作者:冯丽妃 来源: 中国科学报 发布时间:2019/6/4 9:19:20
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到深空去“追星”
小天体探测考验综合技术实力

▲美国国家航空航天局找到“新视野”号下一个目标。图片来源:《科学》 

■本报记者 冯丽妃

“小行星数量庞大,种类繁多。”李爽在接受《中国科学报》采访时说,针对小行星组成物质、物理特征等的科学探测,对于研究太阳系演化、生命起源等科学问题具有重要意义。同时,地球附近存在大量潜在危险小行星,相关探测任务可以验证小行星防御技术,提升小行星防御能力。

美国“新视野”号探测器在今年元旦成功近距离飞越了太阳系边缘小天体“天涯海角”。探测器在此过程中收集的数据正缓慢传回地球。近日,《科学》杂志发表了研究团队利用已返回的10%数据获得的首批研究成果。

“天涯海角”编号为2014 MU69,位于太阳系边缘柯伊伯带(KBOs),是人类造访的最远的一个天体。“此次KBOs之旅是迄今为止对这些原始冰冷天体的最佳观测时机。”美国亚利桑那州洛威尔天文台项目联合调查员Will Grundy说。

“从来没有一个探测器像‘新视野’号一样,这么近距离地去看一个KBOs的天体,去看如此遥远、如此原始的星子。”中科院紫金山天文台研究员季江徽在接受《中国科学报》采访时说,“它就像一个‘时间胶囊’,可以告诉我们太阳系在46亿年前形成之初的信息。”

“因为要考验的技术很多,所以小行星探测是一种高风险、高难度,但成果也非常多的空间任务。”季江徽说。对此,南京航空航天大学航天新技术实验室教授李爽也表示,小行星探测任务周期长、挑战性强,可以推动深空探测技术的发展。

最遥远的“邂逅”

“天涯海角”距离太阳约67亿千米,比冥王星还远16亿千米。作为史上最快速的探测器,“新视野”号速度可达16.26千米/秒,但自2006年1月发射升空后,花了13年时间才到达“天涯海角”。

这颗天体外形像一个“小雪人”,由相接的双星构成。“天涯”较大且扁平,“海角”较小呈圆形,它们被一个“颈部”连接着,总长约36千米。研究人员推测,它们曾是两个互相环绕的天体,在一次轻微碰撞中结合在一起。

据了解,这是迄今发现的第一个保存完好的星子——行星吸积阶段的先驱小天体。“太阳星云充满了气体和尘埃,是形成行星的最基本的环境。小的尘埃会慢慢黏在一起,从厘米级、分米级慢慢长成米级、千米级大小的星子。”季江徽解释。

他补充道,在引力作用下,星子继续生长会形成体积介于星子和行星之间的“行星胚胎”,达到上千千米的量级,如谷神星和灶神星。在此基础上进一步形成火星、地球等类地行星,再进一步吸积原行星盘里的气体就会形成类似木星的气态巨行星,或是天王星、海王星一类的冰巨行星。

这颗星子同时属于KBOs的一批“冷经典”天体,它们被认为是来自太阳系早期原始物质的剩余物,其轨迹似乎因为太阳系外围巨行星的存在而相对平静。研究发现,“天涯海角”没有卫星、光环、瞬态大气,也没有气体排放或尘埃,没有任何迹象表明相对较近的扰动。

“它已经存在了近40亿年,一直处于零下240℃的极寒冷冻状态。”美国科罗拉多州博尔德市西南研究所的“新视野”号首席研究员Alan Stern说,“所以是太阳系诞生后被完好保存的一个遗物,以前从未有人触及这里。”

数据分析发现,“天涯海角”表面最大的洼地宽8千米,研究团队将其取名为“马里兰陨石坑”。其星体呈淡红色,比冥王星更红,是太阳系颜色最红的天体。研究者认为,这可能是由辐射分解简单分子产生的有机大分子,也可能是由太空风化的硅酸盐造成的,尽管没有直接证据表明MU69上有硅酸盐。

“小不点”大热度

1991年,美国发射的“伽利略”木星探测器对951号Gaspra小行星进行了飞越探测,这是人类第一次近距离观测小行星。由此计算,国际上小天体(主要包括小行星和彗星)探测已有近30年历程。此后,美、欧、日和中国先后完成了各自独特的标志性任务,实现了飞越、绕飞、采样返回等多种方式探测,包括日本“隼鸟”号、美国“黎明”号、欧洲“罗塞塔”号。

中国嫦娥二号探测器近距离飞越小行星图塔蒂斯,实现首次小行星飞越观测,并获取最高分辨率3米的光学彩色图像。“这使中国成为继美、欧、日之后第4个实施小行星探测的国家。”季江徽说。

“小行星数量庞大,种类繁多。”李爽在接受《中国科学报》采访时曾说,针对小行星组成物质、物理特征等的科学探测,对于研究太阳系演化、生命起源等科学问题具有重要意义。同时,地球附近存在大量潜在危险小行星,相关探测任务可以验证小行星防御技术,提升小行星防御能力。

“小行星的危害,从过去到最近乃至于将来都始终存在。”季江徽举例说,早一些的例子有白垩纪生物大灭绝,近一些的有1908年俄罗斯通古斯大爆炸。特别是2013年2月的车里雅宾斯克事件,直径数十米的小行星在空中裂解形成“陨石雨”,导致1200多人受伤、数千幢房屋被毁。

国内外都不乏相关探测。贝努小行星就是其中之一。美国国家航空航天局认为,贝努在2175年至2199年之间撞击地球的可能性为1/2700。美国“冥王”号探测器计划在2020年获取这个直径约500米小行星的样品。贝努成为研究目标的另一个重要原因在于其可能存在氨基酸等有机分子,有助探索地球生命起源以及太阳系的形成与演化。

地面监测对于探测危险的小行星亦不可或缺。在国内,自2006年以来,中科院紫金山天文台位于江苏盱眙的专门用于监测发现近地天体的望远镜已发现了20多个威胁性的近地小行星。这个直径1.2米口径的望远镜还代表中国加入联合国的国际近地天体观测网(IAWN),为监测外太空危险的主干设备之一。“我们正在推进一个口径为2.5米的大视场光学巡天望远镜,目标也是监测一些小行星,建成后可能会落放在西部。”季江徽透露。

此外,探测小行星还有助于资源开发。他表示,太空任务非常昂贵,将来人类或许能在小行星上面直接开发提纯水,相比于资源、稀有金属,这更加重要。谷歌、腾讯等公司的前瞻性研究已经开始了。

季江徽还畅想了未来在太空旅行中造访小行星。“从冥王星发现到现在100多年,我们都已经成功地飞越它了,而且飞越了一个KBOs天体——‘天涯海角’。再过50年,人类去小行星旅行或者去火星居住或许不再是一个空想。今天的这些努力,都会为明天做铺垫。”他说。

造访并不简单

正因如此,美国国家航空航天局在其下一轮低成本行星科学任务序列“发现”任务中,计划访问两个神秘小行星:2021年发射“露西”号,飞越探测木星的6颗特洛伊小行星;2023年发射“灵神”号,环绕同名的铁镍小行星灵神星运行。

无论是出于何种原因,造访这些小行星并不简单。“如何从众多小行星中选择合适的目标是小行星探测首先需要考虑的问题。”李爽说,而且小行星的轨道差异较大,存在高倾角、大偏心率等情况,极大地增加了探测任务的能耗。如何利用引力助推、电推进等技术实现低成本快速转移是目前小行星探测的难点之一。

小行星由于体积较小、质量轻、形状不规则,形成了弱引力场,而且对于多星系统,引力场的复杂度将进一步提升。“针对小行星特殊动力学环境下的任务轨道设计和附着采样技术,也是目前小行星探测技术的困难点和研究热点。”李爽说。

“‘罗塞塔’号探测器就是把菲莱着陆器释放到彗星上,这涉及到小天体的附着技术。因为小行星非常小,引力非常微弱,实现附着非常困难。”季江徽说。

在漫长的太空探索之旅中,燃料的约束也是技术挑战之一。以新视野号为例,由于冥王星和柯伊伯带远离太阳,太阳能电池无法满足其能量供应。研究人员为其配备了一台核能发电机,内装10.9千克二氧化钚,其中的钚-238衰变时会释放出热量,通过温差发电提供稳定的电力。

此外,季江徽指出,还有通信、自主导航、地面导引等问题都亟待解决。比如探测器进行了科学勘察,怎么把科学数据高效传回来?如何在深空进行自主导航?怎样通过地面观测进行轨道调整、寻找探测目标?这些挑战都在考验一项任务能否圆满完成。

呼唤中国“路线图”

继嫦娥二号飞越图塔蒂斯之后,随着深空探测综合实力的增强,中国的小行星探测计划已经浮出水面。

日前,中国国家航天局发布公告称,小行星探测任务将采用长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射。探测器携带科学载荷,对近地小行星2016 HO3开展绕飞探测,随后择机附着小行星表面并采集小行星样品,之后返回地球附近释放返回舱,将小行星样品送回地球,这一过程大约在3年内完成。

根据计划,探测器或将于2024年发射。“2016 HO3是美国夏威夷天文望远镜2016年发现的。它绕太阳公转的周期几乎和地球一样,为366天。”季江徽介绍,这颗小行星看上去总是和地球不离不弃,距离地球大约38~100倍地月距离围着地球转。

在上述探测任务完成后,探测器经地球、火星借力,经历约7年时间飞行到达小行星带,对主带彗星133P开展绕飞探测。探测器配置相关科学载荷,以飞越、伴飞、附着、采样返回等方式,对目标小行星进行遥感探测、就位探测和采样返回。

“这是由中国政府发起,面向国际公开征集科学载荷和搭载项目方案的任务。”季江徽说,实际上,这种合作模式在国际上非常普遍,中国在航天方面也要以开放包容的态度与各国合作,这样既可以吸取其他国家的优秀技术,也能为人类航空事业尽一份力。

面对未来,季江徽有两个愿景。一方面,他希望我国能够酝酿和计划一个完整的小天体探测路线图,以科学目标为牵引结合工程技术创新,系统布局未来国家小天体探测任务。“日、美小行星探测都有非常清晰的路线图。美国是由近及远,从近地到主带再到柯伊伯带的小行星;日本是从S型、C型再到D型,探测的小行星越来越原始。”他说,“我们要追赶别人,需要起点更高,比别人做得更好。”

另一方面,他期待我国可以在科学、技术和工程方面组织一个高效的小天体探测科学团队,由科技“国家队”中科院牵引,并与国内高校等其他单位协同创新,及时地把探测数据变成科学成果,同时大幅带动相关技术的发展。

相关论文信息:

DOI: 10.1126/science.aaw9771

《中国科学报》 (2019-06-04 第8版 探索发现)
 
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