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小行星探测最发达的国家为何是日本?

2020-02-19 09:59
亿欧网
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对于未知的宇宙,人类无法容忍自己的无知。

人类对小行星的探测活动已有30余年。最初,人类只能依靠望远镜、摄影技术来发现和观测小行星。而现在,深空探测技术、无线电技术能够更好地帮助人类认识它们。目前,小行星已被建议作为未来的地球资源来使用,且小行星探测作为一门难度极高的综合基础研究学科,其本身也具有巨大的科学意义和工程价值。

探测小行星的意义何在?

一般而言,小行星(Asteroid)是指围绕太阳运行的体积较小的岩石或金属天体。小行星是46亿年前太阳系初期形成的行星体,通常被科学家认为是太阳系形成后,原始太阳星云凝聚出的物质残余,很可能保留着原始太阳系信息。

绝大多数小行星分布在火星和木星的轨道之间,这些小行星被称之为主带小行星。少数小行星的轨道和地球轨道接近,这类小行星被称之为近地小行星,若与地球相撞,将对人类的生存安全构成威胁。

在历史上,小行星撞击地球的事件多次发生。科学家普遍认为,恐龙的灭绝就是由于一颗直径10km左右的小行星撞击地球导致。1908年,一颗直径在50~70km之间的小行星发生爆炸,直接导致了西伯利亚通古斯卡地区产生大面积森林方向性倒塌的现象。

有调查显示,类似“通古斯卡事件”级别的撞击每100年发生一次,释放出的能量相当于100颗日本广岛原子弹爆炸的威力,将给地球带来灭顶之灾。

也正是因为这个原因,追踪小行星运行,研究小行星轨道演化机制,是当前行星研究的重要课题。NASA等科研机构不断公布对地球存在潜在威胁的新目标,并广泛开展研究,以拦截对地球有灾难性破坏的小行星。同时,小行星探测将加深科研人员对小行星内部结构和组成成分的了解,以便实现针对性有效拦截。

其次,小行星保存了早期太阳系星云中的原始物质,探索小行星,将加深我们对太阳系形成过程和演化历史的认识,进而了解地球生命起源。

小行星表面物质的性质各不相同,根据其表面物质的反射光谱和反照率差别,小行星被主要分为S、C、X三大类以及一些次要的异常类型。其中,C型小行星表面物质的化学成分与太阳大气的平均组成很相似,富含碳质和有机质成分,很有可能含有水。

因此,了解、研究C型小行星是当前深空探测的重要目标,可为今后从太空中汲取自然资源做好准备。当然,探测小行星道阻且长,只有对航空航天技术做出更进一步的试验和开发,才能实现这一目标。到目前为止,仅有美国、欧空局、日本以及中国在探测地外小行星上迈出了步伐,下文将做具体介绍。

低调的强者:日本

尽管在载人航天、空间站的建设上,日本都不算出色,但在小行星探测方面,中美都落后于日本。

早在2003年,日本宇宙航空研究开发机构就成功发射了一颗小行星探测器——Hayabusa隼鸟号,2005年7月到达大小约500米的Itokawa小行星(糸川),释放目标标定球和探测器MINERVA(均失败)。

2010年6月,隼鸟号携带采样成功返回地球。虽然隼鸟号本体于大气层烧毁,但内含样本的隔热胶囊与本地分离成功着陆。这是人类第一次对地球有威胁性的小行星进行物质搜集的研究,也是人类历史上第一次实现小行星表面取样返回。

隼鸟2号


隼鸟2号(图:NASA)

紧接着,日本又在2014年12月成功发射了隼鸟2号小行星探测器,探测大小约900米的Ryugu龙宫小行星。2018年9月22日,隼鸟2号小向龙宫表面释放了两个微型机器人MINERVA-II1A和MINERVA-II1B。这是人类历史上首次完全成功地实现表面探测器在小行星上登陆。

2019年4月,隼鸟2号在龙宫小行星上轰击了一个直径达10米的撞击坑,7月成功在这个撞击坑附近着陆,执行了采集小行星地下岩石样本的任务。2019年11月,隼鸟2号启动用于控制姿势和轨道的化学喷射引擎,正式归程。若返航顺利,将在2020年11至12月到达地球附近。隼鸟2号将向地面投下装有在龙宫采集的岩石样本的密封舱,主体则将继续探测其他天体。

从日本的这次小行星探测任务来看,日本在航天控制技术和军事装备领域的实力都不容小觑,这些技术运用到运载火箭等产品上也大有可能。不过,由于小行星的表面地形复杂,表面探测器的弹跳轨迹控制难度大,这仍是世界性难题,期待全球科研人员共同探索。

持续投入者:美国

在探测小行星的领域,美国是当之无愧的先驱者。

1996年2月,美国NASA发射了NEAR探测器(会合-舒梅克号),2000年飞抵近地小行星Eros爱神星附近,对爱神星进行了全面观测,并于2001年2月成功软着陆。整个任务,NEAR探测器对爱神星的形状、质量分布、磁场、自转、成分和地质等进行详尽探测,这是国际首次小行星环绕、着陆探测任务。

2006年,美国发射了New Horizons新视野号探测器,这是第一艘飞越和研究冥王星及其卫星的探测器。2015年7月,新视野号飞掠矮行星冥王星,继而飞向柯伊伯带。2019年1月1日,新视野号近距离飞掠Ultima Thule小行星(天涯海角)进行探测,获得了清晰的冥王星及其系统的光学图像分布,发现冥王星有蓝色大气层,并探测到水冰暴露的区域。

2007年,美国发射了Dawn曙光探测器,用于探索Vesta小行星(灶神星)与Ceres矮行星(谷神星),这是第一架环绕矮行星的探测器,也是首枚在任务期间成功进入两颗太阳系天体轨道(不含地球)的探测器。2011年7月,曙光探测器到达灶神星,2015年3月,到达谷神星。曙光探测器构建了灶神星的三维地形模型,并发现谷神星可能存在液体。此次任务是国际上首次主带小行星的环绕探测。

美国最近的一次小行星探测于2016年9月实施,OSIRIS-REx(起源·光谱解分析·资源识别·安全·风化层探测者)探测器的任务是研究Bennu贝努小行星,并计划在2023年将样本送回地球进行详细分析。这颗小行星被视为潜在威胁天体,是有可能会撞击地球的小天体之一。如果成功,OSIRIS-REx将是首枚从小行星带回样本的美国航天器,也是继日本后第二枚将小行星样本送回地球的探测器。

奋起直追者:中国

相较于美国和日本,中国的小行星探测技术起步较晚,但研究步伐有条不紊。

2012年12月,CE-2(嫦娥2号)探测器在国际上首次实现了从L2点飞越小行星的轨道转移,并成功飞越4179号Toutatis图塔蒂斯小行星,最近距离仅为3.2公里,并获取最高分辨率3m的光学彩色图像。这是国际上首次近距离飞越图塔蒂斯,此次飞越为中国深入开展小行星探测奠定了必要的工程实践基础。

据资料显示,2019年4月,国家航天局发布了小行星探测任务合作机遇公告,向全世界征集科学载荷与搭载任务。2019年11月,中国空间技术研究院研究员、小天体探测项目技术负责人表示,中国正在开展小行星探测关键技术攻关,将通过一次发射探测两个小天体:一颗名为2016HO3的近地小行星和一颗名为133P的主带彗星。

按照国家航天局公布的规划,中国的小行星探测任务将采用长征三号乙运载火箭,于西昌卫星发射中心发射。此外,从目前由中国空间技术研究院在2019年月球与行星科学大会(LPSC)发表的摘要来看,如果这一任务在2022年发射,2024年左右,探测器将把小行星样本返回舱丢回地球,2030年抵达133P主带彗星,再围绕这颗彗星进行大约一年的近距离遥感探测。

若此次探测成功,这将成为人类历史上首次探测地球准卫星、首次探测十米级小行星并采样返回,也是首次探测主带彗星。作为中国的首次小行星兼彗星探测计划,该项目任重道远,寄托了中国科学家对星辰大海的不懈追求。

综合来看,全球范围内对小行星的探测任务仍聚焦于地球防御和有效资源利用上,但对于打造“航天强国”、促进科学的不断发展具有重大意义。且从美国和日本的合作模式来看,在深空探测领域,联合开展、合作共赢是最为有益的开展模式。期待未来能有更多探测器飞向深空,揭示小行星尘封的秘密。

作者:赵佳雯-EO

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