▲美國(guó)國(guó)家航空航天局找到“新視野”號(hào)下一個(gè)目標(biāo)。圖片來(lái)源：《科學(xué)》

　　科學(xué)報(bào)報(bào)記者馮麗妃

　　“小行星數(shù)量龐大，種類繁多。”李爽在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，針對(duì)小行星組成物質(zhì)、物理特征等的科學(xué)探測(cè)，對(duì)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(xiǎn)小行星，相關(guān)探測(cè)任務(wù)可以驗(yàn)證小行星防御技術(shù)，提升小行星防御能力。

　　美國(guó)“新視野”號(hào)探測(cè)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(cè)器在此過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)正緩慢傳回地球。近日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了研究團(tuán)隊(duì)利用已返回的 10% 數(shù)據(jù)獲得的首批研究成果。

　　“天涯海角”編號(hào)為 2014 MU69，位于太陽(yáng)系邊緣柯伊伯帶（KBOs），是人類造訪的最遠(yuǎn)的一個(gè)天體。“此次 KBOs 之旅是迄今為止對(duì)這些原始冰冷天體的最佳觀測(cè)時(shí)機(jī)。”美國(guó)亞利桑那州洛威爾天文臺(tái)項(xiàng)目聯(lián)合調(diào)查員 Will Grundy 說(shuō)。

　　“從來(lái)沒(méi)有一個(gè)探測(cè)器像‘新視野’號(hào)一樣，這么近距離地去看一個(gè) KBOs 的天體，去看如此遙遠(yuǎn)、如此原始的星子。”中科院紫金山天文臺(tái)研究員季江徽在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(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?yàn)橐简?yàn)的技術(shù)很多，所以小行星探測(cè)是一種高風(fēng)險(xiǎn)、高難度，但成果也非常多的空間任務(wù)。”季江徽說(shuō)。對(duì)此，南京航空航天大學(xué)航天新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室教授李爽也表示，小行星探測(cè)任務(wù)周期長(zhǎng)、挑戰(zhàn)性強(qiáng)，可以推動(dòng)深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

　　最遙遠(yuǎn)的“邂逅”

　　“天涯海角”距離太陽(yáng)約 67 億千米，比冥王星還遠(yuǎn) 16 億千米。作為史上最快速的探測(cè)器，“新視野”號(hào)速度可達(dá) 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(dá)“天涯海角”。

　　這顆天體外形像一個(gè)“小雪人”，由相接的雙星構(gòu)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，總長(zhǎng)約 36 千米。研究人員推測(cè)，它們?cè)莾蓚€(gè)互相環(huán)繞的天體，在一次輕微碰撞中結(jié)合在一起。

　　據(jù)了解，這是迄今發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)保存完好的星子——行星吸積階段的先驅(qū)小天體。“太陽(yáng)星云充滿了氣體和塵埃，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(jí)、分米級(jí)慢慢長(zhǎng)成米級(jí)、千米級(jí)大小的星子。”季江徽解釋。

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

　　這顆星子同時(shí)屬于 KBOs 的一批“冷經(jīng)典”天體，它們被認(rèn)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?yàn)樘?yáng)系外圍巨行星的存在而相對(duì)平靜。研究發(fā)現(xiàn)，“天涯海角”沒(méi)有衛(wèi)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(duì)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(guó)科羅拉多州博爾德市西南研究所的“新視野”號(hào)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(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，“天涯海角”表面最大的洼地寬 8 千米，研究團(tuán)隊(duì)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(rèn)為，這可能是由輻射分解簡(jiǎn)單分子產(chǎn)生的有機(jī)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(jù)表明 MU69 上有硅酸鹽。

　　“小不點(diǎn)”大熱度

　　1991 年，美國(guó)發(fā)射的“伽利略”木星探測(cè)器對(duì) 951 號(hào) Gaspra 小行星進(jìn)行了飛越探測(cè)，這是人類第一次近距離觀測(cè)小行星。由此計(jì)算，國(guó)際上小天體（主要包括小行星和彗星）探測(cè)已有近 30 年歷程。此后，美、歐、日和中國(guó)先后完成了各自獨(dú)特的標(biāo)志性任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了飛越、繞飛、采樣返回等多種方式探測(cè)，包括日本“隼鳥”號(hào)、美國(guó)“黎明”號(hào)、歐洲“羅塞塔”號(hào)。

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

　　“小行星數(shù)量龐大，種類繁多。”李爽在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)曾說(shuō)，針對(duì)小行星組成物質(zhì)、物理特征等的科學(xué)探測(cè)，對(duì)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(xiǎn)小行星，相關(guān)探測(cè)任務(wù)可以驗(yàn)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(jì)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?yán)镅刨e斯克事件，直徑數(shù)十米的小行星在空中裂解形成“隕石雨”，導(dǎo)致 1200 多人受傷、數(shù)千幢房屋被毀。

　　國(guó)內(nèi)外都不乏相關(guān)探測(cè)。貝努小行星就是其中之一。美國(guó)國(guó)家航空航天局認(rèn)為，貝努在 2175 年至 2199 年之間撞擊地球的可能性為1/2700。美國(guó)“冥王”號(hào)探測(cè)器計(jì)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(biāo)的另一個(gè)重要原因在于其可能存在氨基酸等有機(jī)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(jiān)測(cè)對(duì)于探測(cè)危險(xiǎn)的小行星亦不可或缺。在國(guó)內(nèi)，自 2006 年以來(lái)，中科院紫金山天文臺(tái)位于江蘇盱眙的專門用于監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)近地天體的望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡還代表中國(guó)加入聯(lián)合國(guó)的國(guó)際近地天體觀測(cè)網(wǎng)（IAWN），為監(jiān)測(cè)外太空危險(xiǎn)的主干設(shè)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(yuǎn)鏡，目標(biāo)也是監(jiān)測(cè)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(cè)小行星還有助于資源開發(fā)。他表示，太空任務(wù)非常昂貴，將來(lái)人類或許能在小行星上面直接開發(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)開始了。

　　季江徽還暢想了未來(lái)在太空旅行中造訪小行星。“從冥王星發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)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)。

　　造訪并不簡(jiǎn)單

　　正因如此，美國(guó)國(guó)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(xiàn)”任務(wù)中，計(jì)劃訪問(wèn)兩個(gè)神秘小行星：2021 年發(fā)射“露西”號(hào)，飛越探測(cè)木星的 6 顆特洛伊小行星；2023 年發(fā)射“靈神”號(hào)，環(huán)繞同名的鐵鎳小行星靈神星運(yùn)行。

　　無(wú)論是出于何種原因，造訪這些小行星并不簡(jiǎn)單。“如何從眾多小行星中選擇合適的目標(biāo)是小行星探測(cè)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(cè)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(xiàn)低成本快速轉(zhuǎn)移是目前小行星探測(cè)的難點(diǎn)之一。

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

　　“‘羅塞塔’號(hào)探測(cè)器就是把菲萊著陸器釋放到彗星上，這涉及到小天體的附著技術(shù)。因?yàn)樾⌒行欠浅Ｐ。Ψ浅Ｎ⑷酰瑢?shí)現(xiàn)附著非常困難。”季江徽說(shuō)。

　　在漫長(zhǎng)的太空探索之旅中，燃料的約束也是技術(shù)挑戰(zhàn)之一。以新視野號(hào)為例，由于冥王星和柯伊伯帶遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)能電池?zé)o法滿足其能量供應(yīng)。研究人員為其配備了一臺(tái)核能發(fā)電機(jī)，內(nèi)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(wěn)定的電力。

　　此外，季江徽指出，還有通信、自主導(dǎo)航、地面導(dǎo)引等問(wèn)題都亟待解決。比如探測(cè)器進(jìn)行了科學(xué)勘察，怎么把科學(xué)數(shù)據(jù)高效傳回來(lái)？如何在深空進(jìn)行自主導(dǎo)航？怎樣通過(guò)地面觀測(cè)進(jìn)行軌道調(diào)整、尋找探測(cè)目標(biāo)？這些挑戰(zhàn)都在考驗(yàn)一項(xiàng)任務(wù)能否圓滿完成。

　　呼喚中國(guó)“路線圖”

　　繼嫦娥二號(hào)飛越圖塔蒂斯之后，隨著深空探測(cè)綜合實(shí)力的增強(qiáng)，中國(guó)的小行星探測(cè)計(jì)劃已經(jīng)浮出水面。

　　日前，中國(guó)國(guó)家航天局發(fā)布公告稱，小行星探測(cè)任務(wù)將采用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。探測(cè)器攜帶科學(xué)載荷，對(duì)近地小行星 2016 HO3 開展繞飛探測(cè)，隨后擇機(jī)附著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(nèi)完成。

　　根據(jù)計(jì)劃，探測(cè)器或?qū)⒂?2024 年發(fā)射。“2016 HO3 是美國(guó)夏威夷天文望遠(yuǎn)鏡 2016 年發(fā)現(xiàn)的。它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)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 倍地月距離圍著地球轉(zhuǎn)。

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

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

　　面對(duì)未來(lái)，季江徽有兩個(gè)愿景。一方面，他希望我國(guó)能夠醞釀和計(jì)劃一個(gè)完整的小天體探測(cè)路線圖，以科學(xué)目標(biāo)為牽引結(jié)合工程技術(shù)創(chuàng)新，系統(tǒng)布局未來(lái)國(guó)家小天體探測(cè)任務(wù)。“日、美小行星探測(cè)都有非常清晰的路線圖。美國(guó)是由近及遠(yuǎn)，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(cè)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(guó)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(cè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)，由科技“國(guó)家隊(duì)”中科院牽引，并與國(guó)內(nèi)高校等其他單位協(xié)同創(chuàng)新，及時(shí)地把探測(cè)數(shù)據(jù)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。

　　相關(guān)論文信息：

　　DOI: 10.1126/science.aaw9771

總結(jié)

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