北京時(shí)間10月21日清晨，已經(jīng)在太空飛行4年的OSIRIS-REx（冥王號）探測器，成功從目前距地球3.34億公里的貝努小行星上，收集了一些塵埃和碎石。耗費7年時(shí)間，耗資約65億元人民幣，只為從小行星上抓回“一把土”，值得嗎？當然！在中國航天科工集團二院研究員楊宇光看來(lái)，這是一次意義重大的“太陽(yáng)系考古”。

　　中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春對這次任務(wù)后續的科學(xué)研究充滿(mǎn)期待。“冥王號可以采集60克樣品，這個(gè)量已經(jīng)很多了，樣品類(lèi)型也會(huì )比較豐富，可以開(kāi)展很多非常系統的研究。估計至少可以研究幾十年。”

　　小行星上藏有太陽(yáng)系古老遺跡

　　對于地球來(lái)說(shuō)，近地小行星是一種危險的存在。它們在太空中風(fēng)馳電掣，不時(shí)與地球擦肩而過(guò)，讓人心驚肉跳。不過(guò)這些魯莽的家伙并非一無(wú)是處，它們身上也藏有科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的東西，比如太陽(yáng)系最古老的遺跡。

　　鄭永春介紹說(shuō)，太陽(yáng)系形成之后，塵埃碰撞凝聚形成了行星、矮行星等天體，還有些粉末碎屑，成為了小行星。相比之下，行星中含有很多放射性元素，會(huì )產(chǎn)生熱量，從而導致演化、熔融，慢慢將太陽(yáng)系初期的歷史湮沒(méi)。而能量小、熱量少的小行星，基本上沒(méi)有發(fā)生過(guò)演化，仍保留著(zhù)太陽(yáng)系形成之初的狀態(tài)。對它們開(kāi)展研究，有助于探尋太陽(yáng)系最早期的面貌。

　　此外，隨著(zhù)航天技術(shù)發(fā)展，人類(lèi)也產(chǎn)生了對小行星資源開(kāi)發(fā)利用的想法。

　　出于上述目的，人們開(kāi)始在茫茫太空中尋找探測目標。楊宇光表示，選擇目標時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素。

　　從工程角度，首先要考慮可行性。例如項目預算能買(mǎi)多大推力的火箭，能把探測器送到多遠的地方，以此劃定一個(gè)選擇范圍。如果要登陸采樣，那么小行星的自轉速度就不能太快，以免增加任務(wù)難度和風(fēng)險。

　　同時(shí)還要從探測價(jià)值方面考慮。太陽(yáng)系里有近地小行星、主帶小行星等多種類(lèi)型，其軌道分布、成份等都有差異。在能力有限的情況下，一定是盡量選擇此前沒(méi)有探測過(guò)，本身具有一定特點(diǎn)，在科學(xué)上或對未來(lái)開(kāi)發(fā)有足夠高價(jià)值的小行星，作為探測目標。

　　綜合考慮各種因素，一顆發(fā)現于1999年，編號為1999 RQ36的近地小行星——貝努成為了冥王號的探測目標。

　　全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩介紹說(shuō)，貝努是一顆富碳小行星，直徑將近500米。它距離地球最近時(shí)約有750萬(wàn)公里。

　　中國科學(xué)院國家天文臺研究員劉玉娟在一篇文章中介紹，貝努的年齡超過(guò)45億歲，并未經(jīng)歷過(guò)劇烈的變化，意味著(zhù)它表面和內部的物質(zhì)都是太陽(yáng)系誕生時(shí)產(chǎn)生的，其組成成分很可能包含生命最初在地球上形成時(shí)的物質(zhì)。研究這樣的小行星，有助于科學(xué)家認識早期的太陽(yáng)系，包括地球的形成方式，以及生命起源的問(wèn)題。

　　全新“接觸即離”方式幾秒鐘完成采樣

　　冥王號是美國首個(gè)小行星采樣返回探測器，于2016年9月9日發(fā)射升空，2018年12月飛到貝努小行星附近。

　　龐之浩介紹，冥王號此行有幾個(gè)科學(xué)目標，包括從貝努表面采回足夠量的風(fēng)化層物質(zhì)，繪制原始碳質(zhì)小行星的全球特性、化學(xué)特性、礦物學(xué)分布情況圖，在采樣地點(diǎn)記錄風(fēng)化層的質(zhì)地、形態(tài)、星體化學(xué)和光譜特性等。

　　鄭永春表示，采樣區的選擇，主要有兩方面要求，一是希望樣品有特點(diǎn)、信息豐富，具備更高的科學(xué)價(jià)值；二是必須有一塊面積較大、地勢平坦的區域，才能保證安全。經(jīng)過(guò)綜合考慮，冥王號選擇了名為“夜鶯”的采樣區。

　　龐之浩介紹，此次采樣采用了“接觸即離”方式，采樣過(guò)程只用幾秒鐘。其間，冥王號并沒(méi)有著(zhù)陸，而是在接近目標時(shí)伸出采樣機械臂，用機械臂末端的采樣器完成采樣，然后迅速飛離。這種方式省去了采樣前著(zhù)陸、固定，以及起飛前的解鎖過(guò)程；探測器在慣性下落時(shí)，也提供了采樣所需的力。

　　冥王號的采樣器采用了一項全新技術(shù)。龐之浩說(shuō)，當采樣器接觸到小行星地表時(shí)，會(huì )噴射出純氮氣體，把貝努表面的部分表土層物質(zhì)吹入樣品返回艙。采樣器在接觸地表時(shí)，也可以取得一部分樣品。冥王號攜帶了3罐氮氣，能滿(mǎn)足3次采樣嘗試。地面模擬試驗表明，它能夠采得超過(guò)60克樣品。

　　龐之浩說(shuō)，采樣完成后，冥王號計劃于2021年3月踏上歸途，在2023年9月將重達46千克的采樣返回艙送回地球。不過(guò)它不會(huì )再入地球大氣層，而是在進(jìn)入大氣前4小時(shí)釋放采樣返回艙，隨即進(jìn)行碰撞規避機動(dòng)，讓采樣返回艙獨自回到地面。冥王號自己則進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的軌道繼續飛行。

　　月球與小行星采樣各有難點(diǎn)

　　冥王號并不是人類(lèi)第一個(gè)在小行星采樣的探測器。

　　2003年5月，日本發(fā)射隼鳥(niǎo)號探測器，幾經(jīng)波折，從糸川小行星上采集到約100毫克塵埃，于2010年6月返回地球。

　　2014年12月，日本又發(fā)射隼鳥(niǎo)2號探測器。它于2019年2月在龍宮小行星著(zhù)陸采集表面樣本，并發(fā)現了水合礦物質(zhì)。同年4月，它向龍宮發(fā)射了一枚金屬彈，隨后收集了被激起的物質(zhì)。目前，隼鳥(niǎo)2號正在返回途中，計劃于今年底將小行星樣品送回地球。

　　相比日本這兩次小行星采樣計劃，冥王號項目除了科學(xué)目標不同，在采樣、降落導航等方面也采用了全新的技術(shù)，同時(shí)在伴飛距離上大幅縮短。此外，60克的樣品采集量，堪稱(chēng)阿波羅計劃之后人類(lèi)太空采樣之最。

　　近年來(lái)，各國紛紛啟動(dòng)行星探測計劃。我國就計劃在今年11月下旬發(fā)射嫦娥五號探測器，實(shí)施月球采樣返回任務(wù)。那么月球與小行星在登陸采樣方面有何不同？

　　楊宇光表示，行星或矮行星的個(gè)頭大、引力大，著(zhù)陸及采樣方式與小行星任務(wù)并不相同，因而在整個(gè)工程設計上都不一樣。“從飛行器設計角度來(lái)說(shuō)，冥王號和普通軌道飛行器沒(méi)有太大差異，主要是增加了一些在微重力條件下采樣的設備。”楊宇光說(shuō)，而行星的巨大引力會(huì )導致探測器環(huán)繞、降落的速度非常快，這給工程帶來(lái)了很大難度。

　　盡管如此，小行星采樣也有許多技術(shù)挑戰。鄭永春介紹，小行星在行星學(xué)中被稱(chēng)作“非合作天體”，由于其幾乎沒(méi)有引力，跟探測器之間沒(méi)有相互作用，因此要實(shí)現對小行星的伴飛、環(huán)繞以及著(zhù)陸，完全要依靠探測器自身的動(dòng)力，這對探測器的姿態(tài)調整及控制精度提出了很高要求。

　　此外，小行星距離地球較遠，近地點(diǎn)往往也要數百萬(wàn)公里，遠大于月球與地球之間的距離，加上其目標小、速度快，這都給探測任務(wù)的軌道設計增加了難度。

　　據媒體報道，我國也在開(kāi)展小行星探測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據目前的計劃，我國將發(fā)射一個(gè)探測器，先環(huán)繞近地小行星2016HO3飛行，再擇機登陸采樣，將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨后探測器繼續飛行，借助地球和火星引力到達小行星帶，對名為133P的主帶彗星進(jìn)行探測。