“小行星數量龐大，種類(lèi)繁多。”李爽在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，針對小行星組成物質(zhì)、物理特征等的科學(xué)探測，對于研究太陽(yáng)系演化、生命起源等科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。同時(shí)，地球附近存在大量潛在危險小行星，相關(guān)探測任務(wù)可以驗證小行星防御技術(shù)，提升小行星防御能力。

　　美國“新視野”號探測器在今年元旦成功近距離飛越了太陽(yáng)系邊緣小天體“天涯海角”。探測器在此過(guò)程中收集的數據正緩慢傳回地球。近日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了研究團隊利用已返回的 10% 數據獲得的首批研究成果。

　　“天涯海角”編號為 2014 MU69，位于太陽(yáng)系邊緣柯伊伯帶(KBOs)，是人類(lèi)造訪(fǎng)的最遠的一個(gè)天體。“此次 KBOs 之旅是迄今為止對這些原始冰冷天體的最佳觀(guān)測時(shí)機。”美國亞利桑那州洛威爾天文臺項目聯(lián)合調查員 Will Grundy 說(shuō)。

　　“從來(lái)沒(méi)有一個(gè)探測器像‘新視野’號一樣，這么近距離地去看一個(gè) KBOs 的天體，去看如此遙遠、如此原始的星子。”中科院紫金山天文臺研究員季江徽在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“它就像一個(gè)‘時(shí)間膠囊’，可以告訴我們太陽(yáng)系在 46 億年前形成之初的信息。”

　　“因為要考驗的技術(shù)很多，所以小行星探測是一種高風(fēng)險、高難度，但成果也非常多的空間任務(wù)。”季江徽說(shuō)。對此，南京航空航天大學(xué)航天新技術(shù)實(shí)驗室教授李爽也表示，小行星探測任務(wù)周期長(cháng)、挑戰性強，可以推動(dòng)深空探測技術(shù)的發(fā)展。

　　最遙遠的“邂逅”

　　“天涯海角”距離太陽(yáng)約 67 億千米，比冥王星還遠 16 億千米。作為史上最快速的探測器，“新視野”號速度可達 16.26 千米/秒，但自 2006 年 1 月發(fā)射升空后，花了 13 年時(shí)間才到達“天涯海角”。

　　這顆天體外形像一個(gè)“小雪人”，由相接的雙星構成。“天涯”較大且扁平，“海角”較小呈圓形，它們被一個(gè)“頸部”連接著(zhù)，總長(cháng)約 36 千米。研究人員推測，它們曾是兩個(gè)互相環(huán)繞的天體，在一次輕微碰撞中結合在一起。

　　據了解，這是迄今發(fā)現的第一個(gè)保存完好的星子——行星吸積階段的先驅小天體。“太陽(yáng)星云充滿(mǎn)了氣體和塵埃，是形成行星的最基本的環(huán)境。小的塵埃會(huì )慢慢黏在一起，從厘米級、分米級慢慢長(cháng)成米級、千米級大小的星子。”季江徽解釋。

　　他補充道，在引力作用下，星子繼續生長(cháng)會(huì )形成體積介于星子和行星之間的“行星胚胎”，達到上千千米的量級，如谷神星和灶神星。在此基礎上進(jìn)一步形成火星、地球等類(lèi)地行星，再進(jìn)一步吸積原行星盤(pán)里的氣體就會(huì )形成類(lèi)似木星的氣態(tài)巨行星，或是天王星、海王星一類(lèi)的冰巨行星。

　　這顆星子同時(shí)屬于 KBOs 的一批“冷經(jīng)典”天體，它們被認為是來(lái)自太陽(yáng)系早期原始物質(zhì)的剩余物，其軌跡似乎因為太陽(yáng)系外圍巨行星的存在而相對平靜。研究發(fā)現，“天涯海角”沒(méi)有衛星、光環(huán)、瞬態(tài)大氣，也沒(méi)有氣體排放或塵埃，沒(méi)有任何跡象表明相對較近的擾動(dòng)。

　　“它已經(jīng)存在了近 40 億年，一直處于零下 240℃的極寒冷凍狀態(tài)。”美國科羅拉多州博爾德市西南研究所的“新視野”號首席研究員 Alan Stern 說(shuō)，“所以是太陽(yáng)系誕生后被完好保存的一個(gè)遺物，以前從未有人觸及這里。”

　　數據分析發(fā)現，“天涯海角”表面最大的洼地寬 8 千米，研究團隊將其取名為“馬里蘭隕石坑”。其星體呈淡紅色，比冥王星更紅，是太陽(yáng)系顏色最紅的天體。研究者認為，這可能是由輻射分解簡(jiǎn)單分子產(chǎn)生的有機大分子，也可能是由太空風(fēng)化的硅酸鹽造成的，盡管沒(méi)有直接證據表明 MU69 上有硅酸鹽。

　　“小不點(diǎn)”大熱度

　　1991 年，美國發(fā)射的“伽利略”木星探測器對 951 號 Gaspra 小行星進(jìn)行了飛越探測，這是人類(lèi)第一次近距離觀(guān)測小行星。由此計算，國際上小天體(主要包括小行星和彗星)探測已有近 30 年歷程。此后，美、歐、日和中國先后完成了各自獨特的標志性任務(wù)，實(shí)現了飛越、繞飛、采樣返回等多種方式探測，包括日本“隼鳥(niǎo)”號、美國“黎明”號、歐洲“羅塞塔”號。

　　中國嫦娥二號探測器近距離飛越小行星圖塔蒂斯，實(shí)現首次小行星飛越觀(guān)測，并獲取最高分辨率 3 米的光學(xué)彩色圖像。“這使中國成為繼美、歐、日之后第 4 個(gè)實(shí)施小行星探測的國家。”季江徽說(shuō)。

　　“小行星數量龐大，種類(lèi)繁多。”李爽在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)曾說(shuō)，針對小行星組成物質(zhì)、物理特征等的科學(xué)探測，對于研究太陽(yáng)系演化、生命起源等科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。同時(shí)，地球附近存在大量潛在危險小行星，相關(guān)探測任務(wù)可以驗證小行星防御技術(shù)，提升小行星防御能力。

　　“小行星的危害，從過(guò)去到最近乃至于將來(lái)都始終存在。”季江徽舉例說(shuō)，早一些的例子有白堊紀生物大滅絕，近一些的有 1908 年俄羅斯通古斯大爆炸。特別是 2013 年 2 月的車(chē)里雅賓斯克事件，直徑數十米的小行星在空中裂解形成“隕石雨”，導致 1200 多人受傷、數千幢房屋被毀。

　　國內外都不乏相關(guān)探測。貝努小行星就是其中之一。美國國家航空航天局認為，貝努在 2175 年至 2199 年之間撞擊地球的可能性為1/2700。美國“冥王”號探測器計劃在 2020 年獲取這個(gè)直徑約 500 米小行星的樣品。貝努成為研究目標的另一個(gè)重要原因在于其可能存在氨基酸等有機分子，有助探索地球生命起源以及太陽(yáng)系的形成與演化。

　　地面監測對于探測危險的小行星亦不可或缺。在國內，自 2006 年以來(lái)，中科院紫金山天文臺位于江蘇盱眙的專(zhuān)門(mén)用于監測發(fā)現近地天體的望遠鏡已發(fā)現了 20 多個(gè)威脅性的近地小行星。這個(gè)直徑 1.2 米口徑的望遠鏡還代表中國加入聯(lián)合國的國際近地天體觀(guān)測網(wǎng)(IAWN)，為監測外太空危險的主干設備之一。“我們正在推進(jìn)一個(gè)口徑為 2.5 米的大視場(chǎng)光學(xué)巡天望遠鏡，目標也是監測一些小行星，建成后可能會(huì )落放在西部。”季江徽透露。

　　此外，探測小行星還有助于資源開(kāi)發(fā)。他表示，太空任務(wù)非常昂貴，將來(lái)人類(lèi)或許能在小行星上面直接開(kāi)發(fā)提純水，相比于資源、稀有金屬，這更加重要。谷歌、騰訊等公司的前瞻性研究已經(jīng)開(kāi)始了。

　　季江徽還暢想了未來(lái)在太空旅行中造訪(fǎng)小行星。“從冥王星發(fā)現到現在 100 多年，我們都已經(jīng)成功地飛越它了，而且飛越了一個(gè) KBOs 天體——‘天涯海角’。再過(guò) 50 年，人類(lèi)去小行星旅行或者去火星居住或許不再是一個(gè)空想。今天的這些努力，都會(huì )為明天做鋪墊。”他說(shuō)。

　　造訪(fǎng)并不簡(jiǎn)單

　　正因如此，美國國家航空航天局在其下一輪低成本行星科學(xué)任務(wù)序列“發(fā)現”任務(wù)中，計劃訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)神秘小行星：2021 年發(fā)射“露西”號，飛越探測木星的 6 顆特洛伊小行星;2023 年發(fā)射“靈神”號，環(huán)繞同名的鐵鎳小行星靈神星運行。

　　無(wú)論是出于何種原因，造訪(fǎng)這些小行星并不簡(jiǎn)單。“如何從眾多小行星中選擇合適的目標是小行星探測首先需要考慮的問(wèn)題。”李爽說(shuō)，而且小行星的軌道差異較大，存在高傾角、大偏心率等情況，極大地增加了探測任務(wù)的能耗。如何利用引力助推、電推進(jìn)等技術(shù)實(shí)現低成本快速轉移是目前小行星探測的難點(diǎn)之一。

　　小行星由于體積較小、質(zhì)量輕、形狀不規則，形成了弱引力場(chǎng)，而且對于多星系統，引力場(chǎng)的復雜度將進(jìn)一步提升。“針對小行星特殊動(dòng)力學(xué)環(huán)境下的任務(wù)軌道設計和附著(zhù)采樣技術(shù)，也是目前小行星探測技術(shù)的困難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。”李爽說(shuō)。

　　“‘羅塞塔’號探測器就是把菲萊著(zhù)陸器釋放到彗星上，這涉及到小天體的附著(zhù)技術(shù)。因為小行星非常小，引力非常微弱，實(shí)現附著(zhù)非常困難。”季江徽說(shuō)。

　　在漫長(cháng)的太空探索之旅中，燃料的約束也是技術(shù)挑戰之一。以新視野號為例，由于冥王星和柯伊伯帶遠離太陽(yáng)，太陽(yáng)能電池無(wú)法滿(mǎn)足其能量供應。研究人員為其配備了一臺核能發(fā)電機，內裝 10.9 千克二氧化钚，其中的钚-238 衰變時(shí)會(huì )釋放出熱量，通過(guò)溫差發(fā)電提供穩定的電力。

　　此外，季江徽指出，還有通信、自主導航、地面導引等問(wèn)題都亟待解決。比如探測器進(jìn)行了科學(xué)勘察，怎么把科學(xué)數據高效傳回來(lái)?如何在深空進(jìn)行自主導航?怎樣通過(guò)地面觀(guān)測進(jìn)行軌道調整、尋找探測目標?這些挑戰都在考驗一項任務(wù)能否圓滿(mǎn)完成。

　　呼喚中國“路線(xiàn)圖”

　　繼嫦娥二號飛越圖塔蒂斯之后，隨著(zhù)深空探測綜合實(shí)力的增強，中國的小行星探測計劃已經(jīng)浮出水面。

　　日前，中國國家航天局發(fā)布公告稱(chēng)，小行星探測任務(wù)將采用長(cháng)征三號乙運載火箭在西昌衛星發(fā)射中心發(fā)射。探測器攜帶科學(xué)載荷，對近地小行星 2016 HO3 開(kāi)展繞飛探測，隨后擇機附著(zhù)小行星表面并采集小行星樣品，之后返回地球附近釋放返回艙，將小行星樣品送回地球，這一過(guò)程大約在 3 年內完成。

　　根據計劃，探測器或將于 2024 年發(fā)射。“2016 HO3 是美國夏威夷天文望遠鏡 2016 年發(fā)現的。它繞太陽(yáng)公轉的周期幾乎和地球一樣，為 366 天。”季江徽介紹，這顆小行星看上去總是和地球不離不棄，距離地球大約 38~100 倍地月距離圍著(zhù)地球轉。

　　在上述探測任務(wù)完成后，探測器經(jīng)地球、火星借力，經(jīng)歷約 7 年時(shí)間飛行到達小行星帶，對主帶彗星 133P 開(kāi)展繞飛探測。探測器配置相關(guān)科學(xué)載荷，以飛越、伴飛、附著(zhù)、采樣返回等方式，對目標小行星進(jìn)行遙感探測、就位探測和采樣返回。

　　“這是由中國政府發(fā)起，面向國際公開(kāi)征集科學(xué)載荷和搭載項目方案的任務(wù)。”季江徽說(shuō)，實(shí)際上，這種合作模式在國際上非常普遍，中國在航天方面也要以開(kāi)放包容的態(tài)度與各國合作，這樣既可以吸取其他國家的優(yōu)秀技術(shù)，也能為人類(lèi)航空事業(yè)盡一份力。

　　面對未來(lái)，季江徽有兩個(gè)愿景。一方面，他希望我國能夠醞釀和計劃一個(gè)完整的小天體探測路線(xiàn)圖，以科學(xué)目標為牽引結合工程技術(shù)創(chuàng )新，系統布局未來(lái)國家小天體探測任務(wù)。“日、美小行星探測都有非常清晰的路線(xiàn)圖。美國是由近及遠，從近地到主帶再到柯伊伯帶的小行星;日本是從S型、C型再到D型，探測的小行星越來(lái)越原始。”他說(shuō)，“我們要追趕別人，需要起點(diǎn)更高，比別人做得更好。”

　　另一方面，他期待我國可以在科學(xué)、技術(shù)和工程方面組織一個(gè)高效的小天體探測科學(xué)團隊，由科技“國家隊”中科院牽引，并與國內高校等其他單位協(xié)同創(chuàng )新，及時(shí)地把探測數據變成科學(xué)成果，同時(shí)大幅帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
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