地球起源之謎

一場宇宙暴力大賽造就了我們的地球家園。一艘大膽的飛行器正在讓我們首次看清這場暴力大賽中的一個獨特倖存者。「黎明號」對灶神星的探索，顛覆了有關太陽系尤其是岩石行星如地球形成過程的傳統理論。 　　大約45億年前，當地球仍處在形成過程中，而月球還是一顆熔融狀態的球體時，一些岩石和冰塊正游弋在火星軌道之外。如果不是木星巨大的引力作用讓這些岩石和冰塊還來不及彼此靠攏就被甩開，那麼，它們很可能最終成為行星世界。如果那樣，太陽系的行星數量可能會比現在多一些。然而，超過100萬個這樣的殘塊留存至今，構成了太陽系內介於火星和木星軌道之間的小行星帶。

　　它們是小行星還是行星？

　　小行星帶總質量的大約40%都集中於穀神星和灶神星這兩顆差點「長」大的小行星上。穀神星是小行星帶中已知最大和最重的天體，也是太陽系內已知最大的小行星。穀神星是如此之大，以至於國際天文學聯合會在2006年把它升格為「矮行星」，在地位上與冥王星平起平坐。灶神星的個頭要小些，但在某些方面它似乎更適合「矮行星」這個稱號，因為它與地球、火星和其他太陽系內行星共享許多重要的地質特徵。 　　天文學家分別從1801年和1807年起開始觀測穀神星和灶神星，他們稱它們是「新發現的行星」。當時發現的其他多顆較大的小行星也被認為是「新發現的行星」。19世紀的前20年中，在一些天文學教材中列出的太陽系行星有11顆：現在已知的真正的行星（海王星除外，因為它直到1846年才被發現），再加上穀神星、灶神星、智神星和婚神星（後兩者也是小行星）。天文學家繼續在木星與火星之間尋找，結果發現了更多的天體，但它們都比灶神星和穀神星小得多。到19世紀50年代，天文學家發現「行星」這個名稱看來並不適合它們，於是他們開始稱它們為「小行星」（這個術語最早是由天王星的發現者威廉·赫歇爾在1802年提出的）。 　　使用當時的望遠鏡，行星被辨識為小球體，而小行星的個頭太小，只能被辨識為光點。事實上，直到最近，穀神星和灶神星還完全沒被探測過。它們是太陽和海王星之間從未被人類探測器造訪過的大質量天體。 　　2007年9月，美國宇航局用「德爾塔2型』，火箭把『黎明號」飛行器送入太空。之所以起名「黎明號」，是因為科學家希望藉助它近距離觀測穀神星和灶神星這兩個來自太陽系發端時期的殘塊。2011年夏季，「黎明號」進入環繞灶神星的軌道。2012年8月底，它離開灶神星，開始了為期兩年半的尋訪穀神星之旅。 　　根據「黎明號」的探測結果，一些科學家現在稱灶神星是太陽系中「最小的行星」。歷史彷彿開始倒轉。不僅如此，「黎明號」的觀測正在轉變我們對地球及其他內行星（火星、水星和金星）從太陽系最初混沌中誕生過程的了解。

　　小行星帶之旅

　　經過4年、20億千米的漫長旅途後，「黎明號」於2011年7月抵達灶神星。科學家無需守在電腦前面焦急等待數據更新，也無需細調飛船軌道，這都歸功於「黎明號」上的創新性離子引擎驅動系統（請參見相關鏈接《離子引擎》）。對於常規飛行器來說，在一段行星際飛行的終點，它們必須點燃強力火箭來減速和進入軌道。但對於像灶神星這麼小（直徑僅為560千米）的天體來說，這一過程尤其具有挑戰性——如果速度太快，飛行器就會直接飛過小行星。「黎明號」在離子引擎穩定、柔和的推力下，按照飛行工程師設計的、逐漸與灶神星環繞太陽的軌道相匹配的軌跡接近灶神星。「黎明號」接近灶神星時的速度可謂非常緩慢——不是每小時上萬千米，而是每小時大約i00千米。正因為飛得如此緩慢，它才可能被灶神星的微弱引力輕輕「抓住」，從而進入灶神星的軌道。事實上，「黎明號」只需持續旋轉著環繞灶神星，就能在引力作用下越來越靠近並最終進入灶神星的軌道。 　　一當「黎明號」成功抵達穀神星，就意味著豎立起又一座里程碑：飛行器首次到達一個天體，環繞它，然後離開，再去環繞另一個天體。這類行星際空間導航在科幻小說中很常見，但現實中此前還從未嘗試過。 　　值得一提的是，美國宇航局當初差點因經費問題而取消「黎明號」任務，是科學家的據理力爭挽救了它。因此，對科學家來說，一次旅行就能近距離探測兩顆太陽系中最大的小行星，這簡直就是夢想成真。

　　灶神星的暴烈歷史

　　「黎明號」很近距離地檢視它的目標。在它與灶神星之間的最近點，它每4.3小時就環繞灶神星一圈，最近距離僅170千米。 　　「黎明號」搭載的相機拍攝的圖片揭示，這個小小天體的地貌實在驚人：有高山、峽谷，還有穿梭整個赤道地區的地槽。灶神星的最驚人地貌是一個巨大的隕擊坑——瑞亞希爾維亞，哈勃空間望遠鏡在1997年首次很模糊地觀測到了它，而「黎明號」則看清了它的細節。瑞亞希爾維亞的寬度近500千米（佔到灶神星直徑的90%），幾乎佔滿了灶神星的整個南半球，相當於地球上的太平洋。在隕擊坑的中心矗立著太陽系的第二高山，高度超過22千米，僅次於火星上的奧林匹斯山。灶神星的微弱引力導致了如此高峰的存在，而在地球上這樣的高山肯定會被自身重量壓垮。 　　維內雷亞坑是灶神星上更早期的一個巨大隕擊坑，直徑為400千米，它的部分已被瑞亞希爾維亞坑抹掉。形成這兩個隕擊坑的巨大撞擊力量，創造了環繞灶神星表面大約2/3的最大地槽，幾乎將灶神星一分為二。這個巨大地槽的長度大約是390千米，寬度大約是_3g千米。兩個隕擊坑抹掉了灶神星赤道以南的所有更古老的表面特徵。 　　科學家推測，瑞亞希爾維亞坑見證了灶神星所經歷的最嚴重的、令它「命懸一線」的撞擊事件。灶神星遭遇的撞擊堪稱不計其數，但它還是幾乎完整地「活」了下來。根據最新分析，10億年前，一顆直徑約為20千米的小行星撞擊灶神星，形成了瑞亞希爾維亞坑。這次撞擊撞出的物質足夠填滿400個美國的大峽谷，其中大多數被拋向太空，成為流星體（小型的在軌岩石）。1000萬年後，部分流星體墜落到地球上。迄今地球上發現的所有隕石中有大約6%來自於灶神星。實際上，地球上已發現的來自於灶神星的隕石比來自於月球的還多。 　　地球上的灶神星隕石樣本直到1970年才被首次辨識。當時，科學家在研究從灶神星表面反射的光線時發現，其光譜（光譜能揭示存在的礦物質）與地球上的一類特殊的隕石完美匹配。研究最終證明，這類隕石同屬於一個家族——灶神星族。之後，科學家著手調查灶神星族並得出驚人結論：就像地球一樣，灶神星也擁有分層的內部結構——擁有地殼，甚至可能擁有鐵核（光譜研究揭示，灶神星存在玄武岩礦物質，這些礦物質是在岩石熔化狀態下形成的，岩石不斷地熔化、冷卻，必定會產生分層結構）。 　　在此之前，科學家一直認為只有行星大小的天體才可能擁有分層結構——只有廣泛的熔融才可能讓鐵沉降到年輕行星的中心，讓輕質的地殼礦物質漂浮到頂部。而小行星個頭太小，無法產生熔化岩石所需的高溫高壓，更何況小天體的冷卻比大天體快，小行星會更迅速地丟失它們在形成時期所累積的熱量。灶神星光譜和灶神星族則暗示：灶神星在某個時期呈熔融狀，這讓它的所有的鐵分化並向內沉降。

　　太陽系形成的全新理論

　　通過測量「黎明號」和灶神星之間的引力交互，天文學家以99%的準確度算出了灶神星的密度，為每立方厘米3.46克（地球為5.52克）。根據這一密度，天文學家進一步確定灶神星的鐵核半徑為110千米。那麼，小小灶神星如何能產生足夠的熱量來鑄造鐵核呢？關鍵在於熱源。科學家追蹤灶神星的熱源，觸發了又一個科學破案過程——破解地球起源之謎。 　　大多數科學家現在相信，太陽誕生於充滿其他年輕恆星的氣體和塵埃雲。一顆鄰居恆星爆發，將自己的殘骸散布到太陽系中，當時恰逢太陽系首批原行星開始生長。這場超新星爆發產生了鋁26和鐵60，這些元素分別在70萬年和250萬年的時間裡衰減，暫時性地產生了大量能量。科學家認為，如果灶神星等天體的形成恰逢其時，那麼超新星材料就會被它們俘獲到自己的內部，加上其外部有某種隔熱材料，由超新星材料產生的熱量就足以熔化小天體內部。如此看來，灶神星基本上就是一顆殘餘的原行星，和40多億年前融入地球及其他岩石行星的大量小天體沒有兩樣。 　　基於「黎明號」對灶神星的觀測，科學家認為他們現在終於弄清了地球起源之謎——地球和其他行星實際上是太陽系中第二代完全演化的天體。換句話說，地球是「吃星之星」，是通過吞噬成千上萬顆已經有內核的微行星而形成的。作為那個時期的遺骸，灶神星是地球「吃星」的見證者。地球甚至無需製造自己的內核，它只需壓縮其他天體的內核就能得到自己的內核。或許只有氣態巨行星—一木星、土星、天王星和海王星，才是通過自力更生自主形成的。 　　地球之類的行星把自己構建在結束演化的灶神星之類的小天體之上——這就是有關太陽系尤其是岩石行星如地球形成過程的全新理論，它徹底顛覆了傳統模式。這種對太陽系行星形成過程的詮釋，可能也解釋了其他恆星周圍行星的誕生機制。 　　下一個目標：穀神星 　　「黎明號」的下一個探測對象是穀神星。穀神星是小行星中最大的一顆，在「黎明號」到達它之前，它是～顆比灶神星還神秘的謎星。與乾燥的岩石天體灶神星相比，它更像是木星、土星、天王星和海王星的冰衛星（請參見相關鏈接《穀神星：生命之星？》）。 　　對於穀神星，天文學家能夠確信的信息少之又少，但基於間接證據，他們猜測穀神星是黏土和冰的世界，其表面之下可能存在真正的海洋，其中保留著太陽系形成時期狀況的線索。「黎明號」預計於2015年2月抵達穀神星附近並開始詳盡測量。在此之前，無人能肯定穀神星的組成和結構。 　　「黎明號」於2012年8月離開灶神星，它離開的方式和到來的方式完全一樣。地面控制中心只需把處在低軌道中的「黎明號」的位置提高，讓它的飛行速度稍稍加快到剛好能克服灶神星微弱引力的程度。在此過程中，「黎明號」非常平穩，沒有任何搖晃。它平靜地道別灶神星，然後緩緩退卻，轉而踏上前往穀神星的征程。 　　離子引擎 　　為「黎明號」提供動力的離子引擎曾經只存在於科幻作品中，但最近這項技術成熟到了可用於真正的行星際飛行的程度。過去10年來發射了數艘離子驅動的飛行器，而「黎明號」是其中最為雄心勃勃的一艘。 　　常規的化學火箭通過合併燃燒可燃化合物和向太空噴射所得熾熱氣體來提供推力：氣體往後面噴射，推動火箭前行。「黎明號」的引擎與此完全不同，它使用電場加速帶正電的氙氣離子束，離子束以高達每小時15000千米的速度噴射出飛行器。化學火箭的推進能量儲存在燃料自身，而「黎明號」從兩張太陽能電池板獲取能量加速氙。也就是說，離子推進不受飛行器上存儲的能量多少限制，只要有陽光就有推進力。也正因此，離子引擎的效率比化學引擎高出10倍。常規飛行器前往灶神星需要25盹燃料，而「黎明號」發射時只攜帶了不到450千克的氙，這已足夠它在灶神星軌道外再轉一個16億千米的大圈而前往下—個目的地——穀神星。 　　「黎明號」的整個飛行軌跡都是由它的不同尋常的引擎決定的。由常規火箭驅動的探測器，在整個一次任務期間燃燒寶貴燃料的時間不超過幾小時，這經常發生在制動入軌期間，在餘下的時間裡探測器只能依靠慣性巡航。而「黎明號」的引擎幾乎可以連續不斷地運作，因此它可以優雅的姿態緩慢擴大自己的軌道。 　　穀神星：生命之星？ 　　在「黎明號」到達之前，科學家對穀神星的大部分了解都源自對它的密度和質量的間接測量。密度暗示穀神星的含水量很高，穀神星的形狀則與硅酸鹽內核和冰與水的外層吻合。科學家據此推測，穀神星是一顆含水量很高的原行星。穀神星的直徑大約是500千米，其中約100千米可能是水。 　　「黎明號」搭載的相機將調查穀神星超過80%的表面，繪製解析度達數十米等級的地貌圖，這相比於現有的幾乎毫無特色的望遠鏡圖像（下圖）來說將是巨大的進步。地球上沒有任何隕石能與穀神星聯繫起來，因此它的表面組成情況至今未知，但天文學家估計穀神星由含水礦物分層，兩極可能覆蓋著冰霜。水的存在暗示穀神星或許有生命，因此「黎明號」將在遠離穀神星至少680千米的地方探測它，目的是盡量避免由「黎明號」無意中攜帶的地球微生物污染這個純；爭的世界。「黎明號」將無法確定穀神星是否存在生命，但它將讓天文學家一瞥太陽系演化過程中缺失的重要一環。
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