采样小行星

吴青

2020年10月22日，在“冥王號”航天器（以下简称“冥王号”）触及小行星“贝努”（以下简称“贝努”）两天后，美国宇航局接收到的系列影像证实“冥王号”已超额完成“贝努”采样任务（60克）。这被科学家认为是一个具有历史}生的时刻。

“冥王号”抓拍到了自己的采样器头部（以下简称采样头）在多个不同位置之间移动的场面。在审看这些影像时，“冥王号”团队注意到了两点：一是，采样头看来充满小行星颗粒;二是，其中一些颗粒似乎正缓慢逸出采样器。该团队相信，由于较大的岩石块顶开了采样器的盖子，因此采样器里的一些小行星颗粒通过采样器开口处的小间隙逸出。

“冥王号”团队表示，“贝努”持续带给科学家惊喜。因为采样头采集到的样本量超过了任务量，而部分样本正逸出采样器，所以该团队可能不得不加快存储样本的进度，但该团队不认为这是一个麻烦——科学家感到非常兴奋的是，“冥王号”所采集的样本量足以让他们研究几十年。“冥王号”拍摄的采样影像还表明，“冥王号”及其采样头接下来的任伺移动都可能导致更多样本丢失。因此，“冥王号”团队决定放弃原定于10月24日展开的“样本质量测量”活动，还取消了原定于10月23日进行的一次制动燃烧，以尽可能降低“冥王号”的加速。自此，“冥王号”团队将致力于把“贝努”样本严密封存在样本返回舱里，让样本最终能安全返回地球。

值得一提的是，采样头是在最优条件下执行采样任务的。新进行的分析表明，当采样器的氮气瓶被激发用以搅起“贝努”的表面物质时，采样头完全对准了“贝努”表面进行接触和采样。采样头还穿透到了“贝努”表面下好几厘米处。迄今所有数据都表明，采样头对“贝努”表层土（也称浮土）的采集量已大大超过60克。“冥王号”的状况依然良好，任务团队正加紧确定样本储存的过程和时间表。

帮助了解太阳系

从地球上的望远镜看去，“贝努”的表面挺光滑。这正是美国宇航局当初把“贝努”作为“冥王号”备选目的地之一的一个原因。但是，到“冥王号”在2018年接近“贝努”时，科学家才发现“贝努”的表面到处都有巨大的石头。科学家接着意识到，这些大石头的位置在过去几十万年中大大改变。

一般认为，因为没有大气层或火山活动，所以个头小的小行星并不很活跃。然而，正是由于“贝努”个头小，引力也很弱，因此物质在“贝努”表面很容易移动。“贝努”在几百万年前旋转着脱离小行星带，目前它在地球和火星之间运行，它与地球之间的距离比它原来在小行星带中时近得多。也正因为“贝努”目前的轨道接近地球，所以它比小行星带里的其他行星容易被地球航天器取样。通过模拟“贝努”表面岩石在过去时间里的移动情况，科学家能预测“冥王号”采集的“贝努”样本岩石颗粒可能来自原来哪个地方。通过了解这些岩石的源头，将有助于科学家更多地了解太阳系和小行星带天体的物质构成。小行星之间一直存在相互的引力作用，也一直在共享物质。正如地球上有来自小行星的陨石，小行星上也有来自其他小行星的陨石。

帮助了解地球

“贝努”的形状像一颗钻石。就算在小行星当中，“贝努”也是小个子一“贝努”的赤道直径只有500多米。正因为引力弱，所以“贝努”的旋转力能让“贝努”表面的岩石移动，甚至导致部分岩石被甩进太空。

科学家解释说，随着“贝努”自转，其表面会吸收来自太阳的热能。同样，也会把热量辐射回太空。这会对“贝努”产生一种转矩。这种转矩不仅会影响“贝努”自转的速度，而且会随着时间推移改变“贝努”的轨道。可能正是这种转矩导致“贝努”离开了小行星带，最终来到地球近处。通过研究“贝努”上的原始岩石，科学家可能会知道外太阳系存在什么物质，而这些物质可能有助于科学家探索有关原始地球物质构成的信息，从而有助于了解地球生命的起源。

在地球上，生命可能已经存在了几十亿年，从生命出现至今，地球的面貌已经大为改观。因此，为了真正了解地球生命的起源，真的需要到没有生命的其他天体上去。因为地球有大气层，还有活跃的板块运动，所以地球上最古老的岩石已被风化，或已被推到地幔深处。因此，科学家经常通过陨石来补充了解古地球和太阳系的构成。

科学家说，陨石之所以有时会被戏称为“穷人的航天器”，是因为它们经常来到地球。通过陨石，科学家能更多了解太阳系及其历史。与此同时，科学家也想通过陨石来了解整个小行星带。而通过检测“贝努”表面的岩石，科学家能获得更多新手段，这有助于他们确定博物馆收藏的一些陨石是否源自小行星带。

下一步干什么

“贝努”岩石样本计划在2023年9月24日到达地球。届时，一部分样本将被送往美国史密森尼国家博物馆。科学家将把这些岩石与该博物馆收藏的陨石进行成分对比，以调查这些陨石是否可能与“贝努”有关，或者是否可能与小行星带里的另一颗小行星有关。

美国史密森尼国家博物馆收藏的大多数陨石都来自小行星，但直到现在科学家也只能把这些陨石中的很小一部分与其祖先小行星对应起来。如果在地上发现一块陨石，你并不知道它在那里已经待了多久，因此它的原始状态已经有改变。而“冥王号”将送回地球的岩石样本相对而言要原始得多，所以对科学家来说大有用场。

科学家预计，将返回地球的“贝努”样本中可能包含与地球上所有岩石（包括陨石）都不一样的岩石。如果真是这样，那么将让科学家对太阳系地质历史的探索变得更难。事实上，每隔几年科学家都会发现某种新的陨石，因此“贝努”样本中包含全新类型岩石的可能性也高。但另一方面，“贝努”岩石样本也可能会让一些原本很费解的博物馆馆藏陨石变得不再难解。

陨石收藏不仅会被用于目前科学家对太阳系的探索，而且将被用于对未来的探索。“贝努”样本的一部分将在抵达地球后立即被封存，以在可预见的未来采用现在还没有的技术进行解读.甚至就连要解读的话题现在也不知道。从这个意义上说，“冥王号”将送回地球的“贝努”样本将是一个会给科学界带来持续启发的大礼包。

“冥王号”的样本返回舱

“冥王号”任务

“冥王号”任务是美国宇航局的一项小行星探索和取样返回任务，其主要目的是采集一颗近地小行星一“贝努”的至少60克样本，并且把样本送回地球做详细检测。预计这一样本将让科学家了解更多有关太阳系形成和演化、太阳系行星形成初期阶段和导致地球生命出现的有机化合物来源的信息。

“冥王号”发射于2016年9月8日，2017年9月22日经过地球，2018年1 2月3日与“贝努”会和。之后几个月里，“冥王号”探测“贝努”表面情况，以寻找适合的取样地点。2019年12月12日，美国宇航局宣布“冥王号”将在“贝努”表面的“南丁格尔”这一地点取样。2020年10月20日，“冥王号”靠近“贝努”，成功进行取样。

“贝努”被选为“冥王号”的取样目标，是由于它是记录太阳系历史的“时间囊”。表面颜色很暗的“贝努”被列为B类小行星，从属于碳质的C类小行星。这类小行星被认为很“原始”，因为自形成以来它们的地质几乎没有改变。“贝努”被选中，尤其是因为它有大量纯净的碳质物质，这些物质是生命所需有机分子的重要成分，也是地球形成以前的物质代表。像氨基酸这样的有机分子，之前已经在陨石和彗星样本中被发现，这说明生命所需的一些成分可在外太空天然合成。

“冥王号”任务成本高昂，该任务是美国宇航局“新疆界计划”的一部分，其余部分是“朱诺号”任务（探测目标为木星）和“新地平线号”任务（探测目标为外太阳系）。如果完全成功，“冥王号”将是从小行星取样并返回的第一艘美国航天器。2010年，日本一艘航天器已从一颗小行星取样并返回。2020年，日本另一艘航天器计划从另一颗小行星取样并返回。

“冥王号”花了两年多才抵达“贝努”。“冥王号”采集的“贝努”样本将在一个46千克重的舱中返回地球，该舱与美国宇航局“星辰号”航天器从81P彗星取样并返回所采用的返回舱相似。“冥王号”的回程之旅比前往之旅要短一些。

“冥王号”的科学目标

①送回足够数量的碳质小行星表层土纯净样本进行检测，以确定表层土中矿物质和有机化合物的性质、历史和分布情况。

②对原始碳质小行星进行全球特征、化学和矿物学测定，描述地质和动态历史，为返回的样本提供背景情况。

③为采样地点记录地质、地形、化学和表层土光谱特征。

④测量近地小行星的热力效应，为防范对地球有潜在威胁的小行星提供帮助。

⑤描述原始碳质小行星的全球特征，与地面望远镜对小行星的探测数据进行直接对比

“冥王号”数据

名称来源“冥王号”的英文缩写为OSIRIS-REx，表示“起源、光谱解读、资源辨识、安全、表层土探测器”。其中，“安全”是指“贝努”之类的近地小行星对地球有一定危险性，通过“冥王号”任务之类的探测将有助于找到防范小行星威胁的思路。

任务类型小行星样本返回。

计划任务期7年。其中，在“贝努”附近为505天。

三维

长2.4米，宽2.4米，高3.15米。

展开太阳能电池板后的宽度6.17米。

推进系统

肼单一组分推进剂，重量为1230千克。

发射质量2110千克。

运载火箭“宇宙神五号”。

经过地球的时间2017年9月22日。当时“冥王号”与地球之间距离为1.7237万千米。

插入环绕“贝努”的轨道2018年12月31日。

离开环绕“贝努”的轨道2020年10月22日。

为何叫它“貝努”

1999年9月11日，科学家在“里尼尔”巡天观测近地小行星计划中通过地面望远镜发现了“贝努”（注意：当时它只有数字代号，而没有“贝努”这个名字）。阿雷西博天文台的行星雷达和戈德斯通深空网络对“贝努”进行了深入观测，确定了“贝努”的平均直径——490米。2012年，美国亚利桑那大学、行星学会和“里尼尔”项目组联合举办“给小行星起名”竞赛，为刚发现的还只有数字代号的“贝努”命名。来自全球数十国的超过8000名学生提交了候选名称。最终，由美国北卡罗来纳3年级学生普奇奥提出的“贝努”获选。普奇奥说，“贝努”原本是埃及神鸟的名字，而“冥王号”航天器及其伸出的采样臂就像是神鸟“贝努”。顺便提一句，神鸟“贝努”经常被刻画为一只苍鹭。

“冥王号”数据

“冥王号”机械臂上的采样头在实际采样前进行了演练。在采样过程中，“冥王号”的太阳能电池板被升高，形成Y形架构，由此尽量避免尘埃堆积，并提供更多离地间隙，以防“冥王号”侧翻45。而触碰“贝努”。“冥王号”下降（而非登陆）至“贝努”表面附近的过程缓慢，目的是尽量减少发动机燃烧次数，避免“冥王号”的肼推进剂污染“贝努”。采样头与“贝努”表面的接触由感应器检测，接触所产生的力量通过采集头所在机械臂上的弹簧来减轻。

在接触“贝努”之前，采样头发射氮气流，目的是把直径小于2厘米的表层土颗粒吹进位于机械臂末端的采样头。一只计时器限制采样时间，以尽可能避免“冥王号”撞上“贝努”。计时到点后，“冥王号”执行后退操作，以安全离开“贝努”。

为防必须返回以实施第二次采样，美国宇舷局还计划在“冥王号”开始飘移、离开“贝努”几天后让“冥王号”重返“贝努”。根据计划，“冥王号”将在采样后拍摄采样头照片，以证实是否成功采样。如果采样成功，“冥王号”会绕着采样机械臂的短轴旋转，通过测量惯性矩来确定样本量是否超过任务量——60克。

但在实际运作中，无论是返回“贝努”还是旋转测量的程序都被取消，因为样本容器影像清晰显示实际采集量远超任务量，且一小部分样本正选出样本容器。于是，“冥王号”团队决定把采集到的样本立即存入样本返回舱。采样机械臂缩回，样本返回舱的舱盖关闭，“冥王号”踏上回程旅途。

除了采样头主体外，由微型不锈钢圈制成、位于采样头末端的接触垫被动采集了直径小于1毫米的尘埃颗粒。