美国宇航局的露西任务探索木星特洛伊小行星-“这几乎就像我们在时间旅行”

露西·特洛伊小行星任务

露西将探索木星特洛伊小行星——被认为是“行星形成的化石”。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

">美国国家航空航天局“露西”号宇宙飞船将于2021年10月发射,进行为期12年的太空旅行木星特洛伊小行星。“露西”号任务将包括三次地球引力协助和对八颗小行星的访问。

“露西”的目标小行星大多是太阳系形成时遗留下来的,以希腊神话中的人物命名为“特洛伊”。这些特洛伊木马分两群围绕太阳运行:一群先于木星,另一群紧随木星围绕太阳运行的轨道。“露西”号将是第一个访问特洛伊的航天器,也是第一个检查这么多独立的太阳系目标的航天器,每个目标都在各自的太阳轨道上运行。

露西是怎么得名的?

露西的名字来源于人类化石的祖先,她的发现者称其为“露西”,其骨骼为人类进化提供了独特的见解。同样,露西任务将彻底改变我们对行星起源和太阳系形成的认识。

近距离研究木星的特洛伊小行星将有助于科学家完善他们的理论,以了解我们太阳系的行星在45亿年前是如何形成的,以及它们为什么会以现在的形态结束。“这就好像我们回到了过去,”航天工程师雅各布·英格兰德说,他在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德航天飞行中心工作时,帮助设计了露西的轨道。

七年前,露西第一次被设想为对两颗小行星的任务,由于创造性的工程和完美的时机,她扩展到了史诗般的规模。一些人认为,业力可能也与此有关:“我经常开玩笑说,我的职业生涯是在崇拜天体力学之神的脚下度过的,”露西首席研究员哈罗德·列维森(Harold Levison)说,他是西南研究所(SwRI)科罗拉多州博尔德分校的行星动力学专家,总部设在圣安东尼奥。“现在他们正为我们的奉献付出回报。”

“我经常开玩笑说,我的职业生涯是在崇拜天体力学之神的脚下度过的。现在,他们正为我们的奉献而回报我们。”
哈罗德·利维森,西南研究所


这个自顶向下的太阳系视图显示了整个“露西”任务在一个木星旋转的参考系中。在这个参照系中,木星似乎是固定在空间中的。沿着木星的轨道描绘出两大片小行星(称为木星特洛伊小行星)。每次飞过都会出现标签。图片来源:美国宇航局科学可视化工作室

轨迹

根据任务传奇,改变一切的时刻发生在2014年,也就是NASA选择露西进行飞行的几年前。科罗拉多州利特尔顿市洛克希德·马丁航天公司的长期任务轨道设计师布赖恩·萨特(Brian Sutter)正带领列维森通过计算机模拟露西提出的穿越太阳系的路线。

帕特洛克勒斯和梅诺埃提乌斯:一对千古佳偶

萨特指出,位于木星轨道上跟踪木星的特洛伊小行星群中,质量大约相等的双星对帕特洛克勒斯和梅诺埃提乌斯正在围绕它们之间的质量中心旋转——“就像一个没有横杆的哑铃。”。有很好的证据表明,太阳系中最早形成的大型物体就是这些类型的双星。

了解更多

在莱维森看来,露西将在前往官方目标的途中经过帕特洛克勒斯;帕特洛克勒斯是一对相互环绕的特洛伊小行星之一。当时萨特并不知道,帕特洛克勒斯是列维森最喜欢的特洛伊木马。它和它的近亲孪生伙伴美诺提乌斯被锁定在双星轨道上,是地球轨道内一种罕见而神秘的品种海王星. 大多数居住在太阳系内部的小行星都应该在剧烈碰撞的动荡行星形成时期从它们的伙伴那里被撕裂。

这对是如何保持完整的?利维森说,这个答案可能包含有关行星形成的时间和执行的重要线索。“我不知道布莱恩为什么选择了普特洛克勒斯;也许它是其中一个大的,也许他喜欢这个名字,”他说。“但当我看到它时,我记得我大喊‘等一下,等一下:我们能走吗在那里?’”

萨特已经设计了几十年的航天器轨道,包括NASA的小行星样本返回任务OSIRIS-REx美国宇航局的火星奥德赛轨道飞行器由洛克希德·马丁公司建造的宇宙飞船。他在露西的轨迹模拟中包括了帕特洛克勒斯和梅诺提乌斯,仅仅因为他们在天体附近;这一对并不完全沿着露西的路走。但是萨特检查了太阳系在未来是否会对齐,这样露西的轨道就能使它足够靠近这对夫妇来观察它们。

露西轨道

这张图显示了露西的轨道。来源:西南研究所

任务弹道设计师:布莱恩·萨特。你是怎么得出露西复杂的轨迹的?

巧合的是,露西和普特洛克勒斯-墨诺提乌斯二人在2033年相遇。“这只是运气,”利维森说。

这一发现启发萨特在任务期间沿着露西的路径寻找其他目标。他将75万颗已知的小行星轨道放入电子表格中,加上露西当时的轨道,并花了几个月的时间进行计算,发现了一些其他的小行星——它们具有不同的化学成分,是此次任务的完美科学目标。

萨特说:“我一直在我的模拟中加入遭遇战,直到航天器上的燃料耗尽,这就是我们结束露西轨迹的地方。”。“然而,我也知道,沿途还有更多的目标,如果我们有更多的燃料,我们可以到达它们。”

正如他一直所做的那样,萨特使用Excel作为他的轨迹工具之一——一个大多数人都与会计联系在一起的程序——来设计露西穿越太空的路径。“我可以在其中做各种神奇的事情,”这将需要在美国宇航局戈达德工作的英格兰德来优化轨道,并使航天器到达直径从2英里(3公里)到70英里(113公里)的8个目标。

雅各布·英格兰德

任务设计师:雅各布·英格兰德。到目前为止,你最难忘的任务是什么?

现在,作为马里兰州劳雷尔市约翰·霍普金斯应用物理实验室的一名任务设计师,英格兰德在一个热门新闻网站上读到露西的消息时,并未与露西有任何牵连。他碰巧正在开发一个功能强大的软件,名为进化任务轨迹发生器现在,任何想使用它的人都可以使用它的开源软件。EMTG可以在数小时内,而不是数月内,完成数百万种轨迹。“我有一种感觉,如果我给布莱恩和团队一个EMTG渲染的轨道版本,这将是有益的,所以我基于这篇文章逆向工程的任务,”Englander说。

route Englander的软件确定了减少的燃料使用量和Lucy的运载火箭的尺寸。因此,它在穿越更多小行星的同时节省了任务资金,确保了英格兰德在团队中的位置,并让露西在2017年被美国宇航局选中。


露西的七个目标:双星小行星普特洛克勒斯/墨诺提乌斯、欧律贝茨、欧律斯、留科斯、波利梅尔和主带小行星唐纳德·约翰森。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

现在,露西将搭乘阿特拉斯V 401火箭在2021年10月16日开启的窗口期间从地球上发射。它将首先两次飞越地球,利用地球的引力将自己抛向特洛伊。2025年,“露西”将飞越唐纳德·约翰森,后者在小行星带之间运行">火星和木星。研究小组将利用这次飞越来测试宇宙飞船的仪器。

到2027年8月,露西将在引力稳定的拉格朗日点(即L4)到达木星之前的第一批特洛伊木马。在那里,航天器将首先与Eurybates(发音为“yoo-RIB-a-teez”或“you-ri BAY-teez”)及其卫星Queta(“KEH tah”)相交。

到2027年9月,露西将通过Polymele(“pah-li-MEH-lee”或“pah-LIM-ah-lee”)飞行,然后在2028年4月通过Leucus(“LYOO-kus”或“looo -kus”),并在2028年11月通过Orus(“O-rus”)。

然后,露西将绕地球转回来,进行第三次重力辅助,将其弹射到木星另一侧的群中,位于L5拉格朗日点,在那里它将于2033年与帕特洛克勒斯(“帕特洛-克鲁斯”)和梅诺提乌斯(“梅诺-伊-舒斯”或“梅-尼-舒斯”)相遇。

科学

特洛伊星是由岩石颗粒和奇异冰组成的星团,它们在太阳系形成时并没有合并成行星。它们是我们从那个时期遗留下来的保存最完好的证据之一,因此是解释太阳系如何变成现在这个样子的关键。

“当我们回顾太阳系和我们在地球上的位置时,人们经常会问,‘我们的历史是什么?我们是如何来到这里的?’”露西的副首席研究员、西南研究所的凯西·奥尔金说。“露西将试图帮助回答其中一些问题。”

有一些理论可以解释行星、卫星和其他物体是如何形成的,以及它们是如何在当前位置结束的。例如,莱维森是尼斯模型的合著者。尼斯模型以2004年在法国开发的城市尼斯命名。对早期太阳系的计算机模拟表明,巨大的气态行星一开始是围绕太阳的密集布局。最终,引力与由小天体组成的圆盘以及彼此之间的相互作用导致了不断增长的行星分散开来。海王星,">天王星土星向外扩展,远离太阳,而木星则稍微靠近太阳。

行星科学家奥尔金说:“在这个理论中,这种重组造成了混乱的破坏,将许多天体从太阳系中散射出去,并将一些天体吸引到拉格朗日点附近,这是木星特洛伊木马形成的一种可能的解释。”

凯西·奥尔金

副首席调查员:Cathy Olkin。在Lucy为实现其第一个目标而旅行的四年中,什么会让你感到兴奋?

比较木星特洛伊木马的组成将有助于科学家解开他们的历史。从地球和太空望远镜上看,特洛伊木马在组成上彼此不同。这是因为它们来自太阳系的不同部分,因此由不同的物质组成吗?还是特洛伊木马由相同的物质组成,不同于其他物质只能在它们的表面上看到,这些表面可能已经被小行星在到达当前拉格朗日位置时经历的不同程度的加热、辐射和碰撞所改变。

科学家们将试图通过使用像拉尔夫这样的仪器来回答露西的这些问题和其他问题,这是基于奥尔金领导的类似仪器美国宇航局的新视野航天器拉尔夫将探测平均距离620英里(1000公里)的小行星表面角落和缝隙的化学成分。较深的陨石坑床或陨石坑壁可能提供进入这些小行星内部的通道,这些小行星是由较年轻的材料制成的(对于最古老的外表面来说,有数百万年的历史,而不是数十亿年的历史)。这种“新鲜”的表面大概不会受到太多的辐射和微陨石的影响,因此可以保留小行星的一些原始成分。

用露西的洛里黑白相机科学家将计算小行星表面陨石坑的数量,这将为小行星数十亿年前暴露在环境中的情况提供线索。许多大的陨石坑表明这颗小行星是在靠近太阳的湍流和温暖地区形成的;而陨石坑较少则意味着,特洛伊木马形成于萌芽中的太阳系相对平静和寒冷的最外层区域。弄清楚这些小行星在形成太阳系的气体和尘埃盘中的位置,以及其他形式的证据,将有助于科学家检验他们的行星形成理论。

“这将是我希望在未来十年左右看到的故事,”莱维森说。

长期的任务

“很可能等露西喝完或者没气的时候,我刚出生的儿子就会到我现在这个年纪了。”
——雅各布·英格兰德,美国宇航局戈达德太空飞行中心

尽管NASA的大多数任务都要持续几年,但工程师们建造的这种耐用的航天器和仪器,可以远远超出他们的主要任务,而且,确实,许多人确实这样做了。新视野号的任务是冥王星例如,它的设计寿命为10.5年,其中包括到矮行星的九年半通勤时间。但是任务被延长了,航天器在2006年发射15年后至今仍保持活跃。

哈罗德•奥尔特

首席研究员:哈罗德·利维森。你是否在长期的任务中做出了不同的人生选择?

露西12年的主要任务是NASA迄今为止最长的任务。为了维持这一雄心勃勃的追求,该团队不仅要计划航天器的寿命(该航天器部分以“新视野号”为模型),还要计划载人的寿命。从构思任务,到向NASA提交提案,再到选择和建造航天器,一些团队成员已经在“露西”上工作了十多年——而航天器甚至还没有发射!有些人成年后会花很多时间在这项任务上。如果“露西”号继续执行延长任务,它可以飞行几十年。

37岁的英格兰德说:“很可能等露西做完手术,或者没油的时候,我刚出生的儿子就和我现在一样大了,这真是太酷了!”

但是人们换了工作,退休了,所以考虑到露西的一生,这个团队为了避免在这些不可避免的变化中出现重大干扰。为此,团队在Lucy的设计中加入了一个继任计划:任务负责人往往在职业生涯中走得更远,他们有年轻的副手,必要时可以接任。“我们从一开始就关注寿命问题。”莱维森说,到2033年主要任务结束时,他将75岁。

帕特洛克勒斯和梅诺提乌斯继续说…。

萨特指出,位于木星轨道上跟踪木星的特洛伊小行星群中,质量大约相等的双星对帕特洛克勒斯和梅诺埃提乌斯正在围绕它们之间的质量中心旋转——“就像一个没有横杆的哑铃。”。有很好的证据表明,太阳系中最早形成的大型物体就是这些类型的双星。

今天,大多数这样的双星都局限在柯伊伯带,这是一个由最古老、变化最小的彗星和其他由冰、岩石和尘埃组成的物体组成的甜甜圈形状的区域。这条带从最外层行星海王星的轨道延伸到冥王星轨道之外。

目前的证据表明,帕特洛克勒斯和梅诺埃提乌斯很可能形成于太阳系外,与许多柯伊伯带天体位于同一位置——他们希望在2033年露西接近他们时能确切地知道。如果是这样的话,这对特洛伊木马可能是科学家们获得更多类似柯伊伯带的物体的最大希望(新地平线公司访问了柯伊伯带物体)阿罗诺斯2019年)。

像利维森这样的科学家推断,当这些巨大的行星在40亿到45亿年前开始改变它们的轨道时,它们分散了周围的一切。普特洛克勒斯和墨诺提乌斯恰好向木星内部散射,而其他许多物体则被柯伊伯带捕获,有些被发射出了太阳系。“所以,我们正在寻找是否正确的线索,”NASA戈达德的露西项目科学家基思·诺尔(Keith Noll)说。

当露西到达普特洛克勒斯双星时,科学家们将检查它们的组成和表面陨石坑的数量。“它们是光滑的还是被打扁的?””诺尔。“他们是被打得多还是少?”找到这些问题的答案将使科学家深入了解特洛伊小行星的相对年龄和早期太阳系的条件。

第一个发表评论在“美国宇航局探索木星特洛伊小行星的露西任务——”中,“我们几乎就像回到了过去”

留言

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。