漫談小行星及其探測與開發(fā)

漫談小行星及其探測與開發(fā)

Introduction of Asteroid Exploration and Development

2017年5月8日上午，“葉培建星”命名儀式暨小行星探測學術報告會在中國空間技術研究院舉行。“葉培建星”國際編號為456677，由中國科學院紫金山天文臺于2007年9月11日發(fā)現。為了表彰我國著名航天專家葉培建院士為推動我國月球與深空探測及空間科學快速發(fā)展所做出的突出貢獻，2016年6月紫金山天文臺推薦命名“葉培建星”，2017年1月12日獲國際小行星命名委員會批準。自此，“葉培建星”正式鑲嵌進太空星辰，把中國人的探索精神高懸在廣袤星空。

目前，加快小行星探測已經成為國內學者和專家的共識，深空探測被列入了“十三五”國家科技重大專項，小天體探測發(fā)展路線日漸清晰。今后，隨著火星探測器等深空探測任務的實施，我國小行星探測的步伐將進一步加快。

1 小行星一瞥

小行星是太陽系內類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質量比行星小得多的天體。這些小行星位置、大小、形狀和物理構成都各不相同，通常根據位置、物理構成兩種屬性進行分類。

按照位置分類，小行星主要可以分為主帶小行星、特洛伊小行星、近地小行星以及柯伊伯帶小行星。主帶小行星位于火星和木星之間，大多數已知的小行星都為主帶小行星，其軌道大多為近圓。特洛伊小行星是與行星共用軌道的小行星，大多數位于木星軌道上，只有數百顆。近地小行星指的是軌道近日點在1.3天文單位以內（火星軌道內, 1個天文單位是地球到太陽的距離，約為1.5×108km）的小行星，其軌道多數與地球軌道相交，這類小行星存在與地球碰撞的風險，因此近年來受到了格外關注，也由于其易接近性而成為了主要的探測目標。柯伊伯帶小行星是位于柯伊伯帶的小行星，即在海王星軌道以外附近，主要是冰封的小天體。

按照物理構成，小行星可分為C類、S類、M類小行星等。C類小行星類似于碳質球粒隕石，通常礦物中富含氫、碳、氮等揮發(fā)性元素，占內太陽系小行星數量的75%左右。S類小行星為巖石類小行星，主要由普通巖石或硅酸鹽構成，占內太陽系小行星數量的17%左右。M類小行星富含金屬，特別是鐵鎳合金。

至今，在太陽系內共計已發(fā)現約70萬顆小行星，但這可能僅是所有小行星中的一小部分。根據估計，小行星的數量有數百萬，而最大型的小行星—谷神星，現在被重新分類并被定義為矮行星。

第一顆小行星的發(fā)現要追溯到1801年，但到1850年天文學家才開始給小行星起名字。小行星的命名權屬于發(fā)現者，所有的小行星命名都須報經國際小行星中心和小天體提名委員會審議通過，然后才公布于世，成為該天體的永久名字并為各國公認。早期小行星一般以女神的名字命名，后來改用人名、地名、花名乃至機構名的首字母縮寫詞等來命名。現在，為小行星命名已演變成小行星發(fā)現者表達意愿的一種方式，但發(fā)現者不能用自己的名字命名。一般來說，命名僅授予在某領域有突出貢獻的個人或者團體。小行星的名字由兩部分組成：前面一部分是一個永久編號，后面一部分是一個名字。

部分與中國有關的著名小行星有：第一顆在中國土地上發(fā)現的小行星—九華星（Juewa）（發(fā)現者為J.C. Watson）、第一顆由中國人發(fā)現的小行星—中華（China)（發(fā)現者為張鈺哲）、第一顆以中國人名命名的小行星—張衡(Zhang Heng）（發(fā)現者為紫金山天文臺）、第一顆以中國地名命名的小行星—北京(Peking）（發(fā)現者為紫金山天文臺）、第一顆以中國縣名命名的小行星—大埔（Dabu）（發(fā)現者為紫金山天文臺）、第一顆以中國太空飛船的名字命名的小行星—神舟（Shenzhou）（發(fā)現者為紫金山天文臺）。

在空間探測器問世之前，小行星是通過地面望遠鏡進行觀測的，但即使用最大的望遠鏡也只能觀測到針尖大小的光點，無法了解小行星的形狀和地形等。1991年10月，“伽利略”木星探測器在飛掠951號蓋斯普拉小行星時拍攝到第一張真正的小行星特寫鏡頭，使科學家大為振奮。1996年，美國發(fā)射了世界第一個小行星專用探測器“尼爾”，獲得了不少有關愛神星小行星的重要科學數據，拉開了研制和發(fā)射小行星探測器的序幕。此后，小行星探測漸進高潮。2003年，日本發(fā)射了“隼鳥”小行星采樣返回探測器，首次把小行星樣品帶回地球。2007年，美國發(fā)射了“黎明”小行星探測器，先后探測了2顆小行星。2015年, 日本又發(fā)射了更先進的隼鳥－2小行星采樣返回探測器。2016年，美國發(fā)射了其首個小行星采樣返回探測器“奧西里斯”。

2 近地小行星

一般把運行到距離太陽1.3個天文單位范圍內的小行星叫近地小行星。由于近地小行星有撞擊地球的危險，所以成為21世紀深空探測活動的重要目標。

按照近地小行星的軌道可將其分為三類：一是阿登型小行星，平均軌道半徑均小于1天文單位，在地球軌道以內；二是阿莫爾型小行星，近日點均在地球軌道以外，介于1.017～1.3天文單位之間，不會威脅到地球；三是阿波羅型小行星，其近日點位于地球軌道內，可深入到金星甚至水星軌道以內，其體積都很小，直徑約400～8000m，部分小行星的軌道與地球軌道相交，存在碰撞風險。

目前，已發(fā)現了大約800顆具有潛在威脅的小行星，但仍不足估計總數的1/3。據研究，直徑在40m以上的小行星總數約為30萬顆, 現在只發(fā)現了約3%。據研究，直徑大于1km的小行星撞擊地球的概率為每10萬年1次，撞擊時釋放出的能量將毀滅地球文明，現今已發(fā)現了60多顆，直徑接近10m的天體撞擊地球的概率為每3000年一次。一些科學家質疑，小行星撞地球的風險被嚴重低估。不過，南京紫金山天文臺專家根據觀測得出結論，近20年內應該不會有小行星和地球相撞。

3 專用探測器

由于天文觀測和掠過式順路探測存在距離遠、時間短、分辨率低等缺陷，所以，從20世紀90年代至今，美國和日本已先后研制和發(fā)射了5個小行星專用探測器，采用繞、落、回的方式對目標小行星進行較為細致的探測，獲得了大量有價值的科學數據。

美國“尼爾”

1996年2月17日，美國德爾他－2火箭發(fā)射了世界首個小行星探測器“尼爾”（又稱“近地小行星交會”）探測器。它的質量為805kg，于2000年2月14日進入愛神星軌道，這是航天器首次成功地進入圍繞小行星運行的軌道。“尼爾”探測器上帶有相機、激光測距儀和無線電科學實驗設備等6臺探測儀器，用于確定愛神星的尺寸、質量、密度和磁場及巖石成分。2001年2月12日，在探測任務結束之際，“尼爾”首次以硬著陸的方式降落到愛神星的表面上，結束了富有成果的太空之旅。5年內，“尼爾”飛行了32×108km，其中繞愛神星飛行了1年，共拍攝了16萬幅圖片，搜集了比原先計劃多10倍的數據，大大超過了原來的預期。

日本“隼鳥”

2003年5月9日，日本發(fā)射“隼鳥”小行星探測器，探測位于地球和火星之間距離地球3×108km的糸川小行星，并采集樣本帶回地球供科學家研究。2005年9月12日，“隼鳥”飛抵距離糸川小行星20km高的預定軌道，用自身攜帶的X射線和紅外探測儀觀測了糸川小行星表面情況，收集其成分和地形數據。2005年10月，“隼鳥”降低軌道高度，從10km之內對其進行觀測。2005年11月12日，“隼鳥”在距離小行星表面55m高的地方向糸川小行星表面投放了所攜帶的“智慧女神”子探測器，以采集糸川小行星表面數據，但因故障該探測器失靈。2005年11月20日和26日，“隼鳥”先后2次成功在糸川小行星表面短時間著陸，采集其表面的巖石樣本。2010年6月13日，“隼鳥”攜帶從小行星糸川表面所采集的約10mg樣品返回地面，使日本成為世界上首個在月球之外的原始小天體上著陸、取樣并攜帶其樣品返回地面技術的國家。

美國“黎明”

2007年9月27日，美國發(fā)射了首個用離子推進技術完成實用型科學探測任務的“黎明”小行星探測器，用于在2011年和2015年先后探測火星和木星間的小行星帶中最大的2顆小行星—谷神星和灶神星。2011年7月15日，“黎明”進入灶神星小行星軌道，成為首個對小行星帶中的小行星進行探測的空間探測器，并于8月11日正式開始了對這顆巨型巖質小行星的探測任務，對灶神星拍攝了多角度圖片，幫助科學家繪制灶神星地形圖并開展相關研究。

2012年9月5日，“黎明”離開灶神星，開始飛往谷神星，并于2015年3月6日抵達曾為太陽系最大的小行星、后被升格為矮行星的谷神星，成為世界第一個先后環(huán)繞兩個地外天體飛行的深空探測器，標志著人類探測器首次成功造訪一顆矮行星。2015年5月3日和4日“黎明”拍下了谷神星的最新照片。按計劃，2016年6月“黎明”在主任務結束后進入拓展任務。目前，“黎明”在谷神星上軌道高度為30300km×27900km的橢圓軌道運行。

日本隼鳥－2

2014年12月3日,日本發(fā)射了隼鳥－2小行星取樣返回探測器，探測目標是1999JU3號小行星，擬采集100mg以上的樣品。隼鳥－2將于2018年6月進入1999JU3號小行星軌道，先對該小行星進行近距離詳細觀測，接著向小行星表面投放跳躍式機器人和小型著陸器，然后進行俯沖飛行接近小行星表面，在探測器上的采樣器接觸小行星表面的瞬間彈射出彈子，從彈子撞擊小行星表面所濺射出的物質碎片中采集樣品，裝入樣品采集裝置內。最后，離開小行星表面。隼鳥－2在1999JU3號小行星附近運行1年半左右時間，完成任務后將于2019年12月飛離1999JU3號小行星，再用約1年時間，即2020年末返回地球。

美國“奧西里斯”

2016年9月9日，美國首個小行星采樣返回探測器—“奧西里斯”由宇宙神－5火箭發(fā)射升空，目標是對101955號貝努小行星進行采樣返回探測，研究太陽系的形成和演化、行星形成的初始階段以及形成生命的有機復合物的起源?！皧W西里斯”探測器將于2018年8月抵達貝努小行星，并在環(huán)繞貝努的軌道上對其進行全球表面成像觀測，展開為期兩年的科學研究。2020年7月，探測器將使用機械臂末端的采樣器采集至少60g的貝努表面風化層樣品，2023年將把樣品帶回地球供科學家研究。

美國的其他任務

2017年1月，美國又批準了“露西”和“賽姬”兩項小行星探測任務。這兩個任務不包含發(fā)射和任務運行的部分，耗資均在5億美元?！奥段鳌碧綔y器計劃于2021年發(fā)射，于2025年抵達小行星帶，2027－2033年探測6顆特洛伊小行星，將嘗試解開太陽系之謎。賽姬是一顆巨大的鐵-鎳金屬小行星，“賽姬”探測器計劃于2023年10月發(fā)射，于2030年抵達1號賽姬小行星，圍繞這顆小行星展開為期20個月的探測研究。

另外，執(zhí)行拓展任務的“新視野”將在2019年探測2014號MU69柯伊伯帶小行星。美國還有兩項待定的小行星探測計劃。

中國的探測任務

2012年6月1日，已在日地L2點開展了10個月科學探測的嫦娥-2月球探測器成功變軌，進入飛往小行星的軌道。同年12月13日，嫦娥-2在距地球約7×106km的深空與4179號圖塔蒂斯小行星交會，并用星載監(jiān)視相機對該小行星進行了光學成像。這不僅是我國首次實現對小行星的飛越探測，也是國際上首次實現對圖塔蒂斯的近距離探測，我國成為繼美國、歐洲航天局和日本之后，第4個探測小行星的國家。我國科學家已制定了“小行星探測”計劃，即以伴飛、附著、取樣返回等探測方式，對近地目標小行星進行整體性探測和局部區(qū)域的就位分析。今后，隨著嫦娥-5月球采樣返回探測器、火星探測器等深空探測任務的實施，我國小行星探測的步伐將進一步加快。

4 到太空淘金

研究表明，太空中有大約7500顆或許蘊藏珍貴礦產的小行星。開發(fā)小行星的資源能促進太空工業(yè)發(fā)展，降低微電子、能源儲備等領域的成本，并幫助科學家實現更多應用領域的創(chuàng)新。

小行星寶藏

就開發(fā)地外礦藏資源而言，從現有的技術、星球的遠近、礦藏的價值、經濟的收益等綜合因素考慮，小行星上的礦藏具有開采的必要性和可行性。因為天文學家已發(fā)現了近地小行星幾乎全都含有水，其中不少還有許多鎳、鉑、金等貴重金屬。開發(fā)小行星能大大緩解地球上因原材料日益匱乏而導致的全球性通貨膨脹。例如，241號Germania小行星上存在價值達95.8萬億美元的礦產，幾乎與整個世界的GDP相當。

直接利用從外太空小行星收集到的礦物資源，可以簡化外太空航空基站的修補和建造工程。由于不必從地球運送物資，所以將成為能永久支持太空事業(yè)發(fā)展的唯一途徑。同時，小行星可作為載人登火星或其它行星的中轉站，成為深入探索太空的基石。

總之，開采小行星將使人類在太陽系中走得更遠。為此，2012年、2013年美國率先成立了2家準備到小行星采礦和開發(fā)用于星際飛船燃料的民間公司—行星資源公司和深空工業(yè)公司。2016年2月, 盧森堡政府宣布開創(chuàng)一個新興產業(yè)“小行星采礦業(yè)”。

采礦存在爭議

不過，有很多人認為開采小行星礦藏是在“燒錢”，成本太高，得不償失。對此，美國行星資源公司創(chuàng)辦人安德森表示，以小行星為開采對象是成熟理論，因為小行星質量小、有水幾率高，可降低飛行器擺脫重力的能量耗用和往返燃料成本。該公司需要尋找一顆“測試行星”，以證明太空采礦是可行并且經濟的。美國航空航天局也認同這一思路并表示，隨著技術的進步和自然資源的減少，太空采礦在21世紀晚些時候可能將變得有利可圖。該局希望至少能從小行星上采集60g的樣品，如果計劃順利，將采集2kg，未來5～10年內將看到小行星采礦服務業(yè)的興起。

5 防止小行星撞擊地球

2013年2月15日，直徑17m、質量達1×104t的隕石（這是自1908年以來墜落地球的最大隕石）以18km/s的速度撞向地球，墜落在俄羅斯車里雅賓斯克州,爆炸當量相當于4.4×105t的TNT烈性炸藥,空中爆炸的威力為廣島原子彈的30倍,隕石爆炸產生的沖擊波到達地面后，擊碎了無數居民家里的玻璃，導致當地近1200人受傷。

多次威脅地球

小行星撞擊地球是世界上4個突發(fā)巨大災難之一，歷史上曾發(fā)生過多次小行星撞地球的事件。例如，2008年，一個直徑只有幾米的小行星墜落到了蘇丹，碎片散落到了努比亞沙漠。2012年1月27日，曾有一顆公共汽車大小的小行星（2012號BX34）在距離地球6×104km飛過。美國航空航天局一份高精度“潛在危險小行星”圖顯示，對地球構成潛在威脅的小行星超過1800顆。

小行星撞擊地球可使人類遭受滅頂之災。因為如果1顆質量為11t的小行星與地球相撞，其能量相當于10000顆百萬噸核武器爆炸的能量?？茖W家估計，如果有小行星撞向地球，即使是一顆直徑僅200m的小行星，也足以毀滅地球上的一個國家。所以，許多國家都在研究應對方法，并取得了不同程度的進展。

美國研究進展

目前，位于夏威夷的“全景觀測望遠鏡和快速反應系統(tǒng)”監(jiān)視地球附近直徑300m～1km的小行星。該天文望遠鏡每隔30s就會對36個月球大小的天空范圍拍攝一張1400M的照片，每張照片都可以打印成一張足以覆蓋半個籃球場的300像素圖片。

近年來,美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校教授魯賓及其科研團隊發(fā)布一套應對天體威脅的方案，原理是把太陽能轉化成具有破壞力的激光束，用于偏轉或蒸發(fā)那些對地球構成威脅的小行星。此后,美國夏威夷大學的研究小組提出了一項更便宜、更簡單的系統(tǒng)，名為“小行星陸地影響警報系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由8個望遠鏡組成，每一個都裝配有非常強大的相機，具有超高敏感性，相當于從美國舊金山觀測到紐約發(fā)出的一道火柴光芒。

俄羅斯研究進展

俄羅斯行星保護中心打算建立一個名為“行星保護系統(tǒng)快速反應梯隊”的地球保護盾牌，由多枚宇宙觀測航天器、偵察衛(wèi)星和太空攔截航天器構成，當觀測航天器觀測到危險天體時，馬上把信號傳輸給偵察衛(wèi)星并對危險天體進行全程跟蹤監(jiān)測。太空攔截航天器負責摧毀小行星或改變小行星運行軌道。

目前，俄羅斯專家正在制訂為期10年的聯邦專項計劃來應對包括隕石墜落在內的太空威脅。根據該計劃，俄羅斯將對現有的反射鏡口徑在1m之內的天文望遠鏡進行清點和更新，然后建造2～3臺反射鏡口徑為2m的現代化大型望遠鏡。

歐洲研究進展

目前，歐洲擬為地球建造預防小行星撞擊的“近地軌道防護盾”，通過導彈炸毀、引力牽引和主動碰撞等多種手段，防止近地小行星撞擊地球。該計劃有望在2020年前正式實施。

另外，美國和歐洲正計劃共同實施的一個名為“小行星撞擊與偏轉評估”的項目，其核心理念是在2021年發(fā)射2個小型太空飛行器，攔截65803號迪蒂莫斯小行星。這顆近地小行星還擁有一顆小衛(wèi)星，預計將在2022年掠過地球附近。美國研制的“雙小行星再定向測試”飛行器將撞擊這顆小行星的衛(wèi)星,讓其偏離原有軌道；歐洲航天局研制的“小行星撞擊監(jiān)視器”將對整個撞擊經過開展監(jiān)視。

多種研究方案

目前，已有多種防止小行星撞擊地球的方案，例如用核武器炸毀可能撞擊地球的近地小行星；發(fā)射導彈或航天器猛烈地撞擊近地小行星，用機械力使其改變軌道；用太空鏡群或激光所產生的能量把近地小行星推往新的軌道等。就目前的技術水平而言，通過發(fā)射物體撞擊小行星以使其偏離軌道絕對是有可能做到的。研究表明，未來的太空激光技術可能用于探測威脅地球安全的小行星，并使小行星偏移軌道。

6 捕獲與載人

美國航空航天局原計劃于近年用無人航天器從近地小行星表面采集一塊巨石，并將其拖至月球軌道，然后發(fā)射載人航天器，使航天員對該巨石進行采樣返回，以便探索火星演示驗證相關技術，為2035年載人登陸火星做技術準備，推進載人航天飛行技術與能力創(chuàng)新發(fā)展。不過，特朗普上臺后已取消該計劃，但有關技術會繼續(xù)開發(fā)和利用。

“捕獲小行星”行動

2013年4月，美國航空航天局向白宮提交了一份“捕捉小行星”的方案，即“小行星重定向任務”，計劃捕捉一顆小行星上的巨石，并把其帶入近月軌道，其目的是減少航天員登陸小行星的費用并降低風險，并有利于今后開發(fā)小行星、防止小行星撞擊地球等。

“捕獲小行星”行動原計劃在2018年進行，航天員在2021年4月造訪這顆被拖拽到月球軌道的小行星，并將攜帶小行星碎片返回地球。捕捉一顆小行星至月球軌道可以一舉多得，例如，為更多的研究提供便利，方便開采小行星上礦藏，掌握防止小行星撞擊地球的技術，作為載人登火星的中轉站等。

不過，這項行動也面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，例如，在浩瀚的深空中辨認出一顆直徑7m的目標小行星并非易事；目標小行星會自轉，探測器把它捕獲后應讓其停止轉動，然后才談得上成功拖拽；裝上小行星后，“小行星捕獲艙”的質量勢必增加，使推進、導航等任務的難度增大。所以，該計劃后來改為采集某顆小行星上的巨石。

洛馬公司的“移民石”計劃

美國洛馬公司已提出“移民石”載人登小行星計劃，用載有2名航天員的雙“獵戶座”載人飛船登陸近地小行星，然后出艙并對土壤和巖石進行取樣，最終回到地球后進行深入分析，往返耗時6個月。

2艘“獵戶座”飛船同時發(fā)射，其中1艘是載人的主“獵戶座”飛船，另1艘是攜帶絕大部分消費品（包括推進劑和生命保障供應）的無人的副“獵戶座”飛船，它們在近地軌道進行頭對頭對接。在到達小行星上空時，1名航天員將穿著艙外航天服出艙，并通過載人機動裝置漂浮到小行星上采集樣本，用科學儀器進行實驗，另1名航天員留在艙內進行指揮。航天員至少可以在小行星附近地帶停留5天時間。任務完成后，出艙航天員回到載人的主“獵戶座”，然后主、副“獵戶座”飛船分離，主“獵戶座”飛船發(fā)動機點火返回地球，副“獵戶座”飛船繼續(xù)進行小行星的科學觀測。這種方案可以節(jié)省下大量的時間和成本。

把航天員送上小行星將面臨重重挑戰(zhàn)和風險，其關鍵是尋找目標，全面了解小行星。往返小行星需要很長時間，這也是一大挑戰(zhàn)，需要解決心理、輻射和沒有實時通信等問題。

東方星/文