原标题:OSIRIS-REx正式观测到Bennu小行星

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NASA的OSIRIS-REx探测器于去年年底首次抵达被称为Bennu的小行星,在过去几个月里OSIRIS-REx探测器获取了有关Bennu小行星的更多细节。不幸的是,对于NASA工程师来说,小行星的表面与他们预想的完全不同,这对未来可能构成严峻的挑战。

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OSIRIS-REx任务包括多个目标,第一个目标是成功进入Bennu小行星轨道。不过据Sky&Telescope报道,在NASA科学家们了解了Bennu的表面后,事情变得非常复杂。

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文/陆渐

由于从地球观测小行星的能力有限,科学家认为小行星表面可能具有相对平滑的环境。光滑的表面将使航天器的最终机动

原文:https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/osiris-rex-first-views-asteroid-bennu/

2019年3月7日,NASA的OSIRIS-REx探测器(全名为“太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者”,2016年9月8日发射)
PolyCam相机拍摄到了Bennu小行星的近距离图像,当时的距离大约为5公里。拍到的这片区域位于Bennu南半球,小行星表面比之前预测的要粗糙不少,石块清晰可见,这些特征或许会给着陆采样增加不少难度。

  • 以及近距离采集样本的风险大大降低。

翻译:陈艳玲

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然而科学家现在发现这颗小行星被各种大小的碎片所覆盖,包括大量的小石块及巨石等。这对样品采集构成了巨大挑战,因为航天器必须避开障碍物,因为它朝向太空岩石的表面。

校对:郭文瀚、汪荣鑫、陆寅枫

位于图片中心下方的浅色大石头约7.4米宽(图:www.asteroidmission.org)

NASA此前计划让OSIRIS-REx探测器在Bennu周围的轨道运行大约一年,对其表面进行观测并将数据和图像传回地球。然而,由于其瓦砾覆盖的表面现在对其最令人期待的行动构成威胁,NASA科学家将需要努力工作,在小行星上找到一个安全的地方,以便航天器在离开Bennu并返回地球之前收集样本。

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1月19日,OSIRIS-Rex还拍到了一张震撼性的照片:Bennu的表面在喷射粒子羽流!人们通常认为,彗星才会由于太阳光照作用而喷射物质。1月6日发现粒子羽流后不久,任务科学小组增加了观测频率,随后在接下来的两个月里发现了更多的粒子羽流。尽管许多粒子被喷射出来,研究小组追踪了一些粒子后发现,这些粒子会像卫星一样绕着Bennu转动,之后再重新落回Bennu表面。

“源光谱解释及资源识别安全风化层探测器”Origins Spectral Interpretation
Resource Identification Security Regolith
Explorer(OSIRIS-REx),是NASA首个旨在从小行星带回样本的任务。它首次观测到了一颗名为Bennu的小行星,并准备在今年十二月近距离飞掠这颗小行星。

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Bennu表面喷射粒子的照片

OSIRIS-Rex首次观测到了140万英里外的小行星101955,并命名为Bennu.

(由NavCam 1成像仪拍摄的两张照片合成,图:www.asteroidmission.org)

NASA / GSFC / University of Arizona.

揭开小行星的神秘面纱

现在,小行星Bennu在图上看起来只是宇宙背景上一个不起眼的小点。但在未来几个月的探索中,人类对它的了解将会越来越多。

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8月24日,OSIRIS-REx正式进入了接近观察Bennu的阶段,离Bennu仅有不到200万公里,不足地月距离的五分之一。从探测器现在的位置看去,Bennu只是巨蛇座里一个难以分辨的11等光点。

一般而言,小行星是指围绕太阳运行的体积较小的非彗星天体,是至今发现数量最多的太阳系天体,其中C型小行星数量最多。小行星通常被科学家认为是太阳系形成后原始太阳星云凝聚出的物质残余,很可能保留着原始太阳系信息。

亚利桑那大学的Dante
Lauretta在最近的新闻发布会上表示:“鉴于现在OSIRIS-REx已经离Bennu足够近,它会充分利用登前的接下来几个月的时间充分观察了解Bennu的大小、形状、表面特性和周边环境。我们为这一时刻已经准备了太久,因此我们迫不及待想要看见关于Bennu的新成果。”

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OSIRIS-REx于2016年9月8日在卡纳拉尔角空军站由宇宙神-5火箭搭载发射。OSIRIS-REx会在小行星上工作505天,研究小行星的物质构成并绘制其表面图。此次任务最大的亮点是OSIRIS-REx将从Bennu上采集60-2200g的样本并将样本带回地球,这将是美国首次从小行星上采集样本。(人类首次实现成功在小行星上采集样本的航天器是日本的隼鸟号。)这些样本和有关Bennu的数据资料将帮助人类理解早期太阳系的形成和演化,以及生命的诞生。

Rosetta探测器拍摄的小行星Lutetia

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太阳系内的小行星主要分布在两处:火星和木星之间的小行星带,也叫主小行星带,集中了约90%的小行星;另一部分位于火星轨道之内,理论上有可能与地球相撞,称为近地小行星。除此之外,太阳系其他位置小行星分布数量较少。迄今为止,已发现了约78.9万颗小行星,其中约有1万多颗为近地小行星。

这张图显示了地球(绿色实线)、小行星Bennu(蓝色实线)和OSIRIS-REx(红色实线是发射轨道,红色虚线是到达小行星的过渡轨道)并标出了地球对OSIRIS-REx的引力调整点以及OSIRIS-REx与Bennu的交汇点。

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University of Arizona

白色显示的即为主小行星带,位于火星和木星轨道之间

但是到达Bennu并不容易。小行星在绕太阳为中心的周期为1.2年的轨道上运行,轨道面相对黄道面倾斜6度。因此登陆Bennu需要OSIRIS-REx在2017年9月22日飞掠地球,通过地球的引力弹弓效应将OSIRIS-REx送到可以和小行星轨道交汇的轨道上。OSIRIS-REx在今年七月还进行了一次轨道调整。

小行星与其说是天体,其实更近似于碎石堆,组织比较松散。它们具有一些基本特征:大多形状不规则,表面特征跟复杂;体积小,质量也很小,因此产生的引力很弱(10-4m/s2~10-1m/s2);受其他大型天体的引力综合作用,小行星公转轨道演化规律复杂,自旋状态也同样复杂。

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2017年9月25日刚刚完成了引力弹弓的Osiris-REX上看到的地球与月亮。

Bennu的直径与帝国大厦和埃菲尔铁塔(图:www.asteroidmission.org)

NASA/GSFC/University of Arizona/Lockheed Martin

最早人类只能依靠望远镜、摄影技术来发现和观测小行星,而现在深空探测技术、无线电技术能够更好地帮助人类认识小行星,这其中的光谱类型研究已经是分析小行星成分和起源的重要线索。

现在Osiris-REx将开始扫描Bennu附近的区域,寻找尘埃或可能存在的小行星。2018年10月1日,在Osiris-REx与小行星保持相对静止后,它将连续进行四次轨道调整完成最终着陆。

为什么要探测小行星?

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新月形状的Bennu在发现不久被戈德斯通雷达与1999年9月11日探测到的图像。

人类的好奇心永无止境。面对数量巨大的小行星天体,人类怎么可能容许自己对其一无所知?即便从功能上来说,目前小行星也已经被建议作为未来的地球资源来使用——可以成为罕见原料的采矿场,也可能是太空基地的修建材料。所以,小行星探测本身具有巨大的科学意义和工程价值。

NASA / JPL / Caltech

其一,小行星探测能够同时在基础科学问题和工程问题两方面推动新发展与新突破。小行星所携带的太阳系形成早期的物质,能够推动太阳系起源和行星演化、生命起源等基础科学问题的突破,而研究小行星过程中的航天动力学与控制方面的进展,能够推动小行星撞击与防御等重大工程问题的解决,消除对地球撞击的潜在威胁。

1999年9月11日的夜晚,Bennu在著名的林肯近地小行星研究巡天项目LINEAR中被发现,它的直径只有0.5km左右。它被归类为潜在威胁地球安全的小行星,因为它将在2060年9月23日飞掠地球,离地球最近只有74.8万千米。

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在行星协会举办的“为那颗小行星命名”(Name that
Asteroid!)比赛中,一名三年级的女孩用埃及神鸟的名字Bennu命名了这颗小行星,在比赛中获胜。

Eros、Vesta与Ceres大小对比

模拟Bennu的结构和组成可以帮助科学家预测太阳风对这颗小行星造成的影响,还可以预测Bennu未来的轨道变化。Osiris-REx装备了很多科学设备,包括REXIS
X射线光谱仪、OLA激光高度计、OVIRIS可见及红外光谱仪、OTES热光谱仪,OCAMS
相机组又包括:成像相机——203.2mm口径的望远镜用于拍摄高分辨率图像、地图相机负责寻找彗星和潜在的卫星、样本相机负责在取样时拍照。在绘图和选址后,小卫星表面的取样有望于在2020年7月实现。样本返回舱将于2023年9月在犹他沙漠上空降落回到地球。

其二,小行星探测能够验证深空探测领域的新技术,提升人类整体的空间技术能力。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”航天领域新技术、新途径的提出与发展离不开实际验证,而小行星探测作为一门综合难度极高的复杂学科,能够全面检验和提高人类的空间技术能力。某些小行星蕴含的丰富矿产资源,其开发利用也有助于缓解地球的资源紧张,提高人类征服太空的能力。

戈达德太空飞行中心的Rich
Burns在新闻发布会上表示:“Bennu的低重力为项目带来了一个前所未有的挑战。”Bennu将会是目前人类登陆的最小天体。

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小行星重定向任务原型机示意图

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但小行星探测技术极端复杂,难度极高。到目前为止,仅有美国、欧空局、日本以及中国在探测地外小行星上迈出了步伐。总体来看,要探测小行星,难点在于:

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——高效、变功率的小推力推进技术及深空导航技术,解决的是如何制导规划、如何到达的问题;

——小行星本身不规则的形状和引力场、复杂的强扰动环境,需要解决如何探测、如何着陆的问题;

——松散的弱引力碎石堆和散颗粒地貌,采样器与小行星低速、中速、高速下的冲击,需要解决如何采样、如何返回的问题。

人类开展了哪些探测活动?

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人类对小行星的探测活动已历30多年,大致可以分为三个阶段:初级阶段:对小行星的外形及部分物理特性的观测,探测活动以“飞越”为主;中级阶段:对小行星的物理特性等进行深入了解与分析,探测活动以“环绕-附着-采样”的为主;高级阶段:对小行星的运动进行控制或对其物质进行开发利用,探测活动以“偏转-操控-利用”的位置。

NEAR任务—美国

NEAR探测器于1996年发射,2000年到达,距离Eros小行星表面35km的绕飞轨道,对Eros进行了全面观测,并于2001年2月成功软着陆。整个任务对Eros小行星的形状、质量分布、磁场、自转、成分和地质等进行详尽探测。这是国际首次小行星环绕、着陆探测任务。

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艺术家设想的NEAR探测任务

Hayabusa任务—日本

Hayabusa探测器于2003年发射,2005年7月到达大小约500米的Itokawa小行星,释放目标标定球和探测器MINERVA,并在2010年6月携带着采样返回地球。本体于大气层烧毁,而内含样本的隔热胶囊与本体分离后在澳大利亚内陆着陆。这是人类第一次对地球有威胁性的小行星进行物质搜集的研究,也是国际首次小行星采样返回任务。

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画家笔下的Hayabusa和它搭载的MINERVA探测器

Rosetta任务—欧空局

Rosetta探测器于2004年发射,其所携带的Philae登陆器于2014年11月12日在67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星上着陆。在飞向彗星的图中,探测器还完成了两颗小行星飞越任务。Rosetta任务全面探测彗星的物理、化学和地质特性,飞越了主小行星带并探测其基本特性。这是国际首次环绕并着陆在彗星表面的任务。

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Rosetta在 2004–16年间的运行轨迹

CE-2飞越探测小行星—中国

2012年12月,CE-2探测器在国际上首次实现了从L2点飞越小行星的轨道转移,并成功飞越4179号Toutatis小行星,最近距离仅为3.2公里,并获取最高分辨率3m的光学彩色图像。这是国际上首次近距离飞越Toutatis,中国成为第四个实现小行星探测的国家,此次飞越为中国深入开展小行星探测奠定了必要的工程实践基础。

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CE-2飞行轨迹

New Horizons任务—美国

New
Horizons探测器于2006年发射,2015年7月飞掠矮行星冥王星,继而飞向柯伊伯带。它是第一艘飞越和研究冥王星及其卫星的探测器。2019年1月1日,New
Horizons近距离飞掠Ultima Thule小行星进行探测。New
Horizons获得清晰的冥王星及其系统的光学图像分布,发现冥王星有蓝色大气层,并探测到水冰暴露的区域。New
Horizons还承担国际首次柯伊柏带小行星的探测任务。

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New Horizons轨道与冥王星、Ultima Thule( 2017MU69)(图:Wiki

Dawn任务—美国

Dawn
探测器于2007年发射,目的是探索小行星带最大的两颗原行星:Vesta小行星与Ceres矮行星,是第一架环绕矮行星的探测器,也是首枚在任务期间成功进入两颗太阳系天体轨道的探测器,2011年7月到达灶神星,2015年3月到达谷神星。Dawn探测器构建了灶神星的三维地形模型,并发现Ceres可能存在液体。此次任务是国际首次主小行星带的环绕探测。

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Dawn任务

Hayabusa 2任务—日本

Hayabusa
2任务是Hayabusa任务的后续计划,于2014年12月发射,探测大小约900米的Ryugu小行星。2019年2月22日,Hayabusa
2成功在Ryugu表面着陆。之后Hayabusa
2将会返航,日本将再一次完成小行星取样返回任务。JAXA团队指出,Hayabusa
2的近红外光谱仪观测到“含水矿物”广泛分布于Ryugu表面,这意味着小行星撞击地球、使地球诞生生命及海洋的说法又获得一项有利证据。

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Hayabusa 2

OSIRIS-Rex任务—美国

OSIRIS-Rex(欧西里斯号或冥王号)探测器于2016年9月8日发射,任务是研究Bennu小行星——一颗含碳的近地小行星,并在2023年将样本送回地球进行详细分析。这颗小行星被视为潜在威胁天体,是有可能会撞击地球的小天体之一。如果成功,OSIRIS-REx将是首枚从小行星带回样本的美国航天器,也是继日本的Hayabusa后第二枚将小行星样本送回地球的探测器。

未来的小行星探测

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从世界范围已进行及计划中的任务来看,未来小行星探测的方式将由飞越、环绕、着陆、采样发展到捕获、操控与载人登陆,而在探测范围上,将由近地小行星(NEAR、Hayabusa
2、OSIRIS-Rex)发展到主小行星带以及木星特洛伊群和柯伊伯小行星带(NEW
Horizons),探测目标的类型由S类、M类、C类逐渐扩大到D类、P类。

从功能分析来看,未来小行星探测的热点仍将在于地球防御和资源利用:

——地球防御:需要长期观测与跟踪,精确的轨道预报和结构探测等为规避提供最准确的消息;需要有效而快速的防御策略消除撞击地球的威胁,如动能撞击、核弹爆破、引力拖车、太阳帆牵引、太阳聚光器、抵近喷涂、安装质量驱动器等;

——资源利用:如水可用于深空探测生存需要,矿物质可用于加工原材料,稀有金属可用于工业生产等。不仅许多国家在积极开展研究,如美国的ACR(小行星捕获返回,Asteroid
Capture Return)任务、ARM(小行星重定向,Asteroid Redirect
Mission)任务等,不少商业公司也在用市场化的方式提出方案,如2010年成立的行星资源公司将对富金属的小行星进行实地探测和开采并运送回地球;2012年成立的Deep
Space
Industries将发射一系列小行星探测器进入太阳系探寻资源,在近地空间对资源进行分类和提炼。

*也有学者对此产生疑问,以目前的技术展望,小行星资源只适合原位利用,开采并运回地球成本太高,并不具备商业价值。况且小行星上的矿物,没有什么是地球上没有的,数量上也还未到如此紧迫的时候。所以,小行星资源作为星际航行中的补给资源更加合理。

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Deep Space Industries提出的捕获小行星示意图(图:深空工业公司官网)

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猎户座飞船接近小行星捕获机械舱段的示意图

参考资料:

1] https://zh.wikipedia.org/wiki/小行星

2] https://www.asteroidmission.org/

*特别鸣谢北京理工大学深空探测技术研究所李翔宇博士的友情帮助*

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