探測過半人馬小天體、離散盤中的矮行星、木土天海王星的小衛星、長週期彗星等許多類型的小天體。

這個各國太空競賽的新賽場，還有無數未知和驚喜等待着地球人的探測器前去探索和發現呢。

來源：果殼