小行星的分類及飛行器探測歷史

李世杰

小行星是什么？小行星是圍繞太陽公轉(zhuǎn)的小型石質(zhì)天體，直徑通常在10米至1000公里之間，小于10米時則稱之為流星體。通常所說的小行星僅指內(nèi)太陽系（木星軌道以內(nèi)）的小天體。

小行星由未并入太陽系行星的小星子演變而來，它們形成于太陽系內(nèi)不同的區(qū)域，記錄了其形成環(huán)境的物理化學(xué)特征?？茖W(xué)家通過來自小行星的巖石（隕石）知道了太陽系的化學(xué)組成、地球和太陽系的形成年齡。

水和生命很有可能是通過小行星輸送到地球，小行星的撞擊在地球系統(tǒng)的演化中也扮演了重要的角色，地球上曾經(jīng)發(fā)生過多次小行星撞擊事件。至今，一些近地小行星（NEO）對地球的撞擊威脅如同懸掛在人類頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍，一顆直徑約1.5公里的小行星撞擊地球就足以摧毀人類文明。因此國際上越來越多的小行星研究團(tuán)隊(duì)將注意力放在近地小行星的災(zāi)害預(yù)警研究方面，這些工作不僅僅針對那些已知對地球具有潛在威脅的小行星，更重要的則是去發(fā)現(xiàn)那些未知的卻對地球具有潛在威脅的近地小行星。

隨著航天科技的不斷發(fā)展，人類開始將尋找資源的目光投向了地球之外的小行星，不同的小行星可能富含水、有機(jī)質(zhì)、貴金屬等，這些將會是未來月球基地、火星基地甚至太空基地所需的重要資源。

至今超過80萬顆小行星被確認(rèn)，這可能只是其中很小的一部分，而每年都會有大量的小行星被發(fā)現(xiàn)。小行星的數(shù)量隨著質(zhì)量的減小而指數(shù)增長。

小行星帶中最大的小行星為谷神星，也被稱之為矮行星，直徑為939公里。第二大的小行星為灶神星，直徑為525公里，被認(rèn)為是HED隕石的母體小行星。

小行星分類

光譜分類：人類研究小行星的最主要手段是通過地基的各種觀測，其中一種常用的辦法就是測定小行星的可見光-近紅外光譜。根據(jù)小星的光譜的不同，將其主要分為5個大的光譜類型：C型、S型、M型、E型和V型。

C型小行星因?yàn)楦缓假|(zhì)通常顏色較暗，而且構(gòu)成的礦物顆粒通常非常細(xì)小，這兩個原因使其表面反照率非常低，只有0.05。C型小行星數(shù)量巨大，約占所有小行星的75%，被認(rèn)為是碳質(zhì)球粒隕石的源區(qū)。龍宮（Ryugu）小行星屬于C型，目前日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的隼鳥2號探測器正在攜帶龍宮表面的樣品向地球返航，預(yù)計2020年12月前返回地球。

S型小行星是數(shù)量第二多的小行星類型，通常分布于小行星帶的內(nèi)側(cè)，其反照率高，通常在0.15至0.25之間。近地小行星絲川（Itokawa）屬于S型小行星。日本JAXA的隼鳥一號于2010年 6月13日將絲川小行星表面的約1500顆微粒帶回地球，研究表明其物質(zhì)組成與普通球粒隕石LL群一致。這也直接證明了將小行星遙感光譜與隕石建立聯(lián)系是科學(xué)可行的。

M型小行星是第三多的小行星類型，該類型小行星的反照率比S型小星低，可能主要由鐵鎳金屬構(gòu)成。該類小行星對應(yīng)的隕石類型為鐵隕石和頑輝石球粒隕石。

E型小行星數(shù)量較少，主要由頑輝石組成所以顏色非常淺，因此具有非常高的反照率（一般大于0.4），該類小行星對應(yīng)的隕石為頑輝石無球粒隕石。1948年降落在美國堪薩斯州的Norton County隕石是最知名的頑輝石無球粒隕石。

V型小行星較為稀少，該類型小行星表面含有大量的輝石，其光譜分別在0.8微米與2微米具有顯著的吸收峰。灶神星（VESTA）屬于V型小行星。

軌道分類：依據(jù)其軌道位置，小行星分別屬于主帶小行星、特洛伊小行星和近地小行星。

主帶小行星的軌道位于火星與木星之間的廣闊區(qū)域，通常具有較低的軌道偏心率，這一區(qū)域大約有1-2百萬個直徑大于1公里和數(shù)百萬顆1公里以下的小行星。谷神星、灶神星、婚神行、智神星和健神星等均屬主帶小行星。

特洛伊小行星與木星共用軌道，他們分布于木星軌道前方和后方的60度位置上。其它行星軌道上類似分布的小行星也均稱為特洛伊小行星，目前發(fā)現(xiàn)金星、地球、火星、天王星和海王星軌道上均具有特洛伊小行星，但木星的特洛伊小行星數(shù)量巨大，已有數(shù)千顆木星特洛伊小行星被確定。

近地小行星是指那些軌道靠近地球的小行星，根據(jù)其與地球軌道的關(guān)系被劃分為阿莫爾型小行星（Amor）、阿波羅型小行星（Apollo）和阿登型小行星（Aten）。阿莫爾型小行星穿越火星軌道并靠近地球軌道，愛神星就是這類小行星的代表，該小行星離地球最近時的距離為0.15天文單位。

阿波羅型小行星的軌道位于火星與地球之間，其中一些此類小行星的軌道偏心率非常高，其近日點(diǎn)可達(dá)金星軌道以內(nèi)。阿波羅小行星則是這類小行星的代表，軌道在0.65至2.29天文單位之間。阿登型小行星的軌道通常在地球軌道以內(nèi)，以1976年發(fā)現(xiàn)的阿登小行星命名此類小行星，這類小行星的軌道偏心率比較高，有時會與地球軌道相交。

小行星的飛行器探測歷史

迄今為止人類已成功的向15顆小行星進(jìn)行了飛行器探測，其中絕大多數(shù)由美國NASA完成。

伽利略號（Galileo）由美國NASA于1989年發(fā)射，主要目標(biāo)是探測木星及其衛(wèi)星。伽利略號探測器在飛往木星的途中分別于1991和1993年順帶探測了兩顆小行星。1991年伽利略號探測器實(shí)現(xiàn)人類首次靠近小行星并獲得了S型主帶小行星Gaspra的影像。該探測器于1993年臨近S型近地小行星Ida并發(fā)現(xiàn)了Ida的衛(wèi)星Dactyl。

國NASA發(fā)射，其主要目標(biāo)就是花一年以上的時間繞飛探測阿莫爾型近地S型小行星愛神星（Eros），最終飛行器在控制下降落至愛神星的南部。在前往愛神星的途中，會合-舒梅克號號與1997年6月27日飛臨主帶C型小行星梅西爾德星（Mathilde）。

Deep Space 1于1998年由美國NASA發(fā)射，飛行器在完成飛臨主帶小行星Braille后又飛臨了彗星Borrelly。

星塵號（Stardust）于1999年由NASA發(fā)射，其主要目標(biāo)是采集彗星Wild 2的塵粒并返回地球，最終該探測器成功的采集到彗星的樣品并于2006年安全返回地球。在執(zhí)行任務(wù)過程中，該飛行器于2002年11月2日飛臨主帶S型小行星Annefrank，影像分析表明該小行星是預(yù)想尺寸的2倍。

隼鳥號（Hayabusa）由日本JAXA于2003年發(fā)射，飛行器經(jīng)過7年的太陽系旅行并最終克服重重困難將1500多顆珍貴的小行星塵粒樣品帶回地球。被探測和采樣的絲川小行星是一顆直徑約500米的S型近地小行星，該小行星被認(rèn)為對地球安全具有潛在的威脅。隼鳥號首次突破性的實(shí)現(xiàn)了人類從小行星表面采樣返回。

羅塞塔號（Rosetta）是歐空局（ESA）于2004年發(fā)射的探測器，由羅塞塔探測器和菲萊登陸器兩部分組成，其目的主要是將菲萊登陸器降落在彗星67P（Churyumov–Gerasimenko）。在飛往彗星67P途中，該航天器分別飛臨了主帶M型（或C型）小行星Lutetia和主帶E型小行星？teins。

新視野號（New Horizons）是美國NASA為研究矮行星冥王星及其衛(wèi)星而設(shè)計的探測器，于2006年發(fā)射升空，至今還在執(zhí)行飛行任務(wù)。2006年6月13日，新視野號飛臨了主帶S型小行星APL，該小行星的飛臨觀測并未在計劃內(nèi)。2019年1月，新視野號飛臨了柯伊伯帶小行星Arrokoth，該小行星外形呈花生狀，這也是探測器首次飛臨柯伊伯帶小天體。

黎明號（Dawn）探測器由美國NASA于2007年發(fā)射升空，用于探測太陽系小行星帶中最大的兩顆小行星谷神星（Cere）和灶神星（Vesta），該飛行器歷時四年到達(dá)灶神星，對灶神星展開了約14個月的探測后于2012年9月飛向谷神星。2015年3月6日，黎明號探測器抵達(dá)谷神星繞飛軌道，目前該飛行器仍停留在谷神星附近軌道中。

嫦娥二號（Change 2）是我國探月工程一期的嫦娥一號的備份星進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)而來，于2010年發(fā)生升空。在完成其月球探測任務(wù)后，嫦娥二號于2012年12月13日以3.2公里的最近距離掠過Toutatis小行星，并獲得了一系列有關(guān)Toutatis小行星的參數(shù)。Toutatis小行星是對人類具有潛在安全威脅的S型近地小行星，其直徑約2.45公里。

隼鳥2號（Hayabusa2）于2014年12月3日由日本JAXA發(fā)射升空，主要目標(biāo)是從C型近地小行星龍宮（Ryugu）表面采樣并返回地球。由于龍宮表面比預(yù)想中的更為崎嶇復(fù)雜，為了保證采樣的順利完成而不得不推遲采樣任務(wù)的執(zhí)行。最終于2019年2月21日執(zhí)行了龍宮小行星表面樣品的采集，2019年6月5日執(zhí)行了龍宮小行星次表面樣品的采集。目前隼鳥2號正攜帶樣品在返回地球的途中，預(yù)計2020年底抵達(dá)地球。

OSIRIS-Rex是美國NASA主導(dǎo)的小行星研究和采樣返回任務(wù)，該探測器于2016年9月8日發(fā)射升空，2018年12月3日抵達(dá)C型近地小行星貝努（Bennu）繞飛軌道。由于貝努表面碎石較多而表土相對匱乏，這為采樣的安全性帶來了極大挑戰(zhàn)，因此采樣任務(wù)被推遲，目前探測器正在貝努近表面演練樣品采集過程，很快將實(shí)施樣品采集。

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人類將會越來越多的將精力投入到太空探索領(lǐng)域內(nèi)。小行星的災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)對策略研究、采樣返回研究、資源開發(fā)與利用是未來的主要發(fā)展方向。讓我們共同期待小行星探索的盛世的到來。

（編輯/高緯時）