两艘大胆的航天器旨在将小行星尘埃带回地球

橘正吾带着恐惧迎接小行星龙宫。

这位东京大学的宇宙化学家花了 10 年时间帮助设计前往龙宫表面的任务。为了安全着陆，隼鸟二号航天器需要在小行星上找到宽阔平坦的细粒尘埃。但在6月27日的时候隼鸟2号终于达到了目标经过三年半的旅程（SN 在线：2018 年 6 月 27 日），橘猛然醒悟：龙宫已被巨石覆盖。大的。

“我们找不到 100% 安全的着陆地点，”橘说。 “看来这是一个非常危险的地方。”

如果隼鸟二号能够应对巨石以及出现的任何其他挑战，它将成为第二个将小行星碎片带回地球的航天器。该任务将回答其前身无法回答的问题。隼鸟号最初的任务于 2005 年访问了一颗名为糸川的小行星，上面覆盖着沙子和岩石。但糸川的化学成分不适合解决生命起源的重大问题，而富含碳的龙宫非常适合研究生命起源。而隼鸟号遭受了一系列灾难，导致它晚了几年才返回地球，只带了不到 2000 粒珍贵的小行星尘埃。

Tachibana 和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 的同事们指望 Haybusa2 在 2020 年将龙宫表面的一些碎片带回地球。如果向小行星炸出一个陨石坑的大胆计划成功，航天器将获得一些地下颗粒，如出色地。

OSIRIS-REx 任务是 NASA 的姊妹项目，抵达一颗名为贝努 (Bennu) 的小行星12 月于 2023 年带回样品（SN 在线：2018 年 12 月 3 日）。

这两艘航天器面临着艰巨的挑战。探测器必须调查重力极小的物体，以至于阳光可以将它们撞离轨道。如果探测器成功采集到样本，航天器在返回地球的途中必须保持尘埃原始状态。为了充分发挥任务的作用，日本和美国团队正在努力跨越文化和官僚分歧进行合作。

但不确定性和焦虑是值得的。像龙宫和贝努这样的小行星是太阳系中最古老、最有趣的天体之一。他们可以掌握一些最紧迫的行星问题的关键：行星之前发生了什么？生命的起源是什么？小行星对当今地球上的生命构成了多大的威胁？

当然，行星科学家已经有数以万计的小行星碎片需要研究。每年有数百颗这样的陨石坠落到地球上，为研究人员提供了大量的材料来切片、研磨和检查，以寻找太阳系历史的线索。

图森亚利桑那大学的但丁·劳雷塔 (Dante Lauretta) 是奥西里斯-雷克斯 (OSIRIS-REx) 的首席研究员，他在职业生涯的前半部分都在尝试让陨石告诉他是否存在生命所必需的分子，例如核酸、氨基酸和磷，这些分子是生命所必需的。 DNA 的结构成分——可能起源于富含碳的小行星，如龙宫或贝努。

富含碳的小行星被认为自至少 46 亿年前形成以来基本上没有变化，这使它们成为完美的时间胶囊。这样一颗小行星的几粒颗粒就可以揭示早期太阳系的构成。

对小行星的远程研究还表明，生命的原始成分，甚至生命开始所需的化学过程，甚至在行星完成生长之前就可能已经存在于富含碳的小行星上。

劳雷塔说：“我们认为像这样的小行星可能将这种物质输送到了早期地球表面，提供了种子或生命的基石。” “如果我们能够证明[生命]的先驱在地球之前就开始存在，我认为太阳系其他地方存在生命的可能性就会大大增加。”

然而，通过研究陨石来探索这一概念在两个方面存在不足：很难判断它们来自哪里，而且它们被污染了。一旦太空岩石撞击地球大气层，它就开始积累地球生命的迹象。因此，陨石中任何有趣的有机化合物都可能来自地球，而不是小行星本身。没有办法说清楚。

“我们需要富含碳的小行星样本来真正回答我所关心的问题，”劳雷塔说。

把我撕成一块

了解太阳系的起源，也许还有生命的起源，将干净、精心挑选的样本带到地球实验室至关重要。但航天器不能只用铲子挖。不像街机游戏那样用爪子抓住石头。这些小行星非常小——龙宫从极到极大约 880 米，贝努大约 510 米——它们的引力非常弱，伸手抓住什么东西可能会让航天器偏离小行星的轨道。

因此，航天器将不再进行舀取或抓取，而是用类似长鼻的管子伸出，要么短暂着陆，要么悬停在表面上方。这种棘手的尝试以前只尝试过一次，而且几乎是一场灾难。

第一艘隼鸟号宇宙飞船在悬停在糸川表面附近时，应该使用其三个反作用轮来稳定自身，伸出收集管接触表面，并向管内发射一颗小子弹，以激起灰尘颗粒。这些尘埃颗粒会沿着管道漂浮到无菌室中，以便在返回地球的途中储存起来。

几乎一切都出了问题。在隼号到达小行星之前，有记录以来最大的太阳耀斑损坏了航天器的太阳能电池板和其中一个发动机，导致航天器速度减慢，并将其小行星交会推迟了三个月。

到达糸川后，飞船的两个反作用轮发生故障，导致飞船难以保持平稳的龙骨。隼鸟号释放的一个同伴漫游车本打算降落在糸川表面并测量小行星的成分，但未能达到目标并漂浮到太空中。搅动灰尘的子弹没有发射，因此最初并不清楚飞船是否获得了任何样本。而探测器的四台发动机在返程途中一一失效，迫使隼鸟绕了很长一段路回家。

“它有很多严重的问题，”隼鸟号和隼鸟二号任务经理、JAXA 的 Makoto Yoshikawa 说道。

尽管隼鸟号遭遇了种种灾难，但这次任务的故事却有一个圆满的结局。尽管困难重重，航天器2010年返回地球（SN 在线：2010 年 6 月 14 日），抓获了 1,534 粒糸川。

新任务的规划者从原任务的失误中吸取了教训。 Hayabusa2 有四个反作用轮、增强型发动机和更强大的通信系统，该系统将发回更多数据以帮助科学家计划样本收集。收集管的口部有齿，即使子弹没有发射，也可以将卵石送入管中。九月，隼鸟2成功投放三个小型着陆器在龙宫表面收集有关小行星的成分、温度和磁性的数据（SN 在线：2018 年 9 月 24 日）。

出于同样的谨慎，当奥西里斯-雷克斯号进入贝努收集样本时，它只会短暂接触这颗小行星。 “这就像五秒钟的接触，”劳雷塔说。 “拿到样本，然后离开那里。”

航天器的“一触即走”样本采集机构 TAGSAM 在机械臂末端有一个氮气喷嘴。当手臂接触贝努的表面时，它会释放出一股氮气，使表面产生波纹，足以将颗粒吹入样品收集器中。作为奖励，样品收集器的头部覆盖有不锈钢尼龙搭扣状垫，可以在接触时拾取表面灰尘。

这种远程到达策略避免了锚定在小行星上的麻烦，但也带来了它自己的问题：没有人知道细粒尘埃在低重力下飘扬时会如何表现。这个悬而未决的问题让工程师们感到担忧。 “当你接触小行星表面时实际发生的情况是一个未知的物理学领域，”劳雷塔说。 “我认为[表面]会像液体一样。这真是一片陌生的风景。”

通往龙宫的道路

当隼鸟返回后，印第安纳州西拉斐特普渡大学的行星科学家米歇尔·汤普森研究了糸川颗粒。供应如此有限，迫使科学家们充分利用样本。汤普森博士的第一章。这篇论文是关于一个直径为 50 微米的糸川粒子的。

“我们仍然从这些粒子中得到了一些令人惊奇的科学成果，”她说。这些颗粒证明地球上的大多数陨石来自像糸川这样的石质、贫碳小行星，不是像 Ryugu 和 Bennu 这样的含碳物质（SN 在线：2011 年 8 月 25 日）。 “在[隼鸟号]问题的背景下，该任务产生的数据量令人难以置信，”汤普森说。

2006 年，当隼鸟号在太空中苦苦挣扎时，吉川的团队已经建议 JAXA 执行后续任务。那时，吉川把目光投向了一颗更具吸引力的小行星“龙宫”。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）向系川派遣了一艘宇宙飞船，因为它很容易到达，而不是因为它在科学上很特殊。但作为一颗富含碳的小行星，龙宫被认为由太阳系中最古老、最原始的物质组成。

龙宫的名字甚至参考了日本民间故事中的时间胶囊，其中英雄浦岛太郎从海底一座名为龙宫的龙守卫城堡中取回了一个盒子。当英雄回到地面时，他发现已经过去了300年。当他打开盒子时，他变成了一个老人，因为盒子里装满了所有逝去的时间。

吉川和他的同事每年都会提出这项任务，但每次都遭到拒绝——直到 2010 年隼鸟回国。

吉川说，该航天器的返回在日本受到了赞扬。 “日本人非常惊讶地看到隼鸟真的来到了地球。”一篇社论发表在日本时报认为该航天器是“成就斐然”，并呼吁为日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和太空研究提供更多资金。

2011年5月，日本政府批准了隼鸟2号任务。 Tachibana、Yoshikawa 和 JAXA 团队的其他成员瞄准了下一个发射窗口，即 2014 年。

友好竞赛

与隼鸟 2 号一样，OSIRIS-REx 在 NASA 选择它进行飞行之前也被多次拒绝，也是在 2011 年 5 月。由于 Bennu 的轨道，下一次到达小行星的发射机会要到 2016 年 9 月。JAXA 和 JAXA 之间的两年差距美国宇航局的发射激发了团队之间的一些友好竞争。

“当然，我们是好朋友，我们希望保持良好的关系，”橘说。 “但同时我们也是竞争对手。” OSIRIS-REx 比隼鸟 2 号更大，计划收集多达 20,000 倍的小行星尘埃——在最好的情况下可达两公斤，而隼鸟 2 号的总量为 100 毫克。立花说，为了参加比赛，隼鸟二号的团队首先做好了一切事情。

“他们担心我们会让他们黯然失色，”劳雷塔说。他回忆道，团队之间最初的几次会议都很紧张。但两个团队都认为最好一起工作。

“这是自阿波罗计划以来第一次......两次样本返回任务将前往同一类型的目标，”立花说。 “美国和苏联无法对话。”当时正值冷战中期。 “这次我们可以好好谈谈了。”

2014 年 11 月，NASA 和 JAXA 签署了一份备忘录，承诺共享数据、软件和样本。 JAXA 将把 10% 的 Ryugu 样本交给 NASA，而 NASA 将把更大的 Bennu 样本的 0.5% 交给 JAXA。

尽管如此，这两个航天局并非在所有事情上都保持一致。 “Hayabusa2 和 OSIRIS-REx 具有完全不同的采样理念，”美国宇航局休斯顿约翰逊航天中心的宇宙化学家 Keiko Nakamura-Messenger 说道。她负责监督 OSIRIS-REx 的样本地点选择，并将负责样本的存储。

以任务时间表为例：OSIRIS-REx 将花费一年多的时间详细绘制贝努的地图。它的一套科学仪器，包括三台相机、一台激光高度计和三台光谱仪，将在团队选择任务的唯一采样点之前弄清楚小行星整个表面的成分。

另一方面，隼鸟二号科学家选择三个采样点中的第一个八月，飞船抵达龙宫后不到两个月（SN 在线：2018 年 8 月 23 日）。最初，该团队计划在 10 月采集第一个样本，但事实证明巨石难度太大，采样最早被推迟到 2019 年 2 月。

隼鸟二号将对三个地点进行采样，以尽可能多地捕获小行星的矿物多样性。其中一个样本将来自一个尚不存在的几米宽的陨石坑内。航天器将通过向小行星发射两公斤重的铜射弹来形成洞，然后隐藏在龙宫的另一侧，以避免射弹击中时产生碎片。目的是看看小行星的内部是否与表面不同。

在日本长大的中村信使说，很难想象美国宇航局会批准如此疯狂的举动。风险太大了。 “美国宇航局的方式，美国的方式是：成功率必须非常高，”她说。但她支持隼鸟二号的大胆举动。

“在我心里，我是日本人，”她说。 “因此，我想，‘加油！’ ”

前往贝努

尽管如此，龙宫令人惊讶的巨石场还是让劳雷塔、中村信使和奥西里斯雷克斯团队的其他成员对贝努感到紧张。

“我整晚都睡不着，期待着贝努的到来，”劳雷塔说。 “这既令人着迷又令人恐惧。”

与 NASA 的谨慎态度相一致，OSIRIS-REx 团队在任务发射前对 Bennu 的了解远多于 JAXA 对 Ryugu 的了解。贝努在 1999 年、2005 年和 2011 年距离地球足够近，射电望远镜可以绘制小行星的形状（尽管还不够近，无法揭示更多细节）。

“我们为太阳系中的所有小行星编制了最全面的天文学数据库，”劳雷塔谈到该团队在贝努的前期工作时说道。

这些无线电测量使研究人员能够看到阳光如何推动小行星在其轨道上移动，这种现象称为雅可夫斯基效应。当小行星在太空中翻滚时，它们会吸收一侧的阳光，并在远离太阳的一侧以热量的形式重新释放能量。辐射热量的力量足以推动小行星旋转，因此很难预测小行星的长期轨道。

雅可夫斯基效应的计算得出了一个令人担忧的预测：本努在 22 世纪末撞击地球的可能性为 2,700 分之一，是已知小行星中概率最高的之一。

这一预测使得 OSIRIS-REx 的任务变得更加紧迫。测试返回的样本将使科学家更好地了解贝努的表面材料如何吸收和散发热量。这些信息将增强研究人员对小行星将去向的预测，并有助于为未来偏转离地球太近的小行星的任务提供信息。

只有当贝努足够光滑以使航天器能够获取样本时才会发生这种情况。拍摄的第一张照片当 OSIRIS-REx 于 12 月 3 日接近贝努时，并没有消除团队的恐惧。科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家凯文·沃尔什 (Kevin Walsh) 表示，用肉眼观察，本努的巨石数量似乎与龙宫一样多，甚至可能少一些。

“即使我们说服自己有一个地方没有巨石，但以后它仍然有可能发生变化。因此，我们必须拭目以待。”沃尔什说道。他于 12 月 11 日在华盛顿举行的美国地球物理联盟会议上展示了本努和龙宫的早期比较。 “我们有很多工具可以找到危险最少的地方，即使我们找不到完全没有危险的地方。”

中村信使说，这让人松了一口气。但迄今为止的每一次任务都让她感到惊讶。

“我不再做出疯狂的猜测，”她说。 “自然更加狂野。”