到深空去“追星”：小天体探测考验综合技术实力

美国宇航局为新视野找到下一个目标。照片来源:科学

"小行星数量众多，种类繁多。"在接受《中国科学》采访时，李爽表示，对小行星成分和物理特征的科学探索对于研究太阳系的演化和生命起源等科学问题具有重要意义。与此同时，地球附近有大量潜在危险的小行星。相关探索任务可以验证小行星防御技术，提高小行星防御能力。

今年元旦，美国新视野号探测器成功地飞近太阳系边缘的小天体“天涯海角”。探测器在这个过程中收集的数据正慢慢返回地球。最近，《科学》杂志发表了研究团队使用返回的10%数据获得的第一个研究结果。

“天涯海角”，编号2014 MU69，位于太阳系边缘的KBOs，是人类最远的天体。"这次KBOs旅行是观察这些原始冰状物体的最佳时机."亚利桑那州洛厄尔天文台项目的联合研究员威尔·格伦迪说。

“从来没有探测器离KBOs天体如此之近，离新视野这样遥远而原始的小行星如此之近。”中国科学院紫金山天文台研究员纪在接受《中国科学》采访时说，“它就像一个‘时间胶囊’，可以告诉我们46亿年前太阳系形成的信息。”

“因为有许多技术需要测试，小行星探索是一项高风险、高难度的太空任务，但也有许多成就。”纪说:对此，南京航空航天大学新航天技术实验室教授李爽也表示，小行星探测任务漫长而富有挑战性，能够促进深空探测技术的发展。

最遥远的“邂逅”

“天涯海角”距离太阳约67亿公里，比冥王星远16亿公里。作为历史上最快的探测器，“新视野”号可以达到16.26公里/秒的速度，但在2006年1月发射后，它花了13年才到达“地球的尽头”。

这个天体看起来像一个“雪人”，由两颗相连的恒星组成。“天涯”又大又平，“海蛟”又小又圆。它们由一个总长度为36公里的“脖子”相连。研究人员推测，它们曾经是两个互相环绕的天体，在一次轻微的碰撞中结合在一起。

据了解，这是迄今发现的第一颗保存完好的小行星——行星吸积阶段的先驱小天体。“太阳星云充满气体和尘埃，是行星形成的最基本环境。小尘埃会慢慢粘在一起，从厘米和分米长到几米和几公里长的小行星。”纪解释道。

他补充说，在重力的作用下，小行星将继续生长形成“行星胚胎”，体积介于小行星和行星之间，达到上千千米的数量级，如谷神星和灶神星。在此基础上，如火星和地球等类地行星的进一步形成，以及原始行星盘中气体的进一步积累，将形成如木星等气态巨行星，或如天王星和海王星等冰状巨行星。

这颗星子也属于KBOs的一组“冷经典”物体。它们被认为是早期太阳系原始物质的残余，由于太阳系外巨大行星的存在，它们的轨迹看起来相对平静。研究发现，“天涯海角”没有卫星、光环、瞬变大气、气体排放或尘埃，也没有相对较近的扰动迹象。

"它已经存在了将近40亿年，一直冻结在零下240摄氏度。"科罗拉多州博尔德市西南研究所新视野首席研究员艾伦·斯特恩说，“所以它是太阳系诞生后保存完好的遗迹。以前没人碰过它。”

数据分析发现，“天涯海角”表面最大的凹陷为8公里宽，研究小组将其命名为“马里兰陨石坑”。它的恒星是红色的，比冥王星更红，是太阳系中最红的物体。研究人员认为，这可能是由简单分子的辐射分解产生的有机大分子引起的，或者是由太空中的硅酸盐风化引起的，尽管没有直接证据表明MU69上有硅酸盐。

“微小”热量

1991年，美国发射的“伽利略”木星探测器对加斯普拉小行星951进行了飞越探测，这是人类第一次近距离观察小行星。根据这一计算，对小天体(主要包括小行星和彗星)的国际探索已经进行了几十年。此后，美国、欧洲、日本和中国相继完成了各自独特的标志性任务，实现了飞越、绕行和样品返回等多种探测方法，包括日本的隼鸟、美国的黎明和欧洲的罗塞塔。

中国的嫦娥二号探测器近距离飞越小行星图坦斯，实现了第一次小行星飞越观测，并获得了最高分辨率为3米的光学彩色图像。"这使中国成为继美国、欧洲和日本之后第四个进行小行星探索的国家."纪说:

"小行星数量众多，种类繁多。"李爽在接受《中国科学》采访时曾表示，对小行星的组成和物理特征进行科学探索，对于研究太阳系的演化和生命起源等科学问题具有重要意义。与此同时，地球附近有大量潜在危险的小行星。相关探索任务可以验证小行星防御技术，提高小行星防御能力。

"小行星的危险从过去到不久的将来，甚至在将来都一直存在。"例如，纪说，早期的例子包括白垩纪灭绝和最近1908年俄罗斯通古斯大爆炸。特别是，在2013年2月的车里雅宾斯克事件中，直径数十米的小行星在空中分裂成"陨石雨"，造成1 200多人受伤，数千所房屋被毁。

国内外不乏相关检测。贝努小行星是其中之一。根据美国宇航局的说法，在2175年到2199年之间，本努撞击地球的概率是1/2700。美国冥王星探测器计划在2020年前获取这颗直径500米的小行星的样本。Benu成为研究目标的另一个重要原因是它可能含有氨基酸等有机分子，这有助于探索地球上生命的起源以及太阳系的形成和演化。

地面监测对于探测危险的小行星也至关重要。在中国，自2006年以来，位于江苏省盱眙的中国科学院紫金山天文台专门用于监测近地天体发现的望远镜已经发现了20多个威胁近地小行星。直径为1.2米的望远镜还标志着中国加入了联合国国际近地天体观测网络(IAWN)，该网络是监测外层空间危险的主要设施之一。“我们正在推进一架2.5米宽视场光学巡天望远镜，其目标也是监测一些小行星，这些小行星在完工后可能会向西坠落。”纪江蕙透露。

此外，探索小行星也有助于资源的开发。他说太空任务非常昂贵，将来人类可以直接在小行星上开发纯净水，这比资源和稀有金属更重要。谷歌、腾讯和其他公司已经开始进行前瞻性研究。

纪还设想了将来在太空旅行中拜访小行星的情景。“从发现冥王星到现在100多年，我们已经成功飞越它和一个KBOs天体——“地球的尽头”。再过50年，人类可能不再梦想去小行星旅行或生活在火星上。今天的努力将为明天铺平道路。”他说。

拜访并不简单

为此，美国宇航局计划在其下一轮低成本行星科学任务序列“发现”中访问两个神秘的小行星:在2021年发射露西，飞越六个探测木星的特洛伊小行星；2023年，“勇气号”被发射到铁镍小行星“勇气号”的轨道上。

不管出于什么原因，参观这些小行星并不容易。"如何从众多小行星中选择合适的目标是小行星探测中首先要考虑的问题."李爽说，此外，小行星轨道差异大、倾角大、偏心率大，这大大增加了探测任务的能量消耗。如何通过重力助推、电力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。

小行星因其体积小、重量轻和形状不规则而形成一个弱引力场，对于多星系统，引力场的复杂性将进一步增加。“小行星特殊动态环境下的任务轨道设计和附着采样技术也是当前小行星探测技术的难点和研究热点。”李爽说。

“‘罗塞塔’号探测器是为了将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，而且它们的引力非常弱，所以附着非常困难。”纪对说道。

在太空探索的漫长旅程中，燃料限制也是技术挑战之一。以新视野为例，由于冥王星和柯伊伯带远离太阳，太阳能电池无法满足它们的能量供应。研究人员为其配备了一台含有10.9千克二氧化钚的核能发电机，其中钚-238在衰变时放出热量，通过温差提供稳定的能量。

此外，冀指出，通信、自主导航、地面制导等问题仍然存在，亟待解决。例如，探测器已经进行了科学调查。科学数据如何有效地传输回来？如何在深空进行自主导航？如何进行轨道调整并通过地面观测找到探测目标？这些挑战都是在测试一项任务能否成功完成。

呼唤中国的“路线图”

随着嫦娥二号在图坦斯上空的飞行，中国的小行星探测计划随着其深空探测综合实力的增强而浮出水面。

几天前，中国国家航天局宣布，长征三号乙将在西昌卫星发射中心发射小行星探测任务。探测器携带科学有效载荷，对近地小行星2016 HO3进行轨道探测。然后它附着在小行星表面，收集小行星样本。之后，它返回地球附近，释放返回舱，并将小行星样本返回地球。这个过程将在大约3年内完成。

根据计划，探测器将于2024年发射。“2016 HO3是由夏威夷天文望远镜在2016年发现的。它围绕太阳的公转周期几乎与地球的公转周期相同，为366天。”纪说，小行星似乎总是离不开地球，它绕地球运行的距离大约是地球到月球距离的38~100倍。

在完成上述探测任务后，探测器用了大约7年的时间穿过地球和火星飞到小行星带，对主带中的133号彗星进行轨道探测。探测器配有相关的科学有效载荷，通过飞越、伴随飞行、附着、取样返回等方式对目标小行星进行遥感探测、原地探测和取样返回。

“这是由中国*发起的任务，旨在为国际公众征集科学有效载荷并实施项目计划。”纪说，事实上，这种合作方式在世界上很普遍。中国还应该以开放和包容的态度与其他国家在太空领域进行合作，这样中国不仅可以学习其他国家的优秀技术，还可以为人类航空事业做出贡献。

面对未来，纪有两个愿景。一方面，他希望中国能够以科学目标为牵引，以工程和技术创新为目标，制定和规划一个完整的小天体探测路线图，系统规划未来国家小天体探测任务。“日本和美国有非常清晰的小行星探索路线图。美国是一颗小行星，从近到远，从近到主带到柯伊伯带。日本从S型、C型到D型，探测到的小行星越来越原始。”他说，“如果我们想赶上别人，我们需要一个更高的起点，比别人做得更好。”

另一方面，他希望中国能够组建一个由中国科学院科技“国家队”领导的高效科技工程小目标探测科学团队，与国内高校等其他机构合作创新，及时将探测数据转化为科学成果，同时大力推动相关技术的发展。