到深空去「追星」：小天體探測考驗綜合技術實力

▲美國國家航空航天局找到「新視野」號下一個目標。圖片來源：《科學》

　　來源：中國科學報

　　「小行星數量龐大，種類繁多。」李爽在接受《中國科學報》採訪時說，針對小行星組成物質、物理特徵等的科學探測，對於研究太陽系演化、生命起源等科學問題具有重要意義。同時，地球附近存在大量潛在危險小行星，相關探測任務可以驗證小行星防禦技術，提升小行星防禦能力。

　　美國「新視野」號探測器在今年元旦成功近距離飛越了太陽系邊緣小天體「天涯海角」。探測器在此過程中收集的數據正緩慢傳回地球。近日，《科學》雜誌發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，位於太陽系邊緣柯伊伯帶（KBOs），是人類造訪的最遠的一個天體。「此次KBOs之旅是迄今為止對這些原始冰冷天體的最佳觀測時機。」美國亞利桑那州洛威爾天文台項目聯合調查員Will Grundy說。

　　「從來沒有一個探測器像『新視野』號一樣，這麼近距離地去看一個KBOs的天體，去看如此遙遠、如此原始的星子。」中科院紫金山天文台研究員季江徽在接受《中國科學報》採訪時說，「它就像一個『時間膠囊』，可以告訴我們太陽系在46億年前形成之初的信息。」

　　「因為要考驗的技術很多，所以小行星探測是一種高風險、高難度，但成果也非常多的空間任務。」季江徽說。對此，南京航空航天大學航天新技術實驗室教授李爽也表示，小行星探測任務周期長、挑戰性強，可以推動深空探測技術的發展。

　　最遙遠的「邂逅」

　　「天涯海角」距離太陽約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月發射升空後，花了13年時間才到達「天涯海角」。

　　這顆天體外形像一個「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「頸部」連接著，總長約36千米。研究人員推測，它們曾是兩個互相環繞的天體，在一次輕微碰撞中結合在一起。

　　據了解，這是迄今發現的第一個保存完好的星子——行星吸積階段的先驅小天體。「太陽星雲充滿了氣體和塵埃，是形成行星的最基本的環境。小的塵埃會慢慢黏在一起，從厘米級、分米級慢慢長成米級、千米級大小的星子。」季江徽解釋。

　　他補充道，在引力作用下，星子繼續生長會形成體積介於星子和行星之間的「行星胚胎」，達到上千千米的量級，如穀神星和灶神星。在此基礎上進一步形成火星、地球等類地行星，再進一步吸積原行星盤裡的氣體就會形成類似木星的氣態巨行星，或是天王星、海王星一類的冰巨行星。

　　這顆星子同時屬於KBOs的一批「冷經典」天體，它們被認為是來自太陽系早期原始物質的剩餘物，其軌跡似乎因為太陽系外圍巨行星的存在而相對平靜。研究發現，「天涯海角」沒有衛星、光環、瞬態大氣，也沒有氣體排放或塵埃，沒有任何跡象表明相對較近的擾動。

　　「它已經存在了近40億年，一直處於零下240℃的極寒冷凍狀態。」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，「所以是太陽系誕生後被完好保存的一個遺物，以前從未有人觸及這裡。」

　　數據分析發現，「天涯海角」表面最大的窪地寬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，是太陽系顏色最紅的天體。研究者認為，這可能是由輻射分解簡單分子產生的有機大分子，也可能是由太空風化的硅酸鹽造成的，儘管沒有直接證據表明MU69上有硅酸鹽。

　　「小不點」大熱度

　　1991年，美國發射的「伽利略」木星探測器對951號Gaspra小行星進行了飛越探測，這是人類第一次近距離觀測小行星。由此計算，國際上小天體（主要包括小行星和彗星）探測已有近幾十年歷程。此後，美、歐、日和中國先後完成了各自獨特的標誌性任務，實現了飛越、繞飛、採樣返回等多種方式探測，包括日本「隼鳥」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，實現首次小行星飛越觀測，並獲取最高解析度3米的光學彩色圖像。「這使中國成為繼美、歐、日之後第4個實施小行星探測的國家。」季江徽說。

　　「小行星數量龐大，種類繁多。」李爽在接受《中國科學報》採訪時曾說，針對小行星組成物質、物理特徵等的科學探測，對於研究太陽系演化、生命起源等科學問題具有重要意義。同時，地球附近存在大量潛在危險小行星，相關探測任務可以驗證小行星防禦技術，提升小行星防禦能力。

　　「小行星的危害，從過去到最近乃至於將來都始終存在。」季江徽舉例說，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月的車裡雅賓斯克事件，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年獲取這個直徑約500米小行星的樣品。貝努成為研究目標的另一個重要原因在於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系的形成與演化。

　　地面監測對於探測危險的小行星亦不可或缺。在國內，自2006年以來，中科院紫金山天文台位於江蘇盱眙的專門用於監測發現近地天體的望遠鏡已發現了20多個威脅性的近地小行星。這個直徑1.2米口徑的望遠鏡還代表中國加入聯合國的國際近地天體觀測網（IAWN），為監測外太空危險的主幹設備之一。「我們正在推進一個口徑為2.5米的大視場光學巡天望遠鏡，目標也是監測一些小行星，建成後可能會落放在西部。」季江徽透露。

　　此外，探測小行星還有助於資源開發。他表示，太空任務非常昂貴，將來人類或許能在小行星上面直接開發提純水，相比於資源、稀有金屬，這更加重要。谷歌、騰訊等公司的前瞻性研究已經開始了。

　　季江徽還暢想了未來在太空旅行中造訪小行星。「從冥王星發現到現在100多年，我們都已經成功地飛越它了，而且飛越了一個KBOs天體——『天涯海角』。再過50年，人類去小行星旅行或者去火星居住或許不再是一個空想。今天的這些努力，都會為明天做鋪墊。」他說。

　　造訪並不簡單

　　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任務序列「發現」任務中，計劃訪問兩個神秘小行星：2021年發射「露西」號，飛越探測木星的6顆特洛伊小行星；2023年發射「靈神」號，環繞同名的鐵鎳小行星靈神星運行。

　　無論是出於何種原因，造訪這些小行星並不簡單。「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題。」李爽說，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的能耗。如何利用引力助推、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。

　　「『羅塞塔』號探測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。因為小行星非常小，引力非常微弱，實現附著非常困難。」季江徽說。

　　在漫長的太空探索之旅中，燃料的約束也是技術挑戰之一。以新視野號為例，由於冥王星和柯伊伯帶遠離太陽，太陽能電池無法滿足其能量供應。研究人員為其配備了一台核能發電機，內裝10.9千克二氧化鈈，其中的鈈-238衰變時會釋放出熱量，通過溫差發電提供穩定的電力。

　　此外，季江徽指出，還有通信、自主導航、地面導引等問題都亟待解決。比如探測器進行了科學勘察，怎麼把科學數據高效傳回來？如何在深空進行自主導航？怎樣通過地面觀測進行軌道調整、尋找探測目標？這些挑戰都在考驗一項任務能否圓滿完成。

　　呼喚中國「路線圖」

　　繼嫦娥二號飛越圖塔蒂斯之後，隨著深空探測綜合實力的增強，中國的小行星探測計劃已經浮出水面。

　　日前，中國國家航天局發布公告稱，小行星探測任務將採用長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心發射。探測器攜帶科學載荷，對近地小行星2016 HO3開展繞飛探測，隨後擇機附著小行星表面並採集小行星樣品，之後返回地球附近釋放返回艙，將小行星樣品送回地球，這一過程大約在3年內完成。

　　根據計劃，探測器或將於2024年發射。「2016 HO3是美國夏威夷天文望遠鏡2016年發現的。它繞太陽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倍地月距離圍著地球轉。

　　在上述探測任務完成後，探測器經地球、火星借力，經歷約7年時間飛行到達小行星帶，對主帶彗星133P開展繞飛探測。探測器配置相關科學載荷，以飛越、伴飛、附著、採樣返回等方式，對目標小行星進行遙感探測、就位探測和採樣返回。

　　「這是由中國政府發起，面向國際公開徵集科學載荷和搭載項目方案的任務。」季江徽說，實際上，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放包容的態度與各國合作，這樣既可以吸取其他國家的優秀技術，也能為人類航空事業盡一份力。

　　面對未來，季江徽有兩個願景。一方面，他希望我國能夠醞釀和計劃一個完整的小天體探測路線圖，以科學目標為牽引結合工程技術創新，系統布局未來國家小天體探測任務。「日、美小行星探測都有非常清晰的路線圖。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，探測的小行星越來越原始。」他說，「我們要追趕別人，需要起點更高，比別人做得更好。」

　　另一方面，他期待我國可以在科學、技術和工程方面組織一個高效的小天體探測科學團隊，由科技「國家隊」中科院牽引，並與國內高校等其他單位協同創新，及時地把探測數據變成科學成果，同時大幅帶動相關技術的發展。

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