相对论 | 小行星探测“先遣兵”迎战“阿波菲斯”

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今天，6月30日，是上半年的最后一天，也是联合国确定的国际小行星日。

6月30日“国际小行星日” | 图源：https://asteroidday.org
112年前的今天，1908年6月30日，在俄罗斯联邦西伯利亚通古斯地区发生了一起人类有史以来所记录的最大规模小行星事件——“通古斯大爆炸”。此次事件摧毁了2000平方千米的森林，警醒了人类小行星可能造成的破坏。国际小行星日选在这个特殊的日子，旨在提高人们对小行星的认识，呼吁更多的国家、研究机构和个人加入小行星观测，共同寻找阻止小行星撞击地球的办法。


车里雅宾斯克陨石坠落事件（母体约20米） | 图源：Sergey Zhabin
小行星日必须讲小行星的事，今天我们要了解的是阿波菲斯小行星和相关的探测计划。

据目前掌握的轨道参数推算，直径约400米的阿波菲斯（Apophis，编号99942）小行星将于2029年4月13日飞掠地球，最近距离约为3.1万千米。如果它砸向地球，将导致一座大城市的毁灭。阿波菲斯在埃及神话中是“毁灭之神”。
于是，科学家们开始酝酿一个大胆的迎战“毁灭之神”计划。作为该计划的先遣任务，在2029年前，发射探测器登陆阿波菲斯进行采样“侦查”，为未来防范做好准备。 下面就随小紫（以下简称“紫”）去拜访中国科学院行星科学重点实验室主任、紫金山天文台行星科学与深空探测实验室季江徽研究员（以下简称“季”）了解一些详情。  紫：为什么选择阿波菲斯作为探测目标？


季：简单地说，在已发现的23,000多颗近地小行星中，阿波菲斯是已知的对地球威胁最大的小行星之一。科学家们通过计算认为，阿波菲斯曾存在较大撞击地球的概率。由于它的运行轨道被地球引力改变，它将于2036年再次“光顾"地球，危险性可能较大。

科学家们想到最直接的应对就是先登陆采样，了解它究竟是何方“神圣”，然后再想办法让它远离地球。目前，我们已经大致掌握了它的基本情况：条状身材，像一块牛皮糖，长相还有点萌。但究竟成分如何，还需要等到采样分析的结果。



近地小行星阿波菲斯运行轨道（白色）在内太阳系示意图 | 图源：NASA/JPL
  紫：先遣探测任务难在何处？


季：要到近地小行星上“动土”，可着实不容易。首先，要掌握目标小行星的飞行轨迹、速度，利用导航系统，捕捉到它，慢慢逼近；其次，到了小行星附近，探测器要调整轨道、速度、和小行星保持同一节奏，紧紧黏住它，陪伴在其左右；最后，探测器要稳稳地落在小行星的表面，才能保证小行星采样一体机成功采样。整个过程中，最难的就是最后一步采样。

你可能会问，人类不是早就到月球上采集过样本并带回地球了吗？但是到小行星上采样，和到月球上采样很不一样。首先，小行星上的引力比月球上弱很多，采样机要在小行星表面紧紧黏住就很不容易；其次，科学家对于月球表壤的情况已有较多认识，但是对小行星表面究竟是松软的还是坚硬的并不特别清楚。另外，在采集样本的过程中，取样装置工作可能会引起探测器在小行星表面发生振动，如何保持它们的平衡也是一大难点。

我们考虑了这些关键问题，并为小行星采样一体机设计了一款原理样机。现在问题基本上可以解决，不过，小天体附着方法还处于设想阶段，需要进一步论证。


取样仪器在小行星上采样概念图 | 图源：紫金山天文台  紫：这个小行星采样一体机长什么样子？具体有哪些功能？


季：紫金山天文台2012年就提出了研制小行星采样一体机的计划。小行星采样一体机可以固定在探测器外壁，所以我们将根据探测器的工程约束来设计装置的自重， 目前是十几公斤。这个有一人多高的小行星采样一体化装置上有一个金属钻头，钻头中间还有细细的管子。装置的中间部位，还有一个圆形托盘，托盘上还有一个精细的容器。它主要完成小行星表层土壤样品的采集、样品的分配和贮存以及样品分析的预处理等任务。

当仪器“工作”起来，钻头会被缓缓放下，一直伸入到装置下方放置的一块岩石上，并钻取岩石上的粉末、将其收起并放到托盘的小容器中。钻头很硬，可以穿透莫氏硬度为6的岩石，穿透花岗岩都没有问题。钻头一边钻一边研磨，当钻到一定深度的时候，该设备就能自动将研磨好的粉末取样并用采样管装好，放到托盘的容器中进行分析。与此同时，将对样品密封加热，进而对加热产生的气体成分进行分析，看看其是否含有有机气体等。这一系列工作都可以在小行星上开展，人只需要在地球上发布遥控指令，就可以知道小行星表层以下岩石的组成成分，非常方便快捷。目前，采样一体机还在进一步研制中，正在研制的有机组分分析仪器可以对小行星岩石中的可能存在的气体等成分做细致的分析和研究。

这个采样一体机的工作原理，和2014年11月12日启动的人类首次登陆67P/楚留莫夫－格拉希门克彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）的“菲莱”（Philae）着陆器的取样机理相似。但相比之下，探测器在阿波菲斯上面对的环境则更为复杂。相对于比较松软的彗星表面，小行星表层以下可能是非常坚硬的石头，所以，钻头要足够坚硬才行，同时还要对小行星的基本特性有充分的科学研究。




小行星采样一体化装置 | 图源：紫金山天文台  紫：我国未来还将开展哪些小天体监测项目？


季：在地球上建立小天体监测和预警机制是非常重要的，特别是瞄准那些潜在威胁近地天体（PHA，直径不小于140米，与地球轨道交会距离不超过750万千米）。

目前，紫金山天文台盱眙观测站1.2米口径的“近地天体望远镜”专门用于搜索发现可能威胁地球的近地小行星。不过，天文学家希望建造口径更大、探测效率更高的天文望远镜，并组成有效的全球监测网络，以及时捕捉那些对地球构成潜在威胁的不速之客。



近地天体望远镜 | 图源：紫金山天文台近年来，国际上的小行星空间探测任务有：美国国家航空航天局(NASA)发射的冥王号(OSIRIS-Rex)探测器，2018年开始探测小行星贝努(Bennu)，并计划2023年将其样本返回地球；2018年6月，日本JAXA发射的隼鸟2号探测器(Hayabusa 2)抵达碳质小行星龙宫(Ryugu)开展探测，已经取回样品并在返回地球的旅途中；我国也即将开展小天体深空探测任务。为在地球上构建安全的人类命运共同体，中国也有必要积极开展近地天体监测预警网络建设， 提升国内监测预警的能力和水平， 及时发现那些对人类生存环境有严重威胁的近地天体，深入开展科学研究和技术储备为将来的可能的小天体威胁提供针对性的防御措施。

轮值主编：刘四明

编辑：王科超、高娜

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