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為什麼要去小行星挖土?專家:這是意義重大的“太陽係考古”
2020-10-28 08:41:21 來源: 科技日報
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  北京時間10月21日清晨,已經在太空飛行4年的OSIRIS-REx(冥王號)探測器,成功從目前距地球3.34億公裏的貝努小行星上,收集了一些塵埃和碎石。耗費7年時間,耗資約65億元人民幣,只為從小行星上抓回“一把土”,值得嗎?當然!在中國航天科工集團二院研究員楊宇光看來,這是一次意義重大的“太陽係考古”。

  中國科學院國家天文臺研究員鄭永春對這次任務後續的科學研究充滿期待。“冥王號可以採集60克樣品,這個量已經很多了,樣品類型也會比較豐富,可以開展很多非常係統的研究。估計至少可以研究幾十年。”

  小行星上藏有太陽係古老遺跡

  對于地球來説,近地小行星是一種危險的存在。它們在太空中風馳電掣,不時與地球擦肩而過,讓人心驚肉跳。不過這些魯莽的家夥並非一無是處,它們身上也藏有科學家們夢寐以求的東西,比如太陽係最古老的遺跡。

  鄭永春介紹説,太陽係形成之後,塵埃碰撞凝聚形成了行星、矮行星等天體,還有些粉末碎屑,成為了小行星。相比之下,行星中含有很多放射性元素,會産生熱量,從而導致演化、熔融,慢慢將太陽係初期的歷史湮沒。而能量小、熱量少的小行星,基本上沒有發生過演化,仍保留著太陽係形成之初的狀態。對它們開展研究,有助于探尋太陽係最早期的面貌。

  此外,隨著航天技術發展,人類也産生了對小行星資源開發利用的想法。

  出于上述目的,人們開始在茫茫太空中尋找探測目標。楊宇光表示,選擇目標時,需要考慮幾個因素。

  從工程角度,首先要考慮可行性。例如項目預算能買多大推力的火箭,能把探測器送到多遠的地方,以此劃定一個選擇范圍。如果要登陸採樣,那麼小行星的自轉速度就不能太快,以免增加任務難度和風險。

  同時還要從探測價值方面考慮。太陽係裏有近地小行星、主帶小行星等多種類型,其軌道分布、成份等都有差異。在能力有限的情況下,一定是盡量選擇此前沒有探測過,本身具有一定特點,在科學上或對未來開發有足夠高價值的小行星,作為探測目標。

  綜合考慮各種因素,一顆發現于1999年,編號為1999 RQ36的近地小行星——貝努成為了冥王號的探測目標。

  全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹説,貝努是一顆富碳小行星,直徑將近500米。它距離地球最近時約有750萬公裏。

  中國科學院國家天文臺研究員劉玉娟在一篇文章中介紹,貝努的年齡超過45億歲,並未經歷過劇烈的變化,意味著它表面和內部的物質都是太陽係誕生時産生的,其組成成分很可能包含生命最初在地球上形成時的物質。研究這樣的小行星,有助于科學家認識早期的太陽係,包括地球的形成方式,以及生命起源的問題。

  全新“接觸即離”方式幾秒鐘完成採樣

  冥王號是美國首個小行星採樣返回探測器,于2016年9月9日發射升空,2018年12月飛到貝努小行星附近。

  龐之浩介紹,冥王號此行有幾個科學目標,包括從貝努表面採回足夠量的風化層物質,繪制原始碳質小行星的全球特性、化學特性、礦物學分布情況圖,在採樣地點記錄風化層的質地、形態、星體化學和光譜特性等。

  鄭永春表示,採樣區的選擇,主要有兩方面要求,一是希望樣品有特點、信息豐富,具備更高的科學價值;二是必須有一塊面積較大、地勢平坦的區域,才能保證安全。經過綜合考慮,冥王號選擇了名為“夜鶯”的採樣區。

  龐之浩介紹,此次採樣採用了“接觸即離”方式,採樣過程只用幾秒鐘。其間,冥王號並沒有著陸,而是在接近目標時伸出採樣機械臂,用機械臂末端的採樣器完成採樣,然後迅速飛離。這種方式省去了採樣前著陸、固定,以及起飛前的解鎖過程;探測器在慣性下落時,也提供了採樣所需的力。

  冥王號的採樣器採用了一項全新技術。龐之浩説,當採樣器接觸到小行星地表時,會噴射出純氮氣體,把貝努表面的部分表土層物質吹入樣品返回艙。採樣器在接觸地表時,也可以取得一部分樣品。冥王號攜帶了3罐氮氣,能滿足3次採樣嘗試。地面模擬試驗表明,它能夠採得超過60克樣品。

  龐之浩説,採樣完成後,冥王號計劃于2021年3月踏上歸途,在2023年9月將重達46千克的採樣返回艙送回地球。不過它不會再入地球大氣層,而是在進入大氣前4小時釋放採樣返回艙,隨即進行碰撞規避機動,讓採樣返回艙獨自回到地面。冥王號自己則進入環繞太陽的軌道繼續飛行。

  月球與小行星採樣各有難點

  冥王號並不是人類第一個在小行星採樣的探測器。

  2003年5月,日本發射隼鳥號探測器,幾經波折,從糸川小行星上採集到約100毫克塵埃,于2010年6月返回地球。

  2014年12月,日本又發射隼鳥2號探測器。它于2019年2月在龍宮小行星著陸採集表面樣本,並發現了水合礦物質。同年4月,它向龍宮發射了一枚金屬彈,隨後收集了被激起的物質。目前,隼鳥2號正在返回途中,計劃于今年底將小行星樣品送回地球。

  相比日本這兩次小行星採樣計劃,冥王號項目除了科學目標不同,在採樣、降落導航等方面也採用了全新的技術,同時在伴飛距離上大幅縮短。此外,60克的樣品採集量,堪稱阿波羅計劃之後人類太空採樣之最。

  近年來,各國紛紛啟動行星探測計劃。我國就計劃在今年11月下旬發射嫦娥五號探測器,實施月球採樣返回任務。那麼月球與小行星在登陸採樣方面有何不同?

  楊宇光表示,行星或矮行星的個頭大、引力大,著陸及採樣方式與小行星任務並不相同,因而在整個工程設計上都不一樣。“從飛行器設計角度來説,冥王號和普通軌道飛行器沒有太大差異,主要是增加了一些在微重力條件下採樣的設備。”楊宇光説,而行星的巨大引力會導致探測器環繞、降落的速度非常快,這給工程帶來了很大難度。

  盡管如此,小行星採樣也有許多技術挑戰。鄭永春介紹,小行星在行星學中被稱作“非合作天體”,由于其幾乎沒有引力,跟探測器之間沒有相互作用,因此要實現對小行星的伴飛、環繞以及著陸,完全要依靠探測器自身的動力,這對探測器的姿態調整及控制精度提出了很高要求。

  此外,小行星距離地球較遠,近地點往往也要數百萬公裏,遠大于月球與地球之間的距離,加上其目標小、速度快,這都給探測任務的軌道設計增加了難度。

  據媒體報道,我國也在開展小行星探測關鍵技術攻關。根據目前的計劃,我國將發射一個探測器,先環繞近地小行星2016HO3飛行,再擇機登陸採樣,將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨後探測器繼續飛行,借助地球和火星引力到達小行星帶,對名為133P的主帶彗星進行探測。(記者 付毅飛)

【糾錯】 責任編輯: 王頔
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