「龍宮」有「寶藏」：隼鳥2號刻畫小行星真實面貌

　　來源：中國科學報

　　現在，日本東京大學地球與行星學系行星學家Seiji Sugita十分忙碌。

　　「我們要進行『龍宮』撞擊實驗。太多工作要做了。」4月5日，剛剛完成隼鳥2號撞擊實驗緊急操作任務的Sugita對沒能及時回復《中國科學報》的採訪郵件，一再表示歉意。

　　「現在實驗成功完成了，我終於有時間坐在電腦前回答你的問題了。」記者收到Sugita的郵件時已是東京的凌晨。

　　當天，隼鳥2號向小行星「龍宮」表面發射銅球，製造了一個撞擊坑，為採集小行星地下岩石樣本做準備。這是人類探測器首次在小行星上製造撞擊坑。

　　實際上，自從隼鳥2號成功躍「龍門」，參與「龍宮」探測的科學家們就幾乎沒有了閑暇時間。

　　3月20日，《科學》在線連發3篇論文，介紹了本次探測任務的初步結果。研究人員對該小行星的質量、大小、密度、旋轉和地質屬性進行了分析。結果顯示，對「龍宮」的最佳描述也許是：它是一個多孔的「碎石堆」。

　　此外，研究團隊還發現了「龍宮」含水的證據。這顆小行星表面吸收的一些光波長與水分子以及含羥基物質吸收的光波長一致。因此，「龍宮」表面含水且水主要存在於含水礦物中。

　　「『龍宮』只有以含水礦物形式存在的少量的水，而且巨石的光譜特性彼此非常相似。這有力地表明，它的母星一定非常均勻。發展成這樣一個母星需要均勻加熱機制脫水。而C型小行星含水量可能也受該乾燥過程式控制制。」Sugita告訴《中國科學報》。

　　小不點成大熱門

　　隨著貝努和「龍宮」成果的不斷湧現，小行星——這個浩瀚宇宙中的小不點，卻成了人們探索的大熱門。

　　《自然》就將小行星探測列為2018年值得期待的科學事件。

　　「小行星探索有助於尋找生命和太陽系的起源證據，並獲取具有潛在危險的小行星的物理參數和結構組成，評估小行星防禦技術的作用效果，保障人類安全。」南京航空航天大學航天學院航天新技術實驗室教授李爽在接受《中國科學報》採訪時表示。

　　此外，李爽提到，小行星探測任務周期長、任務挑戰性強，可以推動深空探測技術的發展，而且其中蘊藏豐富的金屬等礦物資源，具有經濟價值。

　　中國科學院國家天文台研究員鄭永春在接受媒體採訪時曾表示，「小行星是太陽系中各大行星和衛星形成後的殘留物，其歷史幾乎與太陽系一樣長。但因為體積比較小，自身沒有演化，非常好地保留了太陽系形成早期的信息。」

　　因此，小行星研究有助於人們了解太陽系的起源與進化，以及形成生命的原材料在宇宙中是如何產生和變化的。不過，這需要對不同類型的小行星進行探測。

　　目前，已有多個小行星任務取得了不俗的成績。

　　壽終正寢的美國「黎明」號小行星探測器，2011年進入灶神星的軌道，並於2015年抵達穀神星軌道。它發回的有關灶神星和穀神星的觀測圖像和數據，對於理解太陽系的歷史和演化至關重要。

　　2005年，隼鳥號在小行星「絲川」上著陸，2010年成功將樣本帶回地球。但是，隼鳥號由於故障未能按原計劃採集岩石，只採集到一些物質微粒。

　　此次，隼鳥2號嘗試採集岩石樣本，以彌補之前的遺憾。

　　「碎石堆」的故事

　　「龍宮」直徑只有約1千米，比「絲川」更原始，其自轉周期約為7個半小時，比一般的小行星自轉要慢。

　　李爽提到，「龍宮」 是富含揮發性物質和有機物的C型小行星，與大約46億年前地球誕生時的狀態相近。因此，科學家希望通過分析採集到的「龍宮」樣本，了解太陽系形成以及內行星起源和演化，尤其是揭示生命的起源。

　　而且，「根據推進系統能力和燃料約束，『龍宮』是採樣返回任務中的可達目標。」李爽補充道。

　　Sugita也表示，「『龍宮』是隼鳥2號能拜訪、取樣，然後回到地球的唯一選擇。在近地軌道上沒有那麼多C型小行星。幸運的是，我們找到了一個好的對象，可以對其進行採樣返回任務。」

　　C型小行星被分成若干組。一種有富含鐵的蛇紋石（富含碳的隕石中發現的最豐富的水合礦物之一），另一種則不含。Sugita提到：「我們知道前者類似於一種特殊類型的隕石，所以可以推斷出這些小行星的化學成分。但後一組確實很神秘，它們在主小行星帶非常豐富（幾乎占整個C型小行星的一半）。現在我們有機會研究這些群體，這對於了解有多少碳和水從主小行星帶輸送到地球是非常重要的。」

　　去年7月，日本宇宙航空研究開發機構公布了隼鳥2號拍攝到的照片，「龍宮」赤道附近由於自轉離心力而膨脹，形成類似算盤珠或陀螺的形狀。它的表面布滿碎石，可見類似隕石坑的凹陷。這裡有數百塊直徑超過8米的岩石，其中最大的岩石直徑約130米。

　　而這次發布的分析結果，描摹了「龍宮」更清晰的輪廓。

　　在近「龍宮」軌道上，隼鳥2號收集了大量數據，為研究人員提供了有關其歷史和現狀的線索，例如它的起源、採樣著陸點、含水性等。這些細節反過來又使研究人員能夠更好地估計地球生命起源所必需的物質數量和類型。

　　在其中一篇論文中，日本宇宙航空研究開發機構空間和行星研究所的Sei-Ichiro Watanabe和同事首次展示了對龍宮質量、形狀和地形學所做的近距離觀察。研究人員表示，該小行星的低密度和高度多孔的內部表明，它是鬆散集合的一堆碎石，後者會在快速旋轉期形成陀螺形狀。

　　此外，研究人員還發現了最適合該航天器採集樣本的潛在著陸地點。「基於前期的評估工作，我們在赤道山脊選擇了一個候選著陸地點，進行取樣工作，以便樣本包含『龍宮』的進化線索等。」Watanabe說。

　　乾燥的「有水」小行星

　　而此次最令人興奮的發現之一，莫過於找到「龍宮」的含水證據。

　　日本會津大學的Kohei Kitazato和同事，用隼鳥2號上的近紅外光譜儀（NIRS3）勘測了「龍宮」的表面組成。他們發現，在這顆暗黑色小行星的整個表面遍布著水合礦物。

　　之前，研究人員對「龍宮」表面所進行的望遠鏡分析曾提示該小行星的含碳性質，然而，詳細光譜數據的匱乏令確定性組成識別變得困難。

　　在隼鳥2號接近「龍宮」時，Kitazato團隊採集了NIRS3光譜數據，這些檢測數據的採集高度距離該小行星表面近至1公里。分析結果顯示，所採集的這些光譜數據與已知的熱力—及/或衝擊—變形的含碳球粒隕石星最為類似。相關論文刊登於《科學》。

　　「我們發現含羥基礦物質是無處不在的。羥基特徵的強度和低反照率與熱變質和/或衝擊變質的碳質球粒隕石相似。」Kitazato說，「羥基譜帶位置變化不大，這與『龍宮』是一個均勻碎石組成的物體相一致。」

　　結合來自先前兩項研究的結果以及對「龍宮」地質特徵的觀察，Sugita和同事試圖對「龍宮」的起源進行界定。

　　Sugita說：「在收到第一批數據的幾個月後，我們已經有了一些發現。最主要的是水存在與否。『龍宮』似乎有水，但它比我們預期的要乾燥得多，而且考慮到它非常年輕（以小行星的標準），大約有1億年的歷史，這表明它的母星在很大程度上也缺水。」

　　Sugita團隊認為，「龍宮」來自一顆直徑幾十公里的母小行星，很可能屬於小行星科「波拉納」或「歐拉利亞」。「它們都是主小行星帶中的中型小行星（直徑55公里和38公里）。」論文同樣刊登於《科學》。

　　「最讓我們驚訝的發現是，『龍宮』的母星很可能與貝努的母星相同。我們知道這些小行星的軌道參數是相似的，一些望遠鏡觀測結果也是相似的。但許多天文觀測表明，兩者之間可能有很大的區別。但現在，『龍宮』的性質似乎與貝努非常相似。」Sugita告訴《中國科學報》。

　　而重要的是，人們認為地球上所有的水，都來自局部小行星、遙遠的彗星以及星雲或塵埃雲。小行星帶中乾燥小行星的存在將改變用來描述早期太陽系化學成分的模型。

　　「生命。」Sugita解釋道，「這對尋找生命有意義。天空中有不計其數的星體，我們尋找地球之外的生命需要方向。新發現可以完善模型，幫助縮小尋找範圍。」

　　而這一切，都來自於創造了歷史的隼鳥2號任務。

　　不能忘卻的星期三

　　「地面震動。我的心怦怦直跳。時鐘計數3、2、1……」Sugita回憶道，「我從來沒有感到如此興奮和緊張，這不僅僅是一個科學實驗，這是我畢生工作的頂峰，也是整個團隊的希望和夢想。」

　　2014年12月3日星期三，一枚50多米高、300多噸重的橙色和白色火箭從日本鹿兒島縣種子島宇宙中心發射升空，成功地將隼鳥2號送入太空。

　　研究人員精心計算了隼鳥2號軌道，以便其加快速度，到達火星和木星之間小行星帶的目的地。

　　2018年6月27日，同樣是一個星期三，隼鳥2號順利抵達「龍宮」上空20千米處的預定觀測點，此時它距離地球約3億千米。

　　2019年2月21日下午，隼鳥2號開始執行下降指令，從待機點緩緩下降。探測器在輕輕著陸時，將一顆彈丸射向「龍宮」表面。由於「龍宮」的引力極小，隼鳥2號打擊其表面後，一些物質會飛散到空中，於是沙子、卵石和岩石碎片被收入一個取樣器。

　　之後，隼鳥2號又升空到距離「龍宮」表面約20千米處待機。

　　就在離開地球1542天後，隼鳥2號終於在2月22日首次短暫登陸「龍宮」，完成預定任務。

　　Sugita認為，隨著隼鳥2號繼續探索這個岩石鄰居，研究人員將逐漸拼湊出它的歷史，這也將與地球的歷史交織在一起。

　　你好，岩石鄰居

　　隼鳥2號並不寂寞。2016年，美國宇航局（NASA）發射OSIRIS-Rex探測器飛往貝努，2018年12月3日，OSIRIS-Rex到達目的地。

　　研究結果顯示，貝努表面極不平坦，與此前預想大不相同，而且表面有粒子羽流噴出。

　　「貝努是地球的潛在危險小行星，提前進行採樣研究可為後期採取預防措施提供有效支持。同時，科學家猜測貝努可能存在有機化合物、含水礦物等，科學研究價值重大。」李爽說。

　　NASA認為，在2175年至2199年之間，貝努撞擊地球的可能性為2700分之一。

　　無論如何，拜訪這些岩石鄰居並不簡單。「小行星探測的困難主要來源於其龐大的數量、差異巨大的軌道和特殊的動力學環境。」李爽告訴記者，「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題。」

　　而且，與大行星幾乎都是分布在黃道面的近圓軌道不同，小行星的軌道差異較大，存在異面、大偏心率等情況，極大地增加了探測任務的能耗。如何利用引力輔助、電推進等技術實現低成本快速轉移是目前小行星探測的難點之一。

　　小行星由於體積較小、質量輕、形狀不規則，形成了不規則的弱引力場，而且對於多星系統，引力場的複雜度將進一步提升。「針對小行星特殊動力學環境下的任務軌道設計和附著採樣技術，也是目前小行星探測技術的困難點和研究熱點。」李爽說。

　　2012年，我國「嫦娥2號」探測器在拓展任務中，成功對近地小行星——圖塔蒂斯進行飛越探測，首次獲得了該小行星的近距離高解析度光學圖像。

　　「我國未來的小行星探測計劃目前處於規劃論證階段。我國計劃在2030年前實施火星探測、小行星、木星探測等4次深空探測任務，預計2020年首次發射火星探測器，實施火星環繞著陸巡視探測。後續還計劃開展火星採樣返回、小行星探測、木星系及行星穿越探測等任務。」李爽說。

　　據悉，清華大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業大學和北京理工大學等單位對小行星探測所涉及的動力學與控制問題開展了研究，主要包括小行星目標選擇和轉移段軌道優化設計；小行星探測自主導航、制導與控制；小行星不規則弱引力場中的動力學與控制等。

　　「多虧了隼鳥2號和OSIRIS-R

　　ex等任務，我們終於可以了解這兩顆小行星是如何形成的問題。」Sugita說，「貝努和『龍宮』可能是兄弟姐妹，但卻表現出一些驚人的不同特徵，這意味著一定有許多令人興奮和神秘的天文過程有待我們探索。」

　　隨著人工撞擊實驗的成功，Sugita等人將在未來幾周內探索此次創造的撞擊坑。按計劃，隼鳥2號將於下月在撞擊坑中著陸並採集小行星地下岩石樣本。「這將有助於我們了解『龍宮』的地下結構。」Sugita說。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！