吳青

2020年10月22日，在“冥王號(hào)”航天器（以下簡(jiǎn)稱“冥王號(hào)”）觸及小行星“貝努”（以下簡(jiǎn)稱“貝努”）兩天后，美國(guó)宇航局接收到的系列影像證實(shí)“冥王號(hào)”已超額完成“貝努”采樣任務(wù)（60克）。這被科學(xué)家認(rèn)為是一個(gè)具有歷史}生的時(shí)刻。

“冥王號(hào)”抓拍到了自己的采樣器頭部（以下簡(jiǎn)稱采樣頭）在多個(gè)不同位置之間移動(dòng)的場(chǎng)面。在審看這些影像時(shí)，“冥王號(hào)”團(tuán)隊(duì)注意到了兩點(diǎn)：一是，采樣頭看來(lái)充滿小行星顆粒;二是，其中一些顆粒似乎正緩慢逸出采樣器。該團(tuán)隊(duì)相信，由于較大的巖石塊頂開(kāi)了采樣器的蓋子，因此采樣器里的一些小行星顆粒通過(guò)采樣器開(kāi)口處的小間隙逸出。

“冥王號(hào)”團(tuán)隊(duì)表示，“貝努”持續(xù)帶給科學(xué)家驚喜。因?yàn)椴蓸宇^采集到的樣本量超過(guò)了任務(wù)量，而部分樣本正逸出采樣器，所以該團(tuán)隊(duì)可能不得不加快存儲(chǔ)樣本的進(jìn)度，但該團(tuán)隊(duì)不認(rèn)為這是一個(gè)麻煩——科學(xué)家感到非常興奮的是，“冥王號(hào)”所采集的樣本量足以讓他們研究幾十年?！摆ね跆?hào)”拍攝的采樣影像還表明，“冥王號(hào)”及其采樣頭接下來(lái)的任伺移動(dòng)都可能導(dǎo)致更多樣本丟失。因此，“冥王號(hào)”團(tuán)隊(duì)決定放棄原定于10月24日展開(kāi)的“樣本質(zhì)量測(cè)量”活動(dòng)，還取消了原定于10月23日進(jìn)行的一次制動(dòng)燃燒，以盡可能降低“冥王號(hào)”的加速。自此，“冥王號(hào)”團(tuán)隊(duì)將致力于把“貝努”樣本嚴(yán)密封存在樣本返回艙里，讓樣本最終能安全返回地球。

值得一提的是，采樣頭是在最優(yōu)條件下執(zhí)行采樣任務(wù)的。新進(jìn)行的分析表明，當(dāng)采樣器的氮?dú)馄勘患ぐl(fā)用以攪起“貝努”的表面物質(zhì)時(shí)，采樣頭完全對(duì)準(zhǔn)了“貝努”表面進(jìn)行接觸和采樣。采樣頭還穿透到了“貝努”表面下好幾厘米處。迄今所有數(shù)據(jù)都表明，采樣頭對(duì)“貝努”表層土（也稱浮土）的采集量已大大超過(guò)60克?！摆ね跆?hào)”的狀況依然良好，任務(wù)團(tuán)隊(duì)正加緊確定樣本儲(chǔ)存的過(guò)程和時(shí)間表。

幫助了解太陽(yáng)系

從地球上的望遠(yuǎn)鏡看去，“貝努”的表面挺光滑。這正是美國(guó)宇航局當(dāng)初把“貝努”作為“冥王號(hào)”備選目的地之一的一個(gè)原因。但是，到“冥王號(hào)”在2018年接近“貝努”時(shí)，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)“貝努”的表面到處都有巨大的石頭?？茖W(xué)家接著意識(shí)到，這些大石頭的位置在過(guò)去幾十萬(wàn)年中大大改變。

一般認(rèn)為，因?yàn)闆](méi)有大氣層或火山活動(dòng)，所以個(gè)頭小的小行星并不很活躍。然而，正是由于“貝努”個(gè)頭小，引力也很弱，因此物質(zhì)在“貝努”表面很容易移動(dòng)?！柏惻痹趲装偃f(wàn)年前旋轉(zhuǎn)著脫離小行星帶，目前它在地球和火星之間運(yùn)行，它與地球之間的距離比它原來(lái)在小行星帶中時(shí)近得多。也正因?yàn)椤柏惻蹦壳暗能壍澜咏厍?，所以它比小行星帶里的其他行星容易被地球航天器取樣。通過(guò)模擬“貝努”表面巖石在過(guò)去時(shí)間里的移動(dòng)情況，科學(xué)家能預(yù)測(cè)“冥王號(hào)”采集的“貝努”樣本巖石顆?？赡軄?lái)自原來(lái)哪個(gè)地方。通過(guò)了解這些巖石的源頭，將有助于科學(xué)家更多地了解太陽(yáng)系和小行星帶天體的物質(zhì)構(gòu)成。小行星之間一直存在相互的引力作用，也一直在共享物質(zhì)。正如地球上有來(lái)自小行星的隕石，小行星上也有來(lái)自其他小行星的隕石。

幫助了解地球

“貝努”的形狀像一顆鉆石。就算在小行星當(dāng)中，“貝努”也是小個(gè)子一“貝努”的赤道直徑只有500多米。正因?yàn)橐θ?，所以“貝努”的旋轉(zhuǎn)力能讓“貝努”表面的巖石移動(dòng)，甚至導(dǎo)致部分巖石被甩進(jìn)太空。

科學(xué)家解釋說(shuō)，隨著“貝努”自轉(zhuǎn)，其表面會(huì)吸收來(lái)自太陽(yáng)的熱能。同樣，也會(huì)把熱量輻射回太空。這會(huì)對(duì)“貝努”產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩不僅會(huì)影響“貝努”自轉(zhuǎn)的速度，而且會(huì)隨著時(shí)間推移改變“貝努”的軌道?？赡苷沁@種轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致“貝努”離開(kāi)了小行星帶，最終來(lái)到地球近處。通過(guò)研究“貝努”上的原始巖石，科學(xué)家可能會(huì)知道外太陽(yáng)系存在什么物質(zhì)，而這些物質(zhì)可能有助于科學(xué)家探索有關(guān)原始地球物質(zhì)構(gòu)成的信息，從而有助于了解地球生命的起源。

在地球上，生命可能已經(jīng)存在了幾十億年，從生命出現(xiàn)至今，地球的面貌已經(jīng)大為改觀。因此，為了真正了解地球生命的起源，真的需要到?jīng)]有生命的其他天體上去。因?yàn)榈厍蛴写髿鈱?，還有活躍的板塊運(yùn)動(dòng)，所以地球上最古老的巖石已被風(fēng)化，或已被推到地幔深處。因此，科學(xué)家經(jīng)常通過(guò)隕石來(lái)補(bǔ)充了解古地球和太陽(yáng)系的構(gòu)成。

科學(xué)家說(shuō)，隕石之所以有時(shí)會(huì)被戲稱為“窮人的航天器”，是因?yàn)樗鼈兘?jīng)常來(lái)到地球。通過(guò)隕石，科學(xué)家能更多了解太陽(yáng)系及其歷史。與此同時(shí)，科學(xué)家也想通過(guò)隕石來(lái)了解整個(gè)小行星帶。而通過(guò)檢測(cè)“貝努”表面的巖石，科學(xué)家能獲得更多新手段，這有助于他們確定博物館收藏的一些隕石是否源自小行星帶。

下一步干什么

“貝努”巖石樣本計(jì)劃在2023年9月24日到達(dá)地球。屆時(shí)，一部分樣本將被送往美國(guó)史密森尼國(guó)家博物館?？茖W(xué)家將把這些巖石與該博物館收藏的隕石進(jìn)行成分對(duì)比，以調(diào)查這些隕石是否可能與“貝努”有關(guān)，或者是否可能與小行星帶里的另一顆小行星有關(guān)。

美國(guó)史密森尼國(guó)家博物館收藏的大多數(shù)隕石都來(lái)自小行星，但直到現(xiàn)在科學(xué)家也只能把這些隕石中的很小一部分與其祖先小行星對(duì)應(yīng)起來(lái)。如果在地上發(fā)現(xiàn)一塊隕石，你并不知道它在那里已經(jīng)待了多久，因此它的原始狀態(tài)已經(jīng)有改變。而“冥王號(hào)”將送回地球的巖石樣本相對(duì)而言要原始得多，所以對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)大有用場(chǎng)。

科學(xué)家預(yù)計(jì)，將返回地球的“貝努”樣本中可能包含與地球上所有巖石（包括隕石）都不一樣的巖石。如果真是這樣，那么將讓科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)系地質(zhì)歷史的探索變得更難。事實(shí)上，每隔幾年科學(xué)家都會(huì)發(fā)現(xiàn)某種新的隕石，因此“貝努”樣本中包含全新類型巖石的可能性也高。但另一方面，“貝努”巖石樣本也可能會(huì)讓一些原本很費(fèi)解的博物館館藏隕石變得不再難解。

隕石收藏不僅會(huì)被用于目前科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)系的探索，而且將被用于對(duì)未來(lái)的探索?！柏惻睒颖镜囊徊糠謱⒃诘诌_(dá)地球后立即被封存，以在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)采用現(xiàn)在還沒(méi)有的技術(shù)進(jìn)行解讀.甚至就連要解讀的話題現(xiàn)在也不知道。從這個(gè)意義上說(shuō)，“冥王號(hào)”將送回地球的“貝努”樣本將是一個(gè)會(huì)給科學(xué)界帶來(lái)持續(xù)啟發(fā)的大禮包。

“冥王號(hào)”的樣本返回艙

“冥王號(hào)”任務(wù)

“冥王號(hào)”任務(wù)是美國(guó)宇航局的一項(xiàng)小行星探索和取樣返回任務(wù)，其主要目的是采集一顆近地小行星一“貝努”的至少60克樣本，并且把樣本送回地球做詳細(xì)檢測(cè)。預(yù)計(jì)這一樣本將讓科學(xué)家了解更多有關(guān)太陽(yáng)系形成和演化、太陽(yáng)系行星形成初期階段和導(dǎo)致地球生命出現(xiàn)的有機(jī)化合物來(lái)源的信息。

“冥王號(hào)”發(fā)射于2016年9月8日，2017年9月22日經(jīng)過(guò)地球，2018年1 2月3日與“貝努”會(huì)和。之后幾個(gè)月里，“冥王號(hào)”探測(cè)“貝努”表面情況，以尋找適合的取樣地點(diǎn)。2019年12月12日，美國(guó)宇航局宣布“冥王號(hào)”將在“貝努”表面的“南丁格爾”這一地點(diǎn)取樣。2020年10月20日，“冥王號(hào)”靠近“貝努”，成功進(jìn)行取樣。

“貝努”被選為“冥王號(hào)”的取樣目標(biāo)，是由于它是記錄太陽(yáng)系歷史的“時(shí)間囊”。表面顏色很暗的“貝努”被列為B類小行星，從屬于碳質(zhì)的C類小行星。這類小行星被認(rèn)為很“原始”，因?yàn)樽孕纬梢詠?lái)它們的地質(zhì)幾乎沒(méi)有改變?！柏惻北贿x中，尤其是因?yàn)樗写罅考儍舻奶假|(zhì)物質(zhì)，這些物質(zhì)是生命所需有機(jī)分子的重要成分，也是地球形成以前的物質(zhì)代表。像氨基酸這樣的有機(jī)分子，之前已經(jīng)在隕石和彗星樣本中被發(fā)現(xiàn)，這說(shuō)明生命所需的一些成分可在外太空天然合成。

“冥王號(hào)”任務(wù)成本高昂，該任務(wù)是美國(guó)宇航局“新疆界計(jì)劃”的一部分，其余部分是“朱諾號(hào)”任務(wù)（探測(cè)目標(biāo)為木星）和“新地平線號(hào)”任務(wù)（探測(cè)目標(biāo)為外太陽(yáng)系）。如果完全成功，“冥王號(hào)”將是從小行星取樣并返回的第一艘美國(guó)航天器。2010年，日本一艘航天器已從一顆小行星取樣并返回。2020年，日本另一艘航天器計(jì)劃從另一顆小行星取樣并返回。

“冥王號(hào)”花了兩年多才抵達(dá)“貝努”?！摆ね跆?hào)”采集的“貝努”樣本將在一個(gè)46千克重的艙中返回地球，該艙與美國(guó)宇航局“星辰號(hào)”航天器從81P彗星取樣并返回所采用的返回艙相似?！摆ね跆?hào)”的回程之旅比前往之旅要短一些。

“冥王號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)

①送回足夠數(shù)量的碳質(zhì)小行星表層土純凈樣本進(jìn)行檢測(cè)，以確定表層土中礦物質(zhì)和有機(jī)化合物的性質(zhì)、歷史和分布情況。

②對(duì)原始碳質(zhì)小行星進(jìn)行全球特征、化學(xué)和礦物學(xué)測(cè)定，描述地質(zhì)和動(dòng)態(tài)歷史，為返回的樣本提供背景情況。

③為采樣地點(diǎn)記錄地質(zhì)、地形、化學(xué)和表層土光譜特征。

④測(cè)量近地小行星的熱力效應(yīng)，為防范對(duì)地球有潛在威脅的小行星提供幫助。

⑤描述原始碳質(zhì)小行星的全球特征，與地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)小行星的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)比

“冥王號(hào)”數(shù)據(jù)

名稱來(lái)源“冥王號(hào)”的英文縮寫(xiě)為OSIRIS-REx，表示“起源、光譜解讀、資源辨識(shí)、安全、表層土探測(cè)器”。其中，“安全”是指“貝努”之類的近地小行星對(duì)地球有一定危險(xiǎn)性，通過(guò)“冥王號(hào)”任務(wù)之類的探測(cè)將有助于找到防范小行星威脅的思路。

任務(wù)類型小行星樣本返回。

計(jì)劃任務(wù)期7年。其中，在“貝努”附近為505天。

三維

長(zhǎng)2.4米，寬2.4米，高3.15米。

展開(kāi)太陽(yáng)能電池板后的寬度6.17米。

推進(jìn)系統(tǒng)

肼單一組分推進(jìn)劑，重量為1230千克。

發(fā)射質(zhì)量2110千克。

運(yùn)載火箭“宇宙神五號(hào)”。

經(jīng)過(guò)地球的時(shí)間2017年9月22日。當(dāng)時(shí)“冥王號(hào)”與地球之間距離為1.7237萬(wàn)千米。

插入環(huán)繞“貝努”的軌道2018年12月31日。

離開(kāi)環(huán)繞“貝努”的軌道2020年10月22日。

為何叫它“貝努”

1999年9月11日，科學(xué)家在“里尼爾”巡天觀測(cè)近地小行星計(jì)劃中通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了“貝努”（注意：當(dāng)時(shí)它只有數(shù)字代號(hào)，而沒(méi)有“貝努”這個(gè)名字）。阿雷西博天文臺(tái)的行星雷達(dá)和戈德斯通深空網(wǎng)絡(luò)對(duì)“貝努”進(jìn)行了深入觀測(cè)，確定了“貝努”的平均直徑——490米。2012年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)、行星學(xué)會(huì)和“里尼爾”項(xiàng)目組聯(lián)合舉辦“給小行星起名”競(jìng)賽，為剛發(fā)現(xiàn)的還只有數(shù)字代號(hào)的“貝努”命名。來(lái)自全球數(shù)十國(guó)的超過(guò)8000名學(xué)生提交了候選名稱。最終，由美國(guó)北卡羅來(lái)納3年級(jí)學(xué)生普奇奧提出的“貝努”獲選。普奇奧說(shuō)，“貝努”原本是埃及神鳥(niǎo)的名字，而“冥王號(hào)”航天器及其伸出的采樣臂就像是神鳥(niǎo)“貝努”。順便提一句，神鳥(niǎo)“貝努”經(jīng)常被刻畫(huà)為一只蒼鷺。

“冥王號(hào)”數(shù)據(jù)

“冥王號(hào)”機(jī)械臂上的采樣頭在實(shí)際采樣前進(jìn)行了演練。在采樣過(guò)程中，“冥王號(hào)”的太陽(yáng)能電池板被升高，形成Y形架構(gòu)，由此盡量避免塵埃堆積，并提供更多離地間隙，以防“冥王號(hào)”側(cè)翻45。而觸碰“貝努”?！摆ね跆?hào)”下降（而非登陸）至“貝努”表面附近的過(guò)程緩慢，目的是盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒次數(shù)，避免“冥王號(hào)”的肼推進(jìn)劑污染“貝努”。采樣頭與“貝努”表面的接觸由感應(yīng)器檢測(cè)，接觸所產(chǎn)生的力量通過(guò)采集頭所在機(jī)械臂上的彈簧來(lái)減輕。

在接觸“貝努”之前，采樣頭發(fā)射氮?dú)饬鳎康氖前阎睆叫∮?厘米的表層土顆粒吹進(jìn)位于機(jī)械臂末端的采樣頭。一只計(jì)時(shí)器限制采樣時(shí)間，以盡可能避免“冥王號(hào)”撞上“貝努”。計(jì)時(shí)到點(diǎn)后，“冥王號(hào)”執(zhí)行后退操作，以安全離開(kāi)“貝努”。

為防必須返回以實(shí)施第二次采樣，美國(guó)宇舷局還計(jì)劃在“冥王號(hào)”開(kāi)始飄移、離開(kāi)“貝努”幾天后讓“冥王號(hào)”重返“貝努”。根據(jù)計(jì)劃，“冥王號(hào)”將在采樣后拍攝采樣頭照片，以證實(shí)是否成功采樣。如果采樣成功，“冥王號(hào)”會(huì)繞著采樣機(jī)械臂的短軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量慣性矩來(lái)確定樣本量是否超過(guò)任務(wù)量——60克。

但在實(shí)際運(yùn)作中，無(wú)論是返回“貝努”還是旋轉(zhuǎn)測(cè)量的程序都被取消，因?yàn)闃颖救萜饔跋袂逦@示實(shí)際采集量遠(yuǎn)超任務(wù)量，且一小部分樣本正選出樣本容器。于是，“冥王號(hào)”團(tuán)隊(duì)決定把采集到的樣本立即存入樣本返回艙。采樣機(jī)械臂縮回，樣本返回艙的艙蓋關(guān)閉，“冥王號(hào)”踏上回程旅途。

除了采樣頭主體外，由微型不銹鋼圈制成、位于采樣頭末端的接觸墊被動(dòng)采集了直徑小于1毫米的塵埃顆粒。