類地行星內(nèi)部呈殼、幔、核分層結(jié)構(gòu)，而以鐵鎳為主的金屬內(nèi)核如何形成，是類地行星早期演化的基本問(wèn)題之一。靈神星，作為最大的富含金屬成分的小行星，很可能正是一個(gè)剝落了殼和幔的行星內(nèi)核，為我們研究類地行星內(nèi)核的形成和演化提供了便利的途徑。本期星際征途介紹對(duì)靈神星的探測(cè)。作者徐璐媛，澳門科技大學(xué)太空科學(xué)研究所助理教授，從事行星遙感和行星地質(zhì)研究，并在科普期刊或網(wǎng)絡(luò)撰寫行星科學(xué)科普文章，也是“星際征途”第2篇露西號(hào)任務(wù)的作者。

專欄主持人：李薦揚(yáng)

北京時(shí)間2023年10月13日22:19（美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間同日10:19），美國(guó)航天局（NASA）靈神星號(hào)（Psyche）探測(cè)器搭乘太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的重型獵鷹火箭，從美國(guó)肯尼迪空間中心發(fā)射升空，前往一顆同名的金屬小行星——靈神星（Psyche）。這是重型獵鷹火箭首次發(fā)射有效載荷進(jìn)入繞日軌道（如果不算當(dāng)年首飛時(shí)扔出地球的那輛特斯拉跑車的話）。

靈神星：太陽(yáng)系最大的金屬小行星

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人類探測(cè)器已經(jīng)近距離造訪過(guò)許多類型的小行星。例如：日本航天局（JAXA）的隼鳥號(hào)深入探測(cè)過(guò)S型（巖質(zhì)）小行星絲川（糸川），JAXA的隼鳥2號(hào)和NASA的奧西里斯王號(hào)（也稱冥王號(hào)）深入探測(cè)過(guò)C型（碳質(zhì)）小行星龍宮和貝努……

如果跳出小行星的范疇，人類探測(cè)器早已近距離造訪過(guò)類地行星（例如地球、火星、水星）、氣態(tài)巨行星（例如木星、土星）、冰衛(wèi)星（例如木衛(wèi)二、土衛(wèi)二）、彗星（例如彗星67P）等各種類型的天體，近距離領(lǐng)略過(guò)太陽(yáng)系不同的風(fēng)景。但是還有一些重要的小行星拼圖，至今還沒(méi)有補(bǔ)全。

行星科學(xué)家們通常把小行星按光譜反映的成分進(jìn)行分類。最主要的三大類，除了C型和S型外，就是可能富含金屬（通常是鐵和鎳）的M型小行星——人類探測(cè)器還從未近距離、深入探測(cè)過(guò)任何一顆金屬小行星。而直徑約220千米的靈神星，就是一顆富鐵鎳金屬的小行星，而且是太陽(yáng)系已知的金屬小行星中最大、最重的一顆。

被人類探測(cè)器近距離探訪過(guò)的小型小行星和彗星。 （改編自：The Planetary Society  圖中沒(méi)有灶神星，它比司琴星大得多。）

靈神星不同時(shí)期的密度歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)（綠點(diǎn)和黃點(diǎn)）。相比于碳質(zhì)（C型）和巖質(zhì)（S型）小行星，金屬（M型）小行星通常雷達(dá)反照率更高，成分與富鐵鎳的隕石（尤其是含鐵鎳金屬50%以上的CB類球粒隕石）相似，平均密度也更高。圖中靈神星近十年觀測(cè)的平均密度在3000～5000 千克/立方米，遠(yuǎn)高于大多數(shù)碳質(zhì)和巖質(zhì)小行星的平均密度，表明這些金屬小行星中大概率混有鐵鎳這類高密度的金屬成分。

靈神星號(hào)：探訪那扇映照地球內(nèi)核的窗

金屬小行星是怎么形成的？一個(gè)廣為接受的觀點(diǎn)是：來(lái)自地球這樣的固態(tài)天體深處的鐵鎳內(nèi)核。

我們知道，地球不是一顆從內(nèi)到外均質(zhì)的“土豆”，而是有著多層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“雞蛋”。事實(shí)上，不僅是地球，月球、火星、水星、金星這樣的大型固態(tài)天體全都是這樣。這是為什么呢？

地質(zhì)和地球物理學(xué)家們認(rèn)為，這是因?yàn)榇笮凸虘B(tài)天體在形成之初的“胚胎”時(shí)期，很可能都經(jīng)歷過(guò)一個(gè)極其炙熱的“冶煉爐”階段?！耙睙挔t”中的熱，來(lái)自固態(tài)天體形成之初的吸積、內(nèi)部放射性元素衰變和外界密集的撞擊，其中較大的那些天體中產(chǎn)生的熱量足以熔融自身。

在這個(gè)“冶煉爐”里，天體內(nèi)的各種物質(zhì)在熔融狀態(tài)下順勢(shì)被“分離”開來(lái)：較重的元素（如鐵和鎳）向中心“下沉”形成內(nèi)核；相對(duì)較輕的硅酸鹽成分則“浮”上來(lái)形成原始幔層，最終形成從內(nèi)到外密度逐漸變小的“核、幔、殼”分層結(jié)構(gòu)。這就是固態(tài)天體的“熱分異”。

當(dāng)然，實(shí)際的分層遠(yuǎn)比這更多也更復(fù)雜。但總而言之，經(jīng)歷過(guò)熱分異的固態(tài)天體都“進(jìn)化”成了分過(guò)層的“雞蛋”。那么，如果我們想近距離探測(cè)地核的成分和性質(zhì)，現(xiàn)在還做不到——人類目前連挖穿地殼，直接探測(cè)地幔都還做不到。但如果有一類小行星，它們?cè)谛纬傻脑缙冢ā靶亲印睍r(shí)期）經(jīng)歷了和地球相似的熱分異過(guò)程，形成了和地球相似的鐵鎳內(nèi)核，之后又被太陽(yáng)系早期劇烈的天體撞擊作用“剝?nèi)ァ绷送鈱拥臍め?，只剩下鐵鎳內(nèi)核，那么探測(cè)這樣的小行星，就近似于探測(cè)地球的內(nèi)核。

甚至，如果我們認(rèn)為地球自發(fā)的偶極磁場(chǎng)來(lái)自富鐵鎳的地核，那么，這樣與地核同源的金屬小行星會(huì)不會(huì)也還保存著磁場(chǎng)，或者“封印”著古磁場(chǎng)的痕跡？

于是，作為太陽(yáng)系中最大的金屬小行星，靈神星就這樣被選中，成為靈神星號(hào)的探測(cè)目標(biāo)。2017年1月5日，NASA正式公布了第8輪“發(fā)現(xiàn)”級(jí)項(xiàng)目（Discovery Program）的2個(gè)當(dāng)選任務(wù)：露西號(hào)和靈神星號(hào)。露西號(hào)的目標(biāo)是首次探訪位于外太陽(yáng)系的多顆木星特洛伊小行星，靈神星號(hào)的目標(biāo)則是首次探訪位于主小行星帶的金屬小行星——靈神星 。

軌道和探測(cè)規(guī)劃

不同于計(jì)劃探測(cè)8個(gè)小天體、軌道設(shè)計(jì)精巧復(fù)雜的露西號(hào)，靈神星號(hào)的目標(biāo)非常簡(jiǎn)單直接：飛到靈神星附近，探測(cè)。

那靈神星在哪兒呢？靈神星位于火星和木星軌道之間的主小行星帶中，距離太陽(yáng)約3個(gè)天文單位（AU）。

靈神星軌道（紅線）位置

因此，靈神星號(hào)的軌道設(shè)計(jì)也非常常規(guī)：2023年10月發(fā)射升空后，靈神星號(hào)計(jì)劃于2026年5月飛掠火星獲得引力助推（也稱重力助推），之后沿著會(huì)合軌道于2029年8月抵達(dá)靈神星附近，開始科學(xué)探測(cè)，最后于2031年11月結(jié)束任務(wù)。當(dāng)然，如果靈神星號(hào)足夠健康長(zhǎng)壽的話，說(shuō)不定還有拓展任務(wù)。

靈神星號(hào)計(jì)劃軌道

在前往靈神星的飛行途中，靈神星號(hào)計(jì)劃軌道靈神星號(hào)探測(cè)器展開后的大小示意神星號(hào)將使用太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)（SEP），用太陽(yáng)能為霍爾推進(jìn)器提供電能。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)可以產(chǎn)生更高的推進(jìn)比沖，讓探測(cè)器攜帶更輕的燃料。相似的推進(jìn)技術(shù)曾成功應(yīng)用于NASA十多年前的黎明號(hào)任務(wù)。為此，靈神星號(hào)探測(cè)器配備了巨大的太陽(yáng)能板，整個(gè)探測(cè)器加上太陽(yáng)能板展開后長(zhǎng)24.76米，寬7.34米，大小差不多相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)。

靈神星號(hào)探測(cè)器展開后的大小示意

靈神星號(hào)的太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)激發(fā)霍爾推進(jìn)器中的氙離子，在太空中產(chǎn)生美麗的藍(lán)綠色羽流。抵達(dá)靈神星附近后，靈神星號(hào)將進(jìn)入環(huán)靈神星軌道，開展不少于21個(gè)月的科學(xué)探測(cè)。靈神星號(hào)團(tuán)隊(duì)把這一階段進(jìn)一步分為從A到D的4個(gè)軌道階段，軌道高度逐漸降低。

靈神星號(hào)的太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)（SEP）工作中。

A軌

特征軌道段（characterization），高度709千米，傾角90°，周期32.6小時(shí)。主要目標(biāo)：靈神星磁場(chǎng)探測(cè)，形貌初步探測(cè)。

B軌

地形軌道段（topography），高度303千米，傾角90°，周期11.6小時(shí)。主要目標(biāo)：靈神星地形探測(cè)、磁場(chǎng)探測(cè)，進(jìn)一步分為B1段和B2段。

C軌

重力科學(xué)軌道段（gravity science），高度190千米，傾角90°，周期7.2小時(shí)。主要目標(biāo)：靈神星重力場(chǎng)和磁場(chǎng)探測(cè)。

D軌

元素成分制圖軌道段（elemental mapping），高度75千米，傾角160°，周期3.6小時(shí)。主要目標(biāo)：靈神星表面化學(xué)元素成分探測(cè)。

不過(guò)，為了兼顧探測(cè)階段靈神星受到的光照變化，靈神星號(hào)計(jì)劃的探測(cè)順序并不是逐漸降軌，而是A軌→B1軌→D軌→C軌→B2軌，高低軌交錯(cuò)。

雖然靈神星的平均直徑約220千米，在主小行星帶中可以排進(jìn)前20，但還完全沒(méi)有大到被地基望遠(yuǎn)鏡清楚拍到的程度。因此，想要真正認(rèn)識(shí)這顆金屬小行星，還是非得探測(cè)器出馬才行。

靈神星形狀模型（基于目前的地基雷達(dá)探測(cè)）

靈神星的藝術(shù)想象圖

靈神星號(hào)還計(jì)劃在任務(wù)中驗(yàn)證一項(xiàng)新的激光通信技術(shù)：深空光學(xué)通信（DSOC）。這個(gè)技術(shù)將信息加載在近紅外波段的光子而非無(wú)線電波中，以實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器與地球的高速率通信。

靈神星號(hào)搭載的深空光學(xué)通信激光收發(fā)器的位置（上）和外形（下）

靈神號(hào)項(xiàng)目組計(jì)劃分兩個(gè)階段開展DSOC技術(shù)實(shí)驗(yàn)（粉色點(diǎn)線），持續(xù)約兩年時(shí)間。第一階段從發(fā)射持續(xù)到2024年6月，第二階段計(jì)劃從2025年1月持續(xù)到10月。

2025年1月，靈神星號(hào)在前往小行星帶的途中拍攝的木星系統(tǒng)（左下角為放大詳情）和火星。

靈神星號(hào)搭載的深空光學(xué)通信發(fā)回的數(shù)據(jù)，將由加州理工學(xué)院帕洛瑪山天文臺(tái)（Palomar Observatory）的5.1米口徑海爾望遠(yuǎn)鏡（Hale）接收。

靈神星號(hào)本次計(jì)劃開展的深空光學(xué)通信實(shí)驗(yàn)，是這個(gè)技術(shù)首次嘗試用于月球以外的深空探測(cè)激光通信。

靈神星號(hào)的科學(xué)儀器

靈神星號(hào)探測(cè)器主體部分長(zhǎng)3.1米、寬2.4米，大小與小面包車相當(dāng)。配合不同軌道階段的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，靈神星號(hào)共攜帶了4種科學(xué)儀器。

靈神星號(hào)攜帶的科學(xué)儀器

01  多光譜成像儀×2

用于拍攝靈神星表面不同波段的影像；獲取靈神星表面地形；探測(cè)靈神星表面的礦物成分，尤其是金屬成分的比例。

靈神星號(hào)的一對(duì)多光譜成像儀位置（左）和外形（右）

02  磁強(qiáng)計(jì)×2

用于探測(cè)靈神星的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如果靈神星真的曾經(jīng)有過(guò)磁場(chǎng)，這將是證實(shí)它真的是一個(gè)已經(jīng)完成熱分異的早期星子內(nèi)核的重要證據(jù)。

靈神星號(hào)的一對(duì)磁強(qiáng)計(jì)位置（左）和外形（右）

03  伽馬射線和中子譜儀

用于探測(cè)靈神星的化學(xué)元素成分。

靈神星號(hào)的中子譜儀和伽馬射線譜儀位置（上）和外形（中、下）

04  X波段無(wú)線電遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)

主要用于與地球通信，接收指令，發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)；兼用于獲得靈神星的重力數(shù)據(jù)，獲取靈神星的質(zhì)量、重力場(chǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息。

靈神星號(hào)的X波段天線位置（上）和外形（下）

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第5期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 范周桐