“天問(wèn)二號(hào)”將深度解密小行星

雷淼

2025年5月前后，中國(guó)航天將迎來(lái)一件大事：天問(wèn)二號(hào)搭乘長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，開(kāi)啟深空探測(cè)新征程。

提到天問(wèn)二號(hào)，大家可能會(huì)以為它是繼天問(wèn)一號(hào)之后的第二次火星探測(cè)任務(wù)，但其實(shí)“天問(wèn)”是中國(guó)行星探測(cè)系列任務(wù)的命名，并不限于火星。天問(wèn)二號(hào)的任務(wù)是造訪兩顆目標(biāo)天體，一顆是編號(hào)為2016 HO3的近地小行星，另一顆是主帶彗星311P。天問(wèn)二號(hào)為什么選擇這兩顆小天體作為探測(cè)目標(biāo)？這一探索過(guò)程對(duì)我國(guó)深空探測(cè)的推進(jìn)有何助益？

研究地球“準(zhǔn)衛(wèi)星”性價(jià)比很高

根據(jù)目前的任務(wù)計(jì)劃，天問(wèn)二號(hào)升空后，會(huì)先到近地小行星2016 HO3，從其表面采樣送回地球，但探測(cè)器本身不會(huì)返回地面，而是利用地球引力彈弓來(lái)一次加速，繼續(xù)飛往主帶彗星311P執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。

2016年4月27日，位于夏威夷的哈萊阿卡拉天文臺(tái)泛星計(jì)劃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆阿波羅型小行星2016 HO3。阿波羅型小行星都有一個(gè)特點(diǎn)，其橢圓軌道一段在地球軌道以內(nèi)，另一段在地球軌道以外。

天文學(xué)家經(jīng)過(guò)軌道觀測(cè)與計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，2016 HO3十分有趣，簡(jiǎn)直就像月球之外的第二顆天然地球衛(wèi)星，大約在一個(gè)世紀(jì)前來(lái)到地球附近，每年圍繞地球轉(zhuǎn)一圈。它的公轉(zhuǎn)周期是365.77天，和地球的365.25天非常接近。它半年運(yùn)行在地球軌道的內(nèi)圈時(shí)，會(huì)暫時(shí)跑得比地球快，而運(yùn)行在地球軌道以外的另外半年，又會(huì)跑得比地球慢。所以，從地球的角度來(lái)看，這顆小行星就成為“瞻之在前，忽焉在后”，每年圍著地球轉(zhuǎn)一圈了。此外，它的軌道與地球軌道有大約8°的夾角，如果把地球軌道面比作水面的話，那么2016 HO3就像海豚一樣忽潛忽躍，為此還得了一個(gè)夏威夷語(yǔ)的名字：Kamo’oalewa，意為“振蕩天星”。

當(dāng)然，我們不能把2016 HO3當(dāng)成月球那樣的真衛(wèi)星。因?yàn)樗鼑@地球運(yùn)動(dòng)只是一種視覺(jué)效果，其本質(zhì)是圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，是由太陽(yáng)引力掌控而非地球引力操縱的結(jié)果。地球在伴行期間會(huì)對(duì)其軌道起到一些攝動(dòng)作用，但它終將掙脫地球的拉扯，漸行漸遠(yuǎn)。到了2369年，它甚至?xí)\(yùn)行到地球軌道的對(duì)側(cè)，隔著太陽(yáng)與地球遙遙相望。

科學(xué)家給這類天體設(shè)了一個(gè)特別的歸類，叫作“準(zhǔn)衛(wèi)星”。目前，地球附近的準(zhǔn)衛(wèi)星有5顆，其中就屬2016 HO3距離最近、運(yùn)行最穩(wěn)定。

準(zhǔn)衛(wèi)星和地球軌道如此接近，使其成為研究?jī)r(jià)值很高的一種天體。作為小行星，本身就埋藏著太陽(yáng)系誕生之初的原始信息，億萬(wàn)年來(lái)幾乎未受打擾。它在地球軌道附近運(yùn)行，無(wú)論一開(kāi)始就在這里，還是被各大行星的引力“搬運(yùn)”來(lái)的，多多少少都反映了地球軌道附近的空間狀況。它也有可能是地球/月球的撞擊噴出物，蘊(yùn)含著地月系的演化歷史。從另一個(gè)角度來(lái)看，準(zhǔn)衛(wèi)星和地球距離較近，對(duì)地面測(cè)控要求相對(duì)較低，航天器接近它所需的能量也較小，因此，對(duì)它進(jìn)行探測(cè)是個(gè)“性價(jià)比”很高的任務(wù)。

對(duì)2016 HO3已有的光學(xué)觀測(cè)和光譜分析表明，它的尺寸在40米至100米之間，每28分鐘自轉(zhuǎn)一圈，物質(zhì)構(gòu)成以硅質(zhì)為主，很可能是月球噴出物，也有可能是獨(dú)立發(fā)育的S型小行星。天問(wèn)二號(hào)計(jì)劃對(duì)這顆準(zhǔn)衛(wèi)星進(jìn)行伴飛、測(cè)繪、遙感、采樣，獲取它的熱輻射狀態(tài)、表面特征、密度、成分等信息。其研究結(jié)果有可能回答準(zhǔn)衛(wèi)星的起源以及軌道演化歷史和未來(lái)趨勢(shì)等科學(xué)問(wèn)題，并為小行星乃至太陽(yáng)系的形成和演化過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)。

主帶彗星或藏“天外來(lái)水”秘密

天問(wèn)二號(hào)的第二個(gè)探測(cè)目標(biāo)也十分特別。它是2013年8月27日由泛星計(jì)劃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的天體，編號(hào)為311P/PanSTARRS，運(yùn)行在大部分小行星所在的主小行星帶(簡(jiǎn)稱“主帶”)內(nèi)，卻擁有類似彗星的外觀。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在2013年9月對(duì)它進(jìn)行了細(xì)致的觀測(cè)，看到了6條像是彗尾的結(jié)構(gòu)。

一般來(lái)說(shuō)，主帶內(nèi)的小行星和常規(guī)的彗星是兩種迥異的天體。主帶在火星與木星軌道之間，陽(yáng)光輻射較強(qiáng)，小行星的揮發(fā)物難以存留，因而以巖質(zhì)為主。常規(guī)的彗星來(lái)自遙遠(yuǎn)寒冷的柯伊伯帶或奧爾特云，保存有豐富的冰。

那么，這個(gè)運(yùn)行在主帶卻長(zhǎng)著彗尾的311P，到底是個(gè)什么天體？其實(shí)，311P不是第一顆具有彗尾的主帶小行星。1996年，天文學(xué)家觀測(cè)到，1979年被發(fā)現(xiàn)并以普通小行星身份編目的7968號(hào)小行星運(yùn)行到近日點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了彗尾，于是這顆小行星又被編為彗星133P。

天文學(xué)家把這種介于小行星和彗星之間的天體稱為“主帶彗星”，隨著更多類似天體陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，它們又得名“活躍小行星”。這兩個(gè)名字指的都是同一類天體，只看要強(qiáng)調(diào)哪個(gè)方面：歸為彗星，研究重點(diǎn)是它為何能存留在主帶內(nèi)；歸為小行星，研究重點(diǎn)是它為何具有揮發(fā)物活動(dòng)的特性。通過(guò)天文觀測(cè)，人們找到了小行星活動(dòng)的一些原因。例如，小行星經(jīng)過(guò)輕微撞擊，或因太陽(yáng)照射所致的“YORP效應(yīng)”發(fā)生自轉(zhuǎn)加速，就可能使巖石堆崩裂或移位，暴露出古老的冰或其他揮發(fā)物，使小行星長(zhǎng)出彗尾，“重?zé)ㄇ啻骸薄?/p>

研究主帶彗星或活躍小行星的揮發(fā)物遺存，具有重要意義。人們一般認(rèn)為，地球形成之初是個(gè)熾熱干燥的巖質(zhì)星球，不太可能留得住水，而原始海洋的水主要是在地球冷卻之后，由其他含水天體撞擊帶來(lái)的。由于彗星的冰儲(chǔ)量豐富，它順理成章地成了為地球供水的頭號(hào)“種子選手”。但是通過(guò)分析彗尾中的氫同位素比率，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)與地球海洋的數(shù)據(jù)差異很大，所以對(duì)“彗星運(yùn)水說(shuō)”的懷疑與日俱增。而活躍小行星的出現(xiàn)，為地球上水的來(lái)源提供了新思路。如果探明活躍小行星將冰或其他揮發(fā)物保留至今的機(jī)制，或可能改寫(xiě)舊有的認(rèn)知。

311P的直徑大約有480米，2018年4月的觀測(cè)結(jié)果顯示，它可能還有一顆衛(wèi)星。如果屬實(shí)的話，311P便是少有的雙小行星系統(tǒng)，將為天問(wèn)二號(hào)的探測(cè)任務(wù)提供額外的研究?jī)r(jià)值及技術(shù)挑戰(zhàn)。

著陸采樣前為何需伴飛一年之久

2025年5月前后，天問(wèn)二號(hào)搭乘長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，經(jīng)過(guò)約一年的飛行將到達(dá)探測(cè)任務(wù)第一站：2016 HO3。不過(guò)，它需伴隨這顆小天體飛行一年后，才能擇機(jī)執(zhí)行采樣任務(wù)。

為什么需伴飛一年之久呢？一是因?yàn)橐谥懖蓸又皥?zhí)行許多科學(xué)研究，二是因?yàn)閷?duì)這顆小天體的了解還不夠，比如，它究竟有多大？是什么形狀？是一整塊“大石頭”還是由許多碎塊堆成？其表面地形會(huì)不會(huì)磕碰、卡住或遮擋探測(cè)器？種種細(xì)節(jié)都要慎重考慮。2014年11月，歐洲空間局的“菲萊”號(hào)在楚留莫夫-格拉希門(mén)克彗星著陸時(shí)，就被卡在一道黑暗的裂縫中，因太陽(yáng)能板供電不足而一度與地球失去聯(lián)系。所以，在正式著陸前，探測(cè)器要對(duì)小行星進(jìn)行詳盡的測(cè)繪和地形分析，尋找最佳著陸地點(diǎn)。

著陸采樣過(guò)程也與大家熟悉的月面采樣不太一樣。這顆小天體的引力幾近于無(wú)，在其表面著陸不會(huì)像在月球或火星著陸那樣“短平快”，而更像是對(duì)接空間站，要輕柔地把探測(cè)器靠上去。假如小天體是一整塊，那么落猛了有可能被彈飛；而若是松散的碎石堆，在極弱引力下，觸感多半像是兒童游樂(lè)場(chǎng)的彩球泳池或一桶爆米花，落猛了就容易陷入。2020年10月，美國(guó)的“奧西里斯王”號(hào)在貝努小行星采樣時(shí)就有這種體驗(yàn)，短短6秒的接觸中，探測(cè)器陷入小行星表面半米深，如果上升推進(jìn)器晚開(kāi)幾秒，可能就出不來(lái)了。

天問(wèn)二號(hào)會(huì)使用多臂協(xié)作式小天體附著取樣機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，將自己固定在小行星表面再執(zhí)行采樣任務(wù)，目標(biāo)是取得100克以上的小行星樣品。采樣完畢后，天問(wèn)二號(hào)將樣品交還地球需要大半年左右的時(shí)間。到了地球附近，天問(wèn)二號(hào)會(huì)把裝有小行星樣品的返回艙丟下來(lái)，并借著地球來(lái)一次引力加速，將自己彈向下一站旅途。這次引力加速非常必要，因?yàn)?11P運(yùn)行在主小行星帶，比火星軌道還要靠外，所以天問(wèn)二號(hào)要克服太陽(yáng)引力才能抵達(dá)。預(yù)計(jì)天問(wèn)二號(hào)從地球飛到311P，需耗費(fèi)7年時(shí)間。

中國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)了五大類科學(xué)目標(biāo)，分別是：1.認(rèn)知小天體、解密小天體；2.追溯小天體的前世和今生；3.探索生命和地球水的起源；4.揭示太陽(yáng)對(duì)小天體的影響；5.探究小天體對(duì)地球的危害。為此，天問(wèn)二號(hào)配置了可見(jiàn)紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機(jī)、探測(cè)雷達(dá)、磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀等10種載荷，以便對(duì)兩顆目標(biāo)小行星的形貌、表面物質(zhì)、熱輻射特性、次表層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、軌道特征、運(yùn)行軌道附近的空間環(huán)境等做一個(gè)全面“體檢”。

除了這些就位探測(cè)之外，地面科研人員通過(guò)天問(wèn)二號(hào)獲取的樣品，還將開(kāi)展多項(xiàng)研究。例如，測(cè)定小行星樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和同位素組成，為小行星的起源乃至早期太陽(yáng)系的形成與演化過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)；測(cè)定和研究小行星樣品的年齡，研究小行星的吸積形成、撞擊分裂和行星際空間的運(yùn)行歷史；與隕石進(jìn)行比較研究，建立返回樣品與隕石、地面觀測(cè)與遙感就位分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，拓展、豐富小行星和太陽(yáng)系起源與演化的研究。

創(chuàng)新高精尖技術(shù)為天問(wèn)二號(hào)護(hù)航

天問(wèn)二號(hào)是我國(guó)的首次小行星探測(cè)任務(wù)，與以往各次探測(cè)任務(wù)差異很大，在國(guó)際上能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)也有限，因此面臨著諸多方面的挑戰(zhàn)。

首次探測(cè)小行星就要探測(cè)兩個(gè)了解尚不透徹的天體，再加上目標(biāo)與地球之間存在較大的通信延遲，因此，要求探測(cè)器的軟硬件具有強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)自主決策與應(yīng)變能力。而小行星的形狀不規(guī)則、表面環(huán)境復(fù)雜、引力微弱，使探測(cè)器的附著和穩(wěn)定停留十分困難，更加要求探測(cè)器的推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)械裝置精準(zhǔn)運(yùn)作、密切配合。

這次探測(cè)任務(wù)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)9年，到我國(guó)預(yù)期的2030年載人登月時(shí)，天問(wèn)二號(hào)朝著第二個(gè)小行星還要再飛5年，這極大地考驗(yàn)著探測(cè)器的可靠性。另外，這次探測(cè)任務(wù)飛越了火星軌道，目標(biāo)遙遠(yuǎn)且尺度極小，對(duì)測(cè)控與導(dǎo)航精度也提出了前所未有的要求。

所以，天問(wèn)二號(hào)除了鞏固已有的科技經(jīng)驗(yàn)之外，還需在許多方面突破、拓展已有的科技邊界。以采樣系統(tǒng)為例，過(guò)去看到的嫦娥號(hào)采樣，都是用“腿”著陸，再用“臂”采集月壤。對(duì)于小行星這樣幾無(wú)引力的地方而言，站著和掛著的區(qū)別并不大。天問(wèn)二號(hào)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多臂協(xié)作式小天體附著取樣機(jī)器人將腿和臂合為一體，可實(shí)現(xiàn)著陸緩沖、附著固定、取樣、放樣等多種功能。日本的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”和美國(guó)的“奧西里斯王”號(hào)均采用“親一口就跑”的模式，而天問(wèn)二號(hào)執(zhí)行的將是首個(gè)固定附著在小行星上采樣的探測(cè)任務(wù)。

針對(duì)星表性狀不明的未知風(fēng)險(xiǎn)，天問(wèn)二號(hào)的采樣系統(tǒng)準(zhǔn)備了砂輪磨削和毛刷清掃兩種方案。不管小行星表面是“一整塊”還是“一大堆”，系統(tǒng)都不會(huì)被它難住。天問(wèn)二號(hào)一對(duì)直徑4.7米的太陽(yáng)翼使用了圓形柔性的設(shè)計(jì)，就是為了在崎嶇地形采樣時(shí)不造成阻礙。

天問(wèn)二號(hào)的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)使用的是離子電推進(jìn)，和化學(xué)推進(jìn)劑相比，所產(chǎn)生的力量雖小，卻能持久，且占用的發(fā)射載荷較低，非常適用于漫長(zhǎng)的空間旅行和抵達(dá)目的地后的精細(xì)操作。

在遠(yuǎn)程測(cè)控方面，2024年12月27日，我國(guó)在日喀則和長(zhǎng)白山啟動(dòng)了兩座新的40米射電望遠(yuǎn)鏡，使我國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)網(wǎng)絡(luò)從“四站一中心”升級(jí)到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴(kuò)到3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，將為我國(guó)的深空探測(cè)提供更強(qiáng)的助力。升級(jí)后的VLBI網(wǎng)絡(luò)，首先服務(wù)的就是天問(wèn)二號(hào)的太空征程。

總之，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)選擇地球準(zhǔn)衛(wèi)星和主帶彗星為探測(cè)對(duì)象，在國(guó)際上尚屬首次，將為國(guó)際小行星研究領(lǐng)域貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。未來(lái)，“天問(wèn)家族”中的天問(wèn)三號(hào)還會(huì)前往火星執(zhí)行采樣返回任務(wù)，天問(wèn)四號(hào)則奔赴更遙遠(yuǎn)的木星，繼續(xù)推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)的發(fā)展。

(作者為中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員)