灵神号发射！直冲太阳系神秘金属星球，揭秘地核古老密码

北京时间2023年10月13日22:19（14:19 UT），NASA灵神号（Psyche）探测器搭乘SpaceX重型猎鹰火箭，从美国肯尼迪航天中心发射升空，前往同名的金属小行星——灵神星（Psyche）。

载着灵神号的重型猎鹰火箭发射升空 |John Kraus

太阳系中，栖息着数以百万计的小行星。它们形成于太阳系早期，如今游荡在太阳系中不同的轨道位置，大小、形状、成分也各不相同。

随着深空探测技术的发展，人类探测器已经近距离造访过许多类型的小行星。例如：JAXA的隼鸟号深入探测过富硅的S型（岩质）小行星糸川，JAXA的隼鸟2号和NASA的冥王号分别深入探测过富碳的C型（碳质）小行星龙宫和贝努。

除灶神星外（太大了画不下），被人类探测器近距离探访过的小行星们 | 改编自：TPS

如果跳出小行星的范畴，人类探测器早已近距离造访过类地行星（如地球、火星、水星）、气态行星（如木星、土星）、冰卫星（如木卫二、土卫二）、彗星（例如彗星67P）等各种类型的天体，近距离领略过太阳系不同的风景。

探测器近距离拍摄的火星、木星和土卫二（大小未按比例） | NASA

只有一块小行星拼图，至今还没有补全。

行星科学家通常按光谱成分把小行星分为三大类，除了C型和S型外，第三类就是富金属（通常是铁和镍）的M型小行星——人类探测器还从未近距离、深入探测过任何一颗金属小行星。

而灵神星，就是一颗富铁镍金属的小行星，而且是太阳系已知的金属小行星中最大最重的那颗。

相比于碳质（C型）和岩质（S型）小行星，金属（M型）小行星通常雷达反照率更高，成分与富铁镍的陨石（尤其是含铁镍金属50%以上的CB类球粒陨石）相似，平均密度也更高。图中灵神星近十年观测的平均密度在3000-5000 kg/m³（Kleopatra和Lutetia也很可能是M型小行星），远高于大多数碳质和岩质小行星的平均密度，表明这些金属小行星中大概率混有铁镍这类高密度的金属成分 | 参考资料^[1]

除了填补小行星探测领域的空白，金属小行星本身，也对我们认识太阳系的演化，尤其是我们地球这样的岩质星球演化，有着独特的意义。

这就涉及到一个重要的问题：金属小行星，是怎么形成的？

一个广为接受的观点是：来自地球这样的固态天体深处的铁镍内核。

我们知道，地球不是一颗从内到外均质的“土豆”，而是有着多层内部结构的“鸡蛋”。事实上，不仅是地球，月球、火星、水星、金星这样的大型固态天体全都是这样。这是为什么呢？

地质和地球物理学家认为，这是因为大型固态天体在形成之初的“胚胎”时期，很可能都经历过一个极其炙热的“冶炼炉”阶段。“冶炼炉”中的热，来自固态天体形成之初的吸积、内部放射性元素衰减和外界密集的撞击，其中较大的那些天体中产生的热量足以熔融自身。

在这个“冶炼炉”里，天体内的各种物质在熔融状态下顺势被“分离”开来：较重的元素（比如铁和镍）向中心“下沉”形成内核；相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层，最终形成从内到外密度逐渐变小的“核幔壳”分层结构。

这，就是固态天体的热分异。

大型岩质天体热分异的大致过程 | 制图：haibaraemily

当然，实际的分层远比这更多更复杂。但总而言之，经历过热分异的固态天体都“进化”成了分过层的“鸡蛋”。

那么，如果我们想近距离探测地核的成分和性质，做得到么？

做不到，人类目前连挖穿地壳，直接探测地幔都还做不到。

但如果现在有一类小行星，它们在形成的早期（“星子”时期）经历了和地球相似的热分异过程，形成了和地球相似的铁镍内核，之后又被太阳系早期剧烈的天体撞击作用“剥去”了外层的壳幔，只剩下铁镍内核了——那你是不是要一拍大腿：我们去探测这样的小行星，四舍五入不就相当于探测了地球的内核了嘛！

灵神星的成分，可能与地球这样的类地行星内核相似 | NASA/JPL^[2]

甚至，如果我们认为地球自发的偶极磁场来自富铁镍的地核，那…这样与地核同源的金属小行星会不会也还保存着磁场，或者“封印”着古磁场的痕迹呢？

灵神星可能的形成过程示意：一颗已经分层的固态天体，被撞击剥去了外层物质，只剩下了内部的金属铁核，在向外产生着磁场 | NASA/JPL^[2]

2017年1月5日，NASA正式公布了第8届“发现”级项目（Discovery Program）的2个当选任务：露西号和灵神号^[3]。露西号的目标是首次探访位于外太阳系的多颗木星特洛伊小行星（详见：NASA最抠门任务启程，1个探测器去8颗小行星），灵神号的目标是首次探访位于主小行星带的金属小行星——灵神星 。

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^[3]

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

不过，近些年的“发现”级项目个个远超常规预算，灵神号更是如此。原本计划2022年发射的时候，灵神号的预算已经高达9.9亿美元，而延期到2023年之后，预算更是可能会飙升到11.3亿美元^[4]——可以说完全达到了中型项目“新疆界”级的预算待遇。

唉，延期就是多花钱，这事儿韦布望远镜最有经验。

灵神号的目标非常简单直接：飞到小行星带找到灵神星就完事儿了。

那灵神星在哪儿呢？灵神星位于火星和木星轨道之间的主小行星带中，距离太阳约3天文单位（天文单位，天文学家在太阳系中常用的距离单位，即太阳到地球的平均距离）。

灵神星轨道（红线）位置 | 参考资料^[5]

因此，灵神号的轨道设计也非常常规：2023年10月发射升空后，灵神号计划于2026年5月飞掠火星获得引力助推，之后沿着会合轨道于2029年8月抵达灵神星附近，开始科学探测，最后于2031年11月结束任务。

当然，如果灵神号足够健康长寿的话，说不定还有拓展任务。

灵神号计划轨道 | 汉化自：ASU^{[6, 7]}

在前往灵神星的飞行途中，灵神号将使用太阳能电推进系统（SEP），用太阳能为霍尔推进器提供电能^[8]。

相比于传统的化学推进系统，太阳能电推进系统可以让探测器携带更轻的燃料，但产生更高的推进比冲，相似的推进技术曾成功应用于NASA十多年前的黎明号任务。

灵神号探测器展开后的大小示意 | 汉化自：ASU^[9]

灵神号的太阳能电推进系统（SEP）工作中 | SSL^[8]

抵达灵神星附近后，灵神号将进入环灵神星轨道，开展不少于21个月的科学探测。灵神号团队把这一阶段进一步分为从A到D的4个轨道阶段，轨道高度逐渐降低^{[6, 10, 11]}：

- A轨：特征轨道段（characterization），高度709千米，倾角90°，周期32.6小时。主要目标：灵神星磁场探测，形貌初步探测。

- B轨：地形轨道段（topography），高度303千米，倾角90°，周期11.6小时。主要目标：灵神星地形探测、磁场探测，进一步分为B1段和B2段。

- C轨：重力科学轨道段（gravity science），高度190千米，倾角90°，周期7.2小时。主要目标：灵神星重力场和磁场探测。

- D轨：元素成分制图轨道段（elemental mapping），高度75千米，倾角160°，周期3.6小时。主要目标：灵神星表面化学元素成分探测。

灵神号环绕灵神星阶段的计划轨道（不同资料给出的数据略有差异） | 汉化自：ASU^[6]

不过，为了兼顾探测阶段灵神星受到的光照变化，灵神号计划的探测顺序并不是逐渐降轨，而是A轨→B1轨→D轨→C轨→B2轨，高低轨交错。

虽然灵神星个头还挺大，平均直径约220公里，在主小行星带中可以排进前20，但还完全没有大到能被地基望远镜清楚拍到的程度。因此，想要真正认识这颗金属小行星，还是非得探测器出马才行。

灵神号形状模型 | 参考资料^[12]

图源：NASA/ASU

至于这颗小行星到底长啥样，就要等灵神号抵达之后才知道了。

灵神号探测器主体部分长3.1米、宽2.4米，大小与小面包车相当：

汉化自：ASU^[9]

配合不同轨道阶段的科学探测目标，灵神号共携带了4种科学仪器^{[9, 13, 14]}：

汉化自：ASU^[9]

1）多光谱成像仪（Multispectral Imager）×2：用于拍摄灵神星表面不同波段的影像；获取灵神星表面地形；探测灵神星表面的矿物成分，尤其是金属成分的比例。

灵神号的一对多光谱成像仪位置（上）和外形（下）| NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS^[13]

2）磁强计（Magnetometer） ×2：用于探测灵神星的磁场强度。如果灵神星真的曾经有过磁场，这将是一个重要证据，能够证实它真的是一个已经完成热分异的早期星子内核。

灵神号的一对磁强计位置（上）和外形（下）|NASA/JPL-Caltech^[13]

3）伽马射线和中子谱仪（Gamma-Ray and Neutron Spectrometer）：前者用于探测灵神星的化学元素成分，后者用于探测灵神星表面受宇宙射线激发的中子。

灵神号的伽马射线谱仪和中子谱仪位置（上）和外形（下）|Johns Hopkins APL/Ed Whitman^[13]

灵神号的X波段天线位置（上，中）和外形（下）|NASA/JPL-Caltech[13]

此外，灵神号还计划在任务中验证一项新的激光通讯技术：深空光学通讯（DSOC）^[14,15]。该技术将信息加载在近红外波段的光子而非无线电波中，以实现深空探测器与地球的高速率通讯。

灵神号搭载的深空光学通讯激光收发器的位置（上）和外形（下）| NASA/JPL-Caltech^[15]

灵神号搭载的深空光学通讯发回的数据，将由美国加州理工学院帕洛玛山天文台（Palomar Observatory）的5.1米口径海尔望远镜（Hale）接收。

加州理工学院帕洛玛山天文台 | NASA/JPL-Caltech^[15]

灵神号本次计划开展的深空光学通讯实验，是该技术首次尝试用于月球以外的深空探测。

灵神号项目组计划分两个阶段开展DSOC技术实验（粉色点线），持续约两年时间。第一阶段从发射持续到2024年6月，第二阶段计划从 2025年1月持续到10月| 汉化自：NASA/JPL-Caltech^[7]

灵神星作为一个从未被人类探测器探访过的新世界，我们还不知道它会带来多少惊喜和新的谜题。

但至少，在灵神号现有的规划中，长达两年多的探索有望揭开一系列关于灵神星、关于金属小行星的谜团，例如：

• 灵神星表面到底长什么样？经历了怎样的地质和撞击历史？

• 金属小行星的平均密度只有3000kg/m^3出头，它们不可能是纯铁镍组成的，那么灵神星的组成成分如何？

• 灵神星有磁场吗？磁场分布如何？

• 灵神星是否真的是一个已经分层的胚胎行星留下的内核，像我们的地核那样？

• ……
  

期待2029年的灵神号，能够给出这些问题的答案。