花65億元去小行星挖土值嗎?專家:當然!而且意義重大
2020年10月29日09:11

  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3.34億公里的貝努小行星上,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“太陽系考古”。

在貝努小行星上采樣的冥王號。圖源:NASA官網
在貝努小行星上采樣的冥王號。圖源:NASA官網

  中國科學院國家天文台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,可以開展很多非常系統的研究。估計至少可以研究幾十年。”

  小行星上藏有太陽系古老遺蹟

  對於地球來說,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。不過這些魯莽的傢伙並非一無是處,它們身上也藏有科學家們夢寐以求的東西,比如太陽系最古老的遺蹟。

  鄭永春介紹說,太陽系形成之後,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,會產生熱量,從而導致演化、熔融,慢慢將太陽系初期的歷史湮沒。而能量小、熱量少的小行星,基本上沒有發生過演化,仍保留著太陽系形成之初的狀態。對它們開展研究,有助於探尋太陽系最早期的面貌。

  此外,隨著航天技術發展,人類也產生了對小行星資源開發利用的想法。

  出於上述目的,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,以此劃定一個選擇範圍。如果要登陸采樣,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。太陽系里有近地小行星、主帶小行星等多種類型,其軌道分佈、成份等都有差異。在能力有限的情況下,一定是儘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,一顆發現於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。

小行星貝努的這張照片圖像由冥王號探測器於2018年12月2日在距離小行星表面24公里的地方拍攝的12張照片拚接而成。圖源:NASA官網
小行星貝努的這張照片圖像由冥王號探測器於2018年12月2日在距離小行星表面24公里的地方拍攝的12張照片拚接而成。圖源:NASA官網

  全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹說,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750萬公里。

  中國科學院國家天文台研究員劉玉娟在一篇文章中介紹,貝努的年齡超過45億歲,並未經曆過劇烈的變化,意味著它表面和內部的物質都是太陽系誕生時產生的,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,有助於科學家認識早期的太陽系,包括地球的形成方式,以及生命起源的問題。

  全新“接觸即離”方式幾秒鍾完成采樣

  冥王號是美國首個小行星采樣返回探測器,於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,包括從貝努表面采回足夠量的風化層物質,繪製原始碳質小行星的全球特性、化學特性、礦物學分佈情況圖,在采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,采樣區的選擇,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”的采樣區。

該圖片於10月20日在OSIRIS-REx任務的即取即拍(TAG)采樣活動中捕獲,顯示了NASA航天器降落在小行星Bennu表面上前後的SamCam成像儀的視野。圖源:NASA官網
該圖片於10月20日在OSIRIS-REx任務的即取即拍(TAG)采樣活動中捕獲,顯示了NASA航天器降落在小行星Bennu表面上前後的SamCam成像儀的視野。圖源:NASA官網

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

  冥王號的采樣器採用了一項全新技術。龐之浩說,當采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。采樣器在接觸地表時,也可以取得一部分樣品。冥王號攜帶了3罐氮氣,能滿足3次采樣嚐試。地面模擬試驗表明,它能夠采得超過60克樣品。

  龐之浩說,采樣完成後,冥王號計劃於2021年3月踏上歸途,在2023年9月將重達46千克的采樣返回艙送回地球。不過它不會再入地球大氣層,而是在進入大氣前4小時釋放采樣返回艙,隨即進行碰撞規避機動,讓采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。

  月球與小行星采樣各有難點

  冥王號並不是人類第一個在小行星采樣的探測器。

  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,於2010年6月返回地球。

  2014年12月,日本又發射隼鳥2號探測器。它於2019年2月在龍宮小行星著陸採集表面樣本,併發現了水合礦物質。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,計劃於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劃,冥王號項目除了科學目標不同,在采樣、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采樣之最。

圖源:視覺中國
圖源:視覺中國

  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,實施月球采樣返回任務。那麼月球與小行星在登陸采樣方面有何不同?

  楊宇光表示,行星或矮行星的個頭大、引力大,著陸及采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說,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采樣的設備。”楊宇光說,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。

  儘管如此,小行星采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”,由於其幾乎沒有引力,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里,遠大於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。

  據媒體報導,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,再擇機登陸采樣,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。

  來源:科技日報

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