灵神星号要去挖“行星内核”了？| 科学世界·星际征途

类地行星内部呈壳、幔、核分层结构，而以铁镍为主的金属内核如何形成，是类地行星早期演化的基本问题之一。灵神星，作为最大的富含金属成分的小行星，很可能正是一个剥落了壳和幔的行星内核，为我们研究类地行星内核的形成和演化提供了便利的途径。本期星际征途介绍对灵神星的探测。作者徐璐媛，澳门科技大学太空科学研究所助理教授，从事行星遥感和行星地质研究，并在科普期刊或网络撰写行星科学科普文章，也是“星际征途”第2篇露西号任务的作者。

专栏主持人：李荐扬

北京时间2023年10月13日22:19（美国当地时间同日10:19），美国航天局（NASA）灵神星号（Psyche）探测器搭乘太空探索技术公司（SpaceX）的重型猎鹰火箭，从美国肯尼迪空间中心发射升空，前往一颗同名的金属小行星——灵神星（Psyche）。这是重型猎鹰火箭首次发射有效载荷进入绕日轨道（如果不算当年首飞时扔出地球的那辆特斯拉跑车的话）。

灵神星：太阳系最大的金属小行星

随着深空探测技术的发展，人类探测器已经近距离造访过许多类型的小行星。例如：日本航天局（JAXA）的隼鸟号深入探测过S型（岩质）小行星丝川（糸川），JAXA的隼鸟2号和NASA的奥西里斯王号（也称冥王号）深入探测过C型（碳质）小行星龙宫和贝努……

如果跳出小行星的范畴，人类探测器早已近距离造访过类地行星（例如地球、火星、水星）、气态巨行星（例如木星、土星）、冰卫星（例如木卫二、土卫二）、彗星（例如彗星67P）等各种类型的天体，近距离领略过太阳系不同的风景。但是还有一些重要的小行星拼图，至今还没有补全。

行星科学家们通常把小行星按光谱反映的成分进行分类。最主要的三大类，除了C型和S型外，就是可能富含金属（通常是铁和镍）的M型小行星——人类探测器还从未近距离、深入探测过任何一颗金属小行星。而直径约220千米的灵神星，就是一颗富铁镍金属的小行星，而且是太阳系已知的金属小行星中最大、最重的一颗。

被人类探测器近距离探访过的小型小行星和彗星。 （改编自：The Planetary Society  图中没有灶神星，它比司琴星大得多。）

灵神星不同时期的密度历史观测数据（绿点和黄点）。相比于碳质（C型）和岩质（S型）小行星，金属（M型）小行星通常雷达反照率更高，成分与富铁镍的陨石（尤其是含铁镍金属50%以上的CB类球粒陨石）相似，平均密度也更高。图中灵神星近十年观测的平均密度在3000～5000 千克/立方米，远高于大多数碳质和岩质小行星的平均密度，表明这些金属小行星中大概率混有铁镍这类高密度的金属成分。

灵神星号：探访那扇映照地球内核的窗

金属小行星是怎么形成的？一个广为接受的观点是：来自地球这样的固态天体深处的铁镍内核。

我们知道，地球不是一颗从内到外均质的“土豆”，而是有着多层内部结构的“鸡蛋”。事实上，不仅是地球，月球、火星、水星、金星这样的大型固态天体全都是这样。这是为什么呢？

地质和地球物理学家们认为，这是因为大型固态天体在形成之初的“胚胎”时期，很可能都经历过一个极其炙热的“冶炼炉”阶段。“冶炼炉”中的热，来自固态天体形成之初的吸积、内部放射性元素衰变和外界密集的撞击，其中较大的那些天体中产生的热量足以熔融自身。

在这个“冶炼炉”里，天体内的各种物质在熔融状态下顺势被“分离”开来：较重的元素（如铁和镍）向中心“下沉”形成内核；相对较轻的硅酸盐成分则“浮”上来形成原始幔层，最终形成从内到外密度逐渐变小的“核、幔、壳”分层结构。这就是固态天体的“热分异”。

当然，实际的分层远比这更多也更复杂。但总而言之，经历过热分异的固态天体都“进化”成了分过层的“鸡蛋”。那么，如果我们想近距离探测地核的成分和性质，现在还做不到——人类目前连挖穿地壳，直接探测地幔都还做不到。但如果有一类小行星，它们在形成的早期（“星子”时期）经历了和地球相似的热分异过程，形成了和地球相似的铁镍内核，之后又被太阳系早期剧烈的天体撞击作用“剥去”了外层的壳幔，只剩下铁镍内核，那么探测这样的小行星，就近似于探测地球的内核。

甚至，如果我们认为地球自发的偶极磁场来自富铁镍的地核，那么，这样与地核同源的金属小行星会不会也还保存着磁场，或者“封印”着古磁场的痕迹？

于是，作为太阳系中最大的金属小行星，灵神星就这样被选中，成为灵神星号的探测目标。2017年1月5日，NASA正式公布了第8轮“发现”级项目（Discovery Program）的2个当选任务：露西号和灵神星号。露西号的目标是首次探访位于外太阳系的多颗木星特洛伊小行星，灵神星号的目标则是首次探访位于主小行星带的金属小行星——灵神星 。

轨道和探测规划

不同于计划探测8个小天体、轨道设计精巧复杂的露西号，灵神星号的目标非常简单直接：飞到灵神星附近，探测。

那灵神星在哪儿呢？灵神星位于火星和木星轨道之间的主小行星带中，距离太阳约3个天文单位（AU）。

灵神星轨道（红线）位置

因此，灵神星号的轨道设计也非常常规：2023年10月发射升空后，灵神星号计划于2026年5月飞掠火星获得引力助推（也称重力助推），之后沿着会合轨道于2029年8月抵达灵神星附近，开始科学探测，最后于2031年11月结束任务。当然，如果灵神星号足够健康长寿的话，说不定还有拓展任务。

灵神星号计划轨道

在前往灵神星的飞行途中，灵神星号计划轨道灵神星号探测器展开后的大小示意神星号将使用太阳能电推进系统（SEP），用太阳能为霍尔推进器提供电能。相比于传统的化学推进系统，太阳能电推进系统可以产生更高的推进比冲，让探测器携带更轻的燃料。相似的推进技术曾成功应用于NASA十多年前的黎明号任务。为此，灵神星号探测器配备了巨大的太阳能板，整个探测器加上太阳能板展开后长24.76米，宽7.34米，大小差不多相当于一个网球场。

灵神星号探测器展开后的大小示意

灵神星号的太阳能电推进系统会激发霍尔推进器中的氙离子，在太空中产生美丽的蓝绿色羽流。抵达灵神星附近后，灵神星号将进入环灵神星轨道，开展不少于21个月的科学探测。灵神星号团队把这一阶段进一步分为从A到D的4个轨道阶段，轨道高度逐渐降低。

灵神星号的太阳能电推进系统（SEP）工作中。

A轨

特征轨道段（characterization），高度709千米，倾角90°，周期32.6小时。主要目标：灵神星磁场探测，形貌初步探测。

B轨

地形轨道段（topography），高度303千米，倾角90°，周期11.6小时。主要目标：灵神星地形探测、磁场探测，进一步分为B1段和B2段。

C轨

重力科学轨道段（gravity science），高度190千米，倾角90°，周期7.2小时。主要目标：灵神星重力场和磁场探测。

D轨

元素成分制图轨道段（elemental mapping），高度75千米，倾角160°，周期3.6小时。主要目标：灵神星表面化学元素成分探测。

不过，为了兼顾探测阶段灵神星受到的光照变化，灵神星号计划的探测顺序并不是逐渐降轨，而是A轨→B1轨→D轨→C轨→B2轨，高低轨交错。

虽然灵神星的平均直径约220千米，在主小行星带中可以排进前20，但还完全没有大到被地基望远镜清楚拍到的程度。因此，想要真正认识这颗金属小行星，还是非得探测器出马才行。

灵神星形状模型（基于目前的地基雷达探测）

灵神星的艺术想象图

灵神星号还计划在任务中验证一项新的激光通信技术：深空光学通信（DSOC）。这个技术将信息加载在近红外波段的光子而非无线电波中，以实现深空探测器与地球的高速率通信。

灵神星号搭载的深空光学通信激光收发器的位置（上）和外形（下）

灵神号项目组计划分两个阶段开展DSOC技术实验（粉色点线），持续约两年时间。第一阶段从发射持续到2024年6月，第二阶段计划从2025年1月持续到10月。

2025年1月，灵神星号在前往小行星带的途中拍摄的木星系统（左下角为放大详情）和火星。

灵神星号搭载的深空光学通信发回的数据，将由加州理工学院帕洛玛山天文台（Palomar Observatory）的5.1米口径海尔望远镜（Hale）接收。

灵神星号本次计划开展的深空光学通信实验，是这个技术首次尝试用于月球以外的深空探测激光通信。

灵神星号的科学仪器

灵神星号探测器主体部分长3.1米、宽2.4米，大小与小面包车相当。配合不同轨道阶段的科学探测目标，灵神星号共携带了4种科学仪器。

灵神星号携带的科学仪器

01  多光谱成像仪×2

用于拍摄灵神星表面不同波段的影像；获取灵神星表面地形；探测灵神星表面的矿物成分，尤其是金属成分的比例。

灵神星号的一对多光谱成像仪位置（左）和外形（右）

02  磁强计×2

用于探测灵神星的磁场强度。如果灵神星真的曾经有过磁场，这将是证实它真的是一个已经完成热分异的早期星子内核的重要证据。

灵神星号的一对磁强计位置（左）和外形（右）

03  伽马射线和中子谱仪

用于探测灵神星的化学元素成分。

灵神星号的中子谱仪和伽马射线谱仪位置（上）和外形（中、下）

04  X波段无线电远程通信系统

主要用于与地球通信，接收指令，发送探测数据；兼用于获得灵神星的重力数据，获取灵神星的质量、重力场、内部结构等信息。

灵神星号的X波段天线位置（上）和外形（下）

本文摘编自《科学世界》杂志2025年第5期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 范周桐