太陽系起源與小天體探測的前沿科學問題

林楊挺

(中國科學院院地質與地球物理所地球與行星物理重點實驗室,北京 100029)

1 前言

2004年嫦娥探月工程立項以來,我國已成功實施了繞月軌道探測的嫦娥一號和二號,以及月球表面軟著陸和巡視探測的嫦娥三號和四號任務。其中,嫦娥四號率先在月球背面著陸,實現了對月球上最大、最古老的南極——艾肯盆地的首次原位探測,獲得了月球深部物質組成、月壤厚度和淺層結構、高精度地形地貌等大量新發(fā)現。預計2019年將發(fā)射嫦娥五號,采集不少于2kg月球樣品返回地球,其中包括長度為2m的月壤鉆孔巖芯。在完成月球探測“繞、落、回”之后,我國將實施嫦娥三期探月工程[1],通過1次采樣返回、2次著陸和巡視探測任務,全面開展對月球南極的探測,深化對月球形成與演化的認識。同時,還將開展月基對天、對地觀測,以及月面科學試驗,并建成月球科研基地基本型。

在嫦娥工程的基礎上,我國計劃開展一系列深空探測任務,其中首選目標是火星。通過對火星的探測,揭示宜居環(huán)境及其演化,探索可能存在的地外生命。我國將于2020年首次發(fā)射火星探測飛船,開展環(huán)繞軌道器、著陸器、火星車等三位一體的聯合探測。此外,已規(guī)劃的第二次火星探測任務將從火星采集樣品并返回。除火星之外,我國還計劃對木星及其衛(wèi)星 (例如木衛(wèi)四)進行探測。

我國深空探測的另一重要目標是小天體,已規(guī)劃的小天體目標是地球準衛(wèi)星——2016HO3小行星。計劃將對2016HO3小行星進行伴飛、環(huán)繞、附著探測并采樣返回。在成功實施采樣返回主任務之后,飛船將繼續(xù)飛往小行星帶,對主帶彗星進行探測。與月球、火星等行星不同,小行星和彗星數量巨大,已觀測到記錄在案的將近百萬顆,同時還有大量或因為較小或因為較遠而沒被發(fā)現;小天體的分布在空間上非常廣大,從近地軌道一直到小行星帶,到柯伊伯帶,以至更為遙遠的空間;小天體的光譜類型多樣,反映了物質組成上很大的不均一性和變化,代表了它們在太陽星云盤中不同的形成區(qū)域和條件。同時,小天體對地球的撞擊,構成了對地球上包括人類在內的巨大威脅。另一方面,一些類型的小天體是未來太空探索的重要資源。因此,需要基于太陽系形成演化的關鍵科學問題與空間技術發(fā)展路線相結合,制定出適合我國國情、具有顯著創(chuàng)新性的小天體探測路線圖,對小天體開展長期、持續(xù)的探測。

2 小天體探測的意義

2.1 深空探測的重要領域,揭示太陽系形成的基本途徑

深空探測根據目標和科學問題,大體上可以劃分為三大類,即月球探測、火星等行星探測以及小天體探測。月球探測的目標是理解地球—月球系統(tǒng)的形成和地球早期歷史,建立人類進入深空的月球基地?；鹦翘綔y的目標是發(fā)現地外生命,揭示宜居環(huán)境的演化,通過不同行星的對比研究,理解地球形成與演化的獨特性。小天體探測的科學目標則是解開太陽系的形成過程,給出地球、火星等行星的初始物質組成。

地球、火星等形成之后,經過了40多億年的演化,因此它們形成時的初始狀態(tài)等已基本消失殆盡。相反,小天體是太陽系形成過程中殘留的“化石”,是構建各大行星的“磚瓦”等材料,保存了太陽星云的初始狀態(tài)、星云演化過程以及行星的生長過程等信息。不同類型的小行星形成于太陽星云盤的不同位置,記錄了該區(qū)域的演化歷史;彗星形成于木星以遠的區(qū)域,更多保存了太陽星云的原始狀態(tài)。一些小行星形成之后,經歷了后期事件的改造,包括熱變質、水蝕變、熔融分異以及撞擊作用等,對于認識地球等行星的早期演化具有重要的意義。因此,只有通過對各類型小行星和彗星的探測,才能全面恢復太陽系的起源和早期演化歷史。

2.2 預防小天體撞擊,負起人類命運共同體的大國擔當

地球上已證實的隕石坑將近200個,其中約1/4的直徑超過10km,最大的坑直徑可達300km。作為參照,導致恐龍滅絕、發(fā)生在6600萬年前的小行星撞擊事件,在墨西哥灣尤卡坦半島形成的Chicxulub撞擊坑直徑約為150km。形成這些坑的撞擊事件,對地球上的生命可產生毀滅性的后果。2013年2月15日,俄羅斯車里雅賓斯克發(fā)生了近年最大規(guī)模的隕石撞擊事件,造成1000多人受傷。月球上布滿了大大小小的撞擊盆地和撞擊坑,很好地記錄了地球—月球空間小天體的撞擊頻率和歷史。月球上直徑大于20km的撞擊坑近7000個,而直徑大于300km的撞擊盆地有30個,其中最大的南極艾肯盆地直徑達2500km。雖然地球—月球空間的小天體撞擊強度和頻率均隨時間而減弱,現代的災難性小天體撞擊是一個小概率事件,但如果發(fā)生,則會給國家乃至全球生物和人類社會帶來毀滅性的災難。

近地小天體其軌道可與地球相交。由于天體之間引力相互作用、太陽光壓作用等因素的影響,一些近地小天體的軌道演化,最終可能導致與地球相撞。因此,需要對近地小天體開展巡天觀測,發(fā)現所有潛在威脅的目標;進而對這些潛在威脅的小天體開展長期監(jiān)測,監(jiān)視其軌道的演化,對小天體撞擊地球事件做出預警。同時,對小天體開展環(huán)繞探測和采樣返回,研究它們的物性、機械力學特性、物質組成、軌道演化機制等,最終消除這些具有潛在威脅的小天體對地球的撞擊。

2.3 小天體是深空探測未來的戰(zhàn)略資源

人類社會的發(fā)展必然要走出地球這個搖籃,而且這一過程隨著經濟和科學技術的發(fā)展有顯著加快的趨勢。國際上,民間資本開始進入深空探測領域,成立了各種相關私營公司,包括行星資源公司 (Planetary Resources)、深空工業(yè)公司(Deep Space Industries)、SpaceX等,提前進入太空礦產資源的領域。美國國會還通過了相關法律,以保障其私企在未來太空礦產資源開發(fā)等領域的權益。盧森堡也將太空資源的開發(fā)利用作為其未來重要經濟支柱提前布局,出臺了空間資源計劃,吸引全球共同參與。未來的深空開發(fā),將會以月球作為超級基地和跳板。因此,支撐月球基地是太空資源的首要目標,其中最為重要的將是從一些類型的小天體獲得水和有機質等戰(zhàn)略物質。

2.4 大力促進空間技術的發(fā)展

不同于月球、火星等行星,小天體目標小,基本屬于弱引力、無大氣的環(huán)境。相對而言,可以用較小的代價抵達小天體并開展探測,包括采樣返回。因此,小天體的探測可以采用低成本、多次任務的方式進行。這一探測方式,也提供了很好的機會,依次發(fā)展深空探測技術,包括電推進和太陽帆技術、軌道精密測控和自主導航技術、深空通信、精確觸碰、弱引力目標的附著、表面移動、表面各種作業(yè)以及超低溫采樣等技術。因此,小天體探測對于牽引空間技術的進步具有不可替代的重要性。

2.5 國際深空探測的熱點和前沿

小行星和彗星探測一直是國際深空探測的熱點和前沿領域。除阿波羅登月計劃之外,美國國家航空航天局 (NASA)已實施的35次深空探測任務中,有9次是以小行星和彗星為探測目標。NASA的小天體探測計劃包括：其目標覆蓋了近地小行星 433Eros的 NEAR-Shoemarker任務,Wild 2彗星塵埃的采集并返回的“星塵號”任務,以Tempel 1彗星為目標的“深度撞擊”任務,以及以主帶小行星灶神星和谷神星為目標的“黎明號”計劃。目前NASA正在實施Bennu碳質小行星的采樣返回計劃“OSIRIS-REx”任務,并已規(guī)劃了對金屬小行星探測的Psyche計劃,對木星特洛伊小行星探測的Lucy計劃,以及對近地雙星Didymos進行軌道偏移實驗的DART任務等。歐空局 (ESA)的深空探測一直把彗星作為主要目標,包括已實施的對哈雷彗星彗尾塵粒探測的Giotto計劃,對67p彗星進行探測的Rosetta計劃,以及剛批準的對可能來自太陽系外彗星進行探測的“彗星攔截器”(Comet Interceptor)計劃等。日本將小天體探測作為其深空探測的主線和特色,隼鳥號計劃取得了部分成功,從細川小行星采集到了塵粒樣品。在此基礎上,目前正在實施以采集“龍宮”碳質小行星樣品為目標的隼鳥2號任務。此外,日本還規(guī)劃了對火星兩個衛(wèi)星,即火衛(wèi)1和火衛(wèi)2的探測,并計劃從其中一個采樣返回,以及以試驗新技術為主要目標的Destiny+計劃等。因此,在我國現有小行星采樣返回任務的基礎上,還需要規(guī)劃我國的小天體探測路線,持續(xù)和系統(tǒng)地開展更多的小天體探測,推動我國深空探測技術的發(fā)展,為認識太陽系形成與演化做出中國貢獻,并確保我國的太空權益。

3 太陽系起源的前沿科學問題

小天體是太陽系起源和早期演化殘留下來的天體,因而記錄了太陽系的誕生過程和早期歷史。通過對不同類型小天體探測,將回答太陽系起源這一重大科學問題。為此,需要對太陽系形成過程中的一系列關鍵科學問題進行梳理,從而規(guī)劃小天體的探測路線,并確定探測的具體目標。

3.1 太陽星云的初始狀態(tài)

根據現代星云理論,太陽系是由塵埃和氣體構成的星云盤,在引力作用下吸積形成的。一個問題是,太陽星云盤初始的塵埃與氣體的比例是多少?密度是多少?這些固體塵埃在太陽系之前既已存在,因而是前太陽物質 (presolar grains),它們保存了前一世代恒星的物質組成信息,又稱為太陽系外物質。對最原始的碳質隕石等研究,已發(fā)現了來自II型超新星、超新星、漸近線紅巨星以及其他類型恒星的太陽系外微粒[2]。太陽星云實際是由不同恒星演化晚期拋射的物質構成。另一個問題是,構成太陽星云的初始物質來源于哪些恒星?它們之間的豐度比值是多少?不同恒星來源物質在太陽星云盤中的分布是否均勻?地球、火星、灶神星以及各種小行星 (隕石)中已發(fā)現的各種同位素異常 (如 O、Cr、Ti、Ni等)[3],是否與原始星云盤中這些太陽系外顆粒的不均一分布有關?或者,一部分同位素異常是太陽星云演化階段,由于臨近超新星爆發(fā)加入?并且這一超新星爆發(fā)事件直接觸發(fā)了太陽星云的塌縮,從而形成太陽系?

當太陽星云盤中央形成太陽之后,太陽輻射及其相關的溫度變化如何影響星云盤的物質組成演化?隨著溫度的升高,星云盤溫度梯度的形成,物質如何遷移,并逐漸演化成不均一的狀態(tài)?水和有機質如何演化?

3.2 太陽星云階段的重要事件

包括太陽星云的氣-固凝聚過程,以及由微米-次微米聚集形成毫米-厘米大小集合體的過程。星云理論表明,太陽星云的初始狀態(tài)為低溫的冷星云盤。但是,原始的球粒隕石,特別是其中的碳質球粒隕石含有細粒難熔礦物構成的集合體,簡稱細粒難熔包體,其化學組成表現為富Ca、Al等難熔元素,因而又簡稱細粒CAI。細粒難熔包體的礦物組合、結構、化學元素組成模式等均與太陽系平均化學組成的高溫氣體的氣-固凝聚一致[4-8],因而代表了太陽星云最早形成的固態(tài)集合體 (同位素年齡45.67億年)。細粒難熔包體的形成要求星云溫度曾升高至2000K,而它們又廣泛出現在各類型原始球粒隕石中[9],特別是代表外太陽系的碳質球粒隕石中,這與太陽星云盤的初始低溫狀態(tài)不一致,如何解釋?“星塵號”計劃采集的彗星塵粒中,也發(fā)現同樣的細粒難熔包體[10],更與通常認為彗星主要是由低溫物質構成的模型不一致。

除了很可能由高溫氣體凝聚形成的難熔包體之外,頑輝石球粒隕石的特殊礦物組合不僅要求氣-固凝聚,而且要求其形成處于極端的還原條件下。 正常情況下,Ca、 Na、 K、 Mn、 Cr、 Mg、Si等是典型的親石元素,即它們主要以各種氧化物等形式出現。但是,在頑輝石球粒隕石中,Si可以單質零價存在于Fe-Ni金屬中,Ca、Na、K、Mn、Cr、Mg等形成各種硫化物[11-13]。要形成這些礦物組合,需要將太陽星云的C/O比值從0.54提高到0.8以上[14]。這一極端的條件如何產生?該類隕石母體小行星形成的空間位置?

星云凝聚是由高溫的氣體冷卻形成固相的過程。太陽星云盤中很可能還普遍存在快速加熱,然后快速冷卻的不同事件。這一事件的證據是粗粒結構的難熔包體 (或稱火成結構難熔包體),它們在礦物和化學組成上與細粒難熔包體相似,但結構上表明是由熔體結晶形成。有觀點認為它們是具有太陽系平均成分的鐵鎂質硅酸鹽,加熱后高溫蒸發(fā)后殘留的難熔組分[15];也有觀點認為它們是細粒難熔包體受熱熔融后再結晶,組成基本未變,僅結構發(fā)生了改變[6]。不管怎樣,粗粒難熔包體代表了太陽星云中的高溫加熱事件,其冷卻速率一般不超過50℃/h。更為普遍的高溫加熱事件產物是硅酸鹽球粒,它們構成了球粒隕石的最主要組分。與粗粒難熔包體不同,球粒熔融之后的冷卻速率更快,一般超過50℃/h,甚到高達1000℃/h。很顯然,球粒的形成代表了太陽星云中一種不同的、但極為普遍的加熱事件。上述加熱事件產生的機制是什么?發(fā)生的空間位置?形成球粒事件的時間?粗粒難熔包體與細粒難熔包體之間的成因聯系?

3.3 太陽星云的徑向分異

太陽系形成過程中最顯著的一個結果,是理論上均一的原始星云盤演化成為一個高度不均的太陽系,特別是由類地行星構成的內太陽系與氣態(tài)行星構成的外太陽系之間的巨大差異。除此之外,在太陽星云的凝聚階段,可能就已經出現了星云盤徑向上的化學分異。如前所述,頑輝石球粒隕石很可能形成于一個極端還原的星云環(huán)境。這一極端還原的條件是如何產生的?不同化學群球粒隕石之間的全巖化學組成有顯著的不同,如何形成?水和有機質的分布很不均一,它們在太陽星云盤中如何遷移?對星云演化又有何影響?

難熔包體的富16O異常發(fā)現是天體化學的重大成果之一[16]。大量的分析結果進一步表明,地球、火星、灶神星以及各類型小行星隕石具有不同的氧同位素組成[17]。但是,氧同位素異常的機理,特別是太陽系氧同位素異常的分布特征還沒有得到很好的解釋。近年對太陽系各種物質的同位素分析發(fā)現,根據Cr、Ti、O等同位素異常,可以將太陽系物質劃分為內、外太陽系二大部分,但是其產生的原因是什么?這些同位素異常的機制?

3.4 小天體的形成和早期演化

與太陽星云凝聚過程相比,對小行星的形成過程所知甚少,一個重要原因是隕石樣品在尺寸上一般為分米級大小,少量達到米級。一般認為,太陽星云凝聚形成的毫米-厘米大小集合體首先聚集成卵石大小塊體,然后堆積形成公里級-百公里級的星子。理論模擬計算表明,星子形成的物質主要來源于本地,但仍有一定比例的物質來自其他區(qū)域[18]。對小行星的觀測和探測也表明,有相當高比例的小行星顯啞鈴狀等形態(tài),很可能是由二個或多個星子拼接而成。一些特殊的隕石,由多種類型的隕石角礫構成,反映了不同類型小行星之間的碰撞和堆積?！袄杳魈枴庇媱潓υ钌裥潜砻娴奶綔y,發(fā)現較多分布的暗色物質和氫的分布,很可能是碳質小行星撞擊留下的碎片[19]。日本隼鳥2號對龍宮小行星的探測,美國OSIRIS-REx對Bennu小行星的探測,均表明這二個碳質小行星是由碎石塊堆積而成[20,21]。因此,關于星子的形成機制、過程、物質來源、形成時間等需要通過小行星的探測獲得答案。

星子形成之后,除了由動能和勢能轉化為熱能之外,更多的能量來自短壽命的放射性核素衰變,特別是26Al(半衰期73萬年)的衰變能。因此,較大的星子,特別是其中央經歷了不同程度的熱變質改造。當溫度足夠高時,金屬和硅酸鹽發(fā)生的熔融,并且相互分離,形成了主要由Fe-Ni合金構成的核部,以及由硅酸巖熔體結晶形成的幔。對收集到的大量隕石樣品分析表明,很少存在原始球粒隕石與熔融形成的鐵隕石或無球粒隕石之間的成因聯系,或是沒有發(fā)現對應的隕石?或是因為它們之間確實不存在聯系?無球粒隕石在同位素組成上均屬于內太陽系型,而外太陽系型主要是碳質球粒隕石,這是表明它們分別形成于太陽星云盤的不同區(qū)域?外太陽區(qū)域的星子形成較晚,溫度更低,因而熱變質程度較低,更很少發(fā)生熔融?

除了溫度升高造成的熱變質,甚至熔融之外,液態(tài)水或水蒸汽的存在,可以造成強烈的水蝕變。橄欖石、輝石、長石等硅酸鹽礦物在水蝕變下形成各種粘土礦物,硫化物和金屬發(fā)生氧化。小行星中普遍形成碳酸鹽、硫酸鹽、甚至石鹽等蒸發(fā)鹽類礦物。小行星內的水蝕變,很大程度上抹除了太陽星云過程的記錄。“黎明號”計劃對谷神星的探測,發(fā)現了一系列水蝕變存在的證據,甚至表明谷神星內部存在液態(tài)水的海洋[22-24]。大部分碳質隕石存在明顯的水蝕變,但也有一部分水含量低。一個相關的問題是,這些貧水的碳質隕石 (小行星)是原始不含水的狀態(tài)?或是由于后期熱變質脫水的結果?決定星子水含量的主要因素是什么?

3.5 木星的遷移及其影響

小天體的軌道易于受到擾動而發(fā)生改變,因此觀測到的小天體軌道不代表其形成位置。近地小行星的光譜類型與主帶小行星相似,是由后者遷移至目前的軌道;而主帶小行星在很小的空間區(qū)域 (2-4AU),分布各種不同光譜類型的小行星,其化學組成的差異涵蓋了從最靠近太陽的水星一直到外太陽系。另一方面,主帶小行星光譜類型的分布存在統(tǒng)計規(guī)律,即靠近太陽一側,以發(fā)生熔融的分異型小行星為主,而隨遠離太陽,原始類型小行星的比例增高[25]。是什么事件或機制決定了不同光譜類型小行星的空間分布?它們形成時的空間位置?

太陽系形成的數據模擬結果表明,木星和土星的形成對太陽系,特別是小行星的分布可產生很大的影響[25-28]。木星的初始形成位置約在3AU,當其生長到20個地球大小時,其軌道向內遷移至現今火星位置,從而將內太陽區(qū)域的星子彈射出去。隨后,木星的軌道向外遷移,進而將外太陽區(qū)域,包括柯伊伯帶的小天體彈射進內太陽區(qū)域。木星的快速生長,是否阻斷了內-外太陽星云盤物質的遷移?并造成它們之間同位素異常的差異?木星發(fā)生上述遷移的實驗證據?如果發(fā)生了遷移,其出現的時間?

4 小天體探測的思路

4.1 長期持續(xù)的任務

一方面,小天體,特別是小行星的數量巨大,已劃分出至少25個不同的光譜類型。另一方面,已收集到的小行星隕石,已知30個化學群左右。小行星的光譜類型與隕石化學群之間重疊較少,實際上太陽系形成過程中殘留下來的星子類型也有很大的數量。為了恢復太陽星云的初始狀態(tài)和演化過程,需要對這些不同類型的小行星和彗星進行探測。同時,星子形成之后,可能經歷了不同程度的水蝕變、熱變質、熔融分異以及撞擊等作用。為了揭示這一階段的星子演化,理解行星的形成,需要對同一星子開展更深入的探測。因此,為了揭示太陽系形成和早期演化歷史,需要長期持續(xù)開展小天體的探測。此外,小天體作為未來太空的戰(zhàn)略資源,以及小天體撞擊構成對地球的潛在威脅,同樣要求對它們進行長期的探測。

我國目前僅規(guī)劃了一次小天體探測任務,無法滿足對太陽系起源認識的需求,無法保證未來對小天體資源的需求,無法防御潛在小天體撞擊對人類構成的威脅。需要以太陽系形成與演化重大科學問題為牽引,結合未來小天體資源的開發(fā)和利用,以及小天體安全防御,規(guī)劃出我國小天體探測的路線,長期持續(xù)地開展小天體的探測。

4.2 多任務、低成本

同月球、火星和其他行星探測相比,小天體探測可以采用低成本的技術路線和工程方案。事實上,NASA的Discovery級任務主要針對小天體探測,日本的小行星探測任務經費也控制在1.5億美元范圍。同時,隨著微小衛(wèi)星技術的成熟和普及,也為小天體探測提供了一個很好的飛行器平臺。因此,低成本的小天體探測在經濟上是可能的,技術上也是可行的。通過長期持續(xù)實施小天體探測任務,最終揭示整個太陽系起源和早期演化歷史,開發(fā)和利用小天體資源,防御小天體撞擊對人類的威脅。

4.3 科學與技術發(fā)展路線的結合和促進

小天體探測具有目標多重性的顯著特征,即在科學探索、太空資源開發(fā)、小天體撞擊安全防御等方面均具有重大的意義。同時,這三個方面之間又相互促進和依存,科學探索是太空資源利用和防御小天體撞擊的基礎,而后兩者的需求則促進科學探索的發(fā)展。太空資源利用和防御小天體撞擊更多側重空間技術的進步。因此小天體探測的總路線,需要綜合考慮科學目標的需求、太空資源利用和防御小天體撞擊的技術發(fā)展需求兩大方面,并將二者更好地結合起來,協(xié)同發(fā)展,相互促進?？傮w而言,以太空資源利用和防御小天體撞擊為最終目標,制定出空間技術的發(fā)展路線圖;以此為工程約束,根據小天體探測的總科學目標,制定相應的分階段小天體探測任務。這也是以科學探測為牽引,帶動空間技術的進步和發(fā)展。

4.4 多元化的探測路線

在國際私營企業(yè)進入深空探測領域,并得到相關政府支持的大背景下,國內也開始成立民營的太空探索公司。同時,微小衛(wèi)星技術的發(fā)展,也不斷降低空間探測的技術門檻。具備低成本、多任務為特色的小天體探測,很可能更適合多元化的發(fā)展框架,成為國家任務的重要補充,形成我國深空探測的特色。作為對比,美國的太空公司更多介入月球和火星的探測領域。

5 總結

小天體探測是深空探測的重要組成部分,是揭示太陽系起源和早期演化、地球等行星初始物質組成以及水和有機質分布與演化等重大科學問題的關鍵途徑。同時,小天體探測在未來太空資源利用、小天體撞擊安全防御等領域起到關鍵作用。小天體探測一直是國際深空探測的熱點和前沿。同時,小天體數量巨大、類型繁多、空間分布極廣。一部分類型的小行星和彗星代表了太陽星云盤不同空間區(qū)域殘留的原始星子,記錄了太陽星云的演化過程;一部分類型的小行星經歷了水蝕變、熱變質、熔融分異、沖擊變質等,記錄了小行星和行星早期的演化歷史。我國目前已規(guī)劃的小天體探測任務僅有一次,因此需要以解決上述重大科學問題為牽引,以小天體資源利用和撞擊防御為技術發(fā)展目標,制定出我國小天體探測的路線,長期持續(xù)開展低成本、多元化的小天體探測,為探索自然、實現人類可持續(xù)發(fā)展做出中國的貢獻。