奧西里斯-雷克斯：“過(guò)家門(mén)”而不入，留下珍貴大禮

文/梁雷

茫茫星海中，一位離家7年的“游子”漸漸接近地球，卻不能返回地球“母親”的懷抱，只能在與地球“擦肩而過(guò)”的瞬間，匆匆一瞥家鄉(xiāng)，留下珍貴的禮物。

9月24日，美國(guó)奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器實(shí)施軌道修正，將小行星貝努的樣本送回了地球。小行星貝努被選為采樣目標(biāo)，有何特殊之處？該探測(cè)器漫長(zhǎng)的采樣返回任務(wù)借助了哪些新技術(shù)？需要克服哪些隱患？這項(xiàng)任務(wù)可能給科學(xué)家?guī)?lái)哪些科學(xué)和技術(shù)收獲呢？

▲ 探測(cè)器從貝努小行星表面采樣示意圖

為什么選擇“貝努”？

1999年，美國(guó)宇航局資助的林肯近地小行星研究小組發(fā)現(xiàn)了小行星貝努。它的赤道直徑約500米，運(yùn)行軌道距離地球軌道約750萬(wàn)千米，很快引起了行星防御協(xié)調(diào)辦公室的注意，被歸類(lèi)為潛在的危險(xiǎn)天體。經(jīng)過(guò)持續(xù)觀測(cè)和精密計(jì)算，科學(xué)家認(rèn)為，在2175～2199年之間，小行星貝努有1/2700的概率撞擊地球，在所有類(lèi)似的近地小行星中屬于高風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)。由此，小行星貝努在眾多“競(jìng)爭(zhēng)者”中脫穎而出，成為探測(cè)器的勘測(cè)、采樣目標(biāo)。顯然，科學(xué)家希望通過(guò)研究其樣本，確定對(duì)付這些“危險(xiǎn)分子”的方法。

小行星貝努被命名的過(guò)程比較有趣：2013年，9歲美國(guó)男孩邁克爾·普齊奧在競(jìng)賽中贏得了命名權(quán)。他的命名創(chuàng)意來(lái)源于古埃及神話中的太陽(yáng)神貝努，象征著太陽(yáng)、創(chuàng)造和重生，似乎隱喻著探測(cè)器有機(jī)會(huì)一窺太陽(yáng)系誕生的秘密，嘗試解開(kāi)生命起源謎題。此外，古埃及人通常把貝努描繪成一只灰色蒼鷺的形象，而奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器的接觸式采樣器鉸接臂和太陽(yáng)能電池板看上去類(lèi)似神靈的頸部和翅膀，或許也給了小男孩一定的靈感。

▲ 小行星樣本艙著陸地球

其實(shí)，小行星貝努被選為任務(wù)目標(biāo)，另有重要原因?？茖W(xué)家認(rèn)為，它富含大量碳和其他礦物質(zhì)，而且這些物質(zhì)和巖石早在太陽(yáng)系誕生之初就已存在了。正是由于它太古老了，其樣本中很可能含有地球生命最初形成時(shí)便存在的分子物質(zhì)，實(shí)屬珍貴的“第一手素材”。

▲ 探測(cè)器訪問(wèn)小行星貝努示意圖

眾所周知，地球上的生命形式都是基于碳原子鏈與氧、氫、氮等元素的結(jié)合。科學(xué)家則希望在小行星貝努的樣本中有全新的發(fā)現(xiàn)，盡可能揭示富含有機(jī)物的小行星在“催化”地球生命方面所起的作用。如果有關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，也許地球人就是我們尋找已久的“外星人”。

從探測(cè)器的命名上，我們也可以初步理解這次任務(wù)的意圖?！皧W西里斯-雷克斯”是探測(cè)器正式名稱(chēng)英文縮寫(xiě)的音譯，也就是一手持鉤子一手持連枷的古埃及神靈。在傳說(shuō)中，奧西里斯曾在埃及尼羅河三角洲地區(qū)向人們傳授農(nóng)業(yè)知識(shí)，促進(jìn)了生命繁衍，而探測(cè)器帶回的小行星樣本中很可能含有促成地球生命起源的有機(jī)物。此外，奧西里斯的另一個(gè)角色是象征死亡的冥界之神，暗示探測(cè)器前去探索的小行星有可能與地球相撞，帶來(lái)破壞與死亡，一些中文翻譯也因此將這個(gè)探測(cè)器譯作“冥王號(hào)”。

新技術(shù)解決新難題

2016年，奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器升空，奔赴小行星貝努軌道，但它并非急不可耐地登陸小行星“開(kāi)工”，而是在距離小行星貝努僅有1.6～2.1千米的軌道上繞行。這也是探測(cè)器首次成功地環(huán)繞體格和引力如此小的天體長(zhǎng)期飛行。在此后的1年多中,探測(cè)器精細(xì)地調(diào)整軌道,在各種高度上地毯式掃射小行星貝努表面的每一寸。對(duì)部分需要重點(diǎn)考察的區(qū)域，探測(cè)器的飛掠高度甚至低到了250米。在這些近距離考察下，小行星貝努這個(gè)地基望遠(yuǎn)鏡里的小亮點(diǎn)已經(jīng)成為人類(lèi)在太陽(yáng)系中最了解的小行星之一。比如，2018年底，探測(cè)器在小行星貝努表面發(fā)現(xiàn)了水的痕跡。

雖然前期準(zhǔn)備足夠精細(xì)，但在采樣工作正式開(kāi)始前，難題又一次擺在了科學(xué)家面前。原本科學(xué)家打算在小行星貝努表面找一塊直徑約50米的平坦區(qū)域作為著陸區(qū)，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)小行星貝努表面崎嶇多石，最終的作業(yè)區(qū)直徑只有6米。如果探測(cè)器整體著陸小行星貝努表面，很有可能激起大量粉塵碎屑，引發(fā)電子設(shè)備短路和機(jī)械故障，因此采樣過(guò)程必須盡可能地快捷高效。

▲ 探測(cè)器接近小行星示意圖

為了克服全新的困難，探測(cè)器應(yīng)用了全新的技術(shù)和方案?？茖W(xué)家起初規(guī)劃使用激光測(cè)距作為探測(cè)器著陸、采樣階段的主要導(dǎo)航定位手段。計(jì)劃變更后，科學(xué)家又設(shè)計(jì)出一種基于光學(xué)影像的備用導(dǎo)航定位方案——自然特征跟蹤技術(shù)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器在降落過(guò)程中不斷實(shí)時(shí)拍攝作業(yè)區(qū)附近的照片,將這些照片和三維地形、影像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),匹配特征鮮明的石塊作為地標(biāo),不斷更新自身的實(shí)時(shí)位置、速度和計(jì)劃采樣位置。如果檢測(cè)到拍攝的影像里有危險(xiǎn)障礙物，探測(cè)器還可以自主撤離。接下來(lái)，奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器伸出了末端為圓球狀的采樣器鉸接臂，采樣器頭部向小行星表面盡量延伸，借助探測(cè)器緩慢下行軌道的動(dòng)量，輕輕地接觸小行星表面。就在鉸接臂與小行星表面接觸的瞬間，探測(cè)器發(fā)射了壓縮氮?dú)猓稻砥鹦⌒行潜砻娴幕覊m碎石，迅速將其收集到采樣器中。

▲ 科研團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)小行星樣本艙

說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，實(shí)際上，探測(cè)器正式作業(yè)時(shí)間不過(guò)是10秒之內(nèi)，堪稱(chēng)“蜻蜓點(diǎn)水”，完成了歷時(shí)7年任務(wù)的最關(guān)鍵一步。隨著奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器遠(yuǎn)離小行星貝努，采樣器頭部在多個(gè)不同位置移動(dòng)的圖像被用于評(píng)估，顯示采集樣本遠(yuǎn)超過(guò)任務(wù)要求的60克，可謂“滿(mǎn)載而歸”。

科學(xué)成果拭目以待

9月24日，奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器的樣本艙實(shí)施分離，最終降落在美國(guó)鹽湖城外的沙漠中。為了確保樣品艙順利回收，科學(xué)家們已在這里進(jìn)行了持續(xù)數(shù)月的演習(xí)。當(dāng)樣品艙著陸后，他們迅速將樣品艙回收，以防止對(duì)地球環(huán)境造成污染，然后由直升機(jī)將其運(yùn)到美國(guó)休斯敦的約翰遜航天中心的無(wú)塵潔凈室中進(jìn)行整理。

令人啼笑皆非的是，跨越數(shù)百萬(wàn)千米而來(lái)的小行星樣本，卻在“臨門(mén)一腳”遭遇意外——科研人員暫時(shí)很難提取出大多數(shù)樣本。

▲ 小行星大多數(shù)樣本取出遇到麻煩，但艙外已收集到足夠樣本

原來(lái)，探測(cè)器采樣器的頭部被稱(chēng)為觸控取樣裝置，帶回地球的小行星樣本和該裝置的所有管理工作都被安排在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的手套箱中進(jìn)行，以防樣本被“污染”。實(shí)施取樣作業(yè)時(shí)，必須有氮?dú)饬鞒涑庠谟|控取樣裝置中。同樣，取出樣本的任何方案都必須遵循一個(gè)前提：使用工具放入手套箱，符合無(wú)塵潔凈室的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，科研人員面臨一個(gè)難題：觸控取樣裝置上的35個(gè)緊固件中，有2個(gè)出現(xiàn)異常，無(wú)法用已批準(zhǔn)放入手套箱的工具拆卸?？蒲腥藛T正研究新的解決方案，后續(xù)還將設(shè)計(jì)、制造特殊工具，這意味著需要等待一段時(shí)間才能夠拿到剩余樣本。為此，觸控取樣裝置已被從手套箱內(nèi)的活性氮?dú)饬髦腥〕觯瑑?chǔ)存在轉(zhuǎn)移容器中，做好密封包裝工作，確保樣本在穩(wěn)定、富氮的環(huán)境中保持原始狀態(tài)。

▲ 小行星貝努樣本公開(kāi)展出

不過(guò)，科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)從采樣器外部收集了70.3克小行星巖石和塵埃，超過(guò)了最初的60克目標(biāo)，可見(jiàn)這次小行星采樣任務(wù)的收獲遠(yuǎn)超預(yù)期。

按美國(guó)宇航局公布的計(jì)劃，在接下來(lái)的兩年里，小行星樣本的25%將被送到多國(guó)約200名科學(xué)家手中進(jìn)行研究。其余75%的樣本很可能被存放數(shù)十年。隨著技術(shù)進(jìn)步，各種奇妙的新想法和新技術(shù)必將涌現(xiàn)，美國(guó)宇航局會(huì)征集各國(guó)科學(xué)家的建議，適時(shí)取出部分樣本開(kāi)展研究。

那么小行星貝努的樣本有可能帶來(lái)哪些新成果？我們通過(guò)“拆分”探測(cè)器的名字，有望根據(jù)其科學(xué)目標(biāo)作出預(yù)判?！皧W西里斯-雷克斯號(hào)”的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)探測(cè)器”，英文縮寫(xiě)為“OSIRIS-Rex”。具體來(lái)看，O即Origins起源，科學(xué)家希望采樣分析一顆富含碳的原始小行星，研究其礦物質(zhì)和有機(jī)物的成分、分布、演化史；SI即Spectral Interpretation光譜解釋?zhuān)簿褪顷U釋小行星貝努的整體屬性，與地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)其他小行星的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究；RI即Resource Identification資源識(shí)別，指的是探測(cè)器繪制小行星貝努的全球?qū)傩?、化學(xué)和礦物學(xué)地圖，確定其地質(zhì)演化史，助力樣本研究工作；S即Security安全，探測(cè)器在一顆潛在危險(xiǎn)的小行星上測(cè)量亞爾科夫斯基效應(yīng)（一種由旋轉(zhuǎn)的小行星釋放熱量所引發(fā)的力，這種力可以逐漸改變其軌道），并研究小行星的哪些特性引發(fā)了這種效應(yīng)；Rex即Regolith Explorer風(fēng)化層探索者，探測(cè)器精細(xì)勘測(cè)取樣區(qū)域的表面物質(zhì)風(fēng)化層，記錄其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、化學(xué)和光譜特性等。

事實(shí)上，奧西里斯-雷克斯號(hào)探測(cè)器的任務(wù)遠(yuǎn)比普通人想象的更加復(fù)雜。將小行星貝努的樣本送回地球后，探測(cè)器沒(méi)有“功成身退”，而是“再踏征程”，從地球“借力”，利用引力彈弓加速，馬不停蹄地前往小行星阿波菲斯，同時(shí)改名為“阿波菲斯探險(xiǎn)者”。阿波菲斯同樣是潛在危險(xiǎn)小行星，體格更小，直徑約370米，預(yù)計(jì)2029年將距離地球約3.2萬(wàn)千米。屆時(shí)，探測(cè)器將對(duì)它進(jìn)行全面考察，以便研究近地小行星的運(yùn)動(dòng)特性。顯然，探測(cè)器這樣復(fù)雜的變軌機(jī)動(dòng)對(duì)于地面團(tuán)隊(duì)是寶貴的鍛煉經(jīng)驗(yàn)。