探索最大的两颗小行星—灶神星和谷神星

在形成初期，太阳系只不过是一个围绕自身中心旋转的、由气体和尘埃塌缩而成的盘状物（太阳星云）。星云中的粒子随机碰撞，粘结成团。积聚起来的物质继续再与同类发生碰撞、聚合，如滚雪球般越长越大。与此同时，它们自身的引力也在逐渐增强。当它们的个头长到几公里大小时，便成为“星子”。在引力作用下，它们把周围的邻居拉向自己，导致了更多的碰撞，同时也形成了更大的团块。太阳系内的物质碎块就是这样被并入了行星胚胎——原行星——中去。一些原行星能有幸长成为成熟的行星世界——例如我们今天耳熟能详的那些行星。

不过，大多数原行星恐怕一辈子也无法摘掉那个“原始”头衔。当一颗年轻的木星蓬勃生长时，它会掠夺小质量原行星，并监管四处游荡的石块以避免撞击的侵扰。它还会粗暴地阻挡其它天体的成长。

在太阳系里，这些未发育成熟的天体——包括从矮行星到尘埃粒子在内的残余物——为数众多。奥尔特云（Oort Cloud）——长周期彗星的出生地——覆盖了以太阳为中心、向外延伸超过一光年远的区域，坐拥数万亿成员。在大质量行星的引力干扰下，所有成员都被抛到极其遥远的轨道上。

聚集了大量冰状物的柯伊伯带（Kuiper Belt）位于海王星轨道附近，并向外延伸开去。它已知的成员就有一千多个。此外，由大约44万颗已知小行星构成的小行星带，其成员总数可能高达数百万。简而言之，太阳系内充斥着一些大个头天体。它们既不完全是行星，也不完全是单纯的物质团块。比如我们已知的两颗最大的小行星——谷神星（Ceres）和灶神星（Vesta）——就是此类行星成长竞赛落败者的代表。

从个头来讲，灶神星仅有谷神星一半大（前者直径为后者直径的55%）。灶神星的质量也只有火星质量的0.13%。不过，灶神星是一颗原初行星，而谷神星则是一颗矮行星。在自身引力的作用下，灶神星呈球形。即便如此，它仍不能算作是一颗行星，与太阳系其它行星等同视之。（图片来源：NASA）

早在太阳系开始成形的头几百万年里，谷神星和灶神星就已存在了。二者可以被视为早期太阳系的定格，使科学家得以一窥那个演化阶段的情况。否则，他们便只能依靠计算机的模拟结果了。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。至于谷神星，虽然科学家手中只有它的模糊照片，但它可能有和灶神星类似的地貌。这两颗小行星的质量加在一起，占了整个小行星带总质量的三分之一。

美国宇航局的“曙光”号飞船目前正在开展对谷神星和灶神星的探索。“曙光”号于2007年升空。整整四年，它一刻不停地朝着干旱、多岩石的灶神星开进。它在灶神星周围转悠了近14个月，并且拍摄了高分辨率的照片以供科学家们研究“旋转尘埃盘”是如何演化成“如今的太阳系”的。2012年9曰5日，“曙光”号动身前往谷神星。科学家将结合“曙光”号对这两颗小行星的观测，对多岩石行星的形成，以及它们如何获取水源——即维持地球生命生存这样的水源——一探究竟。

任务的动机

太阳系内有数百万颗小行星、原行星和矮行星，科学家唯独对谷神星和灶神星青眼相加，不是毫无道理的。首先，它们个头大，意味着它们在向着行星演化的路途上比其它小行星走得更远。其次，它们离我们不那么遥远，至少和柯伊伯带小天体比起来，情况是如此。最后，也可能是最有意思的一点，它们俩的对比研究很有启发性。

谷神星是一个冰封世界，处于较原始的状态。而灶神星则是一块干旱的不毛之地，既有撞击留下的斑痕，也有远古时期岩浆蔓延形成的平滑面。如果它俩都形成于小行星带，那为何它们会演化成如此天差地别的模样？导致这些迥异特征的原因其实也正是造成行星和卫星种种差异的原因。任职于德国航空航天中心下属行星研究所的Ralf Jaumann是“曙光”号科学组成员。他评论说：“我们对多岩石的类地行星和太阳系外围的冰状小卫星知之甚多，却对两者间的演化关系缺乏了解。”

“曙光”号拍摄的这幅假彩照片描绘出构成灶神星Antonia撞击坑的不同物质——它们被撞飞、散落在四处。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA(CRATER);ORBITAL SCIENCES CORPORATION(SPACECRAFT)）

“曙光”号科学组的专家们孜孜以求的目标是深入了解太阳系内维系生命的水及类地行星的水源从何而来。当他们发现小行星上有水时，他们既不知道水的储量，也不知道水在天体之间——比如说在小行星和行星之间——如何转移。“谷神星的水量丰沛，而灶神星却干旱缺水”，“曙光”号首席研究员、美国洛杉矶加利福尼亚大学的Christopher Russell教授说，“但灶神星的干旱也不像想象的那么严重。长久以来，它的水源和水的储藏方式对我们认识小行星带，甚至是所有的类地行星都至关重要。”

探索水的出现、存留及转移是“曙光”号的核心任务。从根本上说，解决了这些疑问就等于是回答了太阳系是如何演化成为如今这般模样的。

灶神星一瞥

“曙光”号费了四年时间才到达远在5.25亿公里之外的灶神星。在这趟旅途中，它先是盘旋着飞离地球，之后又有一年半时间需要火星的引力相助。这份助力把它推到更远的飞行轨道上，把它推向了灶神星。

“曙光”号为完成它的既定任务而携带了三台探测仪器。分幅照相机（简称FC）——一个连接着电子耦合器件（简称CCD）的折射光学系统。这台相机无论在科学探查，还是在巡航方面都非常有用：灶神星上发生的一切都难逃它的法眼，对“曙光”号正在奔向的谷神星亦如是。第二台仪器是伽马射线和中子探测仪（简称GRaND）。它能“嗅”出构成岩石的元素，比如说硅，及放射性元素和水的存在。最后一台仪器是用来测量化学成分的可见光和红外光谱仪（简称VIR）。它的工作是搜寻地表之上的各种原子和化合物，并将物质分布绘制成图。

探测氢的仪器马上就有了颠覆性的发现。尽管科学家一直认为灶神星缺水，“曙光”号还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”号还在灶神星的地下发现了水冰。来自意大利空间天体物理学和行星科学研究所（位于罗马）的Maria Cristina DeSanctis认为，灶神星表面的水之谜也许正是解开太阳系内其它水源之谜的密钥。她说：“我们认为导致灶神星上有水的过程，很可能也是向太阳系中心区域传送水的过程。”如果“曙光”号科学组的专家们能解开多岩石的灶神星的水源秘密，他们也许就知道了地球是怎么获得水的。地球和灶神星就像是一对兄弟。虽然每人的发色、身高和体重不尽相同，但共同点却是他们在同一个的环境中成长。

“怎么”获得水和“何时”获得水，从根本上说，这两个问题密不可分。科学家把“曙光”号的观测结果和对地球表面的观察联合起来研究，已经破解了灶神星是在何时获得了水的。“曙光”号是从地球出发飞向灶神星的，不过，灶神星的一小部分也曾造访地球。天文学家一直认为地球上最常见的无球粒陨石（由古铜钙长无球粒陨石、钙长辉长无粒陨石和奥长古铜无球粒陨石组成的一个陨石族类，简称HED）——来自灶神星。恰好，灶神星的南极地区缺掉了很大一块。科学家推断，如果把地球上的HED铲起，填回到灶神星南极的那个坑，HED正好能把那个坑给补上，这像玩拼图游戏一样。位于灶神星南极的那个坑有505公里宽，损失的物质质量占灶神星总质量（包含这块物质在内）的1%。坑底距离坑边缘有22000米——比珠穆朗玛峰还高14000米。

太空遗迹

这个名为Rheasilvia的深坑其实嵌套在另一个名叫Veneneia、更年老的坑里。这两个坑都是灶神星过去遭受撞击形成的。在和其它大石块碰撞时，灶神星已长成为大个头的致密天体。因此，它没与撞击物结合在一起，而是形成了巨大的、我们目前所见的撞击坑和低谷，如同往湖面扔石子激起的涟漪一般。在形成Rheasilvia坑的撞击事件中，大量石块——总计达210万立方千米——被撞离灶神星，飞入宇宙空间。

左图：此图是科学家用“曙光”号给灶神星拍得的最佳照片拼合而成。在图的底部，凸起的部分就是Rheasilvia撞击坑的边缘。在图左上部，还能看见由三个撞击坑摆出的“雪人”造型。右图：这幅图是科学家用“曙光”号的观测数据为灶神星绘制的立体模型。图中的假彩色显示出灶神星上起伏的地形及物质构成。虽然，截至目前，科学家还不清楚全部颜色的含义。不过，他们确信铁含量较高的地方表现为图中的绿色区域。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

跨越灶神星南极的、壮观的Rheasilvia坑是在一次撞击事件中形成的。这次撞击使灶神星损失了1%的质量。这幅照片是“曙光”号分别在三个波段拍摄并拼合而成的三色假彩合成图。其中，绿色区域标示出富含铁元素的辉石或是较大的粒子。科学家目前正试图弄清蓝色和红色区域的含义。由于太阳所在角度的关系，“曙光”号在图中心的圆形区域没有观测数据，所以那里表现为黑色。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

这些石块中的一部分肯定最终落脚在地球上了。科学家认为时常陨落在地球上的HED就是例证。这些HED拥有“原始状态”的化学成分。这暗示了它们在太阳星云开始凝聚后不久便已形成。这点与灶神星一样。“曙光”号的分析结果还显示灶神星的化学成分与HED的成分相符。这就把灶神星过去经历的撞击和地球后来经历的撞击联系到一起。

HED族陨石的化学成分告诉科学家，其出生地的地质是分层的，或说是分化的——这与行星的地质情况类似。在“曙光”号还没上天的时候，地质学家假定灶神星上较重的铁元素会沉入地心，留下橄榄石构成的地幔、一壳层奥长古铜无球粒陨石、以及如同湖面浮冰一样漂浮着的钙长辉长无粒陨石。“曙光”号的探查结果证实了HED和灶神星之间的联系，也表明这个地质模型是正确的。

天文学家把灶神星赤道附近的低谷视为过去撞击形成的激波遗迹。如果灶神星没有形成独立存在的地核、地幔和地壳，撞击便不会生成这样的地貌。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

来自太空的频繁撞击也改变了灶神星的外貌。根据“曙光”号传回的图像，灶神星表面弹坑累累，坑周围还有撞飞物形成的辐射纹。这些坑的年龄差异很大，说明灶神星在整个太阳系演化史中一直遭受着其它岩石撞击的骚扰。

撞击把灶神星内部的物质撞出，和撞击物的一部分混杂着散落到灶神星表面。有些撞击坑非常深。这是由于撞击使地表之下的水冰受热、升华（从固态不经过液态直接变成气态的相变过程），产生的气体从岩石中猛烈逸出，像爆炸一般。经过长期剧烈、频繁的撞击，撞击碎片在灶神星表面形成了几百米至几千米厚的尘土层。灶神星是唯一一颗经历了如此多撞击还能幸存下来的小行星。因此，它也成了唯一一颗拥有“新鲜”表面的小行星。

在灶神星南半球，Rheasilvia撞击坑周围分布着交织起伏的山脉和盆地。此地区地貌的波动幅度可高达几十公里，山脊间距小于10公里。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

灶神星的Publicia撞击坑（位于图右）边界分明。在图中，它是最“新鲜”的撞击坑。这意味着该坑的表面在撞击发生后还未被物质覆盖。它很可能是图中所有撞击坑里最年轻的一个。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

小行星的皮肤学

尽管灶神星拥有“新鲜的皮肤”，“曙光”号却发现其肤色不均。从照片上看，灶神星的表面斑斑点点，交织着明亮区域和深色区域。科学家认为，颜色浅的物质多表现为撞击坑周围的辐射纹，应该来自灶神星本身。根据“曙光”号VIR的分析结果，深色物质富含碳，并且大小不一、疏密不同，东一块、西一块地零落分散在灶神星表面，与地质特征没有关联。考虑到其地理分布如此多样，科学家得出了这样的结论：深色物质是如雨点般坠落到灶神星表面的。

Canuleia坑是灶神星上所有带明亮辐射纹的撞击坑中最具代表性的一个。科学家认为构成辐射纹的物质来自于灶神星内部。在撞击过程中，这些物质被撞出，随后散落到地表。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/PSI/BROWN）

其它石块的撞击把灶神星内部的物质带到了地表。除浅色物质以外，科学家还在其中发现了性质未明的深色物质。在Cornelia撞击坑里，深色物质呈条形，遍布在坑的表面。科学家把在三个波段拍摄的照片与模型绘出的地貌相结合，制作了上面这幅三彩照片。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA）

在灶神星上，哪里的物质表现为深色，哪里就含有充足的水分。这正好和一些科学家认为的碳质球粒陨石给地球带来了水这一观点一致。如果碳质球粒陨石能与灶神星碰撞，并在那里留下了深色的遗迹和水分子，相同的情形也就可能曾经发生在地球上。

令人费解的是，HED不含水或其它挥发性化合物。这说明含挥发性分子的物质必是在Rheasilvia坑形成后才出现的。从时间上来说，如此才能与地球的情况相符。

根据新的分析结果，Jaumann认为：“和其它小行星相比，灶神星的地质情况更像月球和多岩石行星。”Russell则更进一步指出：“与其说灶神星像一颗大个头的小行星，倒不如说它更像一颗行星。早在’曙光’号的探索开始之前，灶神星一直被叫做最小的行星。”

从“曙光”号近距离为灶神星拍摄的特写照片上看，事实也的确如此。科学家稍不留神就会把这颗原行星表面的沟沟坎坎与火星河谷或非洲大裂谷等同视之。这样的地貌暗示着这颗天体上曾有流动的河水。流水的长期侵蚀切割岩体，形成沟谷，只是后来河流干涸了。

太空冒险

带着灶神星的地质分层疑问、未探明的水量以及未完全解开的地貌之谜，“曙光”号和灶神星分道扬镳了。飞船的离子推进系统把它推向更遥远的地方。最终，它会飞入谷神星的轨道。

“曙光”号在太阳系内的穿越之旅：飞离地球后，“曙光”号借助火星的引力进入环绕灶神星的轨道。围绕灶神星转了14个月之后，它开始向谷神星进发。“曙光”号将是第一个围绕两颗太阳系内天体飞行的人造飞行器。图中从上到下的标注依次是：2012年9月离开灶神星；2007年9月发射升空；2009年2月得到火星的引力协助；2011年8月进入灶神星轨道，探索任务开始；2011年7月抵达灶神星；2016年2月任务结束；2015年3月飞抵谷神星。黑线为“曙光”号的实际飞行路线。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY;AFTER NASA）

一旦“曙光”号飞临谷神星（这要等到2015年3月了），它将在那里停留11个月。它会慢慢接近这颗小行星。最初，它会在距其地表5900公里高处徘徊。到了2015年8月，它将降到1480公里高处。然后，在2015年11月，“曙光”号将进一步降低其飞行高度，在距地表仅370公里高处擦着谷神星飞过。

这次飞掠将为我们带来谷神星——这颗950公里宽的矮行星或小行星——的前所未有的图像。目前，科学家能拿出的最好照片，看上去也仍是一片模糊不清。虽然谷神星个头不小，也不难观测（距太阳4.19亿公里之遥），要想为它拍张好照片也不那么容易。“谷神星真的很吸引人，”De Sanctis说。“可我们几乎没有它的任何数据。在我们眼中，它是一个庞大的未知世界。”

从能搜集到的少得可怜的数据，还有对谷神星细枝末节的模糊看法，科学家认为谷神星自身的引力已足以把它塑成球形——就像行星或巨大的卫星所能做到的那样。圆润的球形身材使得谷神星被划分为一颗矮行星，与冥王星为伍。

在天文学家从远处逐渐增进对谷神星认识的同时，它的丰富水储量也随之显现出来。光谱分析——即便是在地面进行的光谱观测——显示谷神星地表的尘土中存在含水矿物。另外，谷神星的低密度也表明其地幔主要是由水冰构成。若这一点属实，Jaumann说，“谷神星就是最大、最靠近太阳系中心区域的、带冰壳的天体。它也由此成为分隔多岩石的太阳系内侧和水冰、气体为主的太阳系外围的转换点。”它将告诉我们地球为什么与木星周围及更远的行星如此不同。

不过，在对谷神星进行实际考察之前，我们还无法深入挖掘它的细节。这颗特别的矮行星守口如瓶。“落到地球上来的陨石来自于小行星带各处，可却没一个来自谷神星。”Russell说。“谷神星很擅长隐藏自己的秘密。而它的邻居灶神星却一直定期向我们传递讯息——坠落在地球上的每16颗陨石里，就有一颗来自灶神星。因此，即便只是探讨一下谷神星如何避免信息外泄，也算是一个重要的科考目标了。”

“曙光”号将比地面望远镜和雷达都更加靠近谷神星。它不仅能告诉我们谷神星暗藏的水量，还能把其藏身之处昭告天下，以及谷神星上是否还存在着其它挥发性化合物。透过谷神星的化学成分，科学家能够了解在太阳系早期，多岩石天体最初是如何获得攸关生命的水源和有机含碳化合物的，以及这些物质落脚之后，又有怎样的行为。

“曙光”号的主要科学目标之一便是查看在谷神星冰封的地表之下是否涌动着海水。“这一点无论对各种太阳系形成模型来说，还是对天体生物学来说，都具有深远意义。”De Sanctis说。

谷神星也是分层的——即较重的物质，比如说铁，沉降到核心。越接近地表，构成岩石层的物质质量越小。同灶神星一样，谷神星也有个岩石内核。尽管如此，它的地层还是与灶神星不同。谷神星的地壳可能被尘土覆盖着。在尘土层下可能有一层水冰，冰壳之下可能还有海洋。图中标示从左向右依次是：薄薄的尘土外壳，水冰层和岩石内核。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

除此之外，科学家决定先做壁上观。“我们无法预知我们将在谷神星上发现什么，”De Sanctis说。“那里是否有水热活动？谷神星有没有既稀薄又不稳定的大气？它的地下结构如何？”

这张谷神星的照片是天文学家迄今为止拍得的最清晰的一张。谷神星是一个球状的冰封世界。等“曙光”号飞抵那里之后，科学家将能增进对它的细致了解。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/C. DUMAS）

毫无疑问，当“曙光”号飞抵目的地并传回大量影像，像De Sanctis这样的天文学家将提出更多值得研究的问题。对这些问题的解答将拼凑出谷神星——也即太阳系、甚至地球——的演化史。

“我们的太阳系是一个由行星、卫星、小天体和物质组成的复杂集合体。不仅如此，在这个集合体内还有生命存在，”Jaumann说。“如果我们想对生命的起源一探究竟，我们就必须了解生命置身于其中的环境。地球是太阳系的一部分，也是这个环境的一部分。”

生命的故事

原行星能告诉我们地球的故事。同样地，太阳系也能向科学家讲述其它世界的故事——从它们如何形成到那里是否有生命。“在当前这个时代，人类第一次探测到地球之外的行星世界，”Russell说。“这是个充满臆测的领域。。。。。太阳系是唯一一个能为各种理论提供真实测试的地方。”

类似“曙光”号这样的空间项目，其探索范围可能是有限的——在太阳系内数百万颗小行星之中，它只造访了两颗小行星。在银河系中，可能存在着几千亿个太阳系。而在广袤浩瀚的宇宙中，可能存在着上千亿个银河系。然而，近在咫尺的天体与遥不可及的天体却都遵循着同样的物理定律。研究抬手可触的原行星、书写我们太阳系的自传，就像是了解蹒跚学步的孩童是如何长大成人的。尽管，这个孩子和地球上其他数百万个孩子不尽相同。有朝一日，这些孩子也将会成长为完全不同的成熟个体。但是，有些成长过程——比如说蹒跚学步、呀呀学语、身高的渐长、皱纹的增多、肌肉力量的增强与衰退——却显示着个体差异中的共性。与此类似，科学家掌握的知识是天体所共有的。“曙光”号正在改变的，不仅仅是我们对谷神星和灶神星的认识，也是对更加深广的宇宙的认识。