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最远的“追星族”:探索太阳系演化与地球生命起源

来源:中国科学报2019-04-16 09:06

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  这张小行星贝努的图片由12张图片拼接而成,为冥王号飞船2018年12月2日在距离小行星24公里的位置拍摄。 图片来源:NASA

  见习记者 程唯珈 实习生 池涵

  经过两年多的空间“旅行”,冥王号(OSIRIS-REx)飞船终于在2018年底飞抵小行星贝努(Bennu),而让负责这一采样任务的科研团队尤为兴奋的是,他们“观测到了水”。

  近日,该团队在《自然》杂志上发表7篇论文,介绍了冥王号靠近贝努和飞抵阶段早期的探测数据与分析结果,包括其形态、密度、自转速率等主要参数。

  文章作者之一、冥王号项目科研团队成员、美国行星科学研究所研究员邹小端向《中国科学报》揭示了他们“观测到水”为何会如此兴奋:大量含水矿物的存在,证实了贝努这一碳质球粒陨石的形成年代比预期要早,代表了原始的太阳系形成物质。换句话说,贝努蕴含着生命起源的秘密。

  小行星撞地球的威胁

  小行星贝努(编号101955)由麻省理工学院林肯实验室的近地小行星调查项目LINEAR发现。之所以选择它作为冥王号任务的目标,因为这是一颗危险的近地天体且非常神秘。用南京航空航天大学航天新技术实验室教授李爽的话说,“贝努是可能因为地球重力场的作用而与地球存在相撞风险的”。

  这一说法,得到了欧洲空间局的数据支持。

  根据欧洲空间局公布的数据,贝努轨道可能非常接近地球。例如在2060年9月23日,贝努与地球的距离仅75万公里。如果贝努在接近地球时通过重力锁眼区域,其轨道发生改变,那么下一次飞向地球时就可能与地球相撞。据预测,贝努在2175年与地球相撞概率最大。

  “地球附近存在大量潜在危险小行星,相关小行星探测任务可以验证小行星防御技术,提升小行星防御能力,保障人类安全。”李爽向《中国科学报》介绍,这是冥王号任务的重要意义之一。同时,它对于测试和发展航天新技术(如离子推进、轨道设计技术等)具有促进作用。小行星中蕴藏的丰富矿物资源,也让其具有经济价值。

  冥王号探测器于2016年9月升空,前往贝努开展超过12个月的科学研究,之后返回地球。

  邹小端告诉《中国科学报》,这是美国首个小行星采样返回任务,是继新地平线和朱诺之后,美国宇航局(NASA)又一个耗资约10亿美元的新边疆计划太阳系行星研究项目。其主要目标包括研究小行星的起源、提高小行星轨道预报精度等。“项目的命名——OSIRIS-REx也正体现了这些科学目标:起源(Origins)、光谱分析(Spectral Interpretation)、资源调查(Resource Identification)、安全(Security)、土壤探测(Regolith Explorer)。”

  揭示生命起源的秘密

  说到冥王号任务科学目标之一的起源,除了小行星起源之外,更重要的是研究生命起源。

  “小行星是太阳系初期形成的天体,分布在自地球轨道内侧至太阳系边缘的广阔空间,数量庞大,种类繁多。”李爽说,针对小行星组成物质、物理特征等的科学探测,对于研究太阳系演化、生命起源等科学问题具有重要意义。

  而文章开篇所说的“水”的发现,验证了研究生命起源这一科学目标的可行性。

  冥王号飞船搭载的两个光谱仪——可见光和红外光谱仪及热发射光谱仪揭示了含有羟基(由氧原子和氢原子组成)的分子的存在。

  “我们推测,这些羟基存在于整个小行星含水的黏土矿物中,这意味着贝努的岩石材料曾与水相互作用。”邹小端介绍道,虽然贝努本身太小而无法维持液态水,但这一发现确实表明液态水有时会出现在贝努的母体—— 一颗更大的小行星上。

  对此,NASA戈达德太空飞行中心仪器科学家艾米·西蒙也表示,整个小行星中水合矿物的存在证实了贝努是太阳系形成早期的残余物,是研究原始挥发物和有机物组成的优秀样本。这些样品返回地球时,将成为科学家研究有关太阳系历史和演变的重要宝库。

  值得一提的是,科学家还在贝努这颗近地小行星上史无前例地观测到喷出的小石子。“以前大家认为近地小行星因为轨道距离太阳很近,应该是很‘干’的,不可能像彗星一样活跃,有喷发现象,而眼前的这颗小行星就像太空里游走的一坨碎石堆。”邹小端说。

  “刚发现的时候我们开玩笑说,‘早知道贝努会往外喷石头,带个购物袋去绕轨两年就可以满载而归了,根本不需要设计那么麻烦的飞行控制策略去表面采样’。但事实上团队深知这个状况对卫星原计划的采样有多凶险,一不小心飞船就可能被打坏。贝努小行星既是惊喜,也是惊吓,太空探险的乐趣大概就是这样。”

  至少60克样本将被带回地球

  经过1.1亿公里的长途跋涉,冥王号飞船于2018年12月3日飞抵距离贝努19公里的位置后,在接近目标的飞行阶段,除了将两个光谱仪对准其表面开展科学探测外,还证实了贝努基于地面的望远镜观测,并确认了冥王号项目科研团队负责人迈克·诺兰及其合作者在2013年开发的原始模型。

  “该模型准确预测了小行星的实际形状,贝努的直径、旋转速度、倾角和整体形状几乎与影像一致。”邹小端说。贝努的表面混合了相当多的岩石,有些是巨石填充的区域,也有一些是缺乏巨石的相对平滑的区域。整体来看,贝努表面的巨石数量高于预期。

  同时,邹小端表示,由于降落地球的陨石已经被地球大气和生物所污染,因此冥王号的首要任务是从贝努采集原始样本,“这对研究行星形成和生命起源尤为重要”。

  此次,冥王号将通过短暂接触完成采样,即采样机构接触小行星表面约5秒,其间通过喷发氮气使表面岩石和各种物质卷入采样器中。飞船携带了足够3次采样尝试使用的氮气,以确保采集60克至2000克土壤样品。

  邹小端介绍,2021年3月,冥王号飞船将启程返回地球,经过至少63亿公里的飞行,在离开贝努两年半后,于2023年9月24日到达地球。样品返回舱将与卫星分离并以至少12.4公里/秒的速度进入地球大气层,最终着陆在位于犹他州沙漠的测试训练场内。

  据了解,75%的采集样品将被NASA 精心保存在休斯敦的约翰逊航天中心,供全世界的科学家在未来开展深入的研究。

  《中国科学报》 (2019-04-15 第3版 国际)

[ 责编:赵清建 ]
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