天問二號開啟太空采樣“地獄模式”

2025年5月29日凌晨1時31分，在西昌衛星發射中心，長征三號乙運載火箭噴薄出熾熱的火焰，載著萬眾矚目的天問二號探測器拔地而起，精準地奔赴那片廣袤無垠的太空。

這不僅僅是一次成功的發射，更是一場史詩級星際大冒險的啟程——預計長達10年的深空探索之旅，已經正式拉開序幕！

天問，這個充滿詩意與探索精神的名字，是中國行星探測系列任務的名稱。在天問一號成功抵達火星，完成環繞、著陸和巡視探測之后，天問系列的第二位成員——天問二號，將目光投向了太陽系里的小天體。

天問二號將首先飛向近地小行星2016HO3，不是簡單的“路過”，而是要繞著它飛，近距離觀察，并挑戰一項高難度動作——采集它的表面樣本，并把這些珍貴的“宇宙快遞”送回地球。

在完成小行星采樣后，天問二號將繼續長途跋涉，去探訪一顆名為311P的主帶彗星。這顆彗星以其奇特的形態吸引著科學家的目光，我們將有機會近距離一睹它的真容。

地球的神秘“舞伴”

天問二號要探訪的這位2016HO3，究竟是何方神圣呢？它是顆頗為特殊的小行星。2016年4月27日，位于美國夏威夷的泛星計劃（Pan-STARRS）望遠鏡發現了它。根據亮度估計，它的直徑為40～100米，自轉周期約28 分鐘，躋身太陽系自轉最快的十大天體行列。比起快速轉圈圈，這塊“大石頭”的軌道更令人印象深刻。

全稱為全景巡天望遠鏡和快速反應系統（Panoramic Survey Telescope And RapidResponse System），是一個引導對全天天體進行測量學和光度學的基礎研究的天文計劃。通過對比同一天區不同時刻的區別，泛星計劃期望發現大量新的小行星、彗星、變星及其他天體。其最初的目的是尋找可能與地球產生碰撞的近地天體。該計劃期望能夠建立一個在夏威夷所能看見的（整個天空的四分之三）所有目視星等小于24 的天體的數據庫。

2016HO3像其他小行星一樣，也環繞太陽運行，軌道半徑為1.0天文單位，公轉周期為365.77天。有沒有覺得很眼熟？怎么跟咱們地球差不多呀？沒錯，乍一看會以為它在和地球“搶跑道”。但它的“跑道”和地球的又不完全一樣。2016HO3的軌道略扁，偏心率為0.10，還“歪”了一點，相對于黃道存在8°左右的傾角。正是這一點點的不同，造就了一個奇妙的現象：它雖然繞著太陽跑，但始終和地球若即若離，從來不曾遠離我們，好像是地球的舞伴。

從地球上看出去，2016HO3好像在圍繞地球轉圈圈，但是與地球的衛星月球又不同。月球圍繞地球的“腰”轉圈圈，而2016HO3是繞著地球上下轉圈圈，約45 年完成一圈。因此，天文學家稱它為地球準衛星（quasisatellite）。

由于發現它的泛星計劃設在夏威夷，天文學家用一個夏威夷語Kamo’oalewa給它命名。Kamo’o指碎片，lewa的意思是震蕩，含義是繞著地球震蕩的小碎片。有人暫時把它譯作震蕩天星，但不算是官方標準譯名。

說起來，地球的準衛星不止2016HO3一個。20年前發現的2003YN107的軌道也很特別，公轉周期也是一年左右，在1997年至2006年期間，它與地球保持在0.1天文單位（1500萬千米）范圍內，并且一度看上去似乎在緩慢地繞地球運行。然而，它并未被地球引力牽絆，最后還是離開了地球。

2016HO3的情況就完全不同，計算機模擬顯示，它陪伴地球已經至少一個世紀了，和地球的距離一般保持在30～100倍地月距離（約1400萬千米～4000萬千米），距離最近的時候發生在1923年12月27日，為1244萬千米。這種情況將持續到24世紀，隨后切換到一條馬鞍形軌道，過一陣子又將切換到準衛星軌道。這就是所謂軌道共振，是太陽和地球引力共同作用的結果。這讓2016HO3成為迄今為止發現的最穩定的地球準衛星——既無法完全擺脫地球引力的影響，又無法真正成為地球的衛星。

是月球碎片嗎？

地球的這個神秘的“舞伴”，究竟是從哪里來的呢？這是個有意思的話題。

在太陽系中，有一條“小行星高速公路”——位于火星軌道與木星軌道之間，那里運行著數百萬顆小行星，我們稱之為小行星主帶，與太陽的平均距離約2.8天文單位。

太陽系的大多數小行星都運行在火星軌道和木星軌道之間的小行星主帶中。

然而有些小行星并不“安分”，近日點位于地球軌道附近，甚至跑到地球軌道內側。我們把近日點小于1.3天文單位的小行星稱為近地小行星。科學家研究認為，它們大多是受到大行星的引力干擾，在漫長的演化過程中軌道發生了變化，從小行星主帶遷移到地球附近。截至2024年底，人類已經發現37000多顆近地小行星。2016HO3是否也是這種小行星“移民”中的一員呢？

比較常見的近地小行星有四類，我們發現 2016HO3的軌道與它們的都有不小的差異。于是天文學家有了另一個大膽的猜測：2016HO3是從月球身上撞出來的！

天文學家利用2016HO3靠近地球的機會對它進行了光譜分析，驚奇地發現它的成分與阿波羅任務采集的月球樣本很相似。

小行星本身不發光，只能反射太陽光，而小行星上塵埃顆粒的大小分布會影響陽光反射率。小行星物質的不同化學成分會吸收特定波長的陽光，因此對小行星的反射光譜進行分析就可以間接地知道其表面物質組成與結構特征。天文學家利用地面大型望遠鏡對 2016HO3可見光波段和紅外波段的光譜做了細致分析，發現它主要由硅酸鹽組成，屬于石質小行星（S型）。更進一步，紅外波段的光譜特征顯示，它與阿波羅月球巖石樣本高度相似。因此，有人猜測它可能來自月球，在很久很久以前的一次撞擊事件中，從月球上分離出來，成為一顆環繞太陽運行的小行星，并在長期的演化過程中，被地球引力約束，最終達到現在的共振狀態。

清華大學航天航空學院寶音賀西課題組結合撞擊動力學結論和月表撞擊坑數據，建立了月球撞擊產生的高速逃逸碎片和撞擊坑尺寸間的定量關系，認為2016HO3的故鄉是位于月球背面直徑為22千米的一座年輕的環形山——焦爾達諾·布魯諾環形山（Giordano Bruno crater）。

2016HO3究竟是不是月球失散多年的“兄弟”呢？毫無疑問，最好的辦法就是取一些樣本回來分析。

首次挑戰小行星軟著陸

截至目前，人類總共開展了三次小行星采樣返回任務，探測器分別是日本的隼鳥號（Hayabusa）、隼鳥2 號（Hayabusa2），以及美國的奧西里斯王號（OSIRIS-REx）。

2003年升空的隼鳥號開了小行星采樣的先河，但是該任務由于種種原因，總體算不上成功，最終只收集到探測器觸碰到25143號小行星糸川表面時揚起的1500個“微粒”。

2014年的隼鳥2號更為成熟。它向小行星龍宮釋放了一顆金屬子彈，撞擊小行星表面形成直徑約10米的彈坑，通過機械臂上的采集器，獲得了5.4克小行星樣本。2022年6月，日本文部科學省稱，科學家在其樣本中檢測到20多種氨基酸，這對理解生命在宇宙中的起源與演化有著重要意義。

2016年升空的奧西里斯王號探測器取得了空前的成功，原計劃獲取60克樣本，最終獲得了121.6克，遠超預期。它通過3.35米長的采樣機械臂，在觸碰小行星貝努表面的一剎那，向小行星表面吹出氮氣，將塵埃和碎屑吹到兩側容器中。

它們都有一個共同點：采用的都是“蜻蜓點水”的采樣方式——探測器像一只勇敢的鳥兒，小心翼翼地觸碰一下小行星表面，迅速抓一把（或吹一下）就走，全程只有幾秒鐘。

為什么這么“匆忙”？因為小行星采樣，實在是太難了！

第一，小行星的個頭兒比較小，引力極其微弱，但又不能完全忽略。

前面提到的幾顆小行星，糸川的平均半徑約313米，龍宮的平均半徑約448 米，貝努的平均半徑約245米。最大的龍宮，質量也僅有4.5×10¹¹千克，是月球的約1600億分之一，是太陽系最大小行星灶神星的約5.9億分之一。相比之下，2016HO3的直徑估計只有40多米，質量還要小很多。據推測，2016HO3的重力加速度僅為地球的百萬分之一。因此，探測這種小行星，根本無法做到引力俘獲，只能是先伴飛，然后緩慢降低高度，小心翼翼地觸碰。一旦速度控制不好，探測器會立刻被彈飛。

第二，對目標天體的具體情況知之甚少。

絕大多數小行星都太小太暗，在多數情況下無法直接觀測到。即便能拍到照片，它們也只是一個很不起眼兒的小點。到目前為止，我們對2016HO3的大小、形狀、密度、質量、結構等一概不知，對它的尺寸的估計，也只是來自亮度的測定，再假定一個反照率得出的推測。在相同亮度的情況下，如果小行星的金屬含量高一點兒，反照率就會高，那么相應的尺寸就小一些；如果它含碳量大一些，反照率就偏低，如果要有相同的亮度，自然就需要有更大的尺寸。在這種未知因素較多的情況下，空間探測的風險是很大的。

第三，不知道小行星表面合適的采樣點在哪里。

因為小行星質量很小，而且有可能本身就是天體撞擊出來的碎片，它并沒有經歷過地質演化過程，看上去不過是由許許多多碎石捏在一起的大石堆，其表面可能非常粗糙，到處都是碎石溝壑，很難找到一塊平坦的著陸區。在隼鳥號探訪糸川的時候，就遭遇了這種情況。

在嫦娥五號和嫦娥六號到月球采樣前，我們已經有了幾個候選著陸區和著陸點，并提前掌握了高精度三維地形，足以確保著陸器安全落月。然而小行星2016HO3 給我們出的難題是，直到現在我們都沒有它的影像，也沒有地圖，更沒有所謂候選著陸點了。一切都只能“到那兒再說”。

第四，距離遠，測控精度要求高。

雖說是近地小行星，但2016HO3與地球的距離也在1200萬千米以上。小行星的個頭兒小，探測器的信號也弱，要對它進行測定軌道是極為困難的。遙遠的距離還增加了通信的延時，完全依賴于地面的遙控是不現實的，因此必須提高探測器本身的智能化水平。2016HO3尚且如此，主帶彗星311P就更為遙遠了，需要追求更高的測控精度。

面對這些挑戰，天問二號準備了一套“組合拳”。

發射后用1 年時間飛抵目標小行星附近，隨后遵循邊飛行、邊探測、邊制定的策略，再花1 年左右的時間對其進行近距探測，獲得高分辨率的探測數據，包括建立小行星的高精度三維模型（至少是米級）、熱模型等，然后通過層層篩選確定采樣區，并制定相應的采樣策略。就像一些選拔活動，15進8，8進3，最后3選1。

除了國際上已經被證明切實可行的觸碰采樣模式，天問二號還開創性地設計了懸停采樣模式和附著采樣模式，計劃采集超過100克的小行星樣本。

觸碰采樣和懸停采樣都屬于短時采樣，主要針對“砂石堆”型松散結構。觸碰采樣對采樣區域面積要求較小，相對安全性也高。天問二號挾帶一個采樣與送樣一體化的機構，通過毛刷掛掃方式和氣吹方式，將不大于20毫米的樣本送入容器進行收納密封。

懸停采樣可以有效處理堅硬表面的風化層顆粒，令探測器下降到距小行星表面約1米高度時懸停，伸出機械臂，將端頭插入小行星表面，采集表層風化物顆粒。

附著采樣也被稱為錨定采樣，是天問二號的亮點之一。這也將成為國際上首次在小行星上實施附著采樣。全過程將通過附著裝置、采樣裝置、送樣裝置等共同實現。

整個小行星采樣過程可以分為9個階段，包括：運載火箭發射、小行星轉移、小行星接近、小行星交會、小行星近距探測、小行星采樣、返回等待、返回轉移、再入回收。

在綜合考慮重量、功率、飛行時間等約束條件后，天問二號探測器選擇了高比沖離子電推進系統，以達到節省燃料、高精度推力控制與姿態控制等效果。為了確保穩穩站上小行星，天問二號探測器頂部還裝有額外的發動機，以增加“下壓力”。

更長遠的目標是什么？

你以為帶回 2016HO3的樣本就是天問二號任務的終點了嗎？不，中國航天人的雄心不止于此！

在完成小行星采樣、釋放返回艙后，探測器本身將踏上約7 年的漫漫征途，去探訪另一個神秘的天體——主帶彗星 311P。

311P也是個“怪咖”，2013年才被發現，運行在小行星主帶之中。一開始，人們就覺得它似乎長著好幾條尾巴。進一步的觀測確定，它在持續揮發，擁有多達6條彗尾，最終被歸為主帶彗星，也成為迄今為止形態最奇特的一顆。

傳統理論認為，彗星大多來自太陽系靠外側的柯伊伯帶或邊緣位置的奧爾特星云，因為那里足夠寒冷，能儲存大量的冰和易揮發的成分。當它們靠近太陽時，受太陽輻照影響，內部物質蒸發才會形成壯觀的彗尾。但小行星主帶位于火星軌道和木星軌道之間，離太陽相對較近，處在所謂“雪線”以內。按理說，這個區域早就應該被太陽的熱量“吹干”了，水冰等揮發物很難長期存在。那么，311P為什么還能有那么強大而穩定的噴發現象呢？這是天問二號要去揭開的又一個謎題。

為了完成這些艱巨而又迷人的任務，天問二號挾帶了一整套“豪華”的科學儀器。除了采樣設備，它有能看清細節的多光譜相機、能遙測地形的探測雷達、能感知溫度的熱輻射光譜儀、能分析物質成分的可見紅外光譜儀，還有能“聞”到周圍粒子的帶電粒子與中性粒子分析儀和噴發物分析儀等。總共十多種科學載荷會測定2016HO3和311P的軌道參數、自轉周期、形狀大小、熱輻射特性等信息，研究小行星和主帶彗星的形貌、物質成分、內部結構，而通過對采集樣本的進一步分析，人類將深化對小行星與太陽系早期形成和演化的認識。

中國的小行星探測雖然起步晚，但我們的起點一點兒也不低。天問二號任務復雜、困難、創新性強，直接瞄準了行星科學和太陽系演化這些前沿科學難題。從嫦娥五號、六號成功實現月球采樣返回，到天問一號成功探火，再到天問二號啟程探索小行星與彗星——我們一步一個腳印，不斷積累著行星際探測和地外天體采樣的寶貴經驗。這些經驗，將為我們的夢想鋪平道路，比如天問三號——從火星上帶回那神秘而醉人的一抔紅土！

此刻，天問二號承擔的不是一項孤立的任務，它承載著中國行星探測的新一次躍升。它將是我們首次對地球準衛星進行實地調查，也是首次在國際上嘗試附著采樣技術。一次發射，兩次探測，多個“第一次”都寫在天問二號的航程之上。這是天問之名的真正含義：不斷發問，不斷邁向更遠的未知。