美国宇航局的“露西”号探测木星特洛伊小行星任务——“这几乎就像我们在时光倒流”

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”

">国家航空和航天局美国宇航局的“露西”号宇宙飞船将于2021年10月发射,进行为期12年的太空之旅木星的特洛伊木马小行星。露西使命将包括三个地球重力助攻和访问八个小行星。

来自希腊神话的人物之后称为“特洛伊木马”,大多数Lucy的目标小行星都留在太阳系的形成之外。这些特洛伊木马在两名群体中圈出太阳:一个在其轨道轨道的轨道上之前的阳光下来。露西将是第一个访问特洛伊木马的宇宙飞船,首先要检查这么多的独立太阳系目标,每个轨道都在其自己的轨道上。

露西如何获得名称?

露西得名于人类祖先的化石,她的发现者称其为“露西”,他们的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。

学习木星的特洛伊木马小行星近距离将帮助科学家磨练他们的太阳系行星如何形成45亿年前的理论,以及他们为什么以他们当前的配置最终结束。“这几乎就像我们及时旅行,”Aerospace工程师Jacob Englander说,他们帮助设计了Lucy的轨迹,同时在马里兰州Greenbelt的Gensbelt的戈达德太空飞行中心工作。

七年前首次构思为两个小行星的使命,露西由于创造性的工程和无可挑剔的时间而扩大到史诗比例。Some imagine that karma may have had something to do with it as well: “I often joke that I’ve spent my career worshipping at the feet of the gods of celestial mechanics,” said Lucy principal investigator Harold Levison, an expert in planetary dynamics based out of the Boulder, Colorado, branch of Southwest Research Institute (SwRI), which is headquartered in San Antonio. “Now they’re paying us back for that devotion.”

“我经常开玩笑,我已经在天体力学神的脚下度过了我的职业生涯。现在他们向我们付回来的奉献。“
-哈罗德·列维森,西南研究所


这款自上而下的太阳系视图显示了Jupiter旋转参考框架中的整个Lucy任务。在该参考框中,Jupiter出现在空间中。沿着木星的轨道描绘了两个大的小行星区域(知道Jupiter Trojan小行星)。标签显示每次飞行时都会出现。信用:美国宇航局的科学可视化工作室

轨迹

根据任务传说,改变一切的时刻是在2014年,也就是美国宇航局选择露西进行飞行的前几年。来自科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁太空公司的长期任务轨道设计师布莱恩·萨特正在带着莱维森通过计算机模拟露西计划的太阳系路径。

帕特克鲁斯和menoetius:一对岁月

在轨道上尾随木星的特洛伊小行星群中,普特洛克勒斯(Patroclus)和墨诺提乌斯(Menoetius)这对质量差不多的双星围绕着它们之间的质心旋转——“就像没有杠铃的哑铃,”萨特说。有充分的证据表明,太阳系中最早形成的大型物体就是这种类型的双星。

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它似乎露出露西将在途中传递帕特克斯;Patroclus是一对互相轨道的木马小行星之一。帕特克鲁斯是禁止追踪的不知数,是一个最受欢迎的莱森特洛伊木马。锁定在一个二进制轨道上,近双胞胎伴侣Menoetius,它是一个难得和神秘的品种,在轨道内海王星.大多数落在太阳系内部的小行星应该是在剧烈的行星形成时期从它们的伙伴中分离出来的,这一时期以大规模的碰撞为标志。

这双鞋是怎么完好无损的?莱维森说,答案可能为行星形成的时间和执行提供重要线索。“我不知道布莱恩为什么选择包括帕特洛克勒斯;也许是其中一个大人物,也许他喜欢这个名字,”他说。“但是当我看到它的时候,我记得我喊着‘等等,等等,我们可以走了吗?’那里’?”

Sutter已经设计了几十年的航天器轨迹,包括NASA的小行星样本退货使命Osiris-rex.美国宇航局火星奥德赛轨道飞行器,航天器由洛克希德马丁建造。他在露西的轨道轨迹模拟中包括Patroclus和Menoetius,因为他们在天堂邻居;这对不太沿着露西的道路。但是Sutter检查了太阳系在未来是否对齐,使得露西的轨迹可以使其足够接近这对来观察它们。

露西的轨道路径

这个图表说明了露西的轨道。资料来源:西南研究院

任务轨迹设计师:Brian Sutter。你是如何提出Lucy的复杂轨迹的?

事与愿违,露西和帕特洛克勒斯·梅诺埃提乌斯夫妇于2033年相遇。“这只是运气,”莱维森说。

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750000个已知小行星轨道输入电子表格,加上露西当时的轨道,并花了数月时间进行计算,发现了少数其他小行星——化学成分多样的小行星是此次任务的完美科学目标。

“我在我的模拟中增加了遭遇,直到我们在宇宙飞船上耗尽燃料,这就是我们结束了露西的轨迹的地方,”Sutter说道。““然而,我也知道沿途有更多的目标,如果我们有更多的燃料,我们就可以到达他们。”

和往常一样,萨特使用Excel作为他的轨迹工具之一来设计露西在太空中的路径——大多数人都把这个程序与会计联系在一起。萨特说:“我可以用它做各种神奇的事情。”英格兰德曾在美国国家航空航天局戈达德工作,他将优化轨道,并将航天器对准直径从2英里(3公里)到70英里(113公里)不等的8个目标。

雅各布英国人

特派团设计师:雅各布英国人。到目前为止,你最令人难忘的使命力量是什么?

现在,Johns Hopkins的特派团设计师在马里兰州的Laurel,英国人在Laurel,英国人当时没有参与露西,他在一个受欢迎的新闻网站上读到它。他碰巧建立一个调用强大的软件演化任务轨迹发生器,或EMTG,现在作为开源软件提供给任何想要使用它的人。EMTG可以在数小时内而不是数月内循环完成数百万个轨迹场景。Englander说:“我有一种感觉,如果我给Brian和团队一个在EMTG中呈现的轨迹版本,那将对他们有利,所以我根据这篇文章对任务进行了反向工程。”。

Read Englander的软件确定了燃料使用的降低和Lucy发射车的大小。结果,它挽救了任务金钱,同时服用了更多的小行星,保护英格兰人在团队中的一个位置,并在2017年通过美国宇航局选择露西。


露西的七个目标:二元日照atricclus / menoetius,eurybates,orus,leucus,polycele和主腰带唐纳尔德·唐纳森。信用:美国宇航局的戈达德太空飞行中心概念性图像实验室

现在,Lucy将在一个窗口上从地球上发射地球,在一个窗户中,在一个开放的窗口,在2021年10月16日开放的窗口中。它将首先乘坐地球飞行两次,以利用这个星球的重力涌向特洛伊木马。2025年,露西将飞过唐纳尔德约酢oldjohanson,它在小行星之间的轨道之间">火星和木星。该团队将利用这次飞越来测试航天器上的仪器。

到2027年8月,“露西”将在引力稳定的拉格朗日点,也就是L4点,到达第一个先于木星的特洛伊星系群。在那里,宇宙飞船将首先与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,露西将乘坐Polymle(“pah li MEH lee”或“pah LIM ah lee”),然后在2028年4月乘坐Leucus(“LYOO kus”或“LOO kus”)和Orus(“O-rus”)于2028年11月起飞。

露西将回转过去三分之一的地球重力帮助,这将使其向群木星的另一边,位于L5拉格朗日点,它会遇到普特洛克勒斯(“pa-TROH-klus”)和Menoetius(“meno-EE-shus”或“meh-NEE-shus”)于2033年。

科学

特洛伊木马是岩石谷物和异国情调的群体,当太阳系形成时,没有将行星聚集在一起。它们是我们从那时里留下的最好的证据之一,因此可以解释太阳系如何看待它的方式。

“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?我们是怎么走到这一步的?’”露西的副首席研究员凯西·奥尔金(Cathy Olkin)说。“露西将试图帮助回答其中一些问题。”

有一种理论解释了行星,卫星和其他物体在其当前位置的目前的位置。例如,Levison是一个漂亮的模型的共同作者,以2004年开发的法国城市命名。这台早期太阳系的计算机仿真表明,巨头,气态行星在周围的包装配置中开始太阳。最终,与小体的盘的引力相互作用,彼此互相引起不断增长的行星分开。海王星,">天王星,土星距离太阳越远,而木星略近。

行星科学家奥尔金说:“在这个理论中,这种重组造成了混沌的破坏,把许多天体从太阳系中散射出去,并把一些天体吸引进来,困在拉格朗日点附近。”这可能解释了木星上的木马是如何形成的。”

凯茜Olkin

副校长调查员:Cathy Olkin。在露西将花费旅行到其第一个目标的四年里,将让你兴奋的是什么?

比较木星木马的组成将有助于科学家解开它们的历史。从地球和太空的望远镜上看,特洛伊人的构成各不相同。是不是因为每颗行星都来自太阳系的不同部分,因而由不同的物质构成?或者特洛伊行星是由同样的物质组成的,只是在它们的表面可见差异,这可能是由于小行星在到达它们当前的拉格朗日位置时所经历的不同程度的加热、辐射和碰撞所改变的。

科学家们将通过使用“拉尔夫”号等仪器来解答这些问题,“拉尔夫”号是基于奥尔金设计的一款类似的仪器NASA的新视野航天器。L'Ralph将探讨小行星表面的Nooks和Crankies的化学构成,平均地为大约620英里或1000公里。深火山口床或火山口墙可以提供对这些小行星的内部的进入,这些小行星是由年轻材料制成的(数十亿岁的历史上最古老的外表面积)。此类“新鲜”表面可能不会暴露于辐射和微晶体的影响,因此可以保护一些小行星的原始组合物。

使用露西l'lorri.黑白相机科学家将计算小行星表面的陨石坑数量,这将为数十亿年前小行星所处的环境提供线索。许多大型陨石坑表明小行星形成于靠近太阳的湍流和温暖区域;陨石坑的减少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。找出这些小行星在产生太阳系的气体和尘埃盘中形成的位置,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。

“这将是我希望看到在未来十年左右展开的故事,”莱维森说。

长期任务

“很有可能在露西做完手术或汽油用完的时候,我刚出生的儿子将达到我现在的年龄。”
- 雅各布·英兰德,美国宇航局的戈达德太空飞行中心

尽管美国宇航局的大部分任务持续数年,但工程师们建造了耐用的航天器和仪器,使他们能够在完成主要任务后继续工作,事实上,许多人确实做到了这一点。新视野使命冥王星例如,它的设计寿命为10.5年,其中包括前往矮行星的9年半通勤时间。但是任务被延长了,而且在2006年发射15年后,该航天器至今仍在活动。

哈罗德·列维森

首席调查员:哈罗德·列维森。在这漫长的使命中,你是否做出了不同的人生选择?

露西12年的主要任务是美国宇航局最长的。为了维持如此雄心勃勃的追求,该团队不得不为航天器的长寿来规划 - 这部分建模了新的视野 - 也是其人民。从建立使命,向美国宇航局提交建议,选择和建造航天器,一些团队成员已经在露西工作了十多年 - 而宇宙飞船甚至没有推出!有些人将花费大部分成年人在这项任务上工作。如果露西持续扩展的使命,它可能会飞过几十年。

现年37岁的英格兰德说:“很可能等露西用完油或者没油的时候,我刚出生的儿子就会和我现在一样大,这真是太酷了!”

但人们改变了就业和退休,所以鉴于露西的一生,团队想要避免在这些不可避免的变化中出现重大的混乱。为了做到这一点,团队在露西的设计中加入了一个继任计划:职业生涯较长的任务负责人有更年轻的副手,必要时可以接替。“我们从一开始就关注寿命问题,”利维森说。到2033年主要任务结束时,他将年满75岁。

Patracclus和Menoetius继续......

在轨道上尾随木星的特洛伊小行星群中,普特洛克勒斯(Patroclus)和墨诺提乌斯(Menoetius)这对质量差不多的双星围绕着它们之间的质心旋转——“就像没有杠铃的哑铃,”萨特说。有充分的证据表明,太阳系中最早形成的大型物体就是这种类型的双星。

如今,大多数这样的双星都被限制在柯伊伯带(Kuiper Belt)内,柯伊伯带是由最古老、变化最小的彗星和其他由冰、岩石和尘埃构成的天体组成的环形区域。柯伊伯带从最外层行星海王星的轨道延伸到冥王星的轨道之外。

目前的证据表明,普特洛克勒斯和墨诺提乌斯很可能是在太阳系外形成的,与柯伊伯带的许多物体在同一个地方——他们希望在2033年“露西”接近它们时能够确定。如果是这样的话,这对特洛伊木马可能是科学家们到达更多类似柯伊伯带的物体的最大希望(新视野号访问了柯伊伯带物体Ahronoth.2019年)。

像莱迪逊的科学家理论大观,当巨型行星开始将他们的轨道移位4至45亿年前,他们分散了他们周围的一切。Patracclus和menoetius碰巧向木星向内散落,而许多其他物品被捕获在kuiper皮带上,有些物体被从太阳系中发射出来。“所以,我们正在寻找无论是正确的还是不正确的线索,”露西项目科学家莱西工程科学家为基础的NASA GODDARD。

当露西到达帕特洛克勒斯对时,科学家们将检查它们的组成和表面上的陨石坑数量。“它们是光滑的还是破碎的?”诺尔说。“它们破碎的程度是小还是多?”找到这些问题的答案将让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状况。

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