NASA的“Psyche”探測器將超近距離飛掠火星

美國宇航局（NASA）的“靈神星”（Psyche）深空探測器正準備進行一次大膽的近距離火星飛掠，將借助火星引力“彈弓”效應，加速飛往太陽系中最奇特的金屬小行星之一——同名小行星“靈神星”。美國東部時間5月15日（周五），探測器將以約每小時1.23萬英里（約1.98萬公里）的速度，從距離火星表面僅約2800英里（約4500公里）的高度掠過，通過改變飛行軌跡并提升速度，為接下來前往主小行星帶的長途旅行提供關鍵助推。

“靈神星”探測器于2023年10月13日發射升空，依靠太陽能電推進和氙氣持續緩慢加速，在多年任務中逐步提高速度。通過火星引力輔助，任務團隊可以顯著節省推進劑消耗，同時獲得足夠的速度和軌道傾角變化，使探測器能夠在后續年份抵達目標小行星。這類行星飛掠不僅是軌道設計中的關鍵環節，也為工程師和科學家提供了在抵達最終目標前，對飛控系統和科學載荷進行全面測試和標定的寶貴機會。

在即將到來的飛掠過程中，“靈神星”號的任務團隊計劃使用多光譜成像儀，對火星進行數以千計的觀測，獲取圖像和光譜數據，用于驗證成像系統性能并優化后續在小行星軌道下的觀測策略。探測器已在飛掠前開始回傳圖像，自5月7日起公開的首批“原始”圖像中，火星仍只是遙遠星空中的一點微光，后續工程師將通過調整亮度和對比度，對飛掠期間拍攝的大量圖像進行處理，并有望在未來幾周制作出展示整個近距離飛越過程的延時序列。

為確保飛掠精確實施，任務團隊已于2月23日執行了一次軌道修正機動，探測器連續點火約12小時，對飛行軌道進行微調并略微提高速度，使其在5月抵達火星時能夠按計劃從預定高度掠過。任務規劃負責人莎拉·貝爾斯托（Sarah Bairstow）表示，飛控團隊已將整個5月期間探測器需要執行的各項操作全部寫入飛行計算機，“我們這一次不僅能首次在飛行中用比‘幾像素’大得多的目標來標定相機，還會讓其他科學儀器參與觀測”。

由于“靈神星”號是從火星夜側方向接近，該探測器看到的火星外觀將不同于地面公眾熟悉的“滿盤紅色圓面”。按任務成像儀負責人吉姆·貝爾（Jim Bell）的描述，探測器以很高的“相位角”逼近火星，也就是“從夜側追上這顆行星，只能看到被陽光勉強勾勒出的細細彎月”。在飛掠前后，探測器將先看到一彎纖細的“火星新月”，飛掠之后則有機會拍到接近“滿火星”的視角，這既利于成像系統校準，也有望產生一批極具觀賞性的照片。

科學家還對借此次機會探測火星周圍可能存在的微弱塵埃環抱有興趣。研究推測，火星兩顆小衛星——火衛一（福波斯）與火衛二（得摩斯）——在遭受微流星持續撞擊時，可能向太空噴射出細微塵埃顆粒，并在火星軌道附近形成稀薄的塵埃“環”或“圓環狀云團”。如果在飛掠期間光照角度合適，這些塵埃有望在“靈神星”號的成像數據處理中顯露蹤跡，為理解火星小衛星及其微環境提供新線索。

此次飛掠不僅是一次成像實驗，也是一次多學科綜合觀測演練。探測器上的磁力計有望記錄火星磁場與來自太陽的帶電粒子之間的相互作用，而伽馬射線和中子譜儀則將監測飛掠過程中宇宙線通量的變化，為后續在小行星軌道上進行高能粒子與表面物質探測積累經驗。此外，成像儀還將執行“衛星搜索”模式，在火星周邊開展類似“微小衛星搜尋”的觀測練習，以便在抵達“靈神星”小行星后，更高效地尋找潛在的微小伴星。

盡管科學收獲頗具期待，但任務團隊強調，這次飛掠的首要目的仍是“借火星一把力”。正如項目首席研究員林迪·埃爾金斯-坦頓（Lindy Elkins-Tanton）所說，飛掠的根本原因是“通過火星獲得一點幫助，加速飛行并將軌道傾斜到通往小行星‘靈神星’的方向”，而如果在此基礎上還能順利完成儀器測試和標定，那就可謂“錦上添花”。

在飛掠期間，任務控制中心將通過NASA深空網絡（Deep Space Network，DSN）密切跟蹤“靈神星”號發回的無線電信號，以精確評估飛掠效果。探測器速度的細微變化將體現在無線電信號的多普勒頻移中，工程師據此可以迅速反演出飛掠后的新軌道參數，確認探測器是否已準確奔赴主小行星帶方向。通過與火星在軌器和地面局的聯合觀測，團隊還希望進一步優化未來深空任務在行星引力輔助過程中的測軌與導航策略。

多艘正在火星附近運行的航天器將協同支持此次行動。其中包括NASA的“火星勘測軌道飛行器”（MRO）、“火星奧德賽”軌道器以及在火星表面作業的“好奇號”和“毅力號”兩輛火星車，歐洲航天局（ESA）的“火星快車”與“ExoMars微量氣體軌道器”等也將參與觀測與測量。科學家計劃將“靈神星”號在飛掠期間獲得的觀測數據，與火星現有任務多年積累的資料進行對比，以進一步改進“靈神星”科學儀器的標定，并幫助未來靠近火星的探測器更好地設計通信與導航方案。

根據任務計劃，“靈神星”探測器將在火星引力助推后繼續向外奔赴主小行星帶，預計于2029年末抵達其同名金屬小行星并進入軌道，展開對這一罕見天體內部構成和演化歷史的長期考察。作為首個以金屬為主要研究目標的小行星探測任務，“靈神星”有望揭示類似行星內核的遠古殘余，為人類理解類地行星形成過程和早期太陽系演化提供前所未有的窗口。