人类无法容忍自己的无知

应地球科学与工程学院张爱铖教授邀请,日本北海道大学Shogo
Tachibana教授于11月17-18日在地球科学与工程学院进行了学术访问,并为师生作了题为Hayabusa2:
Sample return from a C-type near Earth asteroid
Ryugu的学术报告。访问期间,Tachibana教授还与张爱铖教授就加强天体化学相关的科研合作和研究生培养可能性进行了深入讨论。

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报告中,Tachibana教授先介绍了自己的学术背景和小行星探测的重要意义。Tachibana教授概括地介绍了日本Hayabusa计划对小行星Itokawa的探测成果,着重介绍了Hayabusa2探测计划的科学目标、探测器携带的科学载荷、采样相关的技术设计和已经开展的准备工作。报告结束后,他和与会的教师及学生进行了热烈的学术讨论。

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Tachibana教授于2000年获得日本大阪大学实验天体化学博士学位,之后在东京大学和美国亚利桑那州立大学从事博士后研究,2003年成为东京大学助理教授,2012年开始就职于北海道大学,现为该校地球化学方向副教授。他是2008年国际陨石学会Nier
Prize获奖者,2016年应邀在Goldschmidt大会上作Paul W.
Gast讲座。Tachibana教授现在是日本JAXA小行星样品返回计划Hayabusa2负责采样和样品分析的首席科学家,也是美国NASA样品返回计划OSIRIS-Rex的共同研究者。

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文/陆渐

Tachibana教授在作学术报告Tachibana教授在作学术报告

2019年3月7日,NASA的OSIRIS-REx探测器(全名为“太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者”,2016年9月8日发射)
PolyCam相机拍摄到了Bennu小行星的近距离图像,当时的距离大约为5公里。拍到的这片区域位于Bennu南半球,小行星表面比之前预测的要粗糙不少,石块清晰可见,这些特征或许会给着陆采样增加不少难度。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

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位于图片中心下方的浅色大石头约7.4米宽(图:www.asteroidmission.org)

1月19日,OSIRIS-Rex还拍到了一张震撼性的照片:Bennu的表面在喷射粒子羽流!人们通常认为,彗星才会由于太阳光照作用而喷射物质。1月6日发现粒子羽流后不久,任务科学小组增加了观测频率,随后在接下来的两个月里发现了更多的粒子羽流。尽管许多粒子被喷射出来,研究小组追踪了一些粒子后发现,这些粒子会像卫星一样绕着Bennu转动,之后再重新落回Bennu表面。

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Bennu表面喷射粒子的照片

(由NavCam 1成像仪拍摄的两张照片合成,图:www.asteroidmission.org)

揭开小行星的神秘面纱

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一般而言,小行星是指围绕太阳运行的体积较小的非彗星天体,是至今发现数量最多的太阳系天体,其中C型小行星数量最多。小行星通常被科学家认为是太阳系形成后原始太阳星云凝聚出的物质残余,很可能保留着原始太阳系信息。

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Rosetta探测器拍摄的小行星Lutetia

太阳系内的小行星主要分布在两处:火星和木星之间的小行星带,也叫主小行星带,集中了约90%的小行星;另一部分位于火星轨道之内,理论上有可能与地球相撞,称为近地小行星。除此之外,太阳系其他位置小行星分布数量较少。迄今为止,已发现了约78.9万颗小行星,其中约有1万多颗为近地小行星。

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白色显示的即为主小行星带,位于火星和木星轨道之间

小行星与其说是天体,其实更近似于碎石堆,组织比较松散。它们具有一些基本特征:大多形状不规则,表面特征跟复杂;体积小,质量也很小,因此产生的引力很弱(10-4m/s2~10-1m/s2);受其他大型天体的引力综合作用,小行星公转轨道演化规律复杂,自旋状态也同样复杂。

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Bennu的直径与帝国大厦和埃菲尔铁塔(图:www.asteroidmission.org)

最早人类只能依靠望远镜、摄影技术来发现和观测小行星,而现在深空探测技术、无线电技术能够更好地帮助人类认识小行星,这其中的光谱类型研究已经是分析小行星成分和起源的重要线索。

为什么要探测小行星?

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人类的好奇心永无止境。面对数量巨大的小行星天体,人类怎么可能容许自己对其一无所知?即便从功能上来说,目前小行星也已经被建议作为未来的地球资源来使用——可以成为罕见原料的采矿场,也可能是太空基地的修建材料。所以,小行星探测本身具有巨大的科学意义和工程价值。

其一,小行星探测能够同时在基础科学问题和工程问题两方面推动新发展与新突破。小行星所携带的太阳系形成早期的物质,能够推动太阳系起源和行星演化、生命起源等基础科学问题的突破,而研究小行星过程中的航天动力学与控制方面的进展,能够推动小行星撞击与防御等重大工程问题的解决,消除对地球撞击的潜在威胁。

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Eros、Vesta与Ceres大小对比

其二,小行星探测能够验证深空探测领域的新技术,提升人类整体的空间技术能力。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”航天领域新技术、新途径的提出与发展离不开实际验证,而小行星探测作为一门综合难度极高的复杂学科,能够全面检验和提高人类的空间技术能力。某些小行星蕴含的丰富矿产资源,其开发利用也有助于缓解地球的资源紧张,提高人类征服太空的能力。

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小行星重定向任务原型机示意图

但小行星探测技术极端复杂,难度极高。到目前为止,仅有美国、欧空局、日本以及中国在探测地外小行星上迈出了步伐。总体来看,要探测小行星,难点在于:

——高效、变功率的小推力推进技术及深空导航技术,解决的是如何制导规划、如何到达的问题;

——小行星本身不规则的形状和引力场、复杂的强扰动环境,需要解决如何探测、如何着陆的问题;

——松散的弱引力碎石堆和散颗粒地貌,采样器与小行星低速、中速、高速下的冲击,需要解决如何采样、如何返回的问题。

人类开展了哪些探测活动?

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人类对小行星的探测活动已历30多年,大致可以分为三个阶段:初级阶段:对小行星的外形及部分物理特性的观测,探测活动以“飞越”为主;中级阶段:对小行星的物理特性等进行深入了解与分析,探测活动以“环绕-附着-采样”的为主;高级阶段:对小行星的运动进行控制或对其物质进行开发利用,探测活动以“偏转-操控-利用”的位置。

NEAR任务—美国

NEAR探测器于1996年发射,2000年到达,距离Eros小行星表面35km的绕飞轨道,对Eros进行了全面观测,并于2001年2月成功软着陆。整个任务对Eros小行星的形状、质量分布、磁场、自转、成分和地质等进行详尽探测。这是国际首次小行星环绕、着陆探测任务。

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艺术家设想的NEAR探测任务

Hayabusa任务—日本

Hayabusa探测器于2003年发射,2005年7月到达大小约500米的Itokawa小行星,释放目标标定球和探测器MINERVA,并在2010年6月携带着采样返回地球。本体于大气层烧毁,而内含样本的隔热胶囊与本体分离后在澳大利亚内陆着陆。这是人类第一次对地球有威胁性的小行星进行物质搜集的研究,也是国际首次小行星采样返回任务。

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画家笔下的Hayabusa和它搭载的MINERVA探测器

Rosetta任务—欧空局

Rosetta探测器于2004年发射,其所携带的Philae登陆器于2014年11月12日在67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星上着陆。在飞向彗星的图中,探测器还完成了两颗小行星飞越任务。Rosetta任务全面探测彗星的物理、化学和地质特性,飞越了主小行星带并探测其基本特性。这是国际首次环绕并着陆在彗星表面的任务。

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Rosetta在 2004–16年间的运行轨迹

CE-2飞越探测小行星—中国

2012年12月,CE-2探测器在国际上首次实现了从L2点飞越小行星的轨道转移,并成功飞越4179号Toutatis小行星,最近距离仅为3.2公里,并获取最高分辨率3m的光学彩色图像。这是国际上首次近距离飞越Toutatis,中国成为第四个实现小行星探测的国家,此次飞越为中国深入开展小行星探测奠定了必要的工程实践基础。

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CE-2飞行轨迹

亚洲城官网,New Horizons任务—美国

New
Horizons探测器于2006年发射,2015年7月飞掠矮行星冥王星,继而飞向柯伊伯带。它是第一艘飞越和研究冥王星及其卫星的探测器。2019年1月1日,New
Horizons近距离飞掠Ultima Thule小行星进行探测。New
Horizons获得清晰的冥王星及其系统的光学图像分布,发现冥王星有蓝色大气层,并探测到水冰暴露的区域。New
Horizons还承担国际首次柯伊柏带小行星的探测任务。

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New Horizons轨道与冥王星、Ultima Thule( 2017MU69)(图:Wiki

Dawn任务—美国

Dawn
探测器于2007年发射,目的是探索小行星带最大的两颗原行星:Vesta小行星与Ceres矮行星,是第一架环绕矮行星的探测器,也是首枚在任务期间成功进入两颗太阳系天体轨道的探测器,2011年7月到达灶神星,2015年3月到达谷神星。Dawn探测器构建了灶神星的三维地形模型,并发现Ceres可能存在液体。此次任务是国际首次主小行星带的环绕探测。

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Dawn任务

Hayabusa 2任务—日本

Hayabusa
2任务是Hayabusa任务的后续计划,于2014年12月发射,探测大小约900米的Ryugu小行星。2019年2月22日,Hayabusa
2成功在Ryugu表面着陆。之后Hayabusa
2将会返航,日本将再一次完成小行星取样返回任务。JAXA团队指出,Hayabusa
2的近红外光谱仪观测到“含水矿物”广泛分布于Ryugu表面,这意味着小行星撞击地球、使地球诞生生命及海洋的说法又获得一项有利证据。

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Hayabusa 2

OSIRIS-Rex任务—美国

OSIRIS-Rex(欧西里斯号或冥王号)探测器于2016年9月8日发射,任务是研究Bennu小行星——一颗含碳的近地小行星,并在2023年将样本送回地球进行详细分析。这颗小行星被视为潜在威胁天体,是有可能会撞击地球的小天体之一。如果成功,OSIRIS-REx将是首枚从小行星带回样本的美国航天器,也是继日本的Hayabusa后第二枚将小行星样本送回地球的探测器。

未来的小行星探测

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从世界范围已进行及计划中的任务来看,未来小行星探测的方式将由飞越、环绕、着陆、采样发展到捕获、操控与载人登陆,而在探测范围上,将由近地小行星(NEAR、Hayabusa
2、OSIRIS-Rex)发展到主小行星带以及木星特洛伊群和柯伊伯小行星带(NEW
Horizons),探测目标的类型由S类、M类、C类逐渐扩大到D类、P类。

从功能分析来看,未来小行星探测的热点仍将在于地球防御和资源利用:

——地球防御:需要长期观测与跟踪,精确的轨道预报和结构探测等为规避提供最准确的消息;需要有效而快速的防御策略消除撞击地球的威胁,如动能撞击、核弹爆破、引力拖车、太阳帆牵引、太阳聚光器、抵近喷涂、安装质量驱动器等;

——资源利用:如水可用于深空探测生存需要,矿物质可用于加工原材料,稀有金属可用于工业生产等。不仅许多国家在积极开展研究,如美国的ACR(小行星捕获返回,Asteroid
Capture Return)任务、ARM(小行星重定向,Asteroid Redirect
Mission)任务等,不少商业公司也在用市场化的方式提出方案,如2010年成立的行星资源公司将对富金属的小行星进行实地探测和开采并运送回地球;2012年成立的Deep
Space
Industries将发射一系列小行星探测器进入太阳系探寻资源,在近地空间对资源进行分类和提炼。

*也有学者对此产生疑问,以目前的技术展望,小行星资源只适合原位利用,开采并运回地球成本太高,并不具备商业价值。况且小行星上的矿物,没有什么是地球上没有的,数量上也还未到如此紧迫的时候。所以,小行星资源作为星际航行中的补给资源更加合理。

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Deep Space Industries提出的捕获小行星示意图(图:深空工业公司官网)

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猎户座飞船接近小行星捕获机械舱段的示意图

参考资料:

1]

2]

*特别鸣谢北京理工大学深空探测技术研究所李翔宇博士的友情帮助*

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