“天問二號”將深度解密小行星

　　雷淼

　　2025年5月前后，中國航天將迎來一件大事：天問二號搭乘長征三號乙運載火箭，開啟深空探測新征程。

　　提到天問二號，大家可能會以為它是繼天問一號之后的第二次火星探測任務，但其實“天問”是中國行星探測系列任務的命名，并不限于火星。天問二號的任務是造訪兩顆目標天體，一顆是編號為2016 HO3的近地小行星，另一顆是主帶彗星311P。天問二號為什么選擇這兩顆小天體作為探測目標？這一探索過程對我國深空探測的推進有何助益？

　　研究地球“準衛(wèi)星”性價比很高

　　根據(jù)目前的任務計劃，天問二號升空后，會先到近地小行星2016 HO3，從其表面采樣送回地球，但探測器本身不會返回地面，而是利用地球引力彈弓來一次加速，繼續(xù)飛往主帶彗星311P執(zhí)行探測任務。

　　2016年4月27日，位于夏威夷的哈萊阿卡拉天文臺泛星計劃望遠鏡發(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特點，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。

　　天文學家經(jīng)過軌道觀測與計算模擬發(fā)現(xiàn)，2016 HO3十分有趣，簡直就像月球之外的第二顆天然地球衛(wèi)星，大約在一個世紀前來到地球附近，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。它半年運行在地球軌道的內(nèi)圈時，會暫時跑得比地球快，而運行在地球軌道以外的另外半年，又會跑得比地球慢。所以，從地球的角度來看，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，為此還得了一個夏威夷語的名字：Kamo’oalewa，意為“振蕩天星”。

　　當然，我們不能把2016 HO3當成月球那樣的真衛(wèi)星。因為它圍繞地球運動只是一種視覺效果，其本質(zhì)是圍繞太陽公轉(zhuǎn)，是由太陽引力掌控而非地球引力操縱的結(jié)果。地球在伴行期間會對其軌道起到一些攝動作用，但它終將掙脫地球的拉扯，漸行漸遠。到了2369年，它甚至會運行到地球軌道的對側(cè)，隔著太陽與地球遙遙相望。

　　科學家給這類天體設了一個特別的歸類，叫作“準衛(wèi)星”。目前，地球附近的準衛(wèi)星有5顆，其中就屬2016 HO3距離最近、運行最穩(wěn)定。

　　準衛(wèi)星和地球軌道如此接近，使其成為研究價值很高的一種天體。作為小行星，本身就埋藏著太陽系誕生之初的原始信息，億萬年來幾乎未受打擾。它在地球軌道附近運行，無論一開始就在這里，還是被各大行星的引力“搬運”來的，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，蘊含著地月系的演化歷史。從另一個角度來看，準衛(wèi)星和地球距離較近，對地面測控要求相對較低，航天器接近它所需的能量也較小，因此，對它進行探測是個“性價比”很高的任務。

　　對2016 HO3已有的光學觀測和光譜分析表明，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，也有可能是獨立發(fā)育的S型小行星。天問二號計劃對這顆準衛(wèi)星進行伴飛、測繪、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)果有可能回答準衛(wèi)星的起源以及軌道演化歷史和未來趨勢等科學問題，并為小行星乃至太陽系的形成和演化過程提供科學依據(jù)。

　　主帶彗星或藏“天外來水”秘密

　　天問二號的第二個探測目標也十分特別。它是2013年8月27日由泛星計劃望遠鏡發(fā)現(xiàn)的天體，編號為311P/PanSTARRS，運行在大部分小行星所在的主小行星帶(簡稱“主帶”)內(nèi)，卻擁有類似彗星的外觀。哈勃空間望遠鏡在2013年9月對它進行了細致的觀測，看到了6條像是彗尾的結(jié)構(gòu)。

　　一般來說，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，陽光輻射較強，小行星的揮發(fā)物難以存留，因而以巖質(zhì)為主。常規(guī)的彗星來自遙遠寒冷的柯伊伯帶或奧爾特云，保存有豐富的冰。

　　那么，這個運行在主帶卻長著彗尾的311P，到底是個什么天體？其實，311P不是第一顆具有彗尾的主帶小行星。1996年，天文學家觀測到，1979年被發(fā)現(xiàn)并以普通小行星身份編目的7968號小行星運行到近日點時出現(xiàn)了彗尾，于是這顆小行星又被編為彗星133P。

　　天文學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”。這兩個名字指的都是同一類天體，只看要強調(diào)哪個方面：歸為彗星，研究重點是它為何能存留在主帶內(nèi)；歸為小行星，研究重點是它為何具有揮發(fā)物活動的特性。通過天文觀測，人們找到了小行星活動的一些原因。例如，小行星經(jīng)過輕微撞擊，或因太陽照射所致的“YORP效應”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，使小行星長出彗尾，“重煥青春”。

　　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。人們一般認為，地球形成之初是個熾熱干燥的巖質(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的。由于彗星的冰儲量豐富，它順理成章地成了為地球供水的頭號“種子選手”。但是通過分析彗尾中的氫同位素比率，科學家發(fā)現(xiàn)與地球海洋的數(shù)據(jù)差異很大，所以對“彗星運水說”的懷疑與日俱增。而活躍小行星的出現(xiàn)，為地球上水的來源提供了新思路。如果探明活躍小行星將冰或其他揮發(fā)物保留至今的機制，或可能改寫舊有的認知。

　　311P的直徑大約有480米，2018年4月的觀測結(jié)果顯示，它可能還有一顆衛(wèi)星。如果屬實的話，311P便是少有的雙小行星系統(tǒng)，將為天問二號的探測任務提供額外的研究價值及技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　著陸采樣前為何需伴飛一年之久

　　2025年5月前后，天問二號搭乘長征三號乙運載火箭發(fā)射升空后，經(jīng)過約一年的飛行將到達探測任務第一站：2016 HO3。不過，它需伴隨這顆小天體飛行一年后，才能擇機執(zhí)行采樣任務。

　　為什么需伴飛一年之久呢？一是因為要在著陸采樣之前執(zhí)行許多科學研究，二是因為對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？其表面地形會不會磕碰、卡住或遮擋探測器？種種細節(jié)都要慎重考慮。2014年11月，歐洲空間局的“菲萊”號在楚留莫夫-格拉希門克彗星著陸時，就被卡在一道黑暗的裂縫中，因太陽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，探測器要對小行星進行詳盡的測繪和地形分析，尋找最佳著陸地點。

　　著陸采樣過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，在其表面著陸不會像在月球或火星著陸那樣“短平快”，而更像是對接空間站，要輕柔地把探測器靠上去。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場的彩球泳池或一桶爆米花，落猛了就容易陷入。2020年10月，美國的“奧西里斯王”號在貝努小行星采樣時就有這種體驗，短短6秒的接觸中，探測器陷入小行星表面半米深，如果上升推進器晚開幾秒，可能就出不來了。

　　天問二號會使用多臂協(xié)作式小天體附著取樣機器人機械系統(tǒng)，將自己固定在小行星表面再執(zhí)行采樣任務，目標是取得100克以上的小行星樣品。采樣完畢后，天問二號將樣品交還地球需要大半年左右的時間。到了地球附近，天問二號會把裝有小行星樣品的返回艙丟下來，并借著地球來一次引力加速，將自己彈向下一站旅途。這次引力加速非常必要，因為311P運行在主小行星帶，比火星軌道還要靠外，所以天問二號要克服太陽引力才能抵達。預計天問二號從地球飛到311P，需耗費7年時間。

　　中國小行星探測任務設計了五大類科學目標，分別是：1.認知小天體、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.揭示太陽對小天體的影響；5.探究小天體對地球的危害。為此，天問二號配置了可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀等10種載荷，以便對兩顆目標小行星的形貌、表面物質(zhì)、熱輻射特性、次表層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場、軌道特征、運行軌道附近的空間環(huán)境等做一個全面“體檢”。

　　除了這些就位探測之外，地面科研人員通過天問二號獲取的樣品，還將開展多項研究。例如，測定小行星樣品的物理性質(zhì)、化學成分和同位素組成，為小行星的起源乃至早期太陽系的形成與演化過程提供科學依據(jù)；測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行歷史；與隕石進行比較研究，建立返回樣品與隕石、地面觀測與遙感就位分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，拓展、豐富小行星和太陽系起源與演化的研究。

　　創(chuàng)新高精尖技術(shù)為天問二號護航

　　天問二號是我國的首次小行星探測任務，與以往各次探測任務差異很大，在國際上能夠借鑒的經(jīng)驗也有限，因此面臨著諸多方面的挑戰(zhàn)。

　　首次探測小行星就要探測兩個了解尚不透徹的天體，再加上目標與地球之間存在較大的通信延遲，因此，要求探測器的軟硬件具有強大的現(xiàn)場自主決策與應變能力。而小行星的形狀不規(guī)則、表面環(huán)境復雜、引力微弱，使探測器的附著和穩(wěn)定停留十分困難，更加要求探測器的推進系統(tǒng)和機械裝置精準運作、密切配合。

　　這次探測任務時長超過9年，到我國預期的2030年載人登月時，天問二號朝著第二個小行星還要再飛5年，這極大地考驗著探測器的可靠性。另外，這次探測任務飛越了火星軌道，目標遙遠且尺度極小，對測控與導航精度也提出了前所未有的要求。

　　所以，天問二號除了鞏固已有的科技經(jīng)驗之外，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，過去看到的嫦娥號采樣，都是用“腿”著陸，再用“臂”采集月壤。對于小行星這樣幾無引力的地方而言，站著和掛著的區(qū)別并不大。天問二號開發(fā)團隊設計的多臂協(xié)作式小天體附著取樣機器人將腿和臂合為一體，可實現(xiàn)著陸緩沖、附著固定、取樣、放樣等多種功能。日本的“隼鳥2號”和美國的“奧西里斯王”號均采用“親一口就跑”的模式，而天問二號執(zhí)行的將是首個固定附著在小行星上采樣的探測任務。

　　針對星表性狀不明的未知風險，天問二號的采樣系統(tǒng)準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)都不會被它難住。天問二號一對直徑4.7米的太陽翼使用了圓形柔性的設計，就是為了在崎嶇地形采樣時不造成阻礙。

　　天問二號的動力推進系統(tǒng)使用的是離子電推進，和化學推進劑相比，所產(chǎn)生的力量雖小，卻能持久，且占用的發(fā)射載荷較低，非常適用于漫長的空間旅行和抵達目的地后的精細操作。

　　在遠程測控方面，2024年12月27日，我國在日喀則和長白山啟動了兩座新的40米射電望遠鏡，使我國的甚長基線干涉測量(VLBI)網(wǎng)絡從“四站一中心”升級到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴到3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，將為我國的深空探測提供更強的助力。升級后的VLBI網(wǎng)絡，首先服務的就是天問二號的太空征程。

　　總之，天問二號任務選擇地球準衛(wèi)星和主帶彗星為探測對象，在國際上尚屬首次，將為國際小行星研究領域貢獻中國智慧。未來，“天問家族”中的天問三號還會前往火星執(zhí)行采樣返回任務，天問四號則奔赴更遙遠的木星，繼續(xù)推動我國深空探測事業(yè)的發(fā)展。

　　(作者為中國科普作家協(xié)會會員)