為什么要去小行星挖土? 專家:這是意義重大的“太陽(yáng)系考古”
北京時(shí)間10月21日清晨,已經(jīng)在太空飛行4年的OSIRIS-REx(冥王號(hào))探測(cè)器,成功從目前距地球3.34億公里的貝努小行星上,收集了一些塵埃和碎石。耗費(fèi)7年時(shí)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(dāng)然!在中國(guó)航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光看來(lái),這是一次意義重大的“太陽(yáng)系考古”。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春對(duì)這次任務(wù)后續(xù)的科學(xué)研究充滿期待?!摆ね跆?hào)可以采集60克樣品,這個(gè)量已經(jīng)很多了,樣品類型也會(huì)比較豐富,可以開展很多非常系統(tǒng)的研究。估計(jì)至少可以研究幾十年。”
小行星上藏有太陽(yáng)系古老遺跡
對(duì)于地球來(lái)說(shuō),近地小行星是一種危險(xiǎn)的存在。它們?cè)谔罩酗L(fēng)馳電掣,不時(shí)與地球擦肩而過(guò),讓人心驚肉跳。不過(guò)這些魯莽的家伙并非一無(wú)是處,它們身上也藏有科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的東西,比如太陽(yáng)系最古老的遺跡。
鄭永春介紹說(shuō),太陽(yáng)系形成之后,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(huì)產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致演化、熔融,慢慢將太陽(yáng)系初期的歷史湮沒。而能量小、熱量少的小行星,基本上沒有發(fā)生過(guò)演化,仍保留著太陽(yáng)系形成之初的狀態(tài)。對(duì)它們開展研究,有助于探尋太陽(yáng)系最早期的面貌。
此外,隨著航天技術(shù)發(fā)展,人類也產(chǎn)生了對(duì)小行星資源開發(fā)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(cè)目標(biāo)。楊宇光表示,選擇目標(biāo)時(shí),需要考慮幾個(gè)因素。
從工程角度,首先要考慮可行性。例如項(xiàng)目預(yù)算能買多大推力的火箭,能把探測(cè)器送到多遠(yuǎn)的地方,以此劃定一個(gè)選擇范圍。如果要登陸采樣,那么小行星的自轉(zhuǎn)速度就不能太快,以免增加任務(wù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。
同時(shí)還要從探測(cè)價(jià)值方面考慮。太陽(yáng)系里有近地小行星、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(cè)過(guò),本身具有一定特點(diǎn),在科學(xué)上或?qū)ξ磥?lái)開發(fā)有足夠高價(jià)值的小行星,作為探測(cè)目標(biāo)。
綜合考慮各種因素,一顆發(fā)現(xiàn)于1999年,編號(hào)為1999 RQ36的近地小行星——貝努成為了冥王號(hào)的探測(cè)目標(biāo)。
全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹說(shuō),貝努是一顆富碳小行星,直徑將近500米。它距離地球最近時(shí)約有750萬(wàn)公里。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉玉娟在一篇文章中介紹,貝努的年齡超過(guò)45億歲,并未經(jīng)歷過(guò)劇烈的變化,意味著它表面和內(nèi)部的物質(zhì)都是太陽(yáng)系誕生時(shí)產(chǎn)生的,其組成成分很可能包含生命最初在地球上形成時(shí)的物質(zhì)。研究這樣的小行星,有助于科學(xué)家認(rèn)識(shí)早期的太陽(yáng)系,包括地球的形成方式,以及生命起源的問(wèn)題。
全新“接觸即離”方式幾秒鐘完成采樣
冥王號(hào)是美國(guó)首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器,于2016年9月9日發(fā)射升空,2018年12月飛到貝努小行星附近。
龐之浩介紹,冥王號(hào)此行有幾個(gè)科學(xué)目標(biāo),包括從貝努表面采回足夠量的風(fēng)化層物質(zhì),繪制原始碳質(zhì)小行星的全球特性、化學(xué)特性、礦物學(xué)分布情況圖,在采樣地點(diǎn)記錄風(fēng)化層的質(zhì)地、形態(tài)、星體化學(xué)和光譜特性等。
鄭永春表示,采樣區(qū)的選擇,主要有兩方面要求,一是希望樣品有特點(diǎn)、信息豐富,具備更高的科學(xué)價(jià)值;二是必須有一塊面積較大、地勢(shì)平坦的區(qū)域,才能保證安全。經(jīng)過(guò)綜合考慮,冥王號(hào)選擇了名為“夜鶯”的采樣區(qū)。
龐之浩介紹,此次采樣采用了“接觸即離”方式,采樣過(guò)程只用幾秒鐘。其間,冥王號(hào)并沒有著陸,而是在接近目標(biāo)時(shí)伸出采樣機(jī)械臂,用機(jī)械臂末端的采樣器完成采樣,然后迅速飛離。這種方式省去了采樣前著陸、固定,以及起飛前的解鎖過(guò)程;探測(cè)器在慣性下落時(shí),也提供了采樣所需的力。
冥王號(hào)的采樣器采用了一項(xiàng)全新技術(shù)。龐之浩說(shuō),當(dāng)采樣器接觸到小行星地表時(shí),會(huì)噴射出純氮?dú)怏w,把貝努表面的部分表土層物質(zhì)吹入樣品返回艙。采樣器在接觸地表時(shí),也可以取得一部分樣品。冥王號(hào)攜帶了3罐氮?dú)猓軡M足3次采樣嘗試。地面模擬試驗(yàn)表明,它能夠采得超過(guò)60克樣品。
龐之浩說(shuō),采樣完成后,冥王號(hào)計(jì)劃于2021年3月踏上歸途,在2023年9月將重達(dá)46千克的采樣返回艙送回地球。不過(guò)它不會(huì)再入地球大氣層,而是在進(jìn)入大氣前4小時(shí)釋放采樣返回艙,隨即進(jìn)行碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng),讓采樣返回艙獨(dú)自回到地面。冥王號(hào)自己則進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的軌道繼續(xù)飛行。
月球與小行星采樣各有難點(diǎn)
冥王號(hào)并不是人類第一個(gè)在小行星采樣的探測(cè)器。
2003年5月,日本發(fā)射隼鳥號(hào)探測(cè)器,幾經(jīng)波折,從糸川小行星上采集到約100毫克塵埃,于2010年6月返回地球。
2014年12月,日本又發(fā)射隼鳥2號(hào)探測(cè)器。它于2019年2月在龍宮小行星著陸采集表面樣本,并發(fā)現(xiàn)了水合礦物質(zhì)。同年4月,它向龍宮發(fā)射了一枚金屬?gòu)?,隨后收集了被激起的物質(zhì)。目前,隼鳥2號(hào)正在返回途中,計(jì)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采樣計(jì)劃,冥王號(hào)項(xiàng)目除了科學(xué)目標(biāo)不同,在采樣、降落導(dǎo)航等方面也采用了全新的技術(shù),同時(shí)在伴飛距離上大幅縮短。此外,60克的樣品采集量,堪稱阿波羅計(jì)劃之后人類太空采樣之最。
近年來(lái),各國(guó)紛紛啟動(dòng)行星探測(cè)計(jì)劃。我國(guó)就計(jì)劃在今年11月下旬發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器,實(shí)施月球采樣返回任務(wù)。那么月球與小行星在登陸采樣方面有何不同?
楊宇光表示,行星或矮行星的個(gè)頭大、引力大,著陸及采樣方式與小行星任務(wù)并不相同,因而在整個(gè)工程設(shè)計(jì)上都不一樣?!皬娘w行器設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),冥王號(hào)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采樣的設(shè)備?!睏钣罟庹f(shuō),而行星的巨大引力會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器環(huán)繞、降落的速度非???,這給工程帶來(lái)了很大難度。
盡管如此,小行星采樣也有許多技術(shù)挑戰(zhàn)。鄭永春介紹,小行星在行星學(xué)中被稱作“非合作天體”,由于其幾乎沒有引力,跟探測(cè)器之間沒有相互作用,因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星的伴飛、環(huán)繞以及著陸,完全要依靠探測(cè)器自身的動(dòng)力,這對(duì)探測(cè)器的姿態(tài)調(diào)整及控制精度提出了很高要求。
此外,小行星距離地球較遠(yuǎn),近地點(diǎn)往往也要數(shù)百萬(wàn)公里,遠(yuǎn)大于月球與地球之間的距離,加上其目標(biāo)小、速度快,這都給探測(cè)任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)增加了難度。
據(jù)媒體報(bào)道,我國(guó)也在開展小行星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)目前的計(jì)劃,我國(guó)將發(fā)射一個(gè)探測(cè)器,先環(huán)繞近地小行星2016HO3飛行,再擇機(jī)登陸采樣,將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨后探測(cè)器繼續(xù)飛行,借助地球和火星引力到達(dá)小行星帶,對(duì)名為133P的主帶彗星進(jìn)行探測(cè)。
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