日本探測(cè)器登陸小行星首次取樣：樣本2020年送回地球

北京時(shí)間2月22日清晨07：00(日本時(shí)間08：00)前后，日本“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)在小行星“龍宮”表面的第一次采樣任務(wù)，預(yù)計(jì)飛船將獲取到少量巖石碎屑和土壤樣本。按照預(yù)定計(jì)劃，這些樣本將在2020年被送回地球。

“隼鳥2號(hào)”拍攝的小行星“龍宮”，紅色箭頭指示預(yù)計(jì)采樣位置

藝術(shù)示意圖：在太空飛行的日本“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器

2018年6月，經(jīng)過長達(dá)3年半多的長途跋涉，“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器抵達(dá)小行星“龍宮”。按照設(shè)計(jì)，在取樣時(shí)，飛船將逐漸降低高度，抵近這顆直徑1公里左右的太空巖石，最終在接觸小行星地表時(shí)向其表面發(fā)射一顆質(zhì)量大約5克的鈦合金金屬撞擊器，它將以時(shí)速300米/秒的速度撞擊“龍宮”，濺射出大量碎屑物質(zhì)。此時(shí)，取樣器將乘機(jī)獲取濺射起來的物質(zhì)顆粒樣本。

從21日開始，“隼鳥2號(hào)”飛船便開始從距離“龍宮”小行星表面大約20公里的高度上開始下降。實(shí)際開始執(zhí)行下降程序的時(shí)間比原先公布的計(jì)劃晚了幾個(gè)小時(shí)，不過任務(wù)控制中心表示他們將指令“隼鳥2號(hào)”相應(yīng)地加速抵達(dá)距離表面5公里的高度上，因此最終的降落取樣時(shí)間并不會(huì)因此受到影響。

“龍宮”屬于一類特別原始的小行星類型，即所謂“C型”小行星，這顆近地小行星是早期太陽系留下的遺存。

按照太陽系成因理論，這類富碳小天體的形成區(qū)域應(yīng)該位于地球軌道外側(cè)，溫度較低的區(qū)域，因此作為一顆近地小天體，科學(xué)家們認(rèn)為“龍宮”小行星在其歷史上經(jīng)歷了從小行星帶向內(nèi)“遷移”的過程。但是，如果我們有機(jī)會(huì)可以實(shí)際獲取“龍宮”的物質(zhì)樣本，那將讓我們隊(duì)這一過程和機(jī)制有更加深入的認(rèn)識(shí)。

在2015年歐洲“羅塞塔”彗星探測(cè)任務(wù)之后，有一點(diǎn)結(jié)論已經(jīng)相對(duì)清晰了，那就是原始地球上的水可能并非來自彗星，而是小行星。而科學(xué)家們相信富碳的C型小行星的成分中是非常富水的。早期地球上的水體以及后來構(gòu)建生命的基礎(chǔ)——有機(jī)物分子很大一部分可能正是由這類小行星所帶來的。而對(duì)于所有這些認(rèn)識(shí)，實(shí)際的取樣研究都將是最為權(quán)威的驗(yàn)證。

此前，“隼鳥2號(hào)”已經(jīng)向“龍宮”小行星的地表投擲了一個(gè)信標(biāo)，這是一個(gè)小型，能夠反光的標(biāo)記物，它將在飛船逐漸接近小行星粗糙的地表時(shí)充當(dāng)引導(dǎo)標(biāo)志。地面控制人員將不斷命令探測(cè)器拍攝信標(biāo)的照片，不斷修正下降航路，最終準(zhǔn)確抵達(dá)預(yù)定的取樣地點(diǎn)。

“隼鳥2號(hào)”釋放到“龍宮”小行星表面，用于指引采樣降落的明亮反光“信標(biāo)物”，圖像中還可以看到“龍宮”的影子

在此之前，日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)曾經(jīng)計(jì)劃在去年10月開展著陸行動(dòng)。但很快發(fā)現(xiàn)這顆小行星的地表比原先設(shè)想的更加粗糙的多，到處都是散落的大小石塊，這給尋找合適的降落和取樣地點(diǎn)制造了相當(dāng)大的麻煩。

地面控制中心此前希望能夠有一塊直徑大約100米的平坦區(qū)域用于探測(cè)器的降落和取樣。但考慮到這顆小天體的實(shí)際情況，最終他們選定的“著陸取樣場(chǎng)地”的直徑僅有6米。

用于取樣的取樣器從飛船底部伸出，長度大約1米左右。因此，在著陸器取樣的區(qū)域，有一點(diǎn)要求非常關(guān)鍵，那就是這一地點(diǎn)不能存在突出地表超過50厘米的巖石，否則就有可能存在在取樣時(shí)飛船剮蹭到巖石表面，造成飛船故障甚至失事的風(fēng)險(xiǎn)。

復(fù)雜的地表形態(tài)也可能影響到采集的樣本數(shù)量。在抵達(dá)“龍宮”之前，地面科學(xué)家曾經(jīng)以為這顆小天體的表面是被一層均勻細(xì)膩的塵土所覆蓋的。很顯然，事實(shí)證明情況并非如此。

事實(shí)上，“龍宮”的地表是一層亂石，大多是直徑數(shù)厘米級(jí)別，大的甚至可以有數(shù)十厘米乃至更大。

這總粗大碎屑物覆蓋的粗糙表面其實(shí)是讓科學(xué)家們感到意外的。因?yàn)榇饲八性?jīng)造訪過的近地小天體，其地表物質(zhì)的粒徑都要比這小得多。

專家們目前還無法對(duì)這種差異做出非常有把握的解釋，但科學(xué)家們普遍的觀點(diǎn)是認(rèn)為這可能與其成分乃至自轉(zhuǎn)情況有關(guān)。因?yàn)檫@顆小天體的成分中非常富碳，而此前觀測(cè)的近地小天體都是以硅酸鹽成分為主的。另外，“龍宮”的形狀暗示其在過去可能自轉(zhuǎn)的速度相當(dāng)迅速。這些情況或許會(huì)以某種形式影響到其地表物質(zhì)的顆粒大小情況。

為了應(yīng)對(duì)這一意外狀況，日本科學(xué)家在地面進(jìn)行了多次驗(yàn)證試驗(yàn)，以確認(rèn)飛船在這樣的地表情況下是否還能順利獲取到樣本。

藝術(shù)示意圖：正在采樣的“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器?？梢钥吹狡洳蓸悠饕呀?jīng)接觸地面

為了盡量模擬“隼鳥2號(hào)”飛船所面臨的實(shí)際情況，他們構(gòu)建了一個(gè)模擬“龍宮”小行星的模型，其地表物質(zhì)的質(zhì)地和顆粒大小都和實(shí)際情況接近，隨后將這個(gè)模型至于真空環(huán)境下，并發(fā)射一個(gè)“隼鳥2號(hào)”飛船使用的一模一樣的鈦合金金屬球去轟擊模型表面。

根據(jù)日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的說法，相關(guān)測(cè)試取得了超出預(yù)期的良好結(jié)果，撞擊產(chǎn)生了大量細(xì)小的碎屑物，應(yīng)當(dāng)可以被“隼鳥2號(hào)”攜帶的取樣器輕易捕獲。

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，“隼鳥2號(hào)”在這樣的情況下將照樣可以順利獲取樣本。在2018年9月份，“隼鳥2號(hào)”成功地向“龍宮”小行星表面釋放了兩臺(tái)微型機(jī)器人，后者成功傳回在小行星地表拍攝的圖像和獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后到了10月份，飛船還成功地向“龍宮”表面釋放了一臺(tái)由法國和德國聯(lián)合研制的探測(cè)裝置“Mascot”，這基本上是一個(gè)科學(xué)儀器包，包括相機(jī)，磁強(qiáng)計(jì)，紅外光譜儀之類。

整個(gè)任務(wù)期間，“隼鳥2號(hào)”將進(jìn)行3次采樣行動(dòng)，并分別將三份樣本儲(chǔ)存在樣本返回艙內(nèi)的3個(gè)分別獨(dú)立的密封儲(chǔ)存罐內(nèi)。按照計(jì)劃，三次采樣的目標(biāo)樣本分別是兩份地表物質(zhì)樣本，分別是遙感顯示含水較豐富的成分，以及沒有明顯含水跡象的樣本，而第三次采樣則將嘗試采集淺地表下的樣本物質(zhì)。

日本科學(xué)家們期望本次采樣任務(wù)最少可以采回不低于0.1克的物質(zhì)樣本，但根據(jù)設(shè)計(jì)，“隼鳥2號(hào)”最多可以采集多達(dá)10克的樣本。而今天所進(jìn)行的，正是三次采樣行動(dòng)中的第一次。

前面已經(jīng)介紹了表面采樣的方式，前兩次采樣基本就是使用這種模式。但是第三次，也就是最后一次采樣的方式可能會(huì)有些許不同。

按照目前的計(jì)劃，第三次采樣將在4月份進(jìn)行，目的是獲取小行星地表之下未遭受空間風(fēng)化的物質(zhì)樣本。但這就要求使用撞擊器擊碎小行星地表相當(dāng)厚度的風(fēng)化層物質(zhì)，以便暴露出下方的新鮮巖土成分。

為了達(dá)到這一目的，“隼鳥2號(hào)”將發(fā)射一顆重2.5公斤的銅制“子彈”，稱作“小型附帶撞擊器”(SCI)，這顆“子彈”將高速撞擊“龍宮”，掀開其地表一部分，暴露下方巖土層，而在撞擊發(fā)生時(shí)，母船則將進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避動(dòng)作，以避開撞擊碎屑可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器樣本返回艙復(fù)制模型

撞擊器預(yù)計(jì)將在“龍宮”表面形成一個(gè)直徑大約2米的大坑，暴露下部物質(zhì)。隨后“隼鳥2號(hào)”將等待兩周左右，等待撞擊產(chǎn)生的大量煙塵逐漸消散。當(dāng)一切煙消云散，“隼鳥2號(hào)”就將再次下降高度，在撞擊坑內(nèi)嘗試對(duì)新鮮物質(zhì)進(jìn)行取樣。

“隼鳥2號(hào)”所取到的樣本，都將被儲(chǔ)存在具有絕緣隔熱功能的樣本返回艙內(nèi)，準(zhǔn)備送回地球。這個(gè)樣本艙直徑大約40厘米，高度20厘米，質(zhì)量大約16公斤。

預(yù)計(jì)到2019年10月份，“隼鳥2號(hào)”設(shè)定的科學(xué)任務(wù)期將臨近尾聲。隨后，飛船將啟動(dòng)離子發(fā)動(dòng)機(jī)，開始變軌并踏上返回地球的旅程。按計(jì)劃，“隼鳥2號(hào)”將在2020年12月份飛越地球附近，屆時(shí)它將釋放樣本艙，后者將以高達(dá)每秒12公里的速度，一頭沖入地球大氣層內(nèi)， 并最終打開降落傘，降落到澳大利亞西部的荒漠地帶，等待日本方面的回收。

前路漫漫，挑戰(zhàn)多多，我們預(yù)祝這一偉大的科學(xué)任務(wù)最終取得成功!