采樣小行星

吳青

2020年10月22日，在“冥王號”航天器（以下簡稱“冥王號”）觸及小行星“貝努”（以下簡稱“貝努”）兩天后，美國宇航局接收到的系列影像證實(shí)“冥王號”已超額完成“貝努”采樣任務(wù)（60克）。這被科學(xué)家認(rèn)為是一個具有歷史}生的時刻。

“冥王號”抓拍到了自己的采樣器頭部（以下簡稱采樣頭）在多個不同位置之間移動的場面。在審看這些影像時，“冥王號”團(tuán)隊注意到了兩點(diǎn)：一是，采樣頭看來充滿小行星顆粒;二是，其中一些顆粒似乎正緩慢逸出采樣器。該團(tuán)隊相信，由于較大的巖石塊頂開了采樣器的蓋子，因此采樣器里的一些小行星顆粒通過采樣器開口處的小間隙逸出。

“冥王號”團(tuán)隊表示，“貝努”持續(xù)帶給科學(xué)家驚喜。因?yàn)椴蓸宇^采集到的樣本量超過了任務(wù)量，而部分樣本正逸出采樣器，所以該團(tuán)隊可能不得不加快存儲樣本的進(jìn)度，但該團(tuán)隊不認(rèn)為這是一個麻煩——科學(xué)家感到非常興奮的是，“冥王號”所采集的樣本量足以讓他們研究幾十年?！摆ね跆枴迸臄z的采樣影像還表明，“冥王號”及其采樣頭接下來的任伺移動都可能導(dǎo)致更多樣本丟失。因此，“冥王號”團(tuán)隊決定放棄原定于10月24日展開的“樣本質(zhì)量測量”活動，還取消了原定于10月23日進(jìn)行的一次制動燃燒，以盡可能降低“冥王號”的加速。自此，“冥王號”團(tuán)隊將致力于把“貝努”樣本嚴(yán)密封存在樣本返回艙里，讓樣本最終能安全返回地球。

值得一提的是，采樣頭是在最優(yōu)條件下執(zhí)行采樣任務(wù)的。新進(jìn)行的分析表明，當(dāng)采樣器的氮?dú)馄勘患ぐl(fā)用以攪起“貝努”的表面物質(zhì)時，采樣頭完全對準(zhǔn)了“貝努”表面進(jìn)行接觸和采樣。采樣頭還穿透到了“貝努”表面下好幾厘米處。迄今所有數(shù)據(jù)都表明，采樣頭對“貝努”表層土（也稱浮土）的采集量已大大超過60克?！摆ね跆枴钡臓顩r依然良好，任務(wù)團(tuán)隊正加緊確定樣本儲存的過程和時間表。

幫助了解太陽系

從地球上的望遠(yuǎn)鏡看去，“貝努”的表面挺光滑。這正是美國宇航局當(dāng)初把“貝努”作為“冥王號”備選目的地之一的一個原因。但是，到“冥王號”在2018年接近“貝努”時，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)“貝努”的表面到處都有巨大的石頭?？茖W(xué)家接著意識到，這些大石頭的位置在過去幾十萬年中大大改變。

一般認(rèn)為，因?yàn)闆]有大氣層或火山活動，所以個頭小的小行星并不很活躍。然而，正是由于“貝努”個頭小，引力也很弱，因此物質(zhì)在“貝努”表面很容易移動。“貝努”在幾百萬年前旋轉(zhuǎn)著脫離小行星帶，目前它在地球和火星之間運(yùn)行，它與地球之間的距離比它原來在小行星帶中時近得多。也正因?yàn)椤柏惻蹦壳暗能壍澜咏厍颍运刃⌒行菐Ю锏钠渌行侨菀妆坏厍蚝教炱魅?。通過模擬“貝努”表面巖石在過去時間里的移動情況，科學(xué)家能預(yù)測“冥王號”采集的“貝努”樣本巖石顆粒可能來自原來哪個地方。通過了解這些巖石的源頭，將有助于科學(xué)家更多地了解太陽系和小行星帶天體的物質(zhì)構(gòu)成。小行星之間一直存在相互的引力作用，也一直在共享物質(zhì)。正如地球上有來自小行星的隕石，小行星上也有來自其他小行星的隕石。

幫助了解地球

“貝努”的形狀像一顆鉆石。就算在小行星當(dāng)中，“貝努”也是小個子一“貝努”的赤道直徑只有500多米。正因?yàn)橐θ?，所以“貝努”的旋轉(zhuǎn)力能讓“貝努”表面的巖石移動，甚至導(dǎo)致部分巖石被甩進(jìn)太空。

科學(xué)家解釋說，隨著“貝努”自轉(zhuǎn)，其表面會吸收來自太陽的熱能。同樣，也會把熱量輻射回太空。這會對“貝努”產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩不僅會影響“貝努”自轉(zhuǎn)的速度，而且會隨著時間推移改變“貝努”的軌道?？赡苷沁@種轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致“貝努”離開了小行星帶，最終來到地球近處。通過研究“貝努”上的原始巖石，科學(xué)家可能會知道外太陽系存在什么物質(zhì)，而這些物質(zhì)可能有助于科學(xué)家探索有關(guān)原始地球物質(zhì)構(gòu)成的信息，從而有助于了解地球生命的起源。

在地球上，生命可能已經(jīng)存在了幾十億年，從生命出現(xiàn)至今，地球的面貌已經(jīng)大為改觀。因此，為了真正了解地球生命的起源，真的需要到?jīng)]有生命的其他天體上去。因?yàn)榈厍蛴写髿鈱?，還有活躍的板塊運(yùn)動，所以地球上最古老的巖石已被風(fēng)化，或已被推到地幔深處。因此，科學(xué)家經(jīng)常通過隕石來補(bǔ)充了解古地球和太陽系的構(gòu)成。

科學(xué)家說，隕石之所以有時會被戲稱為“窮人的航天器”，是因?yàn)樗鼈兘?jīng)常來到地球。通過隕石，科學(xué)家能更多了解太陽系及其歷史。與此同時，科學(xué)家也想通過隕石來了解整個小行星帶。而通過檢測“貝努”表面的巖石，科學(xué)家能獲得更多新手段，這有助于他們確定博物館收藏的一些隕石是否源自小行星帶。

下一步干什么

“貝努”巖石樣本計劃在2023年9月24日到達(dá)地球。屆時，一部分樣本將被送往美國史密森尼國家博物館?？茖W(xué)家將把這些巖石與該博物館收藏的隕石進(jìn)行成分對比，以調(diào)查這些隕石是否可能與“貝努”有關(guān)，或者是否可能與小行星帶里的另一顆小行星有關(guān)。

美國史密森尼國家博物館收藏的大多數(shù)隕石都來自小行星，但直到現(xiàn)在科學(xué)家也只能把這些隕石中的很小一部分與其祖先小行星對應(yīng)起來。如果在地上發(fā)現(xiàn)一塊隕石，你并不知道它在那里已經(jīng)待了多久，因此它的原始狀態(tài)已經(jīng)有改變。而“冥王號”將送回地球的巖石樣本相對而言要原始得多，所以對科學(xué)家來說大有用場。

科學(xué)家預(yù)計，將返回地球的“貝努”樣本中可能包含與地球上所有巖石（包括隕石）都不一樣的巖石。如果真是這樣，那么將讓科學(xué)家對太陽系地質(zhì)歷史的探索變得更難。事實(shí)上，每隔幾年科學(xué)家都會發(fā)現(xiàn)某種新的隕石，因此“貝努”樣本中包含全新類型巖石的可能性也高。但另一方面，“貝努”巖石樣本也可能會讓一些原本很費(fèi)解的博物館館藏隕石變得不再難解。

隕石收藏不僅會被用于目前科學(xué)家對太陽系的探索，而且將被用于對未來的探索?！柏惻睒颖镜囊徊糠謱⒃诘诌_(dá)地球后立即被封存，以在可預(yù)見的未來采用現(xiàn)在還沒有的技術(shù)進(jìn)行解讀.甚至就連要解讀的話題現(xiàn)在也不知道。從這個意義上說，“冥王號”將送回地球的“貝努”樣本將是一個會給科學(xué)界帶來持續(xù)啟發(fā)的大禮包。

“冥王號”的樣本返回艙

“冥王號”任務(wù)

“冥王號”任務(wù)是美國宇航局的一項(xiàng)小行星探索和取樣返回任務(wù)，其主要目的是采集一顆近地小行星一“貝努”的至少60克樣本，并且把樣本送回地球做詳細(xì)檢測。預(yù)計這一樣本將讓科學(xué)家了解更多有關(guān)太陽系形成和演化、太陽系行星形成初期階段和導(dǎo)致地球生命出現(xiàn)的有機(jī)化合物來源的信息。

“冥王號”發(fā)射于2016年9月8日，2017年9月22日經(jīng)過地球，2018年1 2月3日與“貝努”會和。之后幾個月里，“冥王號”探測“貝努”表面情況，以尋找適合的取樣地點(diǎn)。2019年12月12日，美國宇航局宣布“冥王號”將在“貝努”表面的“南丁格爾”這一地點(diǎn)取樣。2020年10月20日，“冥王號”靠近“貝努”，成功進(jìn)行取樣。

“貝努”被選為“冥王號”的取樣目標(biāo)，是由于它是記錄太陽系歷史的“時間囊”。表面顏色很暗的“貝努”被列為B類小行星，從屬于碳質(zhì)的C類小行星。這類小行星被認(rèn)為很“原始”，因?yàn)樽孕纬梢詠硭鼈兊牡刭|(zhì)幾乎沒有改變?！柏惻北贿x中，尤其是因?yàn)樗写罅考儍舻奶假|(zhì)物質(zhì)，這些物質(zhì)是生命所需有機(jī)分子的重要成分，也是地球形成以前的物質(zhì)代表。像氨基酸這樣的有機(jī)分子，之前已經(jīng)在隕石和彗星樣本中被發(fā)現(xiàn)，這說明生命所需的一些成分可在外太空天然合成。

“冥王號”任務(wù)成本高昂，該任務(wù)是美國宇航局“新疆界計劃”的一部分，其余部分是“朱諾號”任務(wù)（探測目標(biāo)為木星）和“新地平線號”任務(wù)（探測目標(biāo)為外太陽系）。如果完全成功，“冥王號”將是從小行星取樣并返回的第一艘美國航天器。2010年，日本一艘航天器已從一顆小行星取樣并返回。2020年，日本另一艘航天器計劃從另一顆小行星取樣并返回。

“冥王號”花了兩年多才抵達(dá)“貝努”。“冥王號”采集的“貝努”樣本將在一個46千克重的艙中返回地球，該艙與美國宇航局“星辰號”航天器從81P彗星取樣并返回所采用的返回艙相似?！摆ね跆枴钡幕爻讨帽惹巴靡桃恍?h3>“冥王號”的科學(xué)目標(biāo)

①送回足夠數(shù)量的碳質(zhì)小行星表層土純凈樣本進(jìn)行檢測，以確定表層土中礦物質(zhì)和有機(jī)化合物的性質(zhì)、歷史和分布情況。

②對原始碳質(zhì)小行星進(jìn)行全球特征、化學(xué)和礦物學(xué)測定，描述地質(zhì)和動態(tài)歷史，為返回的樣本提供背景情況。

③為采樣地點(diǎn)記錄地質(zhì)、地形、化學(xué)和表層土光譜特征。

④測量近地小行星的熱力效應(yīng)，為防范對地球有潛在威脅的小行星提供幫助。

⑤描述原始碳質(zhì)小行星的全球特征，與地面望遠(yuǎn)鏡對小行星的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對比

“冥王號”數(shù)據(jù)

名稱來源“冥王號”的英文縮寫為OSIRIS-REx，表示“起源、光譜解讀、資源辨識、安全、表層土探測器”。其中，“安全”是指“貝努”之類的近地小行星對地球有一定危險性，通過“冥王號”任務(wù)之類的探測將有助于找到防范小行星威脅的思路。

任務(wù)類型小行星樣本返回。

計劃任務(wù)期7年。其中，在“貝努”附近為505天。

三維

長2.4米，寬2.4米，高3.15米。

展開太陽能電池板后的寬度6.17米。

推進(jìn)系統(tǒng)

肼單一組分推進(jìn)劑，重量為1230千克。

發(fā)射質(zhì)量2110千克。

運(yùn)載火箭“宇宙神五號”。

經(jīng)過地球的時間2017年9月22日。當(dāng)時“冥王號”與地球之間距離為1.7237萬千米。

插入環(huán)繞“貝努”的軌道2018年12月31日。

離開環(huán)繞“貝努”的軌道2020年10月22日。

為何叫它“貝努”

1999年9月11日，科學(xué)家在“里尼爾”巡天觀測近地小行星計劃中通過地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了“貝努”（注意：當(dāng)時它只有數(shù)字代號，而沒有“貝努”這個名字）。阿雷西博天文臺的行星雷達(dá)和戈德斯通深空網(wǎng)絡(luò)對“貝努”進(jìn)行了深入觀測，確定了“貝努”的平均直徑——490米。2012年，美國亞利桑那大學(xué)、行星學(xué)會和“里尼爾”項(xiàng)目組聯(lián)合舉辦“給小行星起名”競賽，為剛發(fā)現(xiàn)的還只有數(shù)字代號的“貝努”命名。來自全球數(shù)十國的超過8000名學(xué)生提交了候選名稱。最終，由美國北卡羅來納3年級學(xué)生普奇奧提出的“貝努”獲選。普奇奧說，“貝努”原本是埃及神鳥的名字，而“冥王號”航天器及其伸出的采樣臂就像是神鳥“貝努”。順便提一句，神鳥“貝努”經(jīng)常被刻畫為一只蒼鷺。

“冥王號”數(shù)據(jù)

“冥王號”機(jī)械臂上的采樣頭在實(shí)際采樣前進(jìn)行了演練。在采樣過程中，“冥王號”的太陽能電池板被升高，形成Y形架構(gòu)，由此盡量避免塵埃堆積，并提供更多離地間隙，以防“冥王號”側(cè)翻45。而觸碰“貝努”?！摆ね跆枴毕陆担ǘ堑顷懀┲痢柏惻北砻娓浇倪^程緩慢，目的是盡量減少發(fā)動機(jī)燃燒次數(shù)，避免“冥王號”的肼推進(jìn)劑污染“貝努”。采樣頭與“貝努”表面的接觸由感應(yīng)器檢測，接觸所產(chǎn)生的力量通過采集頭所在機(jī)械臂上的彈簧來減輕。

在接觸“貝努”之前，采樣頭發(fā)射氮?dú)饬鳎康氖前阎睆叫∮?厘米的表層土顆粒吹進(jìn)位于機(jī)械臂末端的采樣頭。一只計時器限制采樣時間，以盡可能避免“冥王號”撞上“貝努”。計時到點(diǎn)后，“冥王號”執(zhí)行后退操作，以安全離開“貝努”。

為防必須返回以實(shí)施第二次采樣，美國宇舷局還計劃在“冥王號”開始飄移、離開“貝努”幾天后讓“冥王號”重返“貝努”。根據(jù)計劃，“冥王號”將在采樣后拍攝采樣頭照片，以證實(shí)是否成功采樣。如果采樣成功，“冥王號”會繞著采樣機(jī)械臂的短軸旋轉(zhuǎn)，通過測量慣性矩來確定樣本量是否超過任務(wù)量——60克。

但在實(shí)際運(yùn)作中，無論是返回“貝努”還是旋轉(zhuǎn)測量的程序都被取消，因?yàn)闃颖救萜饔跋袂逦@示實(shí)際采集量遠(yuǎn)超任務(wù)量，且一小部分樣本正選出樣本容器。于是，“冥王號”團(tuán)隊決定把采集到的樣本立即存入樣本返回艙。采樣機(jī)械臂縮回，樣本返回艙的艙蓋關(guān)閉，“冥王號”踏上回程旅途。

除了采樣頭主體外，由微型不銹鋼圈制成、位于采樣頭末端的接觸墊被動采集了直徑小于1毫米的塵埃顆粒。