为地球安全出发!美国首个小行星取样返回器到底是什么样? 北京时间9月9日上午7:05,OSIRIS-Rex探测器从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空   出品:科普中国   制作:新浪探索团队   监制:中国科学院计算机网络信息中心   新浪科技讯 北京时间9月15日消息,北京时间9月9日上午7:05,美国宇航局首个小行星取样返回器从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,开始了一段探寻太阳系早期历史的漫漫征程。   OSIRIS-REx探测器在发射升空之后,于北京时间9月9日8:04与美国联合发射联盟(ULA)的宇宙神-V型火箭分离。随后太阳能帆板成功展开,为卫星进行充电。   OSIRIS-Rex是美国宇航局“新前线项目”(New Frontiers Program)中规划的第三颗探测器。此前两大同样隶属于该项目之下的探测任务分别是2006年发射升空,飞往冥王星以及外太阳系的“新视野”号(New Horizons)探测器,以及2011年升空,飞往木星的“朱诺”(Juno)号探测器。   OSIRIS-REx探测器首席科学家,来自美国亚利桑那大学图森分校的丹特?劳瑞塔(Dante Lauretta)表示:“随着今天的成功发射,OSIRIS-Rex飞船开始了它探测贝努小行星的旅程。”他说:“我为将这一切变为现实的团队感到无比骄傲,我急切期待着我们将在贝努小行星探测中将会取得的发现。”   美国宇航局局长查尔斯?博尔顿也在成功发射后的讲话中表示:“今天,我们在此庆祝关键性 的里程碑,为这一伟大的项目,也为我们的团队。”他说:“我们对于这一项目未来将能够为我们带来的有关早期太阳系历史的相关知识感到兴奋,我们也庆贺这更 为广泛的科学进步,它正帮助我们作出发现并达成目标,有些在过去可能都属于科幻的范畴,但在今天却已经成为真正的现实。” 艺术示意图:OSIRIS-Rex探测器正使用“着陆-离开样品获取机构”(TAGSAM)对贝努小行星进行取样   这艘探测器的名字是什么意思?   这艘探测器全名为“起源、光谱解译、资源识别、安全性与表土风化层探测器”( The Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer),英文缩写为“OSIRIS-REx”。 这个名字将西方航天界为探测器取名时的典型做法演绎地淋漓尽致。简单来说,与我们国家为探测器取一个有寓意的名字相似,西方也希望探测器的名字带有某种象 征意义。从我国的案例来说,前不久中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的四颗科学实验卫星之一,由南京紫金山天文台主导的我国首颗暗物质 探测器被取名“悟空”,就寄寓了科研人员们希望借助“悟空”的火眼金睛,洞察暗物质本质的希望。而我国的探月卫星叫做“嫦娥”,则是寄寓我国古代嫦娥奔月 的美好传说。   而由于英语是由多个字母构成的,希望科学界在为探测器取名时,除了考虑最后的名字具有一 定的寓意之外,往往还喜欢追求让它英文名字的每个字母都能对应每个体现探测器科学目标的英文单词缩写。在如此苛刻的双重要求下,往往就会出现极为刻意,非 常“痛苦”而拗口的“凑词”做法,此次OSIRIS-Rex在这方面不可谓不典型。   OSIRIS这个名字本身发音“奥西里斯”,这是古代埃及神话中的“九神”(Great Ennead) 之一。根据神话传说,“奥西里斯”曾在古埃及的尼罗河三角洲地区传播农业知识,从而为这个古老的世界带来生命。与之类似,OSIRIS-Rex项目计划从一颗小行星地表进行取样返回,科学家们认为小行星上的有机物质可能为早期地球带来了生命的种子。当然,在古埃及神话中,“奥西里斯” 还是复活之神,他是文明的赐予者,冥界之王,执行人死后是否可得到永生的审判官。这一层含义寓意着较大型的小行星撞击地球可能给地球造成的巨大破坏作用。据此,国内很多译者将这艘飞船的中文名译为“冥王”。   与此同时,正如前面所看到的那样,这个名字中的每个字母都对应着一个英文单词的缩写,表明了此次项目的各项主要科学目标,包括对小行星“贝努”(Bennu)进行3D激光成像,从这颗小行星的地表进行取样并将这些样本送回地球等等。   它具体要达到哪些科学目标?   这一点其实仍然可以从这艘飞船的名字入手。OSIRIS-Rex这个名字本身就已经说明了这艘飞船的主要科学目标。这背后其实还有故事:当该项目最初立项时,项目的首席科学家丹特?劳瑞塔(Dante Lauretta)正着手拟定该项目预计将要达成的科学目标。为了方便自己思考,于是他便在纸上逐个写下自己想到的科学目标,很快,劳瑞塔便意识到自己写下的这些单词可以组合起来缩写为“OSIRIS”。   O- Origins:起源   实现一颗富碳原始小行星的取样和返回,对其本质、历史乃至矿物和有机质的分布情况进行分析;   SI – Spectral Interpretation:光谱解译   对一颗原始富碳小行星的全球特征进行确认,从而为地面望远镜开展的小行星观测提供直接对比数据参照;   RI – Resource Identification:资源识别   对一颗原始富碳小行星全球特征、化学、矿物学特征进行探测并确认其地质与动力学历史,为取样工作做准备;   S – Security:安全   测量亚科夫斯基效应对一颗潜在危险小行星产生的影响并考察哪些小行星特征可能会对这一效应产生影响;所谓亚科夫斯基效应是指一颗自转的小行星由于在太阳辐射下产生的微弱推力会在长期作用下导致其轨道出现偏移的现象;   REx – Regolith Explorer:表土风化层探测器   记录计划取样地点附近区域表土风化层的整体背景、地貌学、地球化学以及光谱学特征数据。   类似贝努这类小行星是早期太阳系在大约45亿年前形成之后留下的残留体。科学家们认为小行星可能是为地球乃至其他行星带来最早的水体和有机分子的来源。一份具有明确来源背景信息且未受污染的小行星样品将让精确分析成为可能,从而有望取得大大超越探测器本身近距离探测或者对陨石进行研究所能达到的考察结果。   在2018年,OSIRIS-Rex探测器将抵达贝努小行星,这颗小行星非常小,大小大致与一座小山相当。随后通过一系列精妙的轨道机动,探测器将开始它与这颗小天体之间的宇宙之舞——围绕这颗太空大石块飞行,对其开展全面测绘并进行一系列探测,为后续的取样工作做好准备。到2020年7月,探测器将进行一项大胆的操作,在此期间其11英尺(约合3.35米)长的机械臂将尝试直接触及小行星地表并进行取样,采集至少60克的样品,包括小型岩石和尘埃并将其封装入样本返回舱内。OSIRIS-Rex飞船预计将在2023年9月将其采集的样品送回地球,随后这些样本将会被送往美国宇航局休斯敦航天中心保存并开展各项研究。   此前有过类似的探测项目吗?   OSIRIS-Rex项目将是美国首个小行星样本取样返回探测器,同时也将是阿波罗时代以来从地外天体取样规模最大的探测项目。OSIRIS-Rex项目经理,美国宇航局戈达德空间飞行中心的迈克?唐纳利(Mike Donnelly)表示:“目睹这支杰出团队多年来所取得的成就,令人感到满意。我们实现了在预算经费范围内向发射场按时交付探测器,不久之后我们就将开展从未有其他NASA探测器从事过的工作,那就是从一颗小行星上取得样品并送回地球。”   在此之前,在1999年2月,美国宇航局曾经发射过一颗名为“星尘”(Stardust)的探测器。其主要目标是从怀尔德-2彗星(Wild 2)的彗发中采集尘埃样品,同时在飞行过程中沿途采集宇宙尘颗粒样品并带回地球进行分析。它是人类首次执行类似项目。在飞往怀尔德-2彗星的过程中,飞船还近距离飞过了5535号小行星Annefrank。2006年1月,星尘号探测器成功将所取得的样品送回了地球。   从2011年开始,星尘号开始了名为“NExT”的任务延长期,在经过轨道机动之后,星尘号探测器与另一颗彗星坦普尔-1号相遇,在此之前这颗彗星曾经在2005年由美国宇航局“深度撞击”(Deep Impact)探测器造访过。在完成对这颗彗星的探测任务之后,星尘号于2011年3月宣布终止任务。   2003年5月9日,日本宇宙开发机构(JAXA)研制并发射了“隼”(Hayabusa)的探测器。这是世界首个小行星取样返回任务,目标是从编号25143的“系川”小行星(Itokawa)上获取样品并带回地球。2005年9月中旬,“隼”探测器抵达目的地,并对这颗小天体的各种情况进行了详细考察。在2005年11月份,探测器着陆到小行星上并获得了少量样品,随后在经历一系列故障和艰难机动之后,样品舱于2010年6月被成功送回地球。   但这两次取样返回计划所获得的样品数量都非常少,基本上都是一些极其细小的颗粒物,重量远远不到一克的数量级,而此次OSIRIS-Rex的取样计划是60克物质,如果能够实现,将是一次重大的飞跃。   这到底是一艘什么样子的飞船?它有哪些科学设备?   美国宇航局戈达德空间飞行中心负责整个项目的管理、系统工程以及项目整体安全事项;亚利桑那大学领导了项目的科学团队并负责制定观测计划和日程;位于丹佛的洛克希德马丁空间系统公司是卫星制造承包商。   OSIRIS-Rex飞船的基本参数如下:   飞船长度:6.2米(太阳能帆板展开时)   宽度:2.4米X2.4米   高度:3.2米   取样机械臂长度:3.4米   干重(未加注燃料):880公斤   湿重:(加注燃料后):2110公斤   电力供应:两块太阳能帆板,总面积8.5平方米,发电量约为1226~3000瓦之间,取决于飞船距离太阳的远近;   载荷:5台科学设备,外加一根取样机械臂(TAGSAM)以及一个用于将样品送回地球的样品返回舱。   一)具体到飞船搭载的科学载荷,基本情况如下:   1)OCAMS——OSIRIS-Rex相机包   该设备包包括三台相机:PolyCam、MapCam以及SamCam。这些相机将在飞船逐渐接近小行星贝努时拍摄目标。随后,OCAMS将获取小行星的全球图像以及计划取样地区的详细图像,最后,OCAMS还将在整个“着陆-离开”(TAG)机动过程中完整记录整个采样经过。   具体如下:   PolyCam:这实际上是一台8英寸(20厘米)的望远镜,它将是首先对目标进行观测的相机设备,在距离小行星200万公里左右时,这台相机就将开始拍摄工作。一旦飞船逐渐接近目标,它将能够开始获取贝努小行星的高清图像;   MapCam:这台设备的任务是对贝努小行星进行搜索,寻找其可能存在的卫星以及地表可能存在的气体尘埃喷射。它能够用4种颜色对小行星进行成像测绘,从而帮助科学家判定小行星外形并提供计划取样地点的高清图像;   SamCam:将持续记录TAG机动与取样的全过程。   OCAMS设备包是由亚利桑那大学开发的,OCAMS设备组的负责科学家是Bashar Rizk,Christian d’Aubigny以及Chuck Fellows,三人均来自亚利桑那大学。   2)OLA——OSIRIS-Rex激光高度计   这是一台LIDAR(光学探测与测距)设备。它与雷达原理相似,但不是使用无线电波,而是激光束。OLA将发射激光脉冲照射贝努小行星表面并测量返回时间差,从而精确绘制其地表高程地图。这些数据将有力支持其他设备的探测并为导航和重力测量提供参照。   这台设备是由加拿大航天局提供的。因此相关团队也是由加拿大与美国科学家联合组建的,包括来自加拿大卡尔加里大学,约克大学,美国约翰霍普金斯大学等机构的科学家。   3)OTES——OSIRIS-Rex热辐射光谱仪   该设备能够采集红外波段(~5-50微 米波长)的光谱数据。在红外波段,大多数矿物都会显示独特的光谱学信号,通过将这些信号数据与地面实验室矿物样品光谱参考数据进行比对,科学家们将能够判 定存在于小行星贝努表面的矿物种类。另外,在红外波段科学家们还将获取贝努小行星地表温度的信息,而这将提供有关这颗小行星地表物质的关键物理信息,比如 说其地表物质的颗粒大小等等。科学家们将根据OTES设备提供的数据绘制贝努小行星的全球矿物分布与温度分布地图,并帮助挑选理想的着陆点位置。   OTES设备是由美国亚利桑那州立大学研制的,设备负责人是著名矿物光谱科学家菲利普?克里斯坦森(Philip Christensen)。   4)OVIRS——OSIRIS-Rex可见光与红外光谱仪   这台设备将测量来自贝努小行星产生的可见光与红外光辐射。OVIRS对从可见光中的蓝光到近红外波段敏感,波长大致在0.4~4.3微米之间。OVIRS提供的数据将帮助科学家们识别贝努小行星地表的矿物与有机质分布情况,同时它将重点采集预定着陆地区的光谱学数据。   OVIRS设备是由美国宇航局戈达德空间飞行中心研制的,负责人是该机构的丹尼斯?鲁特(Dennis Reuter)。   5)REXIS——表土风化层X射线成像光谱仪   这是一台学生实验设备,其将判定贝努小行星表面存在那些元素以及这些元素的丰度状况。该设备获得的数据将补充前述矿物学探测设备获取的数据。REXIS设备利用了一个原理,那就是来自太阳X射线辐射以及太阳风粒子会与贝努小行星地表物质发生相互作用。贝努小行星地表物质的原子吸收这些X射线并导致原子失稳,随后产生特征X射线辐射。通过对这种X射线波段信号的识别,将能够反推原子的种类,从而得知有哪些元素在此存在。   这台设备是由美国麻省理工学院和哈佛大学的学生们设计的,后来经过激烈竞争后被选中搭载到OSIRIS-Rex探测器上。   二)采样与返回设备   1)TAGSAM——着陆-离开样品获取机构   这是一台设计简洁而精妙的小行星表面取样机械臂设备。一旦该设备的顶部接触小行星地表,它就会喷射一股纯氮气气体,从而将小行星表面的部分表土层物质吹入设备的取样舱。而机械臂顶部接触小行星地表的部分也安装了取样装置,在借助地表时也会取得一部分样品。   TAGSAM设备一共储备了3罐的氮气气体,能够满足3次取样尝试。尽管这是一项全新的技术,但在地面上此前已经进行了真空失重环境下的多次模拟实验并取得了良好的效果,测试显示其应当能够取得超过60克的样品。这台设备是由洛克希德马丁公司研制的。   2)SRC——样品返回舱   这是一个小型返回器,安装了隔热防护罩以及降落伞。一旦在贝努小行星的取样任务完成,TAGSAM机械臂将会把TAGSAM的顶部部分直接卸掉,装进SRC返回器内。任务终结时,装有TAGSAM头部的SRC返回器将是唯一返回地面的部分。这套设备是由洛克希德马丁公司研制的。该项技术继承了此前2006年星尘号探测器返回舱的相关技术,当时星尘号的返回舱成功地将怀尔德-2号彗星的样品带回了地球。   为什么选择贝努小行星作为目标?   如前所述,OSIRIS-Rex探测器最重要的目标就是要从一颗小行星上实现取样返回。但为何选中了贝努小行星(Bennu)作为目标呢?要知道太阳系中已经被编号的小行星有超过50万颗。这当然是有原因的,主要的考虑因素如下: 贝努小行星的轨道示意图   1) 距离地球近   距离地球最近的小行星被称为“近地小天体”(NEOs)。正如这一名称所暗示的那样,这些小天体可能会运行到距离地球非常近的范围内,一般将运行到距离太阳1.3个天文单位(AU)范围内的小天体都归入此类天体。一个天文单位是指地球到太阳的距离,大约为1.5亿千米。对于像OSIRIS-Rex这样的取样返回项目来说,最容易抵达的目标应该是在1.6AU~0.8AU之间的。理想的目标应当具有与地球相近的轨道,轨道偏心率与倾角都比较小。在2008年进行目标筛选时,有超过7000颗已经被发现的近地小天体候选,但其中只有192颗的轨道符合这一选择标准。   2)大小   直径较小的小行星相比那些直径比较大的小行星,其自转的速度更快。如果一颗小行星的直径在200米以下,那么它的自转速度将会非常迅速,其地表松散的表土层物质将会被抛离地表并进入太空流失掉。因此较为理想的采样目标应该是直径至少要大于200米的,这样飞船才能较为安全地接近目标并采集到足够的松散表土物质。这一大小要求的设定,将候选小天体的数量从192颗降低为26颗。   3)物质成分   根据其化学组成成分,小行星可以分为不同的类型。其中最原始的类型以富碳为特征,它们自从太阳系初期形成以来未曾经过大的改变。这样的小行星上存在着有机分子、挥发物质以及氨基酸,这些物质都有可能与地球上最早期生命的诞生有关。在前面剩下的26颗候选小天体中,只有12颗的物质成分是已经知晓的,而在这12颗小天体中,只有5颗是富碳类型的小行星。   而就是在这剩下的5颗候选天体中,科学家们最终选定了贝努小行星。贝努是一颗B型小行星,直径大约500米。其围绕太阳公转一周的时间大约是436.604天(1.2年),并且每隔6年左右会接近一次地球,最近时与地球之间距离不到0.002AU。这样的特征让贝努小行星有较大的可能性在22世纪期间与地球发生碰撞。而正是由于贝努小行星合适的大小、原始的成分以及有可能对地球构成威胁的轨道特征,使其成为一颗非常令人感兴趣的探测目标,因此成为OSIRIS-Rex的探测目标也就在情理之中了。   为地球的安全而出发!   1994年,地球上的人们目睹了一场前所未有的太空撞击事件——苏梅课-列维9号彗星撞击了木星。木星遭受这颗被撕碎的彗星一连串的猛烈撞击之后留下的黑色“疤痕”让人难以释怀。如果那次撞击事件发生在地球上,那么或许这将意味着人类文明的终结。   我们为什么存在?或许在一定程度上是幸运的结果:我们活着,因为我们非常幸运。这其中恐龙的消亡或许就占据着非常重要的作用——毕竟很难想象在恐龙统治的这颗星球上,我们脆弱的祖先们能够发展壮大并接管这个世界。而目前的主流科学理论基本认定在大约6500万年前的白垩纪末期,一次大规模的陨星撞击事件导致了恐龙的最终灭绝。   但陨星能够毁灭恐龙,当然也能够毁灭我们。现在,该轮到我们提心吊胆了。正如恐龙灭绝的 案例所体现的那样,在地球的历史上,大型撞击事件在极大的程度上塑造了地球的历史,甚至目前有很多证据表明月球的产生也是地球在早期历史上遭受一颗火星大 小的原始行星撞击的产物。地月系统的形成,地球上水和有机物的出现,地球上生命的诞生和数次严重的生命大灭绝事件,背后很有可能都有小天体撞击地球的重要 因素。   即便是在更近的历史上,1908年发生在西伯利亚的通古斯大爆炸事件很有可能就是一颗彗星冲入地球大气层后发生猛烈爆炸导致的结果。那场空前的爆炸事件几乎将方圆数百公里范围内的原始森林夷为平地,可见其威力之巨大。   最近几年,就在2013年2月15日中午,在俄罗斯车里雅宾斯克州发生了陨星坠落事件,巨大的冲击波震碎了数以千计人家的窗户,造成大量人员受伤。当时全世界各地的媒体都以头条新闻的形式报道了这一事件。   地球无时无刻不受到大量外来小天体撞击的威胁,这也直接关系到全人类的生存和安全。而为了制定防范对策,我们就必须对那些可能对地球造成威胁的小天体的相关特性深入研究,做到知己知彼,心中有数。而此次OSIRIS-Rex探测器的发射,正是这样一次伟大的壮举。   因此,完全可以说,OSIRIS-Rex探测器——为地球的安全而出发!(晨风)   “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。   本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。