人類首探木星特洛伊！NASA露西號12年追8星，揭秘太陽系最古老“化石” | 科學世界·星際征途

2025-10-27 13:20

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

露西號任務將要探訪太陽系最古老的一類天體——木星特洛伊小行星。這個任務將是NASA到目前為止探測目標最多、也是目標距離最遠的“發現”級項目。我們將從此任務開始，在本系列中陸續介紹目前和過去的深空探測任務，展示人類星際征途的偉大篇章。本文作者徐璐媛博士是澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室助理教授，從事行星遙感和行星地質學研究，并為科普雜志和網絡平臺撰行星天文科普文章。

專欄主持人：李薦揚

首個木星特洛伊小行星探測器

露西號的探測目標是一類特殊的小行星：木星特洛伊小行星。

我們較為熟悉的主帶小行星，聚集在火星和木星軌道之間的主小行星帶中。人們常以小行星帶為界，把太陽系劃分為“內太陽系”和“外太陽系”，木星特洛伊小行星就聚集在外太陽系。它們和其他區域的小行星一樣環繞著太陽轉動，唯一特別的地方在于：特洛伊小行星是和木星“綁定”著一同環繞太陽公轉的，或者說，特洛伊小行星所聚居的群落幾乎和木星共享同一條運行軌道。如此穩固的“綁定”關系，背后是引力這雙無形的大手在支配著一切。

兩個有環繞關系的天體周邊有5個“平衡點”，在這些點附近，兩個天體的引力綜合影響可以達到平衡——這5個點被稱為“拉格朗日點”（L1～L5）。這里的“兩個天體”可以是太陽和地球（日地）、地球和月球（地月），太陽和木星（日木）等。

兩個天體（圖中以太陽和地球為例）周邊的5個拉格朗日點L1～L5

如果有第三個天體位于這些拉格朗日點上，則可以輕易與兩個天體保持幾乎相對靜止的位置，探測器就經常利用這些“風水寶地”。例如，太陽探測器SOHO位于日地拉格朗日L1點附近；韋布空間望遠鏡被安置在日地L2點附近；我國嫦娥四號任務的通信中繼星鵲橋號，位于地月拉格朗日L2點附近，可以幫助月球背面的嫦娥四號保持和地球的通信。

木星特洛伊小行星群，則位于太陽和木星（日木）連線兩側各60°間隔外的拉格朗日L4和L5兩個平衡點附近，分為L4特洛伊小行星群和L5特洛伊小行星群兩個群體。

特洛伊小行星的名字來源于希臘神話中的特洛伊戰爭，分列在木星L4和L5的兩團特洛伊小行星群也分別被稱為“希臘陣營”和“特洛伊陣營”，其中的小行星分別以各自陣營中的英雄命名。僅有的兩個例外是，位于L4區域的小行星赫克托耳（Hektor）在神話中其實屬于特洛伊陣營，而L5區域的雙星系統之一帕特羅克洛斯（Patroclus）在神話中其實屬于希臘陣營——這兩顆小行星是在確定此命名規則之前被命名的。

事實上，特洛伊小行星并不是木星獨有的。其他不少行星，例如天王星和海王星，甚至火星和地球也有自己“綁定”的特洛伊小行星（群）。只不過，木星特洛伊小行星群是最早被發現且數目最龐大的一支，因此在沒有特別說明的情況下，“特洛伊小行星”常常專指木星特洛伊小行星。

但奔赴木星、去往外太陽系并不容易——距離太陽越遠，探測器接收到的太陽能就越弱。應對之法無非兩種：

1?? 改為采用核能供電，像旅行者號、卡西尼號、新視野號那樣；

2?? 讓太陽能電池板盡可能寬大，增加接收太陽能的面積，但這樣會增加探測器的重量。

露西號這樣的“發現”級（小型）任務，在有限的預算內很難享受到使用核電池的“待遇”，所以只能選擇第二種方式。

露西號探測器的太陽能板異常巨大，每塊直徑7.3米，在完全打開時，探測器全長可達15.8米。露西號也將打破距離太陽最遠的太陽能探測器運行紀錄。

露西號的太陽能電池板

露西號的計劃探訪目標

露西號不僅是人類首個近距離探訪特洛伊小行星的探測器，而且不止探訪一顆。它在發射時計劃探訪6顆木星特洛伊小行星——歐律巴忒斯（Eurybates）、波呂墨勒（Polymele）、琉刻斯（Leucus）、荷魯斯（Orus）、帕特羅克洛斯（Patroclus）和墨諾提俄斯（Menoetius），1顆特洛伊小行星的衛星奎塔（Queta）和1顆主帶小行星唐納德約翰松（Donaldjohanson），創下一次任務中探索最多天體的紀錄。

這些小行星各有特色，展現了太陽系中豐富多彩的星球面貌。

行星科學家們常借助小行星反射陽光的差異（光譜類型）來區分它們的組成成分，例如C型小行星富含碳質礦物，S型小行星主要由硅質礦物構成，M型小行星富含金屬，D型和P型小行星可能富含有機物。不同軌道位置的小行星常常有著不同的成分類型，例如S型小行星在主帶和近地小行星中十分常見，但在特洛伊小行星中卻很稀有。

但即使在軌道位置相似的特洛伊小行星中，也混合著D型、P型、C型等多種類型。例如，唐納德約翰松和歐律巴忒斯的光譜類型相同，但位置和大小都有很大差異；歐律巴忒斯和荷魯斯大小差不多，但光譜類型又不一樣……

這些“相似”和“不同”，會給各個小行星的演化帶來什么影響？明明都是太陽系早期的“邊角料”，現在也在差不多的軌道位置，為什么會有這么大差別？是它們原本形成于不同的位置，后來被木星引力捕獲困在了一起？或是因為太陽系早期的巨行星遷移，連帶著小行星們發生了“乾坤大挪移”？露西號的“星口考察”，可以幫助我們重新認識太陽系早期動蕩的歷史。

值得一提的是，露西號原本計劃探測的小天體數目只有7顆，但這個探訪列表還在不斷壯大。

在露西號決定探訪小行星歐律巴忒斯之后，哈勃望遠鏡在這顆小行星周圍發現了一顆直徑約1千米的衛星，這顆小衛星在2020年10月被命名為“奎塔”。

小行星有衛星，這本來就很少見，還正好在露西號的既定探測軌跡上，那肯定不能放過。于是，露西號的探測計劃里順勢就加了1個探訪目標。

露西號發射時計劃的8個探測目標

前面說過，從前的特洛伊小天體通常以希臘神話特洛伊戰爭中的英雄命名，但因為小行星太多，這個命名規則已經難以為繼了。根據國際天文聯合會（IAU）的新規定：絕對星等大于12的小型木星特洛伊天體將以奧林匹克運動員的名字命名。“奎塔”（Queta）就來自墨西哥田徑運動員恩里克塔·巴西利奧（Enriqueta Basilio），又叫做奎塔·巴西利奧（Queta Basilio），是奧運史上首位點燃奧運圣火的女性火炬手。

1968年墨西哥城夏季奧運會上，奎塔·巴西利奧點燃奧運圣火

如何在12年里探訪8顆小天體？

為了多去幾顆特洛伊小行星，露西號選擇了“飛掠”這種探測方式，像前輩旅行者號、新視野號一樣，不環繞任何一個探訪目標做長期駐留，而是只與每個目標擦肩而過，利用短暫的接近時期完成科學探測和數據收集。

科學家們為露西號精心設計了一條復雜的飛行軌道。發射升空之后，露西號將先后探訪1顆主帶小行星，4顆位于日木L4區域的特洛伊小行星和1顆衛星，以及2顆位于日木L5區域的特洛伊小行星。全程將3次飛掠地球獲得重力助推并完成5次大幅度的軌道深空機動。

事實上，露西號會始終環繞太陽飛行，只是通過合理的行程規劃加上適時的軌道調整，探測器能恰到好處地與每個目標相遇。

首先是主帶小行星唐納德約翰松。特洛伊小行星群與木星共軌，而從地球飛到木星軌道，必然會穿過主小行星帶。露西號將第一個探訪目標定為位于主小行星帶中的1981EQ5。在確定成為露西號的探測目標之后，這顆小行星在2018年被正式命名為“唐納德約翰松”。

露西號飛掠主帶小行星唐納德約翰松的飛行路線（藍色和橙色虛線）示意圖

此后，露西號會繼續向外太陽系飛行，直到2027年抵達木星軌道，此時剛好能與L4特洛伊小行星群相遇。露西號將在2027~2028年先后探訪這里的4顆特洛伊小行星歐律巴忒斯、波呂墨勒、琉刻斯和荷魯斯，以及歐律巴忒斯的衛星奎塔。

露西號飛掠5顆位于日木L4的特洛伊小天體的飛行路線（藍色和橙色虛線）示意圖

更精妙的是，露西號完成L4區域探測之后，將離開木星軌道，沿著自己的大橢圓路線飛回內太陽系，甚至回到地球附近再借個力。等到露西號再次沿著大橢圓路線飛到木星軌道時，已經是2033年——木星和兩團特洛伊小行星群已經繞著太陽公轉了將近半圈，露西號不用費太大力氣就能順勢飛入L5區域，探訪其中的2顆直徑100多千米的小行星帕特羅克洛斯和墨諾提俄斯，這也將是人類探測器首次造訪兩顆小行星大小相當的雙星系統。