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探索未知的夜空:我国首次小行星探测任务

2022年4月,“中国航天日”新闻发布会介绍了中国航天发展情况,国家已经批复了行星探测工程,继天问一号首次火星探测任务圆满完成后,行星探测工程下一步即将开始小行星的探测,中国人探索宇宙的脚步将走得更远。

我国目前已经开始着手小行星探测任务的实施,准备在2025年前后实施近地小行星2016HO3取样返回和小行星带中的主带彗星311P环绕探测任务,实现近地小行星的绕飞探测、附着和取样返回,希望通过一次发射探测两类目标实现三种探测模式。

小行星(Asteroid或Minor planet)是太阳系内类似行星环绕太阳运动,但体积和质量比行星小得多的天体,包括主带小行星、近地小行星、行星的特洛伊小天体、一部分海王星外天体以及一部分半人马型小行星。

当人们将目光聚焦在月球上是否存在水、火星是否适合人类生存等前沿问题时,小行星也应该得到相应的重视。

一方面,从安全考虑,小行星可能会带来毁灭性的灾难。小行星的撞击可能会带来巨大灾难甚至诱发生物灭绝,小行星撞击说是最为流行的恐龙灭绝假说。但是目前为止,我们对小行星还是知之甚少。

另一方面,从科学的角度出发,小行星或许可以帮助我们探索太阳系形成的奥秘。由于小行星没有大气层,小行星上的陨石坑以及外来元素得以更好地保存,可以借此对太阳系的演化进行深入的研究。地球上水的来源或许也可以从小行星中找到答案,不少小行星的表面都有水存在的痕迹,或许水就是在几十亿年前由小行星或彗星带来的。

2016HO3是一颗地球共轨天体,同时环绕太阳与地球运转,距离地球大约38到100倍地月距离,在过去百年甚至未来数百年内都会以现有模式在地球周围环绕。而311P彗星是小行星带中的主带彗星,科学家们推测,地球上的水可能来自于小行星带中的含水类彗星。小天体探测任务挑战巨大,任务周期长、技术难度高,需要解决航天器长时间飞行、地面长周期管理、器地长距离通信等多个问题。

为了对小行星的自转参数、形状、地质形貌、表面组分、磁场环境等进行全面的探测,探测任务配置的科学载荷有中视场彩色相机、多光谱相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、探测雷达、磁强计、带电粒子与中性粒子分析仪、喷发物分析仪等。

小行星普遍形成于太阳系早期,蕴藏着太阳系古老历史的秘密,小行星探测对于揭示太阳系诞生和演化之谜有着不可或缺的作用,正因为对于小行星的研究如此重要,在我国制定小行星探测任务前,国际上小行星探测已有30多年历程。

1991年,美国发射的伽利略号木星探测器对小行星951 Gaspra进行了飞越探测,使其成为第一颗被近距离观测的小行星。在此之后,美、欧、日均展开了针对小行星的深空探测任务,任务模式主要分为飞越、绕飞、撞击、着陆和返回五种。

表1 部分国际小行星探测任务基本信息表

目前我们对小行星的了解大部分来自于陨石样本,但很难确定陨石样本来源于哪个小行星。隼鸟号是世界上首架从小行星上带回物质的探测器。2003年5月9日,JAXA成功发射隼鸟号探测器,计划对小行星25143 Itokawa(糸川小行星)采集样本并将采集到的样本送回地球。

经过两年多的飞行,隼鸟号于2005年9月12日抵达距离糸川小行星20km的预定轨道。同年11月20日和26日,隼鸟号2次短时间着陆糸川小行星,并尝试进行采样。虽然2次采样均以失败告终,但仍有部分土砂在着陆时飞溅入开口的密封舱。隼鸟号从特定的小行星采集样本,弥补了实际观测数据与实验室分析之间的差距。

2007年4月25日,隼鸟号踏上返回地球的航程。2010年6月13日,隼鸟号重新进入地球大气层,返回舱成功降落在澳大利亚南部伍默拉附近的沙漠地带,探测器主体则在大气层中燃烧殆尽。

根据JAXA的说明,在返回舱中发现了大约1500个来自糸川小行星的颗粒。2011年8月26日,Science 杂志发布了6篇文章介绍隼鸟号的科学成果。通过对采集的颗粒进行分析,研究人员推测糸川小行星起源于一颗更大的行星,收集的颗粒已经在小行星表面暴露了大约800万年。

为了完成科学目标,隼鸟号共配置了4台科学载荷,包括可见光谱成像仪(AMICA)、近红外光谱仪(NIRS)、光学雷达(LIDAR)和X射线光谱仪(XRS)。

表2 隼鸟号科学载荷及探测任务(根据JAXA数据编辑)

在隼鸟号圆满完成探测任务后,JAXA于2014年12月3日发射隼鸟2号探测器,计划对小行星162173 Ryugu(龙宫小行星)采集样本并将采集到的样本送回地球,然后飞往小行星2001 CC21与小行星1998 KY26展开下一阶段探测。

龙宫小行星是一颗原始的碳质近地小行星,有大量的碳酸盐矿物,被认为保留了太阳系最原始的信息,可能包含水冰、矿物质、有机混合物等。对龙宫小行星的研究可以获得更多关于太阳系内行星的起源和演化的知识,特别是地球上水和有机化合物的来源——可能就是由小行星或彗星撞击地球带来的,而所有这些都与地球上生命的起源有关。

在吸取了隼鸟号的经验教训后,隼鸟2号的探测任务进展比较顺利。隼鸟2号分别进行了两次采样。第一次采样将一颗钽质子弹射向龙宫小行星表面,撞击的小行星表层碎屑被收集进入采样杆顶部的样本收集器。

由于小行星表面长期受到空间风化,为了确定小行星表面与深层物质的差别,对小行星次表层进行了第二次采样。隼鸟2号向小行星表面投下一个载有9.5千克炸药的撞击器,被扔下的撞击器在半空中引爆炸药,将一个纯铜质薄板“炮弹”高速撞向小行星表面。巨大的撞击在小行星表面留下了一个直径超过10米、深约3米的人造撞击坑。与此同时,为了不被误伤,隼鸟2号留下一台相机监视爆炸、撞击情况,本体躲避到小行星背后的安全地带。尘埃落定后,隼鸟2号展开了第二次采样。

2020年12月6日,样品返回舱成功在澳大利亚伍麦拉试验场降落,获得总重5.4克的样本。这是人类首次在小行星上成功完成多次着陆采样,也是首次采集到小行星次表层样本。经研究,龙宫小行星样本含有水合物、多种有机物质和无机物质。

隼鸟2号还剩余约30千克推进剂,并且各个系统工作状态良好,因此将继续探索旅程,计划在2026年飞越小行星2001 CC21,于2031年抵达下一个目标小行星1998 KY26。

在遥感方面,隼鸟2号探测器本体携带了4台科学载荷(不包括着陆器等包含的科学载荷),包括近红外光谱仪(NIRS3)、热红外成像仪(TIR)、光学导航相机(ONC)和激光高度计(LIDAR)。

表3 隼鸟2号本体科学载荷及探测任务(根据JAXA数据编辑)

除了隼鸟号以外,还有两颗著名的小行星探测器,分别是黎明号和欧西里斯号。2007年9月27日,NASA成功发射黎明号探测器,目的是奔赴火星与木星之间的小行星带,探测其中最大的两颗原行星:小行星灶神星与矮行星谷神星。灶神星属于岩状天体,而谷神星则是典型的冰态天体。这两颗天体都在太阳系历史的早期形成,由于木星的强大引力而演化迟缓,没能成为行星。通过对这两颗天体截然不同的演化路径进行对比研究,可以了解是什么因素控制了天体演化。这是人类第一次环绕小行星带的天体,也是第一次探访矮行星。

经过四年左右的飞行,黎明号进入灶神星轨道,展开对灶神星长达14个月的绕飞观测。经过全角度多方位的观测,科学家们发现灶神星与大多数小行星不同,已经形成了金属的内核、岩质的幔层和壳层。数据显示,灶神星也是地球上陨石的最大单一来源。

随后黎明号前往谷神星,并在两年半后抵达。研究发现,谷神星可能拥有古代海洋遗迹,谷神星的地壳可能由冰、盐、岩石和笼型水合物混合组成。2018年11月1日,NASA确认黎明号的燃料已经耗尽,结束了黎明号的探索旅程。

黎明号共配置了3台科学载荷完成两个天体的探测,包括分幅相机(FC)、可见红外成像光谱仪(VIR)和伽马射线和中子探测器(GRaND)。

表4 黎明号科学载荷及探测任务(根据NASA数据编辑)

2016年9月8日,NASA成功发射欧西里斯号,这是正在执行的小行星1999 Bennu取样返回探测计划,其全称(Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer,简写为OSIRIS-Rex)的中文释义为“起源、光谱释义、资源识别、安全、风化层探索者”。顾名思义,“起源”是指科学目标——研究行星的形成和生命的起源,“光谱释义”是指通过多个光谱谱段的测量了解小行星的特点,“资源识别”是指根据光谱特点识别矿物资源,“安全”是通过测量亚尔科夫斯基效应预测小行星的轨道从而避免小行星撞击地球,“风化层探索者”是指工程目标——从小行星表面取回风化层样本带回地球。

小行星1999 Bennu(贝努小行星)是有可能撞击地球的小天体之一,被视为潜在威胁天体。了解贝努小行星的物理特性有助于未来开展避免小行星撞击任务。从小行星采集的样本有望使科学家进一步了解太阳系的形成与演化,包括行星的形成与地球生命的起源。

经历四年多的飞行与探索,2020年10月20日成功完成采样,预计在2023年将样本送回地球。当取样系统与小行星表面接触时,会释放氮气将风化层颗粒吹入采样器头部。此外,采样头末端也被动收集了部分样本。

欧西里斯号携带了6台科学载荷,包括相机套件(OCAMS)、可见红外光谱仪(OVIRS)、热发射光谱仪(OTES)、风化层X射线成像光谱仪(REXIS)、激光高度计(OLA)和取样系统(TAGSAM)。

表5 欧西里斯号科学载荷及探测任务(根据NASA数据编辑)

2022年4月24日是第七个中国航天日,也是我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射52周年纪念日。在这52年间,中国航天事业创造出一个又一个举世瞩目的中国奇迹。我们迈向太空的脚步也在不断前行,相信在不远的将来,中国的探测器也将在行星探测领域画上浓墨重彩的一笔。

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来源:中国科学院国家空间科学中心、中国科学院月球与深空探测总体部

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