发掘小行星秘密的新任务

[ 录入者:champagnecat | 时间:2016-12-15 22:24:49 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:831次 ]

原文标题:New missions mine asteroid secrets

作者:Elizabeth Tasker 原文来自:Astronomy   Posted:2016年4月刊

编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

 

2013年2月15日星期五,所有人都在目不转睛地盯着天空。他们正等待着小行星367943 Duende破纪录地与地球擦身而过。这块直径30米的岩石将在距离地球仅有28万公里的地方飞过,从地球赤道上空的同步气象和通信卫星群中穿过。正当全世界的人都在盯着同一个方向看时,另一颗小行星从大家的视线后方向地球撞了过来,并在俄罗斯车里雅宾斯克市(Chelyabinsk)上空爆炸。

这颗突如其来的小行星爆炸产生的碎片化作流星坠向地面。小行星的直径估计有20米,爆炸产生的火球比太阳还要明亮,点亮了清晨的天空。爆炸地点附近有六个城镇的建筑物都被损毁,大约有1500人在爆炸中受伤,被送入医院治疗。面对这个令人震惊的事件,大家不约而同地提出一个问题:科学家既然知道Duende小行星会贴着地球飞过,怎么会没察觉到车里雅宾斯克小行星在靠近呢?

两个任务,一个目标

对这个问题的回答不只限于一颗淘气的小行星,而是需要我们熟知遥远又暗淡的小行星们的轨道和物质构成。现在,有两个空间局正在着手解决这个问题。今年9月,美国宇航局(简称NASA)把奥西里斯王号小行星探测器(简称OSIRIS-REx)送入太空。这是继日本航天局(简称JAXA)的小行星探测项目隼鸟2号之后的又一次小行星之旅。两个探测器预计在2018年到达它们的探索目标,并计划在其地表着陆,收集岩石。除地球之外,人类只在两颗行星——月球(阿波罗项目)和小行星25143(糸川)(隼鸟2号的先驱者所进行的大胆任务)——采集过原初物质的样本,所以,这些小行星无比珍贵。正是它们将会帮助我们解决追踪近地小行星这个难题。

在隼鸟2号空间探测器发射之前,科学家们正在几近完工的探测器旁工作着。(图片来源:JAXA)

 

奥西里斯王号和隼鸟2号正在向着那些围绕太阳公转且距离地球较近的小行星飞奔而去。它们的探索目标因此被统称为近地天体(简称NEOs)。隼鸟2号的目标是小行星162173(竜宫),其直径只略大于500米,并且其飞行轨道不会对地球构成威胁。奥西里斯王号要追踪的是小行星101955(贝努)。它的个头比竜宫小了一半,却有可能会撞上地球。

2014年12月3日,隼鸟2号升空。现在,它正在前往竜宫小行星的路上。它将在2018年抵达目的地。(图片来源:JAXA)

奔向竜宫小行星的隼鸟2号在上天一年后,从距离地球34万公里处飞过,拍下了上面这张照片。(图片来源:JAXA)

 

绝大多数小行星都居住在小行星带。那是一个位于火星和木星之间的带状区域。碰撞会改变小行星的轨道,使其离开适意的居所,靠近地球。它们的新轨道取决于太阳和行星的引力作用,还有难以琢磨的太阳辐射压。

 

当太阳光直射在小行星上,其表面吸收了太阳光的能量,再以热的形式把能量散发出去。由于小行星在升温的同时,也在自转着,这两个过程之间存在一个时间差。自转导致小行星的散热方向与吸热方向不同。这样的结果就好像你在接到一个球以后,再把球传给站在你右手边的人。接球的反冲力与扔球的投掷力方向不同,因此你会感受的一个力的作用,这叫做雅尔可夫斯基效应(Yarkovsky effect)。

当天体吸收太阳光时,太阳光会在某个方向上对天体施加推力,从而改变它的运动轨道,这叫做雅尔可夫斯基效应(Yarkovsky effect)。当天体以热量的形式释放能量时,也会受到这种效应的作用。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)

 

虽然地球也受到雅尔可夫斯基效应产生的推力,但这个力太小了,对地球的运动几乎不产生任何影响。即便对小行星来说,这个效应的作用也不大,但经过长时间的积累,它能改变小行星的轨道,构成真正的困扰。

 

太阳光产生的雅尔可夫斯基效应其方向和强度与小行星的类型和形状有关。不同的物质,其吸热速率和散热速率也不同,而且地形会使小行星地表的一部分永远处于阴影之中。这就是为什么小行星的运动如此难以预测的关键所在:科学家对小行星的物质构成缺乏足够的了解,无法准确地计算出雅尔可夫斯基力的大小。

 

贝努目前正运动到金星和火星之间,每六年它就会从地球身边经过。虽然它还不会立刻撞向地球,但它却有两千五百分之一的几率会在22世纪末与地球相撞。它是目前已知撞击地球几率最高的小行星之一。

竜宫和贝努的运动轨道都与地球的公转轨道有交叉,但在未来几百年里,贝努撞上地球的机会更大。(图片来源:ASTRONOMY:ROEN KELLY)

 

预测贝努在未来几年的运动情况只是一方面,雅尔可夫斯基效应经过几十年的积累作用,给它在未来200年的运动带来不确定因素。奥西里斯王号的主要目标就是尽量准确地记录贝努的运动情况,以便测量太阳光的推力。这将有助于限定贝努的命运,也将极大地改善对其它近地天体的预测。

 

生命的开端

不过,如果只是探察未知小行星带来的末日威胁,那么这两个项目只完成了一半任务。对陨石的研究表明,许多小天体都曾经有水,因此带着有机分子。这些有趣的发现引出了这样一种可能性——地球上的生命可能来自于太空。

 

地球生命起源的具体过程仍然是一个谜。大多数描述太阳系形成的理论认为,构成地球的干燥尘埃因为温度太高而无法留住地球现有的水量。年轻的干旱地球从带有冰块的陨石那里获得水,形成海洋。在这样的水运输中,可能还包含着第一批有机分子。为了证明这个理论,科学家需要找到一颗与之相似的带冰岩石。它必须仍然在太空中运动着,还未被地球生命污染过。

 

流星与威胁地球的近地小行星相似,其来源地主要有两处。第一批是来自于冥王星以外的太阳系区域的彗星。这些彗星的物质成分主要是冰,在朝向太阳运动时,由于受热而形成独特的彗尾。但是,科学家对彗星周围的水蒸汽进行测量后发现,它们并不是地球的“送水员”。

 

彗星带来的水大都含有太多的氘——带一个中子的氢原子,其质量比不带中子的氢原子质量大。氢元素与氧结合生成水分子。2014年12月,根据对67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的研究,欧洲空间局的“罗赛塔”研究团队得出结论,认为地球上的海洋不可能来自于这群彗星。

 

第二个选项是小行星。地面观测表明,竜宫小行星上可能有富含水的矿物质。这些物质肯定是在潮湿的条件下形成的。虽然竜宫的个头太小,无法留住液态水,不过,其母体小行星所含的水可能使它富含有机分子。

 

同样的事也可能发生在贝努身上。两颗小行星都是含碳的球粒陨石。这类天体形成于太阳系早期,在过去的45亿年里几乎没有发生任何变化。这使得它们与那些撞击早期地球的陨石非常相像。因此,这些天体携带的任何分子在过去很有可能被运送到地球上。

 

登陆小行星

奥西里斯王号和隼鸟2号将在2018年飞抵它们各自的观测目标。接下去,它们将对目标小行星展开长达一年半的深入分析,从地表最大规模的结构到一毫米大的尘埃都是它们的研究对象。不过,两个探测器在小行星地表着陆时所冒的风险最大。

上图展示了奥西里斯王号的高增益天线和太阳能板。2015年10月,工程师们把它们移走,去进行环境测试。(图片来源:LOCKHEED MARTIN CORP.)

在这幅艺术想象图中,奥西里斯王号已经飞到贝努小行星身旁。贝努的照片是美国宇航局的科学家把小行星地表的陨石坑分布模拟图和雷达观测得到的地形图重叠在一起合成的。我们要等到2018年探测器抵达小行星之后,才会获得真正的高清照片。(图片来源:NASA/GOLDSTONE/GSFC/MIKE NOLAN (ARECIBO OBSERVATORY)/BOB GASKELL (PLANETARY SCIENCE INSTITUTE))

 

当“罗赛塔”造访67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星时,它派出“菲莱”着陆器去做一次有去无回的探险。结果,菲莱在着陆时出了差错,在地表反弹了几次后,蹦到了彗星的阴影区。为了把小行星的物质样本带回地球,奥西里斯王号和隼鸟2号必须让主飞船在小行星地表登陆,以便收集样本,然后再安全起飞,返回太空。小行星的表面积小,引力场弱,而且地表的物质成分不明,这些都使登陆成为了一次冒险的尝试。如果着陆失败,整个飞船都会万劫不复。尽管如此,这样艰巨的任务还是曾经成功地完成过一次。

 

如其名所示,隼鸟2号有一位前辈。2010年6月,隼鸟号成功地把糸川小行星的土壤样本带回地球。

 

像“罗赛塔”一样,隼鸟号想要在如此小的天体上的弱引力环境中着陆并非易事。按照设计,探测器只需蜻蜓点水般轻轻降落在小行星地表,但在着陆过程中,探测器因为出了故障而在地表反弹了好几次,就像十年后的“菲莱”所经历过的那样。当隼鸟号落回小行星表面,它在那里待了半个小时,不得不暴露在超出预期的高温中。

 

尽管经历了这些磨难,隼鸟号还是幸存了下来,并且成功地完成了第二次着陆尝试。它还把第一份小行星土壤样本带回了地球。与竜宫和贝努不同,糸川自形成以来发生了很大变化,既没有水,也没有有机分子的迹象。它能够告诉我们的是太阳光如何在小行星的地表产生气象活动。这个信息对于理解奥西里斯王号和隼鸟2号的观测结果至关重要。它的返航也突显了把样本带回地球的重要性。

 

“这些细小尘埃的照片一出现,岩石学家便一眼认出了它们,”负责奥西里斯王号样本采集任务的科学家Harold Connolly在描述隼鸟号的探测结果时说。“那一刻定格在我的脑海中。”

 

在太空中进行远程分析是无法得到这样明显的发现的。Connolly意识到,要理解地球的过去和未来,他必须从小行星入手。

 

在收集这些重要的尘埃时,两个探测器各有一套自己的办法。奥西里斯王号将在2019年其旅程接近结束时着陆。当它降落到贝努的地表,一个可伸展的机械臂将喷出一股强劲的氮气流。气流冲击小行星的地表,使石块松动,扬起尘土,并把它们收集在机械臂尾部的样本室中。“我们的样本采集器很像日常使用的吸尘器,”Connolly解释说。“只不过它是用惰性气体把尘土清扫到一起的。”惰性气体不会污染或者改变科学家研究所需的样本。

奥西里斯王号的样本采集器(图左下插图)很像吸尘器,伸到贝努小行星的地表去收集样本。它可能采集到几磅重的样本。(图片来源:NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER)

 

为了验证这套系统在小行星的地表环境中能够正常工作,NASA的科学家使用一个名为“呕吐彗星”(译者注:美国宇航局对一种零重力飞机的昵称)进行测试。这种飞机通过突然俯冲,来模仿太空的弱引力环境。由于这样的突降常常引起乘客晕机呕吐,因此才有了这样的昵称。

 

奥西里斯王号的样本采集工作将收集到份量可观的岩石——重量介于60克至2千克之间、大小各异的尘埃。奥西里斯王号计划只进行一次这样颇具挑战性的着陆。不过,它还是做好了着陆三次的准备,以防万一。

 

隼鸟2号采用的是另一套不同的方法。它准备登陆竜宫三次,而非一次。通过在不同的着陆地点采集样本,隼鸟2号将对小行星物质成分的变化进行采样研究。这个计划使探测器面对的风险大大增加,不过,日本以前就已经进行过这样的登陆尝试了。

 

在前两次登陆中,隼鸟2号一降落到地面,就会把一枚子弹打进小行星的地表,搅起地表物质以便采集样本。这两处着陆地点,至少有一处有富含水的矿石,而且,在降落地点进行铲土取样之后,隼鸟2号再决定第二次着陆的地点。

 

在第三次着陆时,探测器计划采集竜宫地下更深处的岩石样本。为了达到这个目的,需要更大规模的爆炸。隼鸟2号自带了一个“小型便携式撞击器”,里面装有4.5千克的爆炸物。当探测器降落后,爆炸将在小行星地表炸出一个直径10米的坑。隼鸟2号则会躲到小行星的背面去,并派出一个相机替它监测爆炸结果。然后,探测器再从新露出的土壤中进行最后一次样本采集。

隼鸟2号将向竜宫发射爆炸物。爆炸时,隼鸟2号会躲到远处,以防被误伤。然后,待爆炸翻起小行星内部的物质后,探测器再返回小行星地表,收集土壤粉末样本。(图片来源:AKIHIRO IKESHITA)

日本航天局的科学家成功地对隼鸟2号自带的小型便携式撞击器进行了测试。他们计划用这个装置在竜宫小行星地表炸出一个10米宽的坑,以便采集地表之下的土壤样本。(图片来源:JAXA/NIHOKOHI)

 

虽然隼鸟2号不能在小行星表面徘徊太久,但它会留下一个带有三台漫游车的着陆器。这些机器人将对竜宫地表展开更细致地研究,并对在弱引力环境中运动所面临的挑战进行测试。

 

隼鸟2号计划采集的样本总量要比奥西里斯王号少,最少不过100毫克。虽然这个数量听上去不多,但隼鸟号仅用了比这个数量还少一万倍的样本,就已经揭露了有关糸川的大量信息。尽管,项目组的最佳方案是让探测器带回几克样本,但其实只要0.1克样本就足以完成全部的分析工作了。三处着陆地点的样本会被分别独立地保存在隼鸟2号舱内。这个舱将完全封闭,以防在抵达地球后被地球分子污染。隼鸟2号预计在2020年年末在澳大利亚内地降落,而奥西里斯王号将于2023年降落在美国犹他州的荒漠中。当科学家打开装有样本的舱进行分析时,他们将看到从太阳系早期保留至今的时间囊。

隼鸟2号将在2020年降落在澳大利亚腹地,带回它采集的样本。(图片来源:AKIHIRO IKESHITA)

在艺术家的想象中,当奥西里斯王号返回地球时,它释放出自己携带的样本返回舱。它计划在2023年降落在美国犹太州的荒漠中。(图片来源:NASA GODDARDSPACEFLIGHTCENTER)

 

团队合作

从两个小行星那里获得的独立数据大大降低了样本不具代表性的可能。科学家因此可以从中提取出更多的信息。“两个小行星的样本其价值远远不止增加两倍,”Connolly说。

 

正因如此,NASA和JAXA展开官方合作,为奥西里斯王号和隼鸟2号建立“理解备忘录”。两个项目组将共享小行星探索领域的经验,并彼此交换一部分样本用于科学研究。JAXA将把隼鸟2号在竜宫采集的样本的十分之一送给NASA。而NASA则把奥西里斯王号采集的贝努样本的百分之零点五交给JAXA。交换数量上的差异反映了奥西里斯王号采集的样本量更大,而JAXA将使用NASA的深空监测网跟踪隼鸟2号的旅行。

 

在奥西里斯王号登陆贝努的前一年,隼鸟2号会在竜宫进行第一次着陆。两队人马将专注于分析数据,以便为后面登陆过程中的突发状况做好准备。作为回报,奥西里斯王号团队将与日方共享小行星三维建模软件,为隼鸟2号的导航提供协助。

 

JAXA的空间和航天科学研究所所长Saku Tsuneta与奥西里斯王号项目负责人Dante Lauretta在2014年10月会面,体现了两个机构对这一合作关系的大力支持。“核心领导出面讨论一项特定的科学探索项目,这可是前所未见,”Connolly说,他也出席了这次见面会。

 

Connolly与负责隼鸟2号样本采集部分的Shogo Tachibana之间有很多合作。两人一致认为,合作虽然回报丰厚,但也不总是一帆风顺。

 

由于两个空间局的规模不同,导致在权力平衡方面存在问题。日本最初表达了自己的忧虑,担心与NASA合作会使规模较大的那个机构成为两个小行星项目的主导者。不过,日本在小行星项目和陨石科学方面的专业性是平衡的砝码。“在小行星研究中,我们可以实现双方的平等合作,”Tachibana说。

 

不过,JAXA规模小这一点也在工作文化方面带来更多的微妙因素。“日本常常单干,”Tachibana解释说,“我们的工作模式更像是一个家族,而不是一个公司。家族成员隐隐约约知道自己的职责。但像NASA这样的大公司,在研究工作的各个方面都需要具体的合约。”

 

这样的文化差异还不仅仅存在于项目组之中。Connolly讲述了他访问日本时的经历。当一位酒吧服务生知道了Tachibana是隼鸟2号项目组的成员时,“这人单膝跪下,与Shogo握手。”他说。“这种事在美国是绝不会发生的!双方在观念上存在极大差异。”

 

尽管在规模和认知上不一致,NASA和JAXA还是采取了类似的措施,把项目的影响扩展到学术圈之外。两家机构为他们的目标小行星进行公开的命名竞赛。此外,奥西里斯王号团队正在组织一个大众科学项目,请大家帮忙证认NEOs。“瞄准小行星!”项目则请求天文爱好者们把自己拍摄的小行星照片发给研究人员,以便增进后者对小行星的认识。两个项目的官网都上传了许多动画视频、项目科学家的访谈、还有项目的最新进展。当然,JAXA的拓展活动大都发生在日本本土,但他们也使用推特,并在项目的官网上同时提供英语和日语新闻。

 

虽然面对国际合作带来的种种差异,奥西里斯王号和隼鸟2号项目组仍然对这次合作的价值毫不怀疑。奥西里斯王号和隼鸟2号带回的样本所包含的不仅仅是一个国家的历史,而是有关地球上所有生命的历史,是理解它们的未来的关键。两个团队需要确保拥有一流的专业技能来迎接这一刻。

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