日本探测器登陆小行星首次取样将在2020年被送回地球

2019-02-22 09:24:07来源：新浪科技

北京时间2月22日清晨07：00(日本时间08：00)前后，日本“隼鸟2号”探测器成功实现在小行星“龙宫”表面的第一次采样任务，预计飞船将获取到少量岩石碎屑和土壤样本。按照预定计划，这些样本将在2020年被送回地球。

▲“隼鸟2号”拍摄的小行星“龙宫”，红色箭头指示预计采样位置

▲艺术示意图：在太空飞行的日本“隼鸟2号”探测器

2018年6月，经过长达3年半多的长途跋涉，“隼鸟2号”探测器抵达小行星“龙宫”。按照设计，在取样时，飞船将逐渐降低高度，抵近这颗直径1公里左右的太空岩石，最终在接触小行星地表时向其表面发射一颗质量大约5克的钛合金金属撞击器，它将以时速300米/秒的速度撞击“龙宫”，溅射出大量碎屑物质。此时，取样器将乘机获取溅射起来的物质颗粒样本。

从21日开始，“隼鸟2号”飞船便开始从距离“龙宫”小行星表面大约20公里的高度上开始下降。实际开始执行下降程序的时间比原先公布的计划晚了几个小时，不过任务控制中心表示他们将指令“隼鸟2号”相应地加速抵达距离表面5公里的高度上，因此最终的降落取样时间并不会因此受到影响。

“龙宫”属于一类特别原始的小行星类型，即所谓“C型”小行星，这颗近地小行星是早期太阳系留下的遗存。

按照太阳系成因理论，这类富碳小天体的形成区域应该位于地球轨道外侧，温度较低的区域，因此作为一颗近地小天体，科学家们认为“龙宫”小行星在其历史上经历了从小行星带向内“迁移”的过程。但是，如果我们有机会可以实际获取“龙宫”的物质样本，那将让我们队这一过程和机制有更加深入的认识。

在2015年欧洲“罗塞塔”彗星探测任务之后，有一点结论已经相对清晰了，那就是原始地球上的水可能并非来自彗星，而是小行星。而科学家们相信富碳的C型小行星的成分中是非常富水的。早期地球上的水体以及后来构建生命的基础——有机物分子很大一部分可能正是由这类小行星所带来的。而对于所有这些认识，实际的取样研究都将是最为权威的验证。

此前，“隼鸟2号”已经向“龙宫”小行星的地表投掷了一个信标，这是一个小型，能够反光的标记物，它将在飞船逐渐接近小行星粗糙的地表时充当引导标志。地面控制人员将不断命令探测器拍摄信标的照片，不断修正下降航路，最终准确抵达预定的取样地点。

▲“隼鸟2号”释放到“龙宫”小行星表面，用于指引采样降落的明亮反光“信标物”，图像中还可以看到“龙宫”的影子

在此之前，日本宇宙航空开发机构(JAXA)曾经计划在去年10月开展着陆行动。但很快发现这颗小行星的地表比原先设想的更加粗糙的多，到处都是散落的大小石块，这给寻找合适的降落和取样地点制造了相当大的麻烦。

地面控制中心此前希望能够有一块直径大约100米的平坦区域用于探测器的降落和取样。但考虑到这颗小天体的实际情况，最终他们选定的“着陆取样场地”的直径仅有6米。

用于取样的取样器从飞船底部伸出，长度大约1米左右。因此，在着陆器取样的区域，有一点要求非常关键，那就是这一地点不能存在突出地表超过50厘米的岩石，否则就有可能存在在取样时飞船剐蹭到岩石表面，造成飞船故障甚至失事的风险。

复杂的地表形态也可能影响到采集的样本数量。在抵达“龙宫”之前，地面科学家曾经以为这颗小天体的表面是被一层均匀细腻的尘土所覆盖的。很显然，事实证明情况并非如此。

事实上，“龙宫”的地表是一层乱石，大多是直径数厘米级别，大的甚至可以有数十厘米乃至更大。

这总粗大碎屑物覆盖的粗糙表面其实是让科学家们感到意外的。因为此前所有曾经造访过的近地小天体，其地表物质的粒径都要比这小得多。

专家们目前还无法对这种差异做出非常有把握的解释，但科学家们普遍的观点是认为这可能与其成分乃至自转情况有关。因为这颗小天体的成分中非常富碳，而此前观测的近地小天体都是以硅酸盐成分为主的。另外，“龙宫”的形状暗示其在过去可能自转的速度相当迅速。这些情况或许会以某种形式影响到其地表物质的颗粒大小情况。

为了应对这一意外状况，日本科学家在地面进行了多次验证试验，以确认飞船在这样的地表情况下是否还能顺利获取到样本。

▲艺术示意图：正在采样的“隼鸟2号”探测器。可以看到其采样器已经接触地面

为了尽量模拟“隼鸟2号”飞船所面临的实际情况，他们构建了一个模拟“龙宫”小行星的模型，其地表物质的质地和颗粒大小都和实际情况接近，随后将这个模型至于真空环境下，并发射一个“隼鸟2号”飞船使用的一模一样的钛合金金属球去轰击模型表面。

根据日本宇宙航空开发机构(JAXA)的说法，相关测试取得了超出预期的良好结果，撞击产生了大量细小的碎屑物，应当可以被“隼鸟2号”携带的取样器轻易捕获。

这一实验结果证明，“隼鸟2号”在这样的情况下将照样可以顺利获取样本。在2018年9月份，“隼鸟2号”成功地向“龙宫”小行星表面释放了两台微型机器人，后者成功传回在小行星地表拍摄的图像和获取的相关数据。随后到了10月份，飞船还成功地向“龙宫”表面释放了一台由法国和德国联合研制的探测装置“Mascot”，这基本上是一个科学仪器包，包括相机，磁强计，红外光谱仪之类。

整个任务期间，“隼鸟2号”将进行3次采样行动，并分别将三份样本储存在样本返回舱内的3个分别独立的密封储存罐内。按照计划，三次采样的目标样本分别是两份地表物质样本，分别是遥感显示含水较丰富的成分，以及没有明显含水迹象的样本，而第三次采样则将尝试采集浅地表下的样本物质。

日本科学家们期望本次采样任务最少可以采回不低于0.1克的物质样本，但根据设计，“隼鸟2号”最多可以采集多达10克的样本。而今天所进行的，正是三次采样行动中的第一次。

前面已经介绍了表面采样的方式，前两次采样基本就是使用这种模式。但是第三次，也就是最后一次采样的方式可能会有些许不同。

按照目前的计划，第三次采样将在4月份进行，目的是获取小行星地表之下未遭受空间风化的物质样本。但这就要求使用撞击器击碎小行星地表相当厚度的风化层物质，以便暴露出下方的新鲜岩土成分。

为了达到这一目的，“隼鸟2号”将发射一颗重2.5公斤的铜制“子弹”，称作“小型附带撞击器”(SCI)，这颗“子弹”将高速撞击“龙宫”，掀开其地表一部分，暴露下方岩土层，而在撞击发生时，母船则将进行机动规避动作，以避开撞击碎屑可能产生的危险。

▲“隼鸟2号”探测器样本返回舱复制模型

撞击器预计将在“龙宫”表面形成一个直径大约2米的大坑，暴露下部物质。随后“隼鸟2号”将等待两周左右，等待撞击产生的大量烟尘逐渐消散。当一切烟消云散，“隼鸟2号”就将再次下降高度，在撞击坑内尝试对新鲜物质进行取样。

“隼鸟2号”所取到的样本，都将被储存在具有绝缘隔热功能的样本返回舱内，准备送回地球。这个样本舱直径大约40厘米，高度20厘米，质量大约16公斤。

预计到2019年10月份，“隼鸟2号”设定的科学任务期将临近尾声。随后，飞船将启动离子发动机，开始变轨并踏上返回地球的旅程。按计划，“隼鸟2号”将在2020年12月份飞越地球附近，届时它将释放样本舱，后者将以高达每秒12公里的速度，一头冲入地球大气层内，并最终打开降落伞，降落到澳大利亚西部的荒漠地带，等待日本方面的回收。

前路漫漫，挑战多多，我们预祝这一伟大的科学任务最终取得成功!

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