“歐西里斯”探測貝努小行星的初步成果

焦維新 （北京大學地球與空間科學學院）

2016年9月8日美國成功發(fā)射的“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx，以下簡稱“歐西里斯”）探測器歷經(jīng)兩年多的長途飛行，于2018年12月3日進入環(huán)繞目標小行星貝努（Bennu）的軌道進行觀測。2019年3月，“Nature”（《自然》）雜志刊載了專輯，介紹了“歐西里斯”探測貝努小行星取得的最新成果。

1 探測計劃概述

計劃名稱內涵

“歐西里斯”是美國國家航空航天局（NASA）正在執(zhí)行的近地小行星取樣返回探測計劃。該計劃的中文意思是“起源、光譜釋義、資源識別、安全、風化層探索者”，明確概括了該計劃的科學目標。所謂“起源”就是通過分析小行星上的原始物質，研究行星的形成和生命的起源；“光譜釋義”的含義是通過對目標小行星進行多光譜測量，獲得小行星的整體特征；“資源識別”的意思比較明確，因為可從光譜測量中直接獲得礦物特征；“安全”是指這顆近地小行星具有撞擊地球的潛在危險性，通過對雅克夫斯基效應的測量，今后可以更準確地預報其軌道，避免撞擊地球；“風化層”的含義就更清楚了，這也是本次探測要實現(xiàn)的目標，就是從小行星表面取回不少于60g的風化層（或者說是碎片）帶回地球。

該計劃的全稱“歐西里斯-雷克斯”中，“歐西里斯”（OSIRIS）是埃及神話中的冥王，九柱神之一，是古埃及最重要的神祇之一。“雷克斯”（REx）是風化層探索者的縮寫。因此，該計劃名稱的含義是“風化層探索者——歐西里斯”。

“歐西里斯”有效載荷

目標小行星選擇程序

在2008年選擇探測目標時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)9000多顆近地小行星，NASA提出的選擇條件是低偏心率和低軌道傾角，軌道近日點大于0.8AU，遠日點小于1.6AU，符合這些條件的近地小行星（NEA）只有350顆。

對于小行星的大小，NASA提出直徑應大于200m，這樣，符合要求的近地小行星數(shù)量由350顆減少到29顆。

從科學價值的角度看，富含碳類的小行星含有有機分子、揮發(fā)物和氨基酸，在上述29顆候選小行星中，有12顆知道成分，而只有5顆是富含碳的。

小行星貝努是一顆對地球有潛在危險天體（PHA），最小軌道交會距離約0.002AU，在2182年撞擊地球的危險性目前排在第二位。從近地軌道到與貝努軌道交會的速度變量為5.1m/s。綜合大小、成分、軌道等多種因素，最后被選為探測目標。

近地小行星貝努介紹

小行星貝努是1999年9月被發(fā)現(xiàn)的，當時的名稱是1999 RQ36。通過觀測發(fā)現(xiàn)，貝努每6年靠近地球一次，這樣就提供了詳細對其進行觀測的機會。在1999－ 2000年、2005－ 2006年以及2011－2012 年間，貝努的亮度都很高，可見光與紅外光譜測量的結果表明，貝努屬于B類小行星。

貝努軌道的近日距離是0.8969AU，遠日距離為1.3559AU，軌道傾角為6.0349°，軌道周期436.6487天。在2175－2196年間撞擊地球的概率為1/2700。

探測任務階段步驟

“歐西里斯”對貝努的探測細分為九個階段，包括：接近段、初步調查段、軌道A段、詳細調查段（一）、詳細調查段（二）、軌道B段、低高度勘察段、預演段和接觸即離取樣段。每一個階段都是特別設計的，目的是讓任務團隊逐步加深小行星的了解，學習如何在微重力環(huán)境下安全地駕駛航天器，并確定最佳取樣地點。

2018年8月17日，距離貝努2×106km，開始了“歐西里斯”對小行星的接近段。2018年12月3日，“歐西里斯”進入環(huán)繞目標小行星貝努的軌道，開始初步調查段。在低高度勘察段，探測器將對最后兩個候選樣地進行一系列低空觀測。這些從225m高度上獲得的觀測結果將能分辨出表面上小至2cm的物體。由于收集樣本是一項重要活動，研究團隊計劃在最后執(zhí)行取樣之前，至少進行兩次排練。當時機成熟時（大約在2020年7月），“歐西里斯”將使用“接觸即離取樣獲得機械”（TAGSAM）從貝努采集風化層60g～2kg的樣品。計劃2021年3月開始返回，在2023年9月24日回到地球。

“歐西里斯”觀測時間表

貝努數(shù)字地形模型

“歐西里斯”探測器的關鍵科學目標

1）從碳質小行星貝努表面取回足夠量的風化層物質，用于研究小行星礦物和有機物的特性、歷史和分布；

2）對原始的碳質小行星的整體特征、化學特性和礦物學特性進行全球繪圖，用于確定其地質特征和動力學歷史特征；

3）描述取樣點實地風化層的質地、形態(tài)、地球化學和光譜特性，取樣點的空間尺度到亞毫米；

4）測量由非引力產(chǎn)生的軌道偏移；確定對潛在危險小行星的雅克夫斯基效應，并確定影響這種效應的小行星性質；

5）確定原始碳質小行星的整體全球特征，以便與地基望遠鏡關于整個小行星密度的數(shù)據(jù)直接比較。

2 “歐西里斯”已經(jīng)取得的成果

2019年3月，《自然》雜志刊載了專輯，介紹到目前為止“歐西里斯”探測貝努小行星取得的成果。

貝努的大小

小行星的形狀反映了其內部性質和形成過程之間的相互作用，以及它們穿越太陽系時的進化過程。以前，地球上的雷達成像提供了小行星貝努的形狀和輪廓，據(jù)最新消息，“歐西里斯”獲得了更為精確的觀測結果。根據(jù)新的觀測數(shù)據(jù)，研究團隊建立了貝努數(shù)字地形模型（GDTM）。其最佳擬合橢球體為（252.78±0.05）m×（246.2±0.09）m×（228.69±0.12）m，平均直徑（490.06±0.16）m，與之前雷達測得的直徑一致。GDTM 的體積為（0.0615±0.0001）km3，也與預測值近似。自轉周期與相遇前估計近似，為（4.276057±0.000002）h。

貝努小行星表面形態(tài)

確定小行星上風化層和巖石的豐度和物理性質對了解其形成至關重要?！皻W西里斯”獲得的圖像和熱數(shù)據(jù)顯示，小行星貝努的表面是全球粗糙的，有密集的巖石，反照率低。巨石的數(shù)量多得令人驚訝。

廣泛存在水合礦物的證據(jù)

來自“歐西里斯”的光譜數(shù)據(jù)揭示了近地小行星貝努表面富含水合礦物的證據(jù)，在2.7μm附近的近紅外吸收和熱紅外光譜特征，與含水的CM型碳質球粒隕石的光譜相似。在2.7μm處的明顯吸收特性，說明小行星貝努上有含水礦物。

圖中的幾種隕石都是著名的碳質球粒隕石，人們對這些隕石的光譜特征已經(jīng)進行了深入研究。將“歐西里斯”觀測貝努的數(shù)據(jù)與這幾種碳質球粒隕石的光譜數(shù)據(jù)比較，進一步證實，貝努確實有含水礦物。

表面坡度分布

在過去的100萬年里，貝努的表面坡度一直在變化。最近的觀測還發(fā)現(xiàn)貝努內部密度不均勻的證據(jù)，表明其內部是由空隙和巨石混合而成。這種非均質性的存在和貝努的頂部形狀與過去某個時刻的自旋誘發(fā)的內部缺陷是一致的，盡管這種缺陷的確切方式還無法確定。

貝努小行星表面形態(tài)（上圖為貝努自旋一周的圖形，下圖為貝努的全球等矩形圖）

貝努的反射光譜

貝努反射光譜與含水的CM型碳質球粒隕石的光譜比較

貝努全球鑲嵌圖與高程數(shù)據(jù)和四個感興趣的采樣區(qū)域

難以想象的表面

貝努表面有幾個顯著的特征：一是赤道隆起；二是碎石堆積結構；三是高聳的南北山脊從極向極延伸，支配著地形，明顯地引導著地表物質的流動；四是整體是黑暗的，反照率很低。

上圖中：（a）圖像的貝努表面覆蓋有許多米級或更大的巨石。彩色比例尺顯示位勢高度從0m（藍色）到70m（紅色）。白色方框對應的圖像在b～e區(qū)域內顯示，是取樣感興趣的區(qū)域，每個方框都是50m寬。（b）圖為2018年12月1日拍攝，分辨率為0.42m，區(qū)域內有高的坡。（c）圖像采集于2018年12月2日，分辨率為0.33m，其中一些位置位于小型環(huán)形山的底部。（d）圖為2018年12月2日拍攝，分辨率為0.32 m，其中一些區(qū)域被米級巖石環(huán)繞。（e）圖像采集于2018年12月2日，分辨率為0.33m，有一些被米級大小的巖石環(huán)繞。

3 小結

在“歐西里斯”探測貝努小行星的九個階段中，目前只進行到第三階段，但已經(jīng)取得了豐碩的成果，引起了許多學者的關注。隨著探測的深入發(fā)展，相信一定會取得更多的成果，這將極大地加深人們對小行星的認識。重頭戲還在后面，當“歐西里斯”完成取樣返回后，一定會有重大的發(fā)現(xiàn)。

“歐西里斯”探測貝努的一系列新發(fā)現(xiàn)說明，小行星雖小，但涉及的科學問題是豐富的，這將進一步激勵人們更加關注小行星的科學問題。