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2018-06-23 06:30:40

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  往返四亿公里 它将带回“龙宫”宝藏

  几天前,日本的“隼鸟2号” (Hayabusa2)探测器又发回了一张图片,拍照时它距离目的地小行星只有1500公里,预计6月27日它就会登上这个小小星球展开新一轮探险。

  “隼鸟2号”是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的小行星探测计划,于2014年12月3日发射。将于2018年6月至7月之间达到距离地球约2亿公里的C型小行星龙宫(Ryugu,又名1999 JU3),停留一年半的时间观测小行星并采集岩石样本。它计划在2020年携带样本返回地球。

  专注小行星采样的隼鸟家族

  1996年, NASA的会合-舒梅克号(Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker)探测器成功着陆在爱神星表面,开启了人类与太阳系小行星亲密接触的探索之旅。其下一个目标就是采集小行星上的样本并返回地球进行研究。着陆在地外天体进行样本采集和回收任务是最危险和最具有挑战性的。从发射着陆到采集和返回地球的所有操作都要以高精度和准确度来完成。另一方面,为了保证样本的纯净度,还需要设计特殊的存贮胶囊来保证样本在往返途中不会被污染和变质。第一次成功将小行星上采集的样本带回地球的是“隼鸟2号”的前身“隼鸟”号(Hayabusa)。 它于2005年到达小行星系川(Itokawa)并采样,2010年返回地球。尽管“隼鸟”号的采集工作没能按照原计划进行,但科学家们认为,在探测器着陆小行星表面时,有一些尘埃颗粒被卷进了采集器。“隼鸟”号返回地球后,本体按计划在地球大气层中燃烧殆尽,弹射出的样本胶囊落在南澳大利亚州后被回收。之后科学家们分析了罐内的一些颗粒,证实它们来自于外太空,这一成果也为后续的采集计划奠定了基础。

  “隼鸟2号”在设计上与“隼鸟”号是规格几乎相同的“准同型机”。除了携带登陆器MASCOT之外,它还携带了撞击器SCI用来制造人工陷坑。在靠近目标后,会先释放登陆器到小行星表面进行探测和采样,然后利用撞击器在小行星表面上制造出人工陷坑,采集小行星表层以下的样本。

  为什么选择了龙宫

  小行星和地球的形成源于同一批原初物质,地球在长期地质活动的影响下已经很难找到远古时期的物质。小行星则不同。一个典型小行星的表面平均温度为零下73摄氏度,它们在几十亿年间的大部分时间内没什么变化,如同时间胶囊一般将古老时期的物质保存了起来。因此对小行星的研究可以帮助我们了解早期太阳系形成时期的很多事情。孕育了地球生命的有机分子,也可能包含在这些古老物质中。另一方面,小行星中含有水、有机物和贵金属等自然资源,这对制定未来开采近地小行星计划也极有意义。

  目前太阳系内已知的小行星数量超过50万个,如果要派探测器近距离观测并带回样本,就需要从几个方面筛选出适合的小行星。

  首先是成本问题。需要选择一个可以轻松往返的小行星,使探测器可以在几年内采集样品并返回地球。所以首选近地小行星,它们的轨道近日点在1.3个天文单位(AU,约1.5×108千米)以内。其次,再结合轨道参数选取那些最适合航天器往返的小行星。龙宫就是比较理想的近地小行星之一,它的轨道半长轴为1.19AU,轨道偏心率为0.19,近日点位于地球轨道附近。美国小行星采集项目OSIRIS-Rex的目的地Bennu,也是近地小行星之一,它的轨道与地球相交,每六年一次与地球擦肩而过,间距只有0.003AU。

  要在小行星表面着陆采集样本,对小行星的大小也有要求。通常,直径越小的小行星自转速度越快。直径小于200米的小行星,其表面上的物质会因为过快的旋转速度而被弹飞,航天器也很难近距离接触这种旋转过快的小行星。因此,通常选取直径大于200米的小行星作为探测目标。龙宫的有效直径为875米,旋转周期为7.6小时,大致为球形,是符合要求的采集对象。

  太阳系的形成和演化通常是研究目标之一,因此小行星的成分往往包括在参考标准内。在可见光和红外光下,不同的矿物质会呈现出不同的颜色和光谱特性,识别度堪比指纹。科学家们可以利用这些“指纹”来分辨矿物质分子。根据这种方法,可以将小行星按其光谱特性和颜色(有时也结合反照率)进行分类。比如龙宫是C型小行星,也叫碳质小行星,是最普遍的一种小行星,占小行星总数的75%。它们一般距离太阳较远,由于表面温度长时间偏低,很可能含有水。也因为受热变化的程度更低,它被认为含有比之前“隼鸟”号的目标系川更为古老的物质。另一个小行星采集项目OSIRIS-Rex的目标 Bennu是一颗B型小行星 ,属于C型的一个子类,同样具有含碳量高,反照率低,年代古老等特点。

  样本回收之路不轻松

  回收小行星样品就像送外卖盒饭一样,不光要拿到手还要保证品质。在隼鸟项目中,颗粒样品被保存在一个密封的高纯度氮气环境的洁净室内,以防止空气造成的污染。此外还要隔绝微生物的污染,比如在Bennu的采样计划中,科学家们计划利用氮气吹扫,防止样品在返回地球时被地面微生物的污染。探测器返回地球后,被弹出的样品胶囊在穿过大气层的过程中,所处的高温环境也可能加热样品使之变质,因此胶囊上通常有隔热盾来维持舱内的温度。

  之前隼鸟项目对于储存胶囊的工艺也是一个很好的测试。观测胶囊在大气层中经过时周围的温度变化有助于科学家们测试隔热盾的性能,也为后续的项目设计提供了宝贵的经验。

  在采集过程中,也可能涉及到星际污染的问题。目前科学家们主要专注于寻找与生命起源相关的有机分子,这其中尚不包括对外来生物体的研究计划,也不希望其他星球上的生物体随随便便地蹭车回到地球上。不过理论上这种事情发生的概率极低,因为小行星上的高剂量辐射会迅速杀灭任何生物体。

  (作者系香港大学地球科学系博士后)



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