□ 尹懷勤

OSIRIS-REx計(jì)劃中的探測器在小行星表面采集樣本

5月25日，美國航宇局宣布，將在2016年啟動(dòng)耗資10多億美元的名為OSIRIS-REx的太空探測計(jì)劃，發(fā)射一艘機(jī)器人飛船，并在4年以后抵達(dá)一顆被稱為1999RQ36的近地小行星，收集星面塵埃，然后于2023年返回地球?？茖W(xué)家屆時(shí)將對樣本物質(zhì)進(jìn)行仔細(xì)分析研究，以便找到關(guān)于地球生命起源的線索。實(shí)際上，這一探測計(jì)劃的實(shí)施，還有其他方面的考慮和收獲。

探測小行星的緣由

小行星也是太陽系家族中的一類成員，同樣圍繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，只是體積特小而已。它們絕大多數(shù)分布在火星與木星軌道之間，平均距離太陽為2.77個(gè)天文單位，即4.14億千米，被稱為小行星帶。2010年8月中旬媒體報(bào)道，天文學(xué)家在海王星前后的兩個(gè)拉格朗日區(qū)都發(fā)現(xiàn)了一些小行星。在那里太陽和海王星的引力相抵消，小行星始終保持著與海王星不變的距離繞日運(yùn)行。此外，位于八大行星外面的柯伊伯帶中也有一些小行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。其余的小行星穿越大行星軌道繞太陽公轉(zhuǎn)，有些則到達(dá)地球附近，就被稱為近地小行星。

小行星是太陽系在大約46億年前剛剛形成時(shí)所產(chǎn)生的大塊碎片?？茖W(xué)家長期以來一直把小行星視為知識(shí)的寶庫，認(rèn)為其儲(chǔ)藏著關(guān)于太陽系形成以及生命起源的信息。正因如此，人類掌握航天技術(shù)以后，就發(fā)射太空望運(yùn)鏡對小行星進(jìn)行觀測和發(fā)射航天器對其就近進(jìn)行探測。前者如“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡，曾發(fā)現(xiàn)小行星帶中的最大天體“谷神”星儲(chǔ)有大量水冰，其擁有的淡水量比地球淡水還多。后者如“蘇梅克”號(hào)飛船，曾對名為“愛神”的小行星進(jìn)行了近一年時(shí)間的環(huán)繞飛行探測，最后成功著陸其表面并繼續(xù)開展了16天的探測工作，獲得了大量數(shù)據(jù)資料。再如美國2007年發(fā)射的“黎明”號(hào)探測器目前正在飛近小行星帶中的“灶神”星，不久即將對其開展繞飛探測，2015年還要探測“谷神”星。

OSIRIS-REx計(jì)劃的首席科學(xué)家邁克爾·德雷克說，通過望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的針對1999QR36的調(diào)查結(jié)果顯示，這顆小行星上擁有富含碳元素的物質(zhì)，而這樣的物質(zhì)是構(gòu)成生命的基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)厍蛱幱谀贻p階段時(shí)，小行星撞擊了我們的星球，可能帶來了一些化合物。這些物質(zhì)后來結(jié)合起來，形成了第一批組成生命的分子。機(jī)器人飛船在抵達(dá)這顆小行星并進(jìn)入繞飛軌道之后，將開始進(jìn)行長達(dá)幾個(gè)月的細(xì)致調(diào)查，以便找到合適的著陸地點(diǎn)。在確定著陸點(diǎn)后，飛船將與1999RQ36自轉(zhuǎn)速度同步飛行，然后釋放一臺(tái)探測器至小行星表面，與之接觸5秒鐘的時(shí)間，僅是短暫的親吻。在此期間，一股氣體將把塵土吹入一個(gè)收集器內(nèi)。該收集器將被飛船送回地球，降落在美國猶他州的沙漠中。它能容納近5磅重的物質(zhì)，足夠科學(xué)家研究幾十年。飛船上一個(gè)高分辨率的攝像機(jī)將把整個(gè)采樣過程記錄下來，使地球上的太空迷們能夠親眼目睹樣本是怎樣收集的。日本2003年5月發(fā)射的“隼鳥”號(hào)探測器，雖然用大體相同的方法“親吻”了“絲川”小行星，并于2010年6月返回地球，降落在澳大利亞的沙漠中，但由于制導(dǎo)系統(tǒng)出了問題，不僅推遲了回歸時(shí)間，而且未采集到樣本。

2011年7月9日拍攝的小行星“灶神”的立體圖像

OSIRIS-REx計(jì)劃徽標(biāo)

“愛神”小行星

更應(yīng)關(guān)注近地小行星

值得關(guān)注的是，近地小行星中有的軌道與地球軌道交叉，就有可能撞上地球，有的軌道離地球軌道很近，也可能被地球引力捕獲而招來麻煩。天文學(xué)家的計(jì)算表明，直徑10千米的近地小行星與地球撞擊的概率約為每10萬年一次。事實(shí)上，地球已多次遭遇小行星的襲擊。科學(xué)家研究認(rèn)為，6500萬年前一顆直徑約幾千米的小行星撞擊地球，造成了恐龍和三分之二其他物種的滅亡。1500萬年前一顆直徑1千米的小行星撞擊地球的痕跡是衛(wèi)星從太空觀察到的，衛(wèi)星照片顯示其地點(diǎn)就位于現(xiàn)在的德國中部，那里有深達(dá)700米以上的巨大坑洞。造成一定危害的小行星最近一次撞擊地球是通古斯事件。1908年6月30日發(fā)生在俄羅斯西伯利亞的這次災(zāi)難性爆炸，是有史以來人類親眼目睹的電掣般的天地之吻。同樣，彗星也曾撞擊過地球。有些科學(xué)家認(rèn)為，地球上的水就是彗星帶來的。

目前世界上很多國家都在從事對近地小天體的觀測活動(dòng)，并在不斷取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。從打贏保衛(wèi)地球預(yù)防戰(zhàn)先要做好前哨偵察工作的角度講，當(dāng)前已獲得了明顯成果。2010年7月29日，數(shù)名科學(xué)家指出，一顆編號(hào)為1999RQ36的小行星最有可能于2182年9月24日撞擊地球。這顆直徑為560米的小行星撞擊地球的概率盡管僅為1/1800，但已引起了科學(xué)家的關(guān)注。美國行星學(xué)家克拉克·查普曼說，這個(gè)尺寸意味著一旦它撞上地球，就相當(dāng)于數(shù)百枚大核彈同時(shí)爆炸，即便不會(huì)毀滅地球所有文明，也將造成大規(guī)模的破壞及物種滅絕。美國航宇局為此已提出了應(yīng)對計(jì)劃，如果該計(jì)劃獲準(zhǔn)，美國將于2016年發(fā)射探測器，用3年左右的時(shí)間飛抵1999RQ36，對其表面進(jìn)行測繪，并登陸采集樣本后返回地球，以深化人類對它的形狀和組成的認(rèn)識(shí)。有專家稱，任何試圖將1999RQ36轉(zhuǎn)向以拯救地球的措施，必須提早100年開始行動(dòng)才有成功的機(jī)會(huì)。這也就是說，為迎戰(zhàn)1999RQ36小行星采取的系列舉措最遲也得于2082年付諸實(shí)施。OSIRIS-REx計(jì)劃就是在這種背景下出臺(tái)的。

阻止天敵入侵的幾種方案

為了防止1999RQ36等近地小行星襲擊人類搖籃的發(fā)生，切實(shí)打好地球保衛(wèi)戰(zhàn)，從實(shí)際情況出發(fā)，行之有效的途徑就是運(yùn)用航天技術(shù)對其予以迎頭痛擊或?qū)⑵渲品ｋm然1999RQ36對地球的實(shí)際威脅還有一段時(shí)間，但人類必須從現(xiàn)在開始就把已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的可用措施不斷地加以完善并逐步予以落實(shí)。人無遠(yuǎn)慮，必有近憂。凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。這些至理名言，用在防止無情天體親吻地球的重大問題上是最好不過了。關(guān)于實(shí)戰(zhàn)的可行措施，目前科學(xué)家們已提出了三種方案。

“黎明”號(hào)探測器

“黎明”號(hào)探測器收集來自“灶神”星的光譜數(shù)據(jù)

1993年8月“伽里略”號(hào)探測器拍攝的寬56.3千米的小行星“艾達(dá)”

“隼鳥”號(hào)探測器

第一種方案，就是用航天技術(shù)運(yùn)載核武器將天外不速之客擊得粉身碎骨。這一創(chuàng)意最早是由美國氫彈之父泰勒博士提出來的，而逐漸被科學(xué)家們所認(rèn)可。具體做法就是提前發(fā)射宇宙飛船，將核裝置運(yùn)載到正沖向地球的小天體上引爆，將其炸碎，拒敵于安全距離之外，確保地球無虞。當(dāng)然，一次未達(dá)預(yù)期目的，可進(jìn)行多次攔擊，務(wù)期必克。打好地球保衛(wèi)戰(zhàn)，關(guān)系到地球生物生死存亡尤其是人類本身的可持續(xù)發(fā)展問題，科學(xué)家們想到動(dòng)用航天和核能兩大高新技術(shù)以達(dá)到預(yù)期的目的，乃是歷史發(fā)展的必然選擇。這種辦法對結(jié)構(gòu)比較松散的彗星更為適宜，對小行星1999RQ36就較費(fèi)勁。

第二種方案，就是用核武器迎擊來襲天體改變其運(yùn)行軌道。這是英國三人專家小組提出的舉措。他們計(jì)劃設(shè)計(jì)一種武器系統(tǒng)，使一系列核彈頭在奔向地球的小天體的一側(cè)爆炸，利用爆炸釋放的能量和產(chǎn)生的強(qiáng)中子輻射，打掉小天體表面的一部分，使其重心偏移，從而改變運(yùn)行軌道，最終躲開地球運(yùn)行。英國核武器研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家正與其歐洲同行探討如何實(shí)施這一技術(shù)良策。為該小組提供咨詢的高級(jí)武器專家奈杰爾·霍洛韋說，要使直徑為1千米～2千米的小行星改變軌道，需要使用相當(dāng)于10萬顆投放廣島原子彈的核彈頭即20億噸TNT的能量?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，此種辦法相對耗費(fèi)能量較少，對小行星來說比第一種方案更切實(shí)可行。1999RQ36的直徑尚不到1千米，核彈頭能量還可小一些。

第三種方案，就是在即將威脅地球的小行星上安放動(dòng)力裝置改變其運(yùn)行軌道。這是近幾年來科學(xué)家們才提出的一項(xiàng)措施。具體實(shí)施途徑可以歸納為兩種，其共同點(diǎn)是都需要發(fā)射機(jī)器人飛船或載人航天器攜帶必備的相應(yīng)動(dòng)力裝置在小行星上實(shí)現(xiàn)軟著陸，并由機(jī)器人或航天員進(jìn)行技術(shù)操作。一種是在小行星的適當(dāng)位置安放并固牢核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，并點(diǎn)火讓其工作一定的時(shí)間，用它產(chǎn)生的反作用力，推動(dòng)小行星脫離原來的運(yùn)行軌道，從而避免撞向地球。另一種是在小行星上選擇合適位置安裝太陽帆并將其展開，使帆面盡量垂直太陽光，以便能夠最大限度地接受太陽光子反射所產(chǎn)生的壓力。在這種壓力的較長時(shí)間的作用下，小行星也會(huì)逐漸改變運(yùn)行方向，最終將與地球相望而過，避免兩者接觸。由于彗星彗核結(jié)構(gòu)不如小行星那樣結(jié)實(shí)，這種方案不太適用于彗星。對1999RQ36來講，就較為合適。

“魯特西亞”小行星

小行星撞地球

從發(fā)展的觀點(diǎn)來看，對付類似1999RQ36的天外殺手，可選擇的方案還有用激光武器摧毀危險(xiǎn)的目標(biāo)，發(fā)射反物質(zhì)使入侵者在猛烈的湮滅反應(yīng)中炸毀，在月球上建立基地監(jiān)視來襲天敵并提前發(fā)射攜帶核彈頭的航天器予以攔截等。理論上講，上述辦法都可能做到，但就目前而言，技術(shù)上尚難實(shí)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，將來還可能提出更為新穎有效的措施，只是現(xiàn)在難以準(zhǔn)確預(yù)言。

人們既然認(rèn)識(shí)到了天體可能入侵的危害，并已初步掌握了可行的技術(shù)防范手段，就應(yīng)該結(jié)束不為地球設(shè)防的歷史。這就是已達(dá)到當(dāng)前文明程度的人類從研究地理和探索太空今昔狀況的對比中以及科學(xué)地預(yù)測未來所得出的必然結(jié)論。

為登陸小行星做準(zhǔn)備

與實(shí)現(xiàn)第三種方案有關(guān)的一個(gè)好消息是，美國航宇局正在計(jì)劃2025年前發(fā)射獵戶座太空船載人登陸小行星。這種飛船的制造商洛克希德·馬丁公司已經(jīng)拿出一項(xiàng)派遣兩位航天員持續(xù)半年時(shí)間探索小行星的代號(hào)為“移民石”的計(jì)劃。獵戶座原本是為運(yùn)送航天員重返月球而設(shè)計(jì)的，在美國擱置登月計(jì)劃后，它被當(dāng)作國際空間站的救生船繼續(xù)研制，現(xiàn)已具備登陸小行星所需的絕大多數(shù)要求。派遣載人航天器造訪小行星，不僅是美國火星登陸任務(wù)的一項(xiàng)寶貴技術(shù)測試及演習(xí)，還將有助于科學(xué)家們?yōu)閼?yīng)對小行星撞擊地球制定計(jì)劃，即為實(shí)現(xiàn)上述方案尤其是第三種方案提供借鑒。航天員成功軟著陸小行星，可以直接了解對方的實(shí)際情況，幫助科學(xué)家們加深對該類天體的認(rèn)識(shí)，從而讓他們能夠更好地選擇和完善迎戰(zhàn)威脅地球安全的小行星的具體方案。登陸小行星的成功經(jīng)驗(yàn)，也是對第三種方案實(shí)施的可行性的有效驗(yàn)證。這種飛行方式為必要時(shí)的載人操作開通了路徑，比將來派遣機(jī)器人登陸威脅地球的小天體安裝動(dòng)力裝置更為可靠。即便是以后用機(jī)器人去完成該項(xiàng)重要任務(wù)，也可由此增強(qiáng)準(zhǔn)備工作的針對性。

換一個(gè)角度講，讓機(jī)器人飛船就近探測、登陸采樣1999RQ36小行星，并最終返回地球，也是為美國實(shí)施派人登陸小行星做準(zhǔn)備的。根據(jù)美國總統(tǒng)奧巴馬2010年4月宣布的要在2020年至2025年派遣航天員訪問小行星的計(jì)劃，為了避免攜帶太多的生活用品，載人飛船往返飛行時(shí)間不超過6個(gè)月，為了地面天文望遠(yuǎn)鏡能夠觀看到小行星，星體直徑不能小于50米。據(jù)此只有2009QS5、1999AQ10、3003SM84三顆小行星符合條件。盡管已有這三個(gè)候選目標(biāo)，但美國航宇局目前還沒有最終決定登陸哪顆小行星。問題是上述三顆小行星直徑僅為50米～100米，幾乎沒有重力，且快速自轉(zhuǎn)，還會(huì)產(chǎn)生離心力，給飛船登陸其表面和航天員出艙行走都造成很大困難。為了解決這些難題，美國航宇局對獵戶座飛船和航天員將采取一些特殊的措施。顯而易見，讓宇宙飛船運(yùn)載機(jī)器人登陸1999RQ36小行星，可以驗(yàn)證未來飛船載人登陸小行星技術(shù)，并為其改進(jìn)提供借鑒。登陸小行星比登陸月球要艱難得多，不僅因?yàn)榍罢弑群笳吒鼮檫b遠(yuǎn)，還因?yàn)閮烧唧w積大小差別過于懸殊。在這種情況下，用機(jī)器人進(jìn)行探路，無疑是一種上乘方案。將來航天員登陸小行星成功，在表明載人航天技術(shù)又邁上一個(gè)新的臺(tái)階的同時(shí)，還為載人訪問火星積累了經(jīng)驗(yàn)。這也是美國政府決心暫時(shí)放棄載人重返月球計(jì)劃的主要原因。

綜上所述，不難看出，美國實(shí)施機(jī)器人飛船探測小行星計(jì)劃，將是一舉多得的做法。

“隼鳥”號(hào)探測器的返回艙