為什么要去小行星采樣

文/李會(huì)超

▲ 愛神小行星

小行星是圍繞太陽運(yùn)行的一類天體。與地球、火星這樣的大行星相比，小行星的體積相當(dāng)小。目前，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的約100萬顆小行星中，最大的小行星谷神星的直徑只有約1000千米，大約相當(dāng)于地球的十三分之一，而大部分小行星的直徑均在10千米以下。小行星可能出現(xiàn)的位置從地球軌道內(nèi)側(cè)一直延伸到太陽系的邊緣，但絕大部分小行星分布在火星和木星軌道之間的小行星帶中。有些小行星可能在運(yùn)行過程中到達(dá)距離地球相當(dāng)近的位置，存在潛在的與地球相撞的可能。這類小行星被稱為“近地小行星”，國際上有一些機(jī)構(gòu)在對(duì)他們進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，并制定了小行星與地球可能相撞時(shí)的應(yīng)對(duì)方案。

確定小行星的類型

像大行星一樣，小行星本身不發(fā)光，但天文學(xué)家們可以通過觀測(cè)它們反射的太陽輻射來推測(cè)小行星的性質(zhì)。

小行星研究的一個(gè)重要參數(shù)是反照率，即小行星可以把多大比例的太陽輻射反射出去。反照率與小行星的成分和表面結(jié)構(gòu)等性質(zhì)有關(guān)，可以使天文學(xué)家們獲取關(guān)于小行星的一些信息。隨著光譜觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家們還可以從小行星反射的光線中分辨出哪些波段的反射比其他波段更強(qiáng)，進(jìn)而根據(jù)這些光譜特征進(jìn)一步精確推斷小行星的成分。根據(jù)反照率和光譜信息，一般將小行星劃分為C型、S型和X型三類。其中C型小行星的反照率較小，富含碳質(zhì)和有機(jī)成分，其數(shù)量約占已發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)的75%。S型小行星主要成分為硅酸鹽，其數(shù)量大概占已發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)量的17%。X型的小行星則包含其他光譜特征相似的小行星。

探究太陽系起源奧秘

▲ 航天員在采集月球標(biāo)本

▲ 對(duì)月壤進(jìn)行分析

目前的理論認(rèn)為，小行星和太陽系的其他天體是在同一時(shí)期形成的。在46億年前的太陽系形成早期，固體物質(zhì)不斷從太陽系中凝聚出來，形成微行星。有些微行星子被大行星捕獲，成為大行星的一部分，有些則不斷增長形成小行星。因此，小行星的探測(cè)可以使我們更清楚地了解太陽系起源的奧秘。此外，有理論認(rèn)為地球上構(gòu)成生命的化學(xué)物質(zhì)是由小行星產(chǎn)生的隕石和彗星、宇宙塵埃帶入地球的，探測(cè)小行星還有助于進(jìn)一步搞清地球生命起源的問題。

▲ 火星和木星之間的小行星帶

1991年，探測(cè)木星的伽利略號(hào)探測(cè)器在途中飛掠探測(cè)了加斯普拉小行星（小行星951號(hào)），進(jìn)行了航天器對(duì)小行星的首次探測(cè)。1996年2月，美國尼爾探測(cè)器則飛抵433號(hào)小行星愛神小行星，進(jìn)行了環(huán)繞和著陸探測(cè)，測(cè)量了愛神小行星的大小、形狀、質(zhì)量分布、磁場(chǎng)、化學(xué)成分和礦物質(zhì)分布等特征。而日本的隼鳥號(hào)系列探測(cè)器，則把小行星探測(cè)帶入了取樣返回探測(cè)的新階段。

采樣揭示小行星的奧秘

長久以來，科學(xué)家們一直試圖搞清地球上收集到的隕石和小行星之間的聯(lián)系，希望能確定每一類隕石是來自哪一類小行星。一旦這種關(guān)系建立，在地球上能夠收集到的隕石就為小行星研究提供了更豐富的樣本。如果使用空間探測(cè)器環(huán)繞小行星探測(cè)，由于距離小行星表面的距離還相對(duì)較遠(yuǎn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)精度不夠，不能準(zhǔn)確確定小行星表面的礦物組成和化學(xué)成分。而如果發(fā)射探測(cè)器在小行星表面登陸，采集樣品后返回地球，科學(xué)家們就能夠使用高精度的分析儀器對(duì)樣本進(jìn)行研究，從而揭示小行星與隕石間的聯(lián)系。

行星科學(xué)研究，最基本的手段是使用地球上的望遠(yuǎn)鏡等觀測(cè)設(shè)備對(duì)大行星和小行星等天體進(jìn)行探測(cè)，但由于地球與其他天體距離過于遙遠(yuǎn)，這種探測(cè)難以獲得行星的細(xì)節(jié)信息。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人們可以發(fā)射探測(cè)器，飛掠或環(huán)繞其他天體，進(jìn)行遙感探測(cè)，獲得行星或小行星表面的地形地貌、化學(xué)物質(zhì)等信息。近些年來，搭載著多種分析儀器的巡視器開始在行星科學(xué)探測(cè)中發(fā)揮越來越重要的作用。它可以在行星和小行星表面采集樣本，送入光譜儀等儀器中，對(duì)其成分進(jìn)行比較細(xì)致的分析，給我們帶來許多新發(fā)現(xiàn)。然而，受制于航天發(fā)射能力和航天器供電等多方面的限制，航天器搭載的儀器與地面上同類的大型設(shè)備相比，分析能力要弱化不少。航天器的壽命有限，對(duì)樣品一般只能進(jìn)行單一項(xiàng)目的單次分析。

▲ 月球巖石

▲ “隼鳥2號(hào)”采集到龍宮小行星樣本

▲ 小行星采礦示意圖

為了解決這些限制，人們迫切希望能將其他天體的樣本帶回地球進(jìn)行研究。這些樣品可以在實(shí)驗(yàn)室中供科學(xué)家們使用各種大型儀器，進(jìn)行更為透徹的、多方面的研究。隨著研究的深入，一旦科學(xué)家們提出了新的問題、有了新的分析思路，這些樣品可以隨時(shí)“待命”，為科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供新的信息。

然而，由于從其他天體上采樣返回時(shí)，航天器還要在其他天體上完成一次起飛的過程，因此難度和復(fù)雜程度較大，至今成功的例子不多。上世紀(jì)美國在開展阿波羅登月計(jì)劃時(shí)，航天員從月球上累積人工采集了約382千克的月球樣本。蘇聯(lián)共發(fā)射了11顆月球自動(dòng)采樣探測(cè)器，只有3顆取得了成功，共采集月球土壤樣品321克。

進(jìn)入21世紀(jì)后，無人的自動(dòng)取樣任務(wù)開始獲得進(jìn)展。日本的“隼鳥號(hào)”探測(cè)器在幾經(jīng)波折后成功的取回了小行星樣本，后續(xù)的“隼鳥2號(hào)”任務(wù)已經(jīng)成功將取得的樣本帶回地球。而美國的“奧西里斯-雷克斯”也在2020年10月20日成功收集了小行星樣本，正在返回地球途中。我國的嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功在月球表面完成了1731克樣品采集，并于2020年12月17日平安返回地球。

去小行星“挖土”的價(jià)值

除了進(jìn)行科學(xué)研究外，也有人提出了到小行星上“挖礦”的設(shè)想，以此開發(fā)太空資源，獲得商業(yè)上的利益。金、銀、鉑、鈷等價(jià)值或用處較大的重金屬，在地球上的儲(chǔ)量有限，有些人甚至擔(dān)心，這些人類工業(yè)生產(chǎn)必需的資源將在百年之內(nèi)耗盡。而小行星中富含的這些元素，為人類在未來從太空中獲取這些元素提供了可能。在太陽系形成初期，小行星和地球由類似的物質(zhì)積聚而成，但由于地球的質(zhì)量比較大，較強(qiáng)的重力場(chǎng)將較重的金屬元素都吸引到地球核心，而小行星由于其質(zhì)量較小，大部分此類元素均保留在小行星表面。有理論認(rèn)為，目前我們能在地殼中開采的金屬礦物，有不少就是地球形成初期撞擊到地球表面的小行星“贈(zèng)與”的。小行星采礦目前還處于概念研究階段，尚無實(shí)質(zhì)上開展的計(jì)劃。對(duì)于小行星采礦在經(jīng)濟(jì)上是否有利可圖，人們的觀點(diǎn)還不統(tǒng)一。有人認(rèn)為，使用太陽帆等利用自然物質(zhì)產(chǎn)生推進(jìn)力的工具，可以降低星際航行的成本，從而讓小行星采礦盈利。也有人對(duì)此持反對(duì)態(tài)度，認(rèn)為太空飛行的巨大成本和高風(fēng)險(xiǎn)性讓小行星采礦注定是個(gè)虧本的買賣。

▲ 加斯普拉小行星