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客邁拉號

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客邁拉號
通往半人馬小行星和形成小天體秘密之門
任務類型半人馬小行星軌道器
運營方美國宇航局
任務時長>為期2年的軌道探索
航天器屬性
製造方洛克希德·馬丁公司 [1]
任務開始
發射日期2025年-2026年(計劃)[1]
搭載儀器
可見光和熱成像儀、質譜儀及紅外光譜儀、雷達[1]

客邁拉號（Chimera）是美國宇航局一項環繞和探索外太陽系中活躍、噴發的小冰體—29P/施瓦斯曼-瓦赫曼彗星的概念任務[1][2][3][4]。這一概念是應2019年美國宇航局發現計劃任務倡議而開發[5]，將是首次航天器與半人馬小行星的交會，也是第一次對外太陽系小天體的軌道探測。「客邁拉號」提案被列為第一級（第1類）建議，但為保持科學平衡的原則性要求，該提案未被選擇作進一步的開發。

施瓦斯曼-瓦赫曼1號是半人馬小行星群之一，這群近乎原始的天體因受引力擾動，會從柯伊伯帶進入木星與海王星之間不穩定的軌道。許多半人馬小行星最終遷移至內太陽系成為木星系彗星（JFCs）[6]，而施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星則被認為占據了小行星在進行這種轉變時，所需穿過的軌道「關口」[7]。從太陽系邊緣時的冰質小天體，到經過太陽附近時的活躍彗星，施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星是一顆帶有不同進化階段特徵的「客邁拉」綜合體。這也提供了一次獨特的機會來研究這些天體如何隨時間的變化而形成、組合和改變的。在歷時2年多的軌道交會中，「客邁拉號」將對施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星逸出的氣體彗發進行取樣，研究其活動和噴發模式，測繪表面結構和地形、探測其內部，並監測它演變過程中的變化。

科學探索 

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羅塞塔號探測器拍攝的木星系彗星67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星
新視野號拍攝的柯伊伯帶小天體486958阿羅科思（左）與67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（以相對尺寸顯示在右上角）的比較。彗星活動對丘留莫夫-格拉西緬科彗星的侵蝕作用與表面相對無特徵的阿羅科思彗星相比反差非常明顯。
斯皮策望遠鏡拍攝的29P/施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星圖像，顯示了它持續存在的塵埃彗發。

冰質小天體是形成我們太陽系的原始回聲，其物理性質來自行星形成盤[8]以及與早期巨行星遷移有關的軌道分布[9]。對它們的組成（冰和氣體）、形狀和內部結構等所有方面的研究，都能讓我們深入了解行星的演化過程。現代冰質小天體群包括位於遙遠外太陽系穩定軌道上的原始天體（如柯伊伯帶和奧爾特星雲），以及向內太陽系遷移成為長周期彗星（如 C/1995 O1（海爾-波普彗星））、短周期彗星（如67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星）和半人馬小行星群的更進化天體。

半人馬小行星群是環海王星軌道內運行的冰質天體中變化最小的，其物理特徵介於先前探索過的（如羅塞塔號、新視野號）和計劃（如露西號、彗星攔截者任務）要探索的冰質小天體之間，在100-1000萬年跨度內，它們的運行軌道並不穩定[7][10]，要麼會彈回到泛海王星來源區；要麼向內奔向太陽，成為一顆彗星。半人馬小行星群與太陽距離太遠，不太可能發生大規模彗星化行為，但它們之間相距很近，會發生一些某種形式的零星活動[11][12]。這一早期過程為探索冰質小行星從原始起源轉變至飽經風化的終態彗星提供了機會。

自1927年「29P/施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星」在一次爆發中被發現以來，其特徵顯示它較其他已知彗星更神秘[13]，是一顆有待進一步詳細研究的彗星。

  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號為外太陽系中最活躍的小天體，也是已知唯一「持續」活躍的半人馬小行星；
  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號產生過一次世紀性（2-5視星等）大爆發事件，可能排放出了≥109千克的灰塵、氣體和水冰[14][12]。現代研究表明它每年的爆發率約為~7次[15]，成為唯一一顆航天器在長期交會期間，有機會對這些高能事件進行「實地」研究的天體；
  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號軌道內有一個動態「關口」，未來大部分成為木星系彗星（JFC）的小天體都會穿過這一關口[7]。進一步的模擬顯示，在未來4000年內施瓦斯曼-瓦赫曼1號有75%的概率成為一顆木星系彗星。

施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的物理特性和它的軌道同時將它與處於多種演化狀態的冰質小行星聯繫起來，對它的研究提供了對半人馬小行星群獨特演化史的了解。

  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的軌道演化與柯伊伯帶天體（KBOs）和木星系彗星（JFC）都有關。
  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的活動模式與巨行星區的LPC相似[12][16]。
  • 施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星正經歷着木星系彗星萌芽期所共有的物理過程。
  • 在早期活躍期間，施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的熱量環境類似於木星的特洛伊小行星[17]。

可達性和環境

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29P/施瓦斯曼-瓦赫曼彗星軌道示意圖

在大型半人馬小行星中，施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的軌道半長軸最短（5.986天文單位）、偏心率極低（e=0.044）、而軌道傾角適度（9.39°），這些因素加上它與木星接近，使得它成為發現級任務可用資源範圍內，唯一一顆可實現軌道交會的天體。與其他半人馬小行星一樣，它的周圍也分布有環系統和隱藏的碎屑物（如小行星10199卡里克洛[18]和2060喀戎[19]），施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的彗核被持續活動和大噴發產生的大面積塵埃彗發所遮蔽。這些物體周圍存在較大的彗發顆粒，這對於相對高速的交會可能會造成危險，但對於運行在低速軌道上的航天器卻是有利的。施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的直徑估計為60.4±7.4公里[20]，它比任何已知的木星系彗星都大，其大小[21]和活躍程度[12]與著名的長周期彗星海爾-波普彗星相當。它的旋轉率不太穩定，一些研究獲得的周期數據從幾天到長達2個月不等[14][22][23]。

任務設計

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客邁拉號的主要發射窗口為2025年和2026年，航天器軌道利用了一種罕見的行星配置結構，這種結構直到2080年代才會重複出現。一系列的重力助推機動用於將客邁拉號定位到施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星，並能以相對較低的速度進入軌道。在巡航階段，可能會選擇飛越數顆行星和小天體，以提高探索回報率。客邁拉號將首次對外太陽系小天體進行軌道探測，也是繼卡西尼-惠更斯號和即將進行的蜻蜓號後，第三次在木星以外的軌道航天器任務，這也將是利用太陽能飛行最遠的航天器任務。

任務的交會階段開始於探測器在施瓦斯曼-瓦赫曼1號彗星的希爾球外減速，然後以<10米/秒的相對速度緩慢接近，在此過程中將描繪彗核特徵、活動模式、噴發行為和碎屑環境。進入軌道後，客邁拉號開始詳細研究表面地形、冰的分布和熱量特徵、活動和噴發的分布及大小、彗核內部結構以及氣體彗發的「實地」成分。在隨後的2年中，探測器軌道將逐步降低，以對感興趣的區域進行更深入的研究，監測其物理演變，獲取更精確的內部測量，並對附近地表進行取樣。

 探測儀器 

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客邁拉號將通過多種測量手段實現對目標的探測[1]，包括

  • 表面特徵和周圍塵埃的可見光波段高分辨率成像；
  • 表面、塵埃和彗發成分的近紅外光譜分析；
  • 彗發元素、分子和等離子體成分的實地質譜分析；
  • 重力實驗將利用探測器上的多普勒位移頻率發射器來測量彗核內部的質量分布；
  • 對噴發活動和軌道碎片進行廣域監測；
  • 熱成像表面和彗發中塵埃的溫度；
  • 合成孔徑雷達測量地表下結構和成分。

開發團隊 

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「客邁拉號」任務概念是由位於亞利桑那大學的月球與行星實驗室、戈達德太空飛行中心和洛克希德馬丁公司聯合開發。

參考文獻 

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Harris, W.; Woodney, L.; Villanueva, G. 客迈拉号: 首个探索半人马小行星的任务 (PDF). 歐洲行星科學大會摘要(2019年歐洲行星科學和美國天文學會聯合大會). 2019年, 13   [2021-01-29]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-12）. 
  2. ^ Harris, W.; Woodney, L.; Villanueva, G. 客迈拉号: 首个探索半人马小行星的任务. 秋季會議: 627815. 2019年 [2021-01-29]. （原始內容存檔於2021-02-05）. 
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