人类首探木星特洛伊！NASA露西号12年追8星，揭秘太阳系最古老“化石” | 科学世界·星际征途

露西号任务将要探访太阳系最古老的一类天体——木星特洛伊小行星。这个任务将是NASA到目前为止探测目标最多、也是目标距离最远的“发现”级项目。我们将从此任务开始，在本系列中陆续介绍目前和过去的深空探测任务，展示人类星际征途的伟大篇章。本文作者徐璐媛博士是澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室助理教授，从事行星遥感和行星地质学研究，并为科普杂志和网络平台撰行星天文科普文章。

专栏主持人：李荐扬

首个木星特洛伊小行星探测器

露西号的探测目标是一类特殊的小行星：木星特洛伊小行星。

我们较为熟悉的主带小行星，聚集在火星和木星轨道之间的主小行星带中。人们常以小行星带为界，把太阳系划分为“内太阳系”和“外太阳系”，木星特洛伊小行星就聚集在外太阳系。它们和其他区域的小行星一样环绕着太阳转动，唯一特别的地方在于：特洛伊小行星是和木星“绑定”着一同环绕太阳公转的，或者说，特洛伊小行星所聚居的群落几乎和木星共享同一条运行轨道。如此稳固的“绑定”关系，背后是引力这双无形的大手在支配着一切。

两个有环绕关系的天体周边有5个“平衡点”，在这些点附近，两个天体的引力综合影响可以达到平衡——这5个点被称为“拉格朗日点”（L1～L5）。这里的“两个天体”可以是太阳和地球（日地）、地球和月球（地月），太阳和木星（日木）等。

两个天体（图中以太阳和地球为例）周边的5个拉格朗日点L1～L5

如果有第三个天体位于这些拉格朗日点上，则可以轻易与两个天体保持几乎相对静止的位置，探测器就经常利用这些“风水宝地”。例如，太阳探测器SOHO位于日地拉格朗日L1点附近；韦布空间望远镜被安置在日地L2点附近；我国嫦娥四号任务的通信中继星鹊桥号，位于地月拉格朗日L2点附近，可以帮助月球背面的嫦娥四号保持和地球的通信。

木星特洛伊小行星群，则位于太阳和木星（日木）连线两侧各60°间隔外的拉格朗日L4和L5两个平衡点附近，分为L4特洛伊小行星群和L5特洛伊小行星群两个群体。

特洛伊小行星的名字来源于希腊神话中的特洛伊战争，分列在木星L4和L5的两团特洛伊小行星群也分别被称为“希腊阵营”和“特洛伊阵营”，其中的小行星分别以各自阵营中的英雄命名。仅有的两个例外是，位于L4区域的小行星赫克托耳（Hektor）在神话中其实属于特洛伊阵营，而L5区域的双星系统之一帕特罗克洛斯（Patroclus）在神话中其实属于希腊阵营——这两颗小行星是在确定此命名规则之前被命名的。

事实上，特洛伊小行星并不是木星独有的。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“绑定”的特洛伊小行星（群）。只不过，木星特洛伊小行星群是最早被发现且数目最庞大的一支，因此在没有特别说明的情况下，“特洛伊小行星”常常专指木星特洛伊小行星。

但奔赴木星、去往外太阳系并不容易——距离太阳越远，探测器接收到的太阳能就越弱。应对之法无非两种：

1️⃣ 改为采用核能供电，像旅行者号、卡西尼号、新视野号那样；

2️⃣ 让太阳能电池板尽可能宽大，增加接收太阳能的面积，但这样会增加探测器的重量。

露西号这样的“发现”级（小型）任务，在有限的预算内很难享受到使用核电池的“待遇”，所以只能选择第二种方式。

露西号探测器的太阳能板异常巨大，每块直径7.3米，在完全打开时，探测器全长可达15.8米。露西号也将打破距离太阳最远的太阳能探测器运行纪录。

露西号的太阳能电池板

露西号的计划探访目标

露西号不仅是人类首个近距离探访特洛伊小行星的探测器，而且不止探访一颗。它在发射时计划探访6颗木星特洛伊小行星——欧律巴忒斯（Eurybates）、波吕墨勒（Polymele）、琉刻斯（Leucus）、荷鲁斯（Orus）、帕特罗克洛斯（Patroclus）和墨诺提俄斯（Menoetius），1颗特洛伊小行星的卫星奎塔（Queta）和1颗主带小行星唐纳德约翰松（Donaldjohanson），创下一次任务中探索最多天体的纪录。

这些小行星各有特色，展现了太阳系中丰富多彩的星球面貌。

行星科学家们常借助小行星反射阳光的差异（光谱类型）来区分它们的组成成分，例如C型小行星富含碳质矿物，S型小行星主要由硅质矿物构成，M型小行星富含金属，D型和P型小行星可能富含有机物。不同轨道位置的小行星常常有着不同的成分类型，例如S型小行星在主带和近地小行星中十分常见，但在特洛伊小行星中却很稀有。

但即使在轨道位置相似的特洛伊小行星中，也混合着D型、P型、C型等多种类型。例如，唐纳德约翰松和欧律巴忒斯的光谱类型相同，但位置和大小都有很大差异；欧律巴忒斯和荷鲁斯大小差不多，但光谱类型又不一样……

这些“相似”和“不同”，会给各个小行星的演化带来什么影响？明明都是太阳系早期的“边角料”，现在也在差不多的轨道位置，为什么会有这么大差别？是它们原本形成于不同的位置，后来被木星引力捕获困在了一起？或是因为太阳系早期的巨行星迁移，连带着小行星们发生了“乾坤大挪移”？露西号的“星口考察”，可以帮助我们重新认识太阳系早期动荡的历史。

值得一提的是，露西号原本计划探测的小天体数目只有7颗，但这个探访列表还在不断壮大。

在露西号决定探访小行星欧律巴忒斯之后，哈勃望远镜在这颗小行星周围发现了一颗直径约1千米的卫星，这颗小卫星在2020年10月被命名为“奎塔”。

小行星有卫星，这本来就很少见，还正好在露西号的既定探测轨迹上，那肯定不能放过。于是，露西号的探测计划里顺势就加了1个探访目标。

露西号发射时计划的8个探测目标

前面说过，从前的特洛伊小天体通常以希腊神话特洛伊战争中的英雄命名，但因为小行星太多，这个命名规则已经难以为继了。根据国际天文联合会（IAU）的新规定：绝对星等大于12的小型木星特洛伊天体将以奥林匹克运动员的名字命名。“奎塔”（Queta）就来自墨西哥田径运动员恩里克塔·巴西利奥（Enriqueta Basilio），又叫做奎塔·巴西利奥（Queta Basilio），是奥运史上首位点燃奥运圣火的女性火炬手。

1968年墨西哥城夏季奥运会上，奎塔·巴西利奥点燃奥运圣火

如何在12年里探访8颗小天体？

为了多去几颗特洛伊小行星，露西号选择了“飞掠”这种探测方式，像前辈旅行者号、新视野号一样，不环绕任何一个探访目标做长期驻留，而是只与每个目标擦肩而过，利用短暂的接近时期完成科学探测和数据收集。

科学家们为露西号精心设计了一条复杂的飞行轨道。发射升空之后，露西号将先后探访1颗主带小行星，4颗位于日木L4区域的特洛伊小行星和1颗卫星，以及2颗位于日木L5区域的特洛伊小行星。全程将3次飞掠地球获得重力助推并完成5次大幅度的轨道深空机动。

事实上，露西号会始终环绕太阳飞行，只是通过合理的行程规划加上适时的轨道调整，探测器能恰到好处地与每个目标相遇。

首先是主带小行星唐纳德约翰松。特洛伊小行星群与木星共轨，而从地球飞到木星轨道，必然会穿过主小行星带。露西号将第一个探访目标定为位于主小行星带中的1981EQ5。在确定成为露西号的探测目标之后，这颗小行星在2018年被正式命名为“唐纳德约翰松”。

露西号飞掠主带小行星唐纳德约翰松的飞行路线（蓝色和橙色虚线）示意图

此后，露西号会继续向外太阳系飞行，直到2027年抵达木星轨道，此时刚好能与L4特洛伊小行星群相遇。露西号将在2027~2028年先后探访这里的4颗特洛伊小行星欧律巴忒斯、波吕墨勒、琉刻斯和荷鲁斯，以及欧律巴忒斯的卫星奎塔。

露西号飞掠5颗位于日木L4的特洛伊小天体的飞行路线（蓝色和橙色虚线）示意图

更精妙的是，露西号完成L4区域探测之后，将离开木星轨道，沿着自己的大椭圆路线飞回内太阳系，甚至回到地球附近再借个力。等到露西号再次沿着大椭圆路线飞到木星轨道时，已经是2033年——木星和两团特洛伊小行星群已经绕着太阳公转了将近半圈，露西号不用费太大力气就能顺势飞入L5区域，探访其中的2颗直径100多千米的小行星帕特罗克洛斯和墨诺提俄斯，这也将是人类探测器首次造访两颗小行星大小相当的双星系统。

露西号飞掠2颗位于日木L5的特洛伊小天体的飞行路线（橙色和棕色虚线）示意图

此时距离露西号从地球出发，已经过去了近12年。如果那时候露西号还健康的话，它甚至还能继续飞行，利用木星和特洛伊小行星群公转周期的规律，在此后的千百年里，以6年为周期反复穿梭在L4和L5小行星群中。

从太阳看来，露西号只是“简简单单”在绕着自己转圈，而从木星的视角看来，露西号仿佛在太空中反反复复跳着炫酷的“8字舞”。

木星视角下的露西号飞行轨迹（绿线），白（欧律巴忒斯及其卫星）、粉（波吕墨勒）、红（琉刻斯和荷鲁斯）以及橙色（帕特罗克洛斯-墨诺提俄斯双星系统）小点是露西号计划飞掠的小行星们。

露西号携带了哪些科学仪器奔赴太空？它又邂逅了哪些惊喜与“奇迹”？未来还有哪些对于深空的探索计划？......答案尽在《科学世界》星际征途专栏！

本文摘编自《科学世界》杂志2025年第2期，文章内容略有删改。

新媒体编辑 | 周濛