探索最大的兩顆小行星—灶神星和穀神星

在形成初期，太陽系只不過是一個圍繞自身中心旋轉的、由氣體和塵埃塌縮而成的盤狀物（太陽星雲）。星雲中的粒子隨機碰撞，粘結成團。積聚起來的物質繼續再與同類發生碰撞、聚合，如滾雪球般越長越大。與此同時，它們自身的引力也在逐漸增強。當它們的個頭長到幾公里大小時，便成為「星子」。在引力作用下，它們把周圍的鄰居拉向自己，導致了更多的碰撞，同時也形成了更大的團塊。太陽系內的物質碎塊就是這樣被併入了行星胚胎——原行星——中去。一些原行星能有幸長成為成熟的行星世界——例如我們今天耳熟能詳的那些行星。

不過，大多數原行星恐怕一輩子也無法摘掉那個「原始」頭銜。當一顆年輕的木星蓬勃生長時，它會掠奪小質量原行星，並監管四處遊盪的石塊以避免撞擊的侵擾。它還會粗暴地阻擋其它天體的成長。

在太陽系裡，這些未發育成熟的天體——包括從矮行星到塵埃粒子在內的殘餘物——為數眾多。奧爾特雲（Oort Cloud）——長周期彗星的出生地——覆蓋了以太陽為中心、向外延伸超過一光年遠的區域，坐擁數萬億成員。在大質量行星的引力干擾下，所有成員都被拋到極其遙遠的軌道上。

聚集了大量冰狀物的柯伊伯帶（Kuiper Belt）位於海王星軌道附近，並向外延伸開去。它已知的成員就有一千多個。此外，由大約44萬顆已知小行星構成的小行星帶，其成員總數可能高達數百萬。簡而言之，太陽系內充斥著一些大個頭天體。它們既不完全是行星，也不完全是單純的物質團塊。比如我們已知的兩顆最大的小行星——穀神星（Ceres）和灶神星（Vesta）——就是此類行星成長競賽落敗者的代表。

從個頭來講，灶神星僅有穀神星一半大（前者直徑為後者直徑的55%）。灶神星的質量也只有火星質量的0.13%。不過，灶神星是一顆原初行星，而穀神星則是一顆矮行星。在自身引力的作用下，灶神星呈球形。即便如此，它仍不能算作是一顆行星，與太陽系其它行星等同視之。（圖片來源：NASA）

早在太陽系開始成形的頭幾百萬年里，穀神星和灶神星就已存在了。二者可以被視為早期太陽系的定格，使科學家得以一窺那個演化階段的情況。否則，他們便只能依靠計算機的模擬結果了。灶神星既有22千米高的山峰，也有比地球上任何坑都要深的坑。至於穀神星，雖然科學家手中只有它的模糊照片，但它可能有和灶神星類似的地貌。這兩顆小行星的質量加在一起，佔了整個小行星帶總質量的三分之一。

美國宇航局的「曙光」號飛船目前正在開展對穀神星和灶神星的探索。「曙光」號於2007年升空。整整四年，它一刻不停地朝著乾旱、多岩石的灶神星開進。它在灶神星周圍轉悠了近14個月，並且拍攝了高解析度的照片以供科學家們研究「旋轉塵埃盤」是如何演化成「如今的太陽系」的。2012年9曰5日，「曙光」號動身前往穀神星。科學家將結合「曙光」號對這兩顆小行星的觀測，對多岩石行星的形成，以及它們如何獲取水源——即維持地球生命生存這樣的水源——一探究竟。

任務的動機

太陽系內有數百萬顆小行星、原行星和矮行星，科學家唯獨對穀神星和灶神星青眼相加，不是毫無道理的。首先，它們個頭大，意味著它們在向著行星演化的路途上比其它小行星走得更遠。其次，它們離我們不那麼遙遠，至少和柯伊伯帶小天體比起來，情況是如此。最後，也可能是最有意思的一點，它們倆的對比研究很有啟發性。

穀神星是一個冰封世界，處於較原始的狀態。而灶神星則是一塊乾旱的不毛之地，既有撞擊留下的斑痕，也有遠古時期岩漿蔓延形成的平滑面。如果它倆都形成於小行星帶，那為何它們會演化成如此天差地別的模樣？導致這些迥異特徵的原因其實也正是造成行星和衛星種種差異的原因。任職於德國航空航天中心下屬行星研究所的Ralf Jaumann是「曙光」號科學組成員。他評論說：「我們對多岩石的類地行星和太陽系外圍的冰狀小衛星知之甚多，卻對兩者間的演化關係缺乏了解。」

「曙光」號拍攝的這幅假彩照片描繪出構成灶神星Antonia撞擊坑的不同物質——它們被撞飛、散落在四處。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA(CRATER);ORBITAL SCIENCES CORPORATION(SPACECRAFT)）

「曙光」號科學組的專家們孜孜以求的目標是深入了解太陽系內維繫生命的水及類地行星的水源從何而來。當他們發現小行星上有水時，他們既不知道水的儲量，也不知道水在天體之間——比如說在小行星和行星之間——如何轉移。「穀神星的水量豐沛，而灶神星卻乾旱缺水」，「曙光」號首席研究員、美國洛杉磯加利福尼亞大學的Christopher Russell教授說，「但灶神星的乾旱也不像想像的那麼嚴重。長久以來，它的水源和水的儲藏方式對我們認識小行星帶，甚至是所有的類地行星都至關重要。」

探索水的出現、存留及轉移是「曙光」號的核心任務。從根本上說，解決了這些疑問就等於是回答了太陽系是如何演化成為如今這般模樣的。

灶神星一瞥

「曙光」號費了四年時間才到達遠在5.25億公里之外的灶神星。在這趟旅途中，它先是盤旋著飛離地球，之後又有一年半時間需要火星的引力相助。這份助力把它推到更遠的飛行軌道上，把它推向了灶神星。

「曙光」號為完成它的既定任務而攜帶了三台探測儀器。分幅照相機（簡稱FC）——一個連接著電子耦合器件（簡稱CCD）的折射光學系統。這台相機無論在科學探查，還是在巡航方面都非常有用：灶神星上發生的一切都難逃它的法眼，對「曙光」號正在奔向的穀神星亦如是。第二台儀器是伽馬射線和中子探測儀（簡稱GRaND）。它能「嗅」出構成岩石的元素，比如說硅，及放射性元素和水的存在。最後一台儀器是用來測量化學成分的可見光和紅外光譜儀（簡稱VIR）。它的工作是搜尋地表之上的各種原子和化合物，並將物質分布繪製成圖。

探測氫的儀器馬上就有了顛覆性的發現。儘管科學家一直認為灶神星缺水，「曙光」號還是在其表面捕捉到了水合物（含水分子的化合物）的存在。除此之外，「曙光」號還在灶神星的地下發現了水冰。來自義大利空間天體物理學和行星科學研究所（位於羅馬）的Maria Cristina DeSanctis認為，灶神星表面的水之謎也許正是解開太陽系內其它水源之謎的密鑰。她說：「我們認為導致灶神星上有水的過程，很可能也是向太陽系中心區域傳送水的過程。」如果「曙光」號科學組的專家們能解開多岩石的灶神星的水源秘密，他們也許就知道了地球是怎麼獲得水的。地球和灶神星就像是一對兄弟。雖然每人的發色、身高和體重不盡相同，但共同點卻是他們在同一個的環境中成長。

「怎麼」獲得水和「何時」獲得水，從根本上說，這兩個問題密不可分。科學家把「曙光」號的觀測結果和對地球表面的觀察聯合起來研究，已經破解了灶神星是在何時獲得了水的。「曙光」號是從地球出發飛向灶神星的，不過，灶神星的一小部分也曾造訪地球。天文學家一直認為地球上最常見的無球粒隕石（由古銅鈣長無球粒隕石、鈣長輝長無粒隕石和奧長古銅無球粒隕石組成的一個隕石族類，簡稱HED）——來自灶神星。恰好，灶神星的南極地區缺掉了很大一塊。科學家推斷，如果把地球上的HED鏟起，填回到灶神星南極的那個坑，HED正好能把那個坑給補上，這像玩拼圖遊戲一樣。位於灶神星南極的那個坑有505公里寬，損失的物質質量占灶神星總質量（包含這塊物質在內）的1%。坑底距離坑邊緣有22000米——比珠穆朗瑪峰還高14000米。

太空遺迹

這個名為Rheasilvia的深坑其實嵌套在另一個名叫Veneneia、更年老的坑裡。這兩個坑都是灶神星過去遭受撞擊形成的。在和其它大石塊碰撞時，灶神星已長成為大個頭的緻密天體。因此，它沒與撞擊物結合在一起，而是形成了巨大的、我們目前所見的撞擊坑和低谷，如同往湖面扔石子激起的漣漪一般。在形成Rheasilvia坑的撞擊事件中，大量石塊——總計達210萬立方千米——被撞離灶神星，飛入宇宙空間。

左圖：此圖是科學家用「曙光」號給灶神星拍得的最佳照片拼合而成。在圖的底部，凸起的部分就是Rheasilvia撞擊坑的邊緣。在圖左上部，還能看見由三個撞擊坑擺出的「雪人」造型。右圖：這幅圖是科學家用「曙光」號的觀測數據為灶神星繪製的立體模型。圖中的假彩色顯示出灶神星上起伏的地形及物質構成。雖然，截至目前，科學家還不清楚全部顏色的含義。不過，他們確信鐵含量較高的地方表現為圖中的綠色區域。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

跨越灶神星南極的、壯觀的Rheasilvia坑是在一次撞擊事件中形成的。這次撞擊使灶神星損失了1%的質量。這幅照片是「曙光」號分別在三個波段拍攝並拼合而成的三色假彩合成圖。其中，綠色區域標示出富含鐵元素的輝石或是較大的粒子。科學家目前正試圖弄清藍色和紅色區域的含義。由於太陽所在角度的關係，「曙光」號在圖中心的圓形區域沒有觀測數據，所以那裡表現為黑色。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

這些石塊中的一部分肯定最終落腳在地球上了。科學家認為時常隕落在地球上的HED就是例證。這些HED擁有「原始狀態」的化學成分。這暗示了它們在太陽星雲開始凝聚後不久便已形成。這點與灶神星一樣。「曙光」號的分析結果還顯示灶神星的化學成分與HED的成分相符。這就把灶神星過去經歷的撞擊和地球後來經歷的撞擊聯繫到一起。

HED族隕石的化學成分告訴科學家，其出生地的地質是分層的，或說是分化的——這與行星的地質情況類似。在「曙光」號還沒上天的時候，地質學家假定灶神星上較重的鐵元素會沉入地心，留下橄欖石構成的地幔、一殼層奧長古銅無球粒隕石、以及如同湖面浮冰一樣漂浮著的鈣長輝長無粒隕石。「曙光」號的探查結果證實了HED和灶神星之間的聯繫，也表明這個地質模型是正確的。

天文學家把灶神星赤道附近的低谷視為過去撞擊形成的激波遺迹。如果灶神星沒有形成獨立存在的地核、地幔和地殼，撞擊便不會生成這樣的地貌。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

來自太空的頻繁撞擊也改變了灶神星的外貌。根據「曙光」號傳回的圖像，灶神星表面彈坑累累，坑周圍還有撞飛物形成的輻射紋。這些坑的年齡差異很大，說明灶神星在整個太陽系演化史中一直遭受著其它岩石撞擊的騷擾。

撞擊把灶神星內部的物質撞出，和撞擊物的一部分混雜著散落到灶神星表面。有些撞擊坑非常深。這是由於撞擊使地表之下的水冰受熱、升華（從固態不經過液態直接變成氣態的相變過程），產生的氣體從岩石中猛烈逸出，像爆炸一般。經過長期劇烈、頻繁的撞擊，撞擊碎片在灶神星表面形成了幾百米至幾千米厚的塵土層。灶神星是唯一一顆經歷了如此多撞擊還能倖存下來的小行星。因此，它也成了唯一一顆擁有「新鮮」表面的小行星。

在灶神星南半球，Rheasilvia撞擊坑周圍分布著交織起伏的山脈和盆地。此地區地貌的波動幅度可高達幾十公里，山脊間距小於10公里。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

灶神星的Publicia撞擊坑（位於圖右）邊界分明。在圖中，它是最「新鮮」的撞擊坑。這意味著該坑的表面在撞擊發生後還未被物質覆蓋。它很可能是圖中所有撞擊坑裡最年輕的一個。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

小行星的皮膚學

儘管灶神星擁有「新鮮的皮膚」，「曙光」號卻發現其膚色不均。從照片上看，灶神星的表面斑斑點點，交織著明亮區域和深色區域。科學家認為，顏色淺的物質多表現為撞擊坑周圍的輻射紋，應該來自灶神星本身。根據「曙光」號VIR的分析結果，深色物質富含碳，並且大小不一、疏密不同，東一塊、西一塊地零落分散在灶神星表面，與地質特徵沒有關聯。考慮到其地理分布如此多樣，科學家得出了這樣的結論：深色物質是如雨點般墜落到灶神星表面的。

Canuleia坑是灶神星上所有帶明亮輻射紋的撞擊坑中最具代表性的一個。科學家認為構成輻射紋的物質來自於灶神星內部。在撞擊過程中，這些物質被撞出，隨後散落到地表。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/PSI/BROWN）

其它石塊的撞擊把灶神星內部的物質帶到了地表。除淺色物質以外，科學家還在其中發現了性質未明的深色物質。在Cornelia撞擊坑裡，深色物質呈條形，遍布在坑的表面。科學家把在三個波段拍攝的照片與模型繪出的地貌相結合，製作了上面這幅三彩照片。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

在灶神星上，哪裡的物質表現為深色，哪裡就含有充足的水分。這正好和一些科學家認為的碳質球粒隕石給地球帶來了水這一觀點一致。如果碳質球粒隕石能與灶神星碰撞，並在那裡留下了深色的遺迹和水分子，相同的情形也就可能曾經發生在地球上。

令人費解的是，HED不含水或其它揮發性化合物。這說明含揮發性分子的物質必是在Rheasilvia坑形成後才出現的。從時間上來說，如此才能與地球的情況相符。

根據新的分析結果，Jaumann認為：「和其它小行星相比，灶神星的地質情況更像月球和多岩石行星。」Russell則更進一步指出：「與其說灶神星像一顆大個頭的小行星，倒不如說它更像一顆行星。早在』曙光』號的探索開始之前，灶神星一直被叫做最小的行星。」

從「曙光」號近距離為灶神星拍攝的特寫照片上看，事實也的確如此。科學家稍不留神就會把這顆原行星表面的溝溝坎坎與火星河谷或非洲大裂谷等同視之。這樣的地貌暗示著這顆天體上曾有流動的河水。流水的長期侵蝕切割岩體，形成溝谷，只是後來河流乾涸了。

太空冒險

帶著灶神星的地質分層疑問、未探明的水量以及未完全解開的地貌之謎，「曙光」號和灶神星分道揚鑣了。飛船的離子推進系統把它推向更遙遠的地方。最終，它會飛入穀神星的軌道。

「曙光」號在太陽系內的穿越之旅：飛離地球後，「曙光」號藉助火星的引力進入環繞灶神星的軌道。圍繞灶神星轉了14個月之後，它開始向穀神星進發。「曙光」號將是第一個圍繞兩顆太陽系內天體飛行的人造飛行器。圖中從上到下的標註依次是：2012年9月離開灶神星；2007年9月發射升空；2009年2月得到火星的引力協助；2011年8月進入灶神星軌道，探索任務開始；2011年7月抵達灶神星；2016年2月任務結束；2015年3月飛抵穀神星。黑線為「曙光」號的實際飛行路線。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY;AFTER NASA）

一旦「曙光」號飛臨穀神星（這要等到2015年3月了），它將在那裡停留11個月。它會慢慢接近這顆小行星。最初，它會在距其地表5900公里高處徘徊。到了2015年8月，它將降到1480公里高處。然後，在2015年11月，「曙光」號將進一步降低其飛行高度，在距地表僅370公里高處擦著穀神星飛過。

這次飛掠將為我們帶來穀神星——這顆950公里寬的矮行星或小行星——的前所未有的圖像。目前，科學家能拿出的最好照片，看上去也仍是一片模糊不清。雖然穀神星個頭不小，也不難觀測（距太陽4.19億公里之遙），要想為它拍張好照片也不那麼容易。「穀神星真的很吸引人，」De Sanctis說。「可我們幾乎沒有它的任何數據。在我們眼中，它是一個龐大的未知世界。」

從能搜集到的少得可憐的數據，還有對穀神星細枝末節的模糊看法，科學家認為穀神星自身的引力已足以把它塑成球形——就像行星或巨大的衛星所能做到的那樣。圓潤的球形身材使得穀神星被劃分為一顆矮行星，與冥王星為伍。

在天文學家從遠處逐漸增進對穀神星認識的同時，它的豐富水儲量也隨之顯現出來。光譜分析——即便是在地面進行的光譜觀測——顯示穀神星地表的塵土中存在含水礦物。另外，穀神星的低密度也表明其地幔主要是由水冰構成。若這一點屬實，Jaumann說，「穀神星就是最大、最靠近太陽系中心區域的、帶冰殼的天體。它也由此成為分隔多岩石的太陽系內側和水冰、氣體為主的太陽系外圍的轉換點。」它將告訴我們地球為什麼與木星周圍及更遠的行星如此不同。

不過，在對穀神星進行實際考察之前，我們還無法深入挖掘它的細節。這顆特別的矮行星守口如瓶。「落到地球上來的隕石來自於小行星帶各處，可卻沒一個來自穀神星。」Russell說。「穀神星很擅長隱藏自己的秘密。而它的鄰居灶神星卻一直定期向我們傳遞訊息——墜落在地球上的每16顆隕石里，就有一顆來自灶神星。因此，即便只是探討一下穀神星如何避免信息外泄，也算是一個重要的科考目標了。」

「曙光」號將比地面望遠鏡和雷達都更加靠近穀神星。它不僅能告訴我們穀神星暗藏的水量，還能把其藏身之處昭告天下，以及穀神星上是否還存在著其它揮發性化合物。透過穀神星的化學成分，科學家能夠了解在太陽系早期，多岩石天體最初是如何獲得攸關生命的水源和有機含碳化合物的，以及這些物質落腳之後，又有怎樣的行為。

「曙光」號的主要科學目標之一便是查看在穀神星冰封的地表之下是否涌動著海水。「這一點無論對各種太陽系形成模型來說，還是對天體生物學來說，都具有深遠意義。」De Sanctis說。

穀神星也是分層的——即較重的物質，比如說鐵，沉降到核心。越接近地表，構成岩石層的物質質量越小。同灶神星一樣，穀神星也有個岩石內核。儘管如此，它的地層還是與灶神星不同。穀神星的地殼可能被塵土覆蓋著。在塵土層下可能有一層水冰，冰殼之下可能還有海洋。圖中標示從左向右依次是：薄薄的塵土外殼，水冰層和岩石內核。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

除此之外，科學家決定先做壁上觀。「我們無法預知我們將在穀神星上發現什麼，」De Sanctis說。「那裡是否有水熱活動？穀神星有沒有既稀薄又不穩定的大氣？它的地下結構如何？」

這張穀神星的照片是天文學家迄今為止拍得的最清晰的一張。穀神星是一個球狀的冰封世界。等「曙光」號飛抵那裡之後，科學家將能增進對它的細緻了解。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/C. DUMAS）

毫無疑問，當「曙光」號飛抵目的地並傳回大量影像，像De Sanctis這樣的天文學家將提出更多值得研究的問題。對這些問題的解答將拼湊出穀神星——也即太陽系、甚至地球——的演化史。

「我們的太陽系是一個由行星、衛星、小天體和物質組成的複雜集合體。不僅如此，在這個集合體內還有生命存在，」Jaumann說。「如果我們想對生命的起源一探究竟，我們就必須了解生命置身於其中的環境。地球是太陽系的一部分，也是這個環境的一部分。」

生命的故事

原行星能告訴我們地球的故事。同樣地，太陽系也能向科學家講述其它世界的故事——從它們如何形成到那裡是否有生命。「在當前這個時代，人類第一次探測到地球之外的行星世界，」Russell說。「這是個充滿臆測的領域。。。。。太陽系是唯一一個能為各種理論提供真實測試的地方。」

類似「曙光」號這樣的空間項目，其探索範圍可能是有限的——在太陽系內數百萬顆小行星之中，它只造訪了兩顆小行星。在銀河系中，可能存在著幾千億個太陽系。而在廣袤浩瀚的宇宙中，可能存在著上千億個銀河系。然而，近在咫尺的天體與遙不可及的天體卻都遵循著同樣的物理定律。研究抬手可觸的原行星、書寫我們太陽系的自傳，就像是了解蹣跚學步的孩童是如何長大成人的。儘管，這個孩子和地球上其他數百萬個孩子不盡相同。有朝一日，這些孩子也將會成長為完全不同的成熟個體。但是，有些成長過程——比如說蹣跚學步、呀呀學語、身高的漸長、皺紋的增多、肌肉力量的增強與衰退——卻顯示著個體差異中的共性。與此類似，科學家掌握的知識是天體所共有的。「曙光」號正在改變的，不僅僅是我們對穀神星和灶神星的認識，也是對更加深廣的宇宙的認識。

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