這顆小行星可能撞上地球，所以NASA剛剛向它發射了個探測器

科技 09-10

本文來自《環球科學》2016年9月號，未經授權謝絕轉載。

北京時間今天早晨，美國宇航局的小行星採樣探測器OSRIS-REx自肯尼迪航天中心升空，目標是小行星「貝努」，探測期間還將採集該小行星的樣本送回地球。OSIRIS-REx對小行星貝努的探索既可以解答有關我們遙遠過去的問題，也可以為保衛我們的將來提供重要信息。

撰文 ?丹特 · S · 勞雷塔（Dante S. Lauretta）

翻譯?張翔?季江徽

已知對人類最具威脅的小行星是在1999年發現的。它在太空中沿著一條不穩定的軌道翻滾前進，其軌道與地球繞日公轉軌道周期性地交會。天文學家將這個直徑0.5千米的天體命名為貝努（Bennu），這是埃及神話中一位創世之神的名字。這也算名副其實：貝努富含有機物和富水礦物，如果它落到一個貧瘠的行星上，就可能撒播下生命的種子。反過來，它也可能引發巨大的災難。天文學家估計，在2135年，貝努會再一次掠過地球，那時它會比月球更接近地球。這次飛掠可能改變此小行星的軌道，使它在22世紀末期撞上地球。

沒人能預測貝努會落到地球上的什麼地方，但一些基本的計算表明，這次撞擊釋放的能量大概相當於30億噸TNT炸藥。如果貝努在2135年飛掠地球時，將是「小行星撞地球」事件的開端，那麼全球領導人大致有兩種選擇來避免災難：在全世界範圍內大面積疏散民眾，或者發射飛行器，設法讓小行星轉向。而要弄清楚得疏散多少人，或者執行多大規模的航天任務，100多年後的決策者們在某種程度上得依賴今天的數據——由美國航空航天局（NASA）於今年9月發射的探測器所收集到的數據。這個名為OSIRIS-REx的探測器將肩負這樣的重要使命探測貝努，並攜帶貝努的樣本返回地球。

這顆小行星可能撞上地球，所以NASA剛剛向它發射了個探測器

OSIRIS-REx前往貝努的旅程將在2016年9月開始，在此之前，這個項目已經籌划了12年。探測器首先裝配完成，然後在洛克希德·馬丁公司設在科羅拉多州利特爾頓的真空室和聲學實驗室中進行測試。

OSIRIS-REx的目標

作為太陽系形成過程的殘餘物，小行星是來自遙遠過去的使者。它們攜帶著獨一無二的信息，記錄著比地球的地質記錄還早數億年的事件。來自小行星的物質樣本可能解答一些長期以來懸而未決的問題，例如太陽的誕生、行星的形成甚至地球生命的起源。除此之外，科學家對小行星感興趣還有一個原因：人類需要保護地球，使其免遭災難性的小行星撞擊。

不過，我們為什麼要發送一個能獲取樣本的返回式探測器，很多人可能並不知道其中的原因。不管怎麼說，小行星碎片時常會落到地球上——我們把它們叫做隕石。問題在於，沒有隕石能保持原狀。所有隕石在進入地球大氣層時都會經歷一個熾熱的、導致表面融化的過程，其中大部分還會在野外暴露長達數年、數百年甚至數千年才能被人們發現。隕石攜帶的原始信息經過長年風吹雨打會慢慢消失。與此相反，大部分小行星在干擾很少的外太空遊盪數十億年，它們的時間如同停滯了一樣。使用探測器觀測小行星，是獲取小行星上的信息的唯一方法。

另外，在小行星當中，貝努也是個特例。與博物館中陳列的隕石碎片不同（隕石碎片常由岩石和金屬組成，因為這些物質很堅韌，落向地球時才不會損毀），貝努是一個黑如煤炭、由複雜的有機化合物組成的小天體。這類含碳化合物可能是地球的碳基生物化學過程的基礎。即使貝努不會給地球帶來威脅，科學家也會去研究它。不過，它帶來的威脅確實很大，也正是因為貝努會非常接近地球，取樣返回任務才是可行的。

貝努的歷史至少可以追溯到10億年前。那時，在木星與火星之間有一顆原行星因撞擊而粉碎，拋射出很多碎片，而貝努就誕生於其中的一團礫石。OSIRIS-REx的故事則始於2004年2月，那是我在亞利桑那大學月球與行星實驗室作為助理教授工作的第三年。洛克希德· 馬丁公司邀請了我的老闆邁克爾· J· 德雷克（Michael J. Drake）擔任NASA一個籌劃中的小行星取樣返回任務的首席科學家，而德雷克任命我做他的副手。

在這個項目中，我的早期工作是確定項目的科學價值。我研究隕石已逾十載，知道它們有很多未解之謎，而這隻有從小行星取回數量可觀的原始樣本才能夠解答。當時，只有一項任務能與我們的項目相提並論：日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的「隼鳥號」探測器，該探測器在2005年與「糸川」（Itokawa）小行星交會並收集了樣本。「隼鳥號」的任務只能算是部分成功。這個探測器收集了1500個微小的礦物顆粒樣本，比預期的少得多（從小行星上採集樣本是很困難的！）。此外，糸川是一個明亮的石質天體，其演化歷史和科研潛力都與深色的碳質小行星（比如貝努）迥然不同。我們正在進入一個嶄新的領域。

有一天晚上在家的時候，我決定為此次探測任務的主要科學目標起草一份大綱，於是我寫下了四個詞：起源、光譜、資源、安全。從貝努這類小行星上取回的原始樣本可以告訴我們關於行星和生命起源的更多信息，對其成分進行研究可以得出它是否含有可供未來開採的珍貴資源。從其表面取得樣本需要對這顆小行星的土壤，即風化層有相當的了解。而我們對貝努的軌道、組分和其他性質了解得越多，我們就越有可能確定它是否會威脅到地球，以及我們怎樣才能讓它轉向。進一步說，利用探測器，從貝努獲得高保真的「實況」數據，可以幫助我們確定並修正望遠鏡觀測和理論研究中的不足之處，推進對太陽系中更多小行星的研究。

這份大綱確定了這項任務的目標，並提供了一個出色的任務名稱縮寫：OSIRIS-REx，代表Origins（起源）、Spectral Interpretation（光譜分析）、Resource Identification（資源識別），以及Security（安全）和Regolith Explorer（風化層探測器）。2011年5月25日，NASA批准了OSIRIS-REx的探測計劃，我們團隊也聚在一起慶祝成功。不幸的是，在那之後不久，2011年9月德雷克去世了。所以我被任命為這項任務的首席科學家，來替代他的工作。整個OSIRIS-REx團隊夜以繼日地工作著，這是我們對德雷克的紀念，我們知道他會為我們感到驕傲，因為我們正準備開拓新的科學前沿領域。

從生命起源到太空經濟

OSIRIS-REx的太空之旅將從今年9月開始，它將搭載在Atlas V型火箭上，從佛羅里達州卡納維拉爾角（Canaverel）發射升空。探測器將在歷時兩年的航程後，於2018年8月抵達貝努。然後，它會環繞貝努飛行3年多，對小行星表面進行全面的測繪，最後收集數百克小行星樣本。

OSIRIS-REx帶回的樣本將是漫長歲月的載體——從太陽系形成之前直到今天，很多事件都在樣本里留下了痕迹。貝努上最古老的礦物應該是微小的「前太陽」顆粒，它們是從臨死恆星散發出的星風中形成的。這些顆粒最後成為了太陽和其行星的組成部分。貝努上最新鮮的成分是由於受到微隕石撞擊，並在宇宙射線和太陽風的作用下發生變化的礦物質和化合物。OSIRIS-REx對碳質小行星表面「太空風化」過程的研究是前所未有的。

與其他碳質小行星類似，貝努的主體部分由有機分子和富水黏土礦物組成，而這些也是形成DNA、RNA、蛋白質等地球生命物質的原材料。貝努上有一部分水曾經是液態的，保存在這顆小行星的核心，靠短半衰期同位素（如Al 26和Fe 60）放射性衰變釋放的熱量維持溫度。在生命誕生之前，肯定曾有大量的碳質小行星落到早期地球上。但很難判斷這些小行星是否孕育了地球生命——地球上沒有足夠古老而又未發生變化的岩石來記錄這段歷史。

OSIRIS-REx不僅僅是個探索太陽系遙遠歷史的任務，它收集的信息對我們的未來也很重要。有幾個公司和國家已經在認真探討開採小行星礦藏的可能性，來解決地球及地球以外地區的資源問題。他們考慮的方案包括提取貴金屬供人類在地球上使用，或是使用水冰在太空生產火箭燃料等。OSIRIS-REx能對小行星進行精確測繪，還能進行軌道機動（主動改變繞小行星運行的軌道），可以為未來的小行星採礦任務試水。

這顆小行星可能撞上地球，所以NASA剛剛向它發射了個探測器

對於從小行星取樣並返回的任務來說，貝努的體積和它原始的組成成分，以及與地球交錯，可能帶來危害的軌道，都使它成為一個頗具吸引力且可以抵達的目標。OSIRIS-REx任務可能僅僅是一個開始。

貝努的威脅

儘管改進小行星撞擊的預警和防範方法不是OSIRIS-REx項目的唯一目標，但項目在這方面的價值確實是無可估量的。判斷一顆小行星是否會撞擊地球需要對它的軌道進行非常精確的測量。為了理解這項任務的難度，我們來思考一下與任務相關的距離和作用力。貝努每1.2年繞太陽一周，軌道速度大於28千米/秒，每6年靠近地球一次。在軌道上繞行一周，這顆小行星運動距離超過10億千米；在最遠處，它離地球超過3.4億千米。

因為貝努會周期性地接近地球，天文學家可以在足夠近的距離上研究它的軌道，這使得貝努的軌道數據是記錄在案的小行星中最精確的一個。貝努的軌道半長軸為168 505 699.049千米（軌道上相隔最遠的兩點間距離的一半），不確定度僅有6米，這相當於測量紐約到洛杉磯之間的距離，誤差只有三分之一毫米。但只有精確的軌道數據還不夠，因為很多外力可以改變小行星的軌道。

為了設計一條前往貝努的太空航線，OSIRIS-REx團隊使用高精度模型來計算所有外力對這顆小行星軌道的影響。這個模型考慮了許多天體的引力作用——包括太陽、月球、八大行星，還有較大的小行星和矮行星冥王星。在模型中，甚至連地球的扁率也被考慮在內，因為它會使近距離飛掠地球的小行星的軌道發生明顯變化。這個模型預言，貝努將在2135年從距離地球不到300000千米的地方擦肩而過。在這之後的情況難以估計。不過有一點是確定的：如果貝努在2135年的飛掠中穿過了地球附近的若干「鑰匙孔」區域之一，累積的引力作用就會讓它進入撞擊軌道，從而在22世紀末撞上地球。

我們對貝努的了解還不夠多，不足以預言它是否會通過某個「鑰匙孔」。目前我們計算得出貝努在2196年撞上地球的概率約為萬分之一；如果將它撞擊地球的各種可能情況羅列出來，它在2175年到2196年間撞上地球的概率約為2700分之一。不過貝努被徹底散射出內太陽系的概率跟它撞上地球的概率是一樣的。如果它避開了這些結局，它還有幾乎相等的概率會墜入太陽，而它撞上金星的概率要稍稍小一些。除此之外——儘管這樣的可能性要小很多——它也可能會撞上水星、火星或木星。關於貝努內部、表面以及軌道相互作用的更精確模型（就是OSIRIS-REx計劃可以提供的模型）能夠讓我們提高預報的準確程度。

不過，就小行星預報而言，OSIRIS-REx最大的貢獻還是對雅爾可夫斯基效應（Yarkovsky effect）的探測。雅爾可夫斯基效應是近年來發現的一種非引力作用，描述了形狀不規則的小行星因為吸收太陽光並向外輻射熱量而受到的作用力。當熱輻射在整個小行星表面不均勻分布時，其作用相當於微小的推進器，促使小行星隨時間漂移並改變軌道。順向自轉（從西向東自轉，像地球一樣）的小行星在這種推進力的作用下會發生漂移並遠離太陽。而逆向自轉的小行星，比如貝努，會向太陽方向漂移。

我們已經使用地基和空間望遠鏡測量了貝努的雅爾可夫斯基效應，結果表明，從1999年被發現時起，貝努的軌道已經漂移了160多千米。測量結果顯示，貝努可能是在更遠的小行星帶形成的，在火星和木星之間的某處，後來才遷移到現在的位置。不均勻的太陽光照和熱輻射也會影響小行星的自轉狀態，這可以很方便地解釋貝努的陀螺形狀。太陽光對貝努表面的不均勻照射，使這顆小行星的自轉速度發生長周期變化，並緩慢推動兩極的物質向赤道移動，從而讓貝努變成了這種形狀。這種大規模的表面重塑作用可能會將未風化的物質帶到貝努的表面——正好讓我們從表面獲得原始樣本。

通過對貝努的自轉、表面積和熱輻射的測量，OSIRIS-REx會對雅爾可夫斯基效應展開詳細研究。在探測器與小行星的交會過程中，我們也會直接測量雅爾可夫斯基效應產生的加速度。這項研究有助於改進我們的雅爾可夫斯基效應理論，並讓我們在估算所有近地小行星的撞擊危險時，可以把這種效應納入考慮。另外，深入了解雅爾可夫斯基效應對未來的小行星偏轉任務可能也是至關重要的，我們或許需要利用這種效應，把一顆危險的太空巨石推入一條不同的、相對安全的軌道。

最終任務

從始至終——從2004年啟動，到2020左右結束，並為未來數代人留下遺產——OSIRIS-REx凝聚了數十年的工作，花費了數億美元的資金。所有這些努力和花費僅僅為了5秒鐘的動作：接觸即脫離，探測器必須用這套動作從小行星表面獲得樣本。

OSIRIS-REx用來採集樣本的設備名為TAGSAM（接觸即脫離樣本採集裝置，Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism）。TAGSAM主要由兩部分組成，採樣頭和關節定位臂。採樣頭能夠噴出一股氮氣，吹起表面浮土層並推動塵土進入收集腔。關節臂首先把採樣頭送到收集樣本的位置，然後收回採樣頭供視頻記錄，最後將採樣頭放入返回艙回到地球。作為備用方案，TAGSAM底部平面的24個表面接觸墊也會在碰觸小行星表面時獲得細顆粒物質。

OSIRIS-REx環繞貝努的3年時間大都會用來準備它的最後一次行動。探測器將使用成像儀、激光儀、無線電天線和光譜儀來對整個小行星的表面進行多種方式的高精度測量。根據這些測量結果，我們會構建一張「藏寶圖」，確認一個主要的和一個備選的採樣地點。採樣地點的選擇標準包括安全性、採樣難易程度和樣本的科學價值。最安全的降落地點應該是赤道附近，在那裡探測器更易於達到與小行星自轉相同的速度進而著陸。最有科研價值的區域應該包含不同種類的有機化合物、富水礦物等物質，可以幫助我們了解小行星是否為地球生命起源貢獻了力量。

在OSIRIS-REx團隊選好主採樣點並進行全方面演練之後，正式的採樣就會開始。在那時，貝努可能在它軌道的遠端，離地球超過18光分。發送採樣任務開始的命令之後，我們就只能坐下等待採樣過程自動進行。OSIRIS-REx會在數小時內經歷三次點火助推，離開軌道對準著陸地點，然後緩慢降落到小行星表面。它的最大著陸速度為10 厘米/秒。TAGSAM有5秒鐘的時間用於採樣，接著探測器會從貝努表面點火升空，到達大約10 千米的高度。在那裡它會進行一系列測試以判斷採樣是否成功。TAGSAM攜帶了足夠三次採樣嘗試的氮——如果三次都不成功，這次任務就算是失敗了。

如若一切順利，在2021年探測器主發動機點火，將珍貴的樣本帶回地球。2023年9月24日，OSIRIS-REx會向地球大氣層投下樣本返回艙。然後，它會再次啟動發動機前往一個安全、穩定的環繞太陽軌道，從此長眠。返回艙進入大氣層頂部的速度將超過45 000 千米/秒，但熱防護層會通過熔化帶走這一過程中產生的99%的熱量。在3000米的高度，返回艙會打開降落傘，經減速後在美國猶他州西部的沙漠地區實現軟著陸——這已經是它的旅程開始7年之後的事了。一個專家團隊會回收樣本並將其送往NASA的約翰遜太空中心，供長期保存和分發。這樣，在未來的幾十年，全世界的學術團體都可以研究這些樣本。