小行星任務(wù)初見(jiàn)成效

Chris Palmer

以小行星為目標(biāo)的太空任務(wù)正在進(jìn)行中。這些小行星是由巖石、冰和金屬組成的松散團(tuán)塊，其中一些小行星被認(rèn)為存在于太陽(yáng)出現(xiàn)之前。2020年12月，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）完成了從小行星“龍宮”（Ryugu）上獲取少量材料并將其送回地球的任務(wù)[1]。此前，在2020年10月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）從小行星“班努”（Bennu）上獲取了一個(gè)樣本，該樣本于2021年3月開(kāi)始返回地球[2]。同時(shí)，中國(guó)國(guó)家航天局（CNSA）啟動(dòng)了一項(xiàng)相似的任務(wù)，旨在從近地小行星“Kamo‘oalewa”上獲取樣本[3]。NASA與歐洲航天局（ESA）聯(lián)手，也正在進(jìn)行一項(xiàng)任務(wù)，旨在證明將一顆小行星推離與地球碰撞路線的可行性[4]。

從“龍宮”“班努”“Kamo‘oalewa”回收樣本已經(jīng)不是科學(xué)家首次完成的從小行星上獲取材料的任務(wù)。

美國(guó)華盛頓州西雅圖市的Interplanetary Enterprises創(chuàng)始人Chris Lewicki說(shuō)：“你看到的流星其實(shí)是與地球相交的彗星或小行星的一小部分。所以，在某種程度上，我們根本不需要發(fā)送任務(wù)就可以獲取樣本。但是現(xiàn)在，當(dāng)我們可以明確地說(shuō)‘這種物質(zhì)來(lái)自這個(gè)地方，它圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，它的母體有這些特征’時(shí)，我們才明白，正是由于地球經(jīng)過(guò)了數(shù)十億年數(shù)量龐大的化學(xué)反應(yīng)才讓我們走到了今天?！?Lewicki曾經(jīng)擔(dān)任美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納市NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)飛行系統(tǒng)工程師和多個(gè)任務(wù)的飛行指揮。

2003年，JAXA發(fā)射了“隼鳥(niǎo)”號(hào)探測(cè)器，這是人類首次嘗試從小行星上獲取樣本。由于發(fā)生了多次硬件故障，“隼鳥(niǎo)”號(hào)探測(cè)器于2010年從小行星“糸川”上帶回的物質(zhì)的質(zhì)量只有百萬(wàn)分之一克[5]。

由于不甘心這個(gè)結(jié)果，JAXA于2011年年初開(kāi)始制造“隼鳥(niǎo)”號(hào)探測(cè)器的接替者，即“隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)器（圖 1）。該探測(cè)器于2014年發(fā)射，行程2.9×108km，于2018年7月到達(dá)小行星“龍宮”。到達(dá)之后，該探測(cè)器使用了一組觀測(cè)儀器，包括光學(xué)照相機(jī)、紅外照相機(jī)和激光雷達(dá)（LIDAR），從軌道上研究了這顆直徑達(dá)900 m的小行星。該探測(cè)器還向“龍宮”運(yùn)送了三個(gè)小型探測(cè)器，旨在近距離研究小行星表面[5]。

圖1. “隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)器在太空中發(fā)射離子推進(jìn)器。來(lái)源：German Aerospace Center（公開(kāi)）。

2019年2月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”降落在“龍宮”表面，并向該小行星發(fā)射兩個(gè)拋射物（離子推進(jìn)器），同時(shí)收集由此產(chǎn)生的碎片云的樣本。兩個(gè)月后，該探測(cè)器發(fā)射了一枚更大的拋射物，目的是采集更多的樣本[5]。又經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的觀測(cè)，該探測(cè)器于2019年11月開(kāi)始返回地球，在2020年12月將樣本返回艙釋放到地球大氣層。樣本返回艙在南澳大利亞州的伍默拉鎮(zhèn)附近降落，約有幾克的有效載荷（圖2）[1]。

圖2. JAXA的一名科學(xué)家在南澳大利亞州伍默拉鎮(zhèn)附近取回樣本返回艙，該返回艙裝有從“隼鳥(niǎo)2號(hào)”掉落的“龍宮”樣本。來(lái)源：JAXA（公開(kāi)）。

美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理中心的天體物理學(xué)家Jonathan McDowell說(shuō)：“這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)，一切都進(jìn)行得非常成功，他們已經(jīng)打開(kāi)了第一個(gè)樣本容器，里面是研究人員需要的東西?！?/p>

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”現(xiàn)在正在執(zhí)行另一項(xiàng)任務(wù)，即利用兩次飛越地球的機(jī)會(huì)向小行星“1998 KY26”彈射著陸，并預(yù)計(jì)于2031年7月開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)[5]。JAXA將利用從前兩次“隼鳥(niǎo)”號(hào)探測(cè)任務(wù)中獲得的知識(shí)，開(kāi)展一項(xiàng)名為“火星月球探索”（MMX）的新任務(wù)，旨在從火星最大的衛(wèi)星“火衛(wèi)一”（Phobos）帶回樣本[1]。

NASA于2016年9月啟動(dòng)了小行星采樣返回任務(wù)，即利用“太陽(yáng)系起源、光譜解析、資源識(shí)別、安全保障、小行星風(fēng)化層探索者”（OSIRIS-REx）進(jìn)行小行星“班努”取樣并返回。該探測(cè)器于2018年12月抵達(dá)了距離地球約3.22×108km的小行星“班努”（圖3）[2]。著陸之后，任務(wù)控制人員發(fā)現(xiàn)，“班努”的表面比預(yù)想的要堅(jiān)硬得多。McDowell說(shuō)：“在到達(dá)小行星之后，他們不得不重新設(shè)計(jì)取樣方法，但他們最終成功設(shè)計(jì)出適合在‘班努’上取樣的方法?！?/p>

圖3. NASA的OSIRIS-REx自2018年以來(lái)一直在近距離研究直徑為510 m的小行星“班努”。2020年10月，該探測(cè)器近距離采集了一份行星表面的樣本，該樣本預(yù)計(jì)在2023年9月被送回地球。來(lái)源：NASA/Goddard/University of Arizona（公開(kāi)）。

經(jīng)過(guò)兩次演練，OSIRIS-REx于2020年10月20日成功進(jìn)行了一次驚險(xiǎn)的樣本采集過(guò)程。為了進(jìn)行這一操作，探測(cè)器下降到了接近行星表面的位置，將一個(gè)3.4 m長(zhǎng)的采樣臂伸入松散的塵埃約5 cm處（圖4）。然后，從高壓瓶中向地表發(fā)射氮?dú)?，迫使從“班努”獲取的材料進(jìn)入采樣臂的圓形采集室。最終采集室內(nèi)充滿了約400 g的物質(zhì)，因而NASA取消了第二次采集計(jì)劃[6]。溢出的材料樣品最初妨礙了密封艙室的聚脂蓋板關(guān)閉，導(dǎo)致一些材料飄走?，F(xiàn)在該艙已被安全固定在OSIRISREx的樣本返回艙內(nèi)[7]。

圖4. OSIRIS-REx 3.4 m長(zhǎng)的采樣臂將一個(gè)餐盤(pán)大小的采樣室伸入“班努”表面松散的塵埃約5 cm處，從該小行星表面采集了約400 g材料。來(lái)源：NASA（公開(kāi)）。

OSIRIS-REx計(jì)劃于2021年3月從“班努”出發(fā)，預(yù)計(jì)將于2023年9月將其樣本艙送回地球。與“隼鳥(niǎo)2號(hào)”一樣，它將改變航向，返回太陽(yáng)系執(zhí)行更多的任務(wù)。

CNSA的任務(wù)目標(biāo)是用“鄭和”（ZhengHe）號(hào)小行星探測(cè)器收集“Kamo‘oalewa”的樣本材料。與“龍宮”和“班努”不同，“Kamo‘oalewa”是地球準(zhǔn)衛(wèi)星中離地球最近的一顆小行星。在繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)它沿著高度偏心的路徑不斷地繞著地球旋轉(zhuǎn)，但從未超過(guò)3.8×107km以上[3]。根據(jù)任務(wù)計(jì)劃，“鄭和”號(hào)將在2022年發(fā)射[8]。在將“Kamo‘oalewa”的樣本送回地球后，“鄭和”號(hào)將前往太陽(yáng)系小行星帶去研究彗星“133P/Elst-Pizarro”。

雖然研究人員可能需要數(shù)年時(shí)間才能根據(jù)“隼鳥(niǎo)2號(hào)”、OSIRIS-REx和“鄭和”號(hào)探測(cè)器采集的樣本分析得出科學(xué)結(jié)論，但一些企業(yè)家仍希望有朝一日能開(kāi)發(fā)小行星中的豐富資源。Lewicki說(shuō)：“任何關(guān)于在小行星附近操作探測(cè)器并從其表面采集材料的知識(shí)，對(duì)于小行星的開(kāi)采都至關(guān)重要?！?/p>

然而，小行星也有造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)。天文學(xué)家已在太陽(yáng)系中發(fā)現(xiàn)了大約16 000顆直徑為140～1000 m的小行星，他們認(rèn)為還有更多的小行星尚未被發(fā)現(xiàn)[4]。如果某個(gè)接近這一尺寸范圍上限的物體碰巧與地球相撞（類似于導(dǎo)致恐龍滅絕的事件），那么撞擊及其余波很可能會(huì)摧毀人類文明。NASA的“雙小行星重定向測(cè)試”（double asteroid redirection test, DART）任務(wù)將測(cè)試一些減輕撞擊的方法，通過(guò)將這種宇宙中的威脅推離地球來(lái)避免災(zāi)難[4]。

DART探測(cè)器是一個(gè)小貨車(chē)大小的白色立方體（圖 5），計(jì)劃于2021年夏天發(fā)射，目的地是“迪莫莫斯”（Dimorphos）?！暗夏埂笔且粋€(gè)直徑為160 m的二級(jí)天體（或“小月球”），圍繞著直徑為780 m的“迪迪莫斯”（Didymos）小行星運(yùn)行。該探測(cè)器將以6.6 km·s-1的速度故意撞向“小月球”，傳遞的碰撞能量可引發(fā)幾噸三硝基甲苯的爆炸。這次撞擊計(jì)劃將于2022年10月進(jìn)行，將改變“迪莫莫斯”圍繞“迪迪莫斯”軌上運(yùn)行的速度，改變幅度為百分之一。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，將使“小月球”的軌道周期改變數(shù)分鐘，這種改變用地球上的望遠(yuǎn)鏡就能觀測(cè)和測(cè)量。McDowell說(shuō)：“‘小月球’的軌道周期發(fā)生了非常小的變化，這比小行星位置發(fā)生的變化更容易被測(cè)量。這真的是非常聰明的想法?！?/p>

作為這次合作飛行任務(wù)的第二部分，歐洲航天局的“赫拉”（Hera）探測(cè)器將在DART碰撞4年后前往“迪迪莫斯”。著陸之后，“赫拉”探測(cè)器將對(duì)由DART任務(wù)制造的隕石坑進(jìn)行成像以評(píng)估其損害情況，并增進(jìn)對(duì)小行星偏轉(zhuǎn)任務(wù)的理解[9]。

圖5. 工程師將DART探測(cè)器的推進(jìn)器組件置于航天器上。來(lái)源：NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Ed Whitman（公開(kāi)）。

夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的天文學(xué)研究所專家Robert Jedicke說(shuō)：“這是件很棘手的問(wèn)題，因?yàn)槟銓?shí)際上是想讓它偏離方向而不是把它炸成碎片，但這會(huì)產(chǎn)生碎片并砸向地球。你希望它停留在小行星內(nèi)部并輕推它一下?！彼瑫r(shí)指出：“所有研究小行星的組成和結(jié)構(gòu)的任務(wù)都讓我們相信這能夠成功?！?/p>