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隼鸟2号小不点成大热门干燥的“有水”小行星

2019-04-09 13:59:47来源：中国科学报

现在，日本东京大学地球与行星学系行星学家Seiji Sugita十分忙碌。

“我们要进行‘龙宫’撞击实验。太多工作要做了。”4月5日，刚刚完成隼鸟2号撞击实验紧急操作任务的Sugita对没能及时回复《中国科学报》的采访邮件，一再表示歉意。

“现在实验成功完成了，我终于有时间坐在电脑前回答你的问题了。”记者收到Sugita的邮件时已是东京的凌晨。

当天，隼鸟2号向小行星“龙宫”表面发射铜球，制造了一个撞击坑，为采集小行星地下岩石样本做准备。这是人类探测器首次在小行星上制造撞击坑。

实际上，自从隼鸟2号成功跃“龙门”，参与“龙宫”探测的科学家们就几乎没有了闲暇时间。

3月20日，《科学》在线连发3篇论文，介绍了本次探测任务的初步结果。研究人员对该小行星的质量、大小、密度、旋转和地质属性进行了分析。结果显示，对“龙宫”的最佳描述也许是：它是一个多孔的“碎石堆”。

此外，研究团队还发现了“龙宫”含水的证据。这颗小行星表面吸收的一些光波长与水分子以及含羟基物质吸收的光波长一致。因此，“龙宫”表面含水且水主要存在于含水矿物中。

“‘龙宫’只有以含水矿物形式存在的少量的水，而且巨石的光谱特性彼此非常相似。这有力地表明，它的母星一定非常均匀。发展成这样一个母星需要均匀加热机制脱水。而C型小行星含水量可能也受该干燥过程控制。”Sugita告诉《中国科学报》。

小不点成大热门

随着贝努和“龙宫”成果的不断涌现，小行星——这个浩瀚宇宙中的小不点，却成了人们探索的大热门。

《自然》就将小行星探测列为2018年值得期待的科学事件。

“小行星探索有助于寻找生命和太阳系的起源证据，并获取具有潜在危险的小行星的物理参数和结构组成，评估小行星防御技术的作用效果，保障人类安全。”南京航空航天大学航天学院航天新技术实验室教授李爽在接受《中国科学报》采访时表示。

此外，李爽提到，小行星探测任务周期长、任务挑战性强，可以推动深空探测技术的发展，而且其中蕴藏丰富的金属等矿物资源，具有经济价值。

中国科学院国家天文台研究员郑永春在接受媒体采访时曾表示，“小行星是太阳系中各大行星和卫星形成后的残留物，其历史几乎与太阳系一样长。但因为体积比较小，自身没有演化，非常好地保留了太阳系形成早期的信息。”

因此，小行星研究有助于人们了解太阳系的起源与进化，以及形成生命的原材料在宇宙中是如何产生和变化的。不过，这需要对不同类型的小行星进行探测。

目前，已有多个小行星任务取得了不俗的成绩。

寿终正寝的美国“黎明”号小行星探测器，2011年进入灶神星的轨道，并于2015年抵达谷神星轨道。它发回的有关灶神星和谷神星的观测图像和数据，对于理解太阳系的历史和演化至关重要。

2005年，隼鸟号在小行星“丝川”上着陆，2010年成功将样本带回地球。但是，隼鸟号由于故障未能按原计划采集岩石，只采集到一些物质微粒。

此次，隼鸟2号尝试采集岩石样本，以弥补之前的遗憾。

“碎石堆”的故事

“龙宫”直径只有约1千米，比“丝川”更原始，其自转周期约为7个半小时，比一般的小行星自转要慢。

李爽提到，“龙宫” 是富含挥发性物质和有机物的C型小行星，与大约46亿年前地球诞生时的状态相近。因此，科学家希望通过分析采集到的“龙宫”样本，了解太阳系形成以及内行星起源和演化，尤其是揭示生命的起源。

而且，“根据推进系统能力和燃料约束，‘龙宫’是采样返回任务中的可达目标。”李爽补充道。

Sugita也表示，“‘龙宫’是隼鸟2号能拜访、取样，然后回到地球的唯一选择。在近地轨道上没有那么多C型小行星。幸运的是，我们找到了一个好的对象，可以对其进行采样返回任务。”

C型小行星被分成若干组。一种有富含铁的蛇纹石(富含碳的陨石中发现的最丰富的水合矿物之一)，另一种则不含。Sugita提到：“我们知道前者类似于一种特殊类型的陨石，所以可以推断出这些小行星的化学成分。但后一组确实很神秘，它们在主小行星带非常丰富(几乎占整个C型小行星的一半)。现在我们有机会研究这些群体，这对于了解有多少碳和水从主小行星带输送到地球是非常重要的。”

去年7月，日本宇宙航空研究开发机构公布了隼鸟2号拍摄到的照片，“龙宫”赤道附近由于自转离心力而膨胀，形成类似算盘珠或陀螺的形状。它的表面布满碎石，可见类似陨石坑的凹陷。这里有数百块直径超过8米的岩石，其中最大的岩石直径约130米。

而这次发布的分析结果，描摹了“龙宫”更清晰的轮廓。

在近“龙宫”轨道上，隼鸟2号收集了大量数据，为研究人员提供了有关其历史和现状的线索，例如它的起源、采样着陆点、含水性等。这些细节反过来又使研究人员能够更好地估计地球生命起源所必需的物质数量和类型。

在其中一篇论文中，日本宇宙航空研究开发机构空间和行星研究所的Sei-Ichiro Watanabe和同事首次展示了对龙宫质量、形状和地形学所做的近距离观察。研究人员表示，该小行星的低密度和高度多孔的内部表明，它是松散集合的一堆碎石，后者会在快速旋转期形成陀螺形状。

此外，研究人员还发现了最适合该航天器采集样本的潜在着陆地点。“基于前期的评估工作，我们在赤道山脊选择了一个候选着陆地点，进行取样工作，以便样本包含‘龙宫’的进化线索等。”Watanabe说。

干燥的“有水”小行星

而此次最令人兴奋的发现之一，莫过于找到“龙宫”的含水证据。

日本会津大学的Kohei Kitazato和同事，用隼鸟2号上的近红外光谱仪(NIRS3)勘测了“龙宫”的表面组成。他们发现，在这颗暗黑色小行星的整个表面遍布着水合矿物。

之前，研究人员对“龙宫”表面所进行的望远镜分析曾提示该小行星的含碳性质，然而，详细光谱数据的匮乏令确定性组成识别变得困难。

在隼鸟2号接近“龙宫”时，Kitazato团队采集了NIRS3光谱数据，这些检测数据的采集高度距离该小行星表面近至1公里。分析结果显示，所采集的这些光谱数据与已知的热力—及/或冲击—变形的含碳球粒陨石星最为类似。相关论文刊登于《科学》。

“我们发现含羟基矿物质是无处不在的。羟基特征的强度和低反照率与热变质和/或冲击变质的碳质球粒陨石相似。”Kitazato说，“羟基谱带位置变化不大，这与‘龙宫’是一个均匀碎石组成的物体相一致。”

结合来自先前两项研究的结果以及对“龙宫”地质特征的观察，Sugita和同事试图对“龙宫”的起源进行界定。

Sugita说：“在收到第一批数据的几个月后，我们已经有了一些发现。最主要的是水存在与否。‘龙宫’似乎有水，但它比我们预期的要干燥得多，而且考虑到它非常年轻(以小行星的标准)，大约有1亿年的历史，这表明它的母星在很大程度上也缺水。”

Sugita团队认为，“龙宫”来自一颗直径几十公里的母小行星，很可能属于小行星科“波拉纳”或“欧拉利亚”。“它们都是主小行星带中的中型小行星(直径55公里和38公里)。”论文同样刊登于《科学》。

“最让我们惊讶的发现是，‘龙宫’的母星很可能与贝努的母星相同。我们知道这些小行星的轨道参数是相似的，一些望远镜观测结果也是相似的。但许多天文观测表明，两者之间可能有很大的区别。但现在，‘龙宫’的性质似乎与贝努非常相似。”Sugita告诉《中国科学报》。

而重要的是，人们认为地球上所有的水，都来自局部小行星、遥远的彗星以及星云或尘埃云。小行星带中干燥小行星的存在将改变用来描述早期太阳系化学成分的模型。

“生命。”Sugita解释道，“这对寻找生命有意义。天空中有不计其数的星体，我们寻找地球之外的生命需要方向。新发现可以完善模型，帮助缩小寻找范围。”

而这一切，都来自于创造了历史的隼鸟2号任务。

不能忘却的星期三

“地面震动。我的心怦怦直跳。时钟计数3、2、1……”Sugita回忆道，“我从来没有感到如此兴奋和紧张，这不仅仅是一个科学实验，这是我毕生工作的顶峰，也是整个团队的希望和梦想。”

2014年12月3日星期三，一枚50多米高、300多吨重的橙色和白色火箭从日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空，成功地将隼鸟2号送入太空。

研究人员精心计算了隼鸟2号轨道，以便其加快速度，到达火星和木星之间小行星带的目的地。

2018年6月27日，同样是一个星期三，隼鸟2号顺利抵达“龙宫”上空20千米处的预定观测点，此时它距离地球约3亿千米。

2019年2月21日下午，隼鸟2号开始执行下降指令，从待机点缓缓下降。探测器在轻轻着陆时，将一颗弹丸射向“龙宫”表面。由于“龙宫”的引力极小，隼鸟2号打击其表面后，一些物质会飞散到空中，于是沙子、卵石和岩石碎片被收入一个取样器。

之后，隼鸟2号又升空到距离“龙宫”表面约20千米处待机。

就在离开地球1542天后，隼鸟2号终于在2月22日首次短暂登陆“龙宫”，完成预定任务。

Sugita认为，随着隼鸟2号继续探索这个岩石邻居，研究人员将逐渐拼凑出它的历史，这也将与地球的历史交织在一起。

你好，岩石邻居

隼鸟2号并不寂寞。2016年，美国宇航局(NASA)发射OSIRIS-Rex探测器飞往贝努，2018年12月3日，OSIRIS-Rex到达目的地。

研究结果显示，贝努表面极不平坦，与此前预想大不相同，而且表面有粒子羽流喷出。

“贝努是地球的潜在危险小行星，提前进行采样研究可为后期采取预防措施提供有效支持。同时，科学家猜测贝努可能存在有机化合物、含水矿物等，科学研究价值重大。”李爽说。

NASA认为，在2175年至2199年之间，贝努撞击地球的可能性为2700分之一。

无论如何，拜访这些岩石邻居并不简单。“小行星探测的困难主要来源于其庞大的数量、差异巨大的轨道和特殊的动力学环境。”李爽告诉记者，“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。”

而且，与大行星几乎都是分布在黄道面的近圆轨道不同，小行星的轨道差异较大，存在异面、大偏心率等情况，极大地增加了探测任务的能耗。如何利用引力辅助、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，形成了不规则的弱引力场，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。

2012年，我国“嫦娥2号”探测器在拓展任务中，成功对近地小行星——图塔蒂斯进行飞越探测，首次获得了该小行星的近距离高分辨率光学图像。

“我国未来的小行星探测计划目前处于规划论证阶段。我国计划在2030年前实施火星探测、小行星、木星探测等4次深空探测任务，预计2020年首次发射火星探测器，实施火星环绕着陆巡视探测。后续还计划开展火星采样返回、小行星探测、木星系及行星穿越探测等任务。”李爽说。

据悉，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学和北京理工大学等单位对小行星探测所涉及的动力学与控制问题开展了研究，主要包括小行星目标选择和转移段轨道优化设计;小行星探测自主导航、制导与控制;小行星不规则弱引力场中的动力学与控制等。

“多亏了隼鸟2号和OSIRIS-R

ex等任务，我们终于可以了解这两颗小行星是如何形成的问题。”Sugita说，“贝努和‘龙宫’可能是兄弟姐妹，但却表现出一些惊人的不同特征，这意味着一定有许多令人兴奋和神秘的天文过程有待我们探索。”

随着人工撞击实验的成功，Sugita等人将在未来几周内探索此次创造的撞击坑。按计划，隼鸟2号将于下月在撞击坑中着陆并采集小行星地下岩石样本。“这将有助于我们了解‘龙宫’的地下结构。”Sugita说。

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