到小行星上去采礦

劉聲遠(yuǎn)

雖然我們可能看不見(jiàn)它們，但隨著我們望向夜空，我們完全有理由相信：它們就在那兒，它們依次環(huán)繞我們的地球，宛如等待我們采摘的“蒼穹果實(shí)”。

不久前，美國(guó)大財(cái)團(tuán)“行星資源”公布了一個(gè)從近地小行星開(kāi)采貴金屬的計(jì)劃藍(lán)圖。該計(jì)劃的目的是在太空開(kāi)采鉑、銥、鋨等鉑族金屬，這類(lèi)材料在國(guó)際市場(chǎng)上每克的價(jià)格約為50美元。分析顯示，墜落地面的隕石中的鉑族金屬含量比地球上已知的任何礦體都高，另?yè)?jù)計(jì)算，僅一顆直徑500米的小行星所包含的鉑族金屬數(shù)量，就可能超過(guò)人類(lèi)有史以來(lái)所開(kāi)采的全部數(shù)量。

按照“行星資源”的小行星開(kāi)采計(jì)劃，將先發(fā)射一系列空間望遠(yuǎn)鏡，對(duì)50萬(wàn)～100萬(wàn)顆直徑超過(guò)50米的近地小行星進(jìn)行調(diào)查（科學(xué)家相信有很多小行星尚待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)）。接著，向選定的目標(biāo)小行星發(fā)射至少六艘探測(cè)器，并使用探測(cè)器搭載的儀器查明小行星的組成部分。最后，把可用于太空探索的成分送回地面。

“行星資源”計(jì)劃預(yù)計(jì)在2025年開(kāi)始實(shí)施。不過(guò)，目前關(guān)于該計(jì)劃的可行性仍有很大爭(zhēng)議。而美國(guó)宇航局于2011年5月25日宣布的一項(xiàng)小行星探測(cè)計(jì)劃在技術(shù)上顯然更加成熟。該計(jì)劃的簡(jiǎn)稱(chēng)是“OSIRIS-REx”，全稱(chēng)念起來(lái)則有點(diǎn)拗口——“起源-光譜解讀-資源辨識(shí)-安全-表土層探索裝置”。

隱藏太陽(yáng)系終極秘密的“小家伙”

美國(guó)宇航局的“OSIRIS-REx”計(jì)劃的主要目的是：更好地解釋太陽(yáng)系的形成機(jī)制和生命的開(kāi)始過(guò)程。

大約45億年前，由氣體和塵埃組成的太陽(yáng)星云坍縮而形成了太陽(yáng)及各大行星，星云中剩余的材料則構(gòu)成了小行星等小天體。因此，小行星包含著來(lái)自太陽(yáng)星云的原始材料，能夠揭示太陽(yáng)系誕生時(shí)期的狀況?？茖W(xué)家尤其感興趣的是一類(lèi)被稱(chēng)作“碳粒隕星”的原始小行星。碳粒隕星富含水、氨及其他揮發(fā)性材料，而這些材料在隕星經(jīng)過(guò)地球大氣層的高熱摩擦過(guò)程中一般都不可能保留下來(lái)。

按照計(jì)劃，“OSIRIS-REx”于2016年發(fā)射，三年后到達(dá)近地小行星“1999-RQ36”。在距離這顆小行星不到5千米的軌道上，飛船將對(duì)它實(shí)施為期6個(gè)月的綜合性表面繪圖。接著，科學(xué)家將選定機(jī)械臂的取樣地點(diǎn)，并指揮飛船逐漸靠近這個(gè)位置，伸出手臂采集超過(guò)60克的材料，于2023年送回地球。這次任務(wù)的成本預(yù)計(jì)高達(dá)約8億美元，還不包括發(fā)射費(fèi)用。

飛船采集到的樣本將被儲(chǔ)存在一個(gè)特制的樣本艙中。這個(gè)樣本艙的設(shè)計(jì)與美國(guó)宇航局“星塵號(hào)”飛船的樣本艙相似，后者在2006年把取自“惠爾德-2號(hào)”彗星的微粒樣本發(fā)回了地球，這也是全球首次取回彗星樣本?！癘SIRIS-REx”的樣本艙將攜帶樣品返回地球，科學(xué)家將按照嚴(yán)格的行星材料保護(hù)程序?qū)ζ溥M(jìn)行精確檢驗(yàn)（由于成本等因素，在飛船上不能完成這樣的檢驗(yàn)）。

小行星“1999-RQ36”的直徑大約為580千米，差不多是5個(gè)橄欖球場(chǎng)大小?？茖W(xué)家認(rèn)為這顆小行星長(zhǎng)久以來(lái)沒(méi)有發(fā)生什么改變，因此很可能代表著太陽(yáng)系嬰兒期的情況。它也可能富含碳——生命所需有機(jī)分子的主要元素之一。科學(xué)家在一些隕石和彗星樣本中都發(fā)現(xiàn)了有機(jī)分子，這表明一些生命成分可以在太空產(chǎn)生。

“OSIRIS-REx”的另一個(gè)任務(wù)是幫助科學(xué)家研發(fā)追蹤小行星軌道技術(shù)，以便設(shè)計(jì)出防止地球遭遇天體大撞擊的辦法。

“OSIRIS-REx”是美國(guó)宇航局的“新地平線(xiàn)計(jì)劃”的第三部分。作為第一部分的“新地平線(xiàn)號(hào)”飛行器發(fā)射于2006年，它將于2015年7月飛過(guò)冥王星-卡戎星系統(tǒng)，然后飛往另一顆柯依柏帶天體進(jìn)行探測(cè)。作為“新地平線(xiàn)計(jì)劃”第二部分的“朱諾號(hào)”探測(cè)器于2011年8月升空，它將成為對(duì)木星實(shí)施全球性探測(cè)、從而全方位了解木星大氣層和木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的首艘飛行器。

被地球捕獲的“臨時(shí)衛(wèi)星”

1913年2月9日，一些奇怪的物體劃破了北美洲的天空。據(jù)目擊者報(bào)告，幾十個(gè)燃燒的火球在夜空中排成一行，劃過(guò)了北美洲上空的大部分。

最先目睹這些火球的是加拿大的西部省份薩斯喀徹溫。這個(gè)流星行列燃燒著掠過(guò)大氣層，一路留下條狀的蒸氣軌跡。它朝著東南方向移動(dòng)，到達(dá)美國(guó)紐約以北僅幾千米的上空后又飛往大西洋。最后目擊它的是百慕大群島的居民和赤道附近的一艘汽船。

火球陣的首個(gè)目擊地和最后一個(gè)目擊地之間相隔9200千米，范圍如此之大，意味著流星必定位于環(huán)繞地球的軌道上。因此，科學(xué)家做出了一個(gè)驚人的結(jié)論：當(dāng)時(shí)人們所見(jiàn)很可能是一顆此前未知的地球的小衛(wèi)星分解的結(jié)果。

在今天的科學(xué)家看來(lái)，1913年的流星事件一點(diǎn)都不奇怪。對(duì)小行星軌道的電腦模擬結(jié)果顯示，幾米寬的太空小巖石如果太過(guò)靠近地球引力場(chǎng)的話(huà)就有可能被地球俘獲，其中很小一部分會(huì)分解并墜落地球，大多數(shù)則會(huì)環(huán)繞地球多月甚至多年。一些小巖石的軌道在月球以外，它們隨后會(huì)安全溜走，重回深空。但在它們接近地球期間，它們將成為地球的微型衛(wèi)星。雖然我們看不見(jiàn)它們，但它們比科學(xué)家曾經(jīng)以為的更常見(jiàn)。

說(shuō)到行星俘獲小天體，木星堪稱(chēng)“大師”。木星的質(zhì)量比地球大320倍，距離太陽(yáng)也比地球遠(yuǎn)5倍。在這么遠(yuǎn)的軌道上，太陽(yáng)的引力要弱得多，因此木星能肆意擺弄靠近它的天體并牢牢地抓住獵物。木星最近的一個(gè)最著名的獵物就是“舒梅克-列維9號(hào)”彗星。木星的巨大引力把這顆彗星撕碎，使得一連串壯觀的太空大爆炸在1994年7月上演——當(dāng)時(shí)，彗星的碎片接連撞擊木星。透過(guò)太空望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家目睹了這一奇觀。

值得慶幸的是，地球的引力與木星相比要弱得多，因此如此暴烈的表演在地球上很難上演。大多數(shù)撞擊地球的天體都來(lái)自火星軌道和木星軌道之間的小行星帶。不過(guò)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)辨識(shí)有朝一日可能撞擊地球的小行星的望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系中越來(lái)越多的在軌天體。其中大多數(shù)都很小，它們是在漫長(zhǎng)歲月中因?yàn)榕鲎捕榱训妮^大天體的殘骸。任何這類(lèi)小天體一旦進(jìn)入與地球相似的軌道就可能被地球引力絆住，還可能被拉進(jìn)環(huán)繞地球的軌道，哪怕只是短暫地呆在這樣的軌道中。

一些科學(xué)家致力于追蹤這些短暫充當(dāng)?shù)厍蛐l(wèi)星的天體。令他們驚奇的是：這類(lèi)臨時(shí)性的微型衛(wèi)星相當(dāng)常見(jiàn)。他們的計(jì)算表明，這些微型衛(wèi)星的直徑只有幾米，它們與地球之間的距離是月球與地球之間距離的12倍。它們環(huán)繞地球的軌道不太穩(wěn)定，原因是它們同時(shí)還受到太陽(yáng)引力場(chǎng)和其他行星的引力擾動(dòng)。據(jù)電腦模型預(yù)測(cè)，大多數(shù)被地球引力俘獲的微型衛(wèi)星又會(huì)再度飄移，在環(huán)繞地球的軌道中平均只呆9個(gè)月。

尋找?guī)酌状笮〉奈⑿托l(wèi)星絕非易事，因?yàn)樗鼈儌€(gè)頭太小，能夠反射的光線(xiàn)太少。事實(shí)上，科學(xué)家尋找到的絕大多數(shù)微型衛(wèi)星最終都被證實(shí)是太空垃圾。不過(guò)，2006年9月14日，科學(xué)家還真的找到了一顆微型衛(wèi)星。經(jīng)計(jì)算，這顆被命名為“2006-RH120”、直徑約為5米的微型衛(wèi)星是在2006年7月被地球引力俘獲的?？茖W(xué)家跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)，它在隨后12個(gè)月里悠閑地環(huán)繞了地球3圈，其中一次它進(jìn)入了月球軌道以?xún)?nèi)，但又飄走了。目前它正在與地球軌道相似的軌道上環(huán)繞太陽(yáng)，與地球距離越來(lái)越遠(yuǎn)。到2017年，它將位于從地球上看去的太陽(yáng)另一側(cè)。2028年前后，它有可能重返，再次成為地球的微型衛(wèi)星。

2019年，8.4米直徑的“大調(diào)查望遠(yuǎn)鏡”將在智利建成，它將每周全方位調(diào)查天空一次，目的是尋找小行星。它應(yīng)該能又快又準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)微型衛(wèi)星，從而讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)研究此前從未發(fā)現(xiàn)的一系列小小的小行星，例如向它們發(fā)射探測(cè)器。

等待采摘的“蒼穹果實(shí)”

小行星有三種基本類(lèi)型，分別是M、S和C型。M型小行星大部分由金屬構(gòu)成，它們?cè)?jīng)位于如今早已粉身碎骨的原行星腹心。S型小行星是石質(zhì)小行星，但它們也富含諸如鐵、鎳和鎂之類(lèi)的金屬。C型小行星最常見(jiàn)，由平均宇宙豐度的元素組成，但不包含氫氣和氦氣。雖然C型小行星相對(duì)“貧瘠”，它們卻仍然包含足夠的貴金屬。據(jù)估計(jì)，僅一顆直徑2千米的小行星所包含的金屬和礦物資源價(jià)值就高達(dá)25萬(wàn)億美元。

科學(xué)家指出，前往近地小行星并非難事，因?yàn)樵S多小行星的軌道和地球軌道相似，而且小行星的引力場(chǎng)較弱，飛船無(wú)需耗費(fèi)太多燃料即可登陸和離開(kāi)。但是，開(kāi)采小行星絕非易事，原因是小行星不僅密度低而且在太空中疾飛?？紤]到科學(xué)家近年來(lái)為了把很少一點(diǎn)點(diǎn)小行星樣本帶回地球而歷盡艱險(xiǎn)，開(kāi)采微型衛(wèi)星無(wú)疑具有很大的誘惑力：微型衛(wèi)星的直徑只有幾米，因此有可能把一整顆微型衛(wèi)星帶回地球進(jìn)行研究；飛船前往微型衛(wèi)星可能只需幾周時(shí)間，而飛船進(jìn)入太空與小行星會(huì)合所需時(shí)間少則數(shù)月多則數(shù)年；除了科研價(jià)值外，被帶回地球的微型衛(wèi)星還能提供貴金屬。

隨著世界人口不斷增長(zhǎng)和對(duì)資源需求不斷增加，一些地球資源的開(kāi)采已經(jīng)變得很昂貴。開(kāi)采微型衛(wèi)星或許會(huì)帶給我們驚喜。與其耗資巨大前往小行星，不如擁抱輕敲地球大門(mén)的微型衛(wèi)星。雖然我們可能看不見(jiàn)它們，但隨著我們望向夜空，我們完全有理由相信：它們就在那兒，它們依次環(huán)繞我們的地球，宛如等待我們采摘的“蒼穹果實(shí)”。

是太空垃圾？還是微型衛(wèi)星？

負(fù)責(zé)調(diào)查微型衛(wèi)星的美國(guó)宇航局專(zhuān)家保羅·喬達(dá)斯在2010年5月發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小天體，這個(gè)直徑只有幾米的小天體看起來(lái)很像是一顆微型衛(wèi)星。但隨后的紅外觀測(cè)卻顯示，它不像已知的任何小行星類(lèi)型，而像火箭部件之類(lèi)的太空垃圾。最后，喬達(dá)斯拿出計(jì)算證據(jù)證明：它曾經(jīng)在1975年很接近地球，而且它的軌道與任何一次特定的火箭發(fā)射都不匹配。它被命名為“2010-KQ”，有可能是一顆微型衛(wèi)星。

喬達(dá)斯的計(jì)算還顯示，發(fā)現(xiàn)于2002年9月的另一顆“微型衛(wèi)星”很可能只是“阿波羅12號(hào)”火箭的上級(jí)，當(dāng)時(shí)它暫返地球“沽名釣譽(yù)”。1969年11月被留在地球軌道中的它，后來(lái)滑進(jìn)環(huán)繞太陽(yáng)的軌道，而在2002～2003年期間又暫時(shí)被地球重新俘獲。

是微型衛(wèi)星？還是準(zhǔn)衛(wèi)星？

發(fā)現(xiàn)于1986年的小行星“克魯特尼”之所以一舉成名，是因?yàn)榭茖W(xué)家注意到它一年環(huán)繞太陽(yáng)一圈，而且距離地球從來(lái)都不會(huì)太遠(yuǎn)。這讓它有了“地球的第二顆衛(wèi)星”的綽號(hào)。但事實(shí)上，它是一顆準(zhǔn)衛(wèi)星——其路徑是由太陽(yáng)而非地球的引力決定的，就算你把地球拿走，準(zhǔn)衛(wèi)星的軌道也不會(huì)受到影響。

與之對(duì)比，微型衛(wèi)星主要受地球引力支配。地球、太陽(yáng)和其他天體的引力場(chǎng)之間的微妙平衡，決定著微型衛(wèi)星的軌道。這就是微型衛(wèi)星易于首先墜入環(huán)繞地球的軌道、然后又容易飄走的原因。

轟炸小行星，為地球降溫

2012年9月30日，科學(xué)家宣布了一個(gè)有趣的思路——轟炸小行星，用其產(chǎn)生的巨型塵云為地球遮擋烈日。聯(lián)合國(guó)相關(guān)組織預(yù)計(jì)，地球平均氣溫到21世紀(jì)末將上升1.1℃～6.4℃?？茖W(xué)家提出了很多為地球降溫的奇思妙想。一種設(shè)想是，用巨型太空鏡讓射向地球的光線(xiàn)轉(zhuǎn)向。但這種設(shè)想被認(rèn)為是不可行的，因?yàn)闊o(wú)論是建造巨型太空鏡并把它們發(fā)射到太空軌道，還是在外太空組裝太空鏡，其成本都極其高昂。還有一種設(shè)想是，播種像地球上的云那樣的塵埃云來(lái)遮蔽陽(yáng)光。這種方法的成本低很多，但是，塵埃會(huì)因?yàn)樘?yáng)、月球和其他行星的引力作用而分散開(kāi)?，F(xiàn)在，又有科學(xué)家提出了一種新的設(shè)想：運(yùn)用小行星自身引力作用來(lái)有效阻止被炸出的塵云飄走。

按照設(shè)想，在目標(biāo)小行星上安裝質(zhì)量加速器，把小行星推到拉格朗日點(diǎn)L1（L1與地球之間的距離大約是它與月球之間距離的4倍，在L1上，太陽(yáng)和地球的引力相互平衡而抵消）?？茖W(xué)家初步選定最大的近地小行星“1036 加尼美得”為候選小行星，估計(jì)轟炸它產(chǎn)生的塵埃數(shù)量約為5000萬(wàn)億噸，分布范圍約為2000千米寬，足以遮擋到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射的6.58%，從而有效阻止全球變暖。不過(guò)，考慮到“1036 加尼美得”質(zhì)量太大，科學(xué)家也設(shè)想把多個(gè)較小的小行星推到L1上。