“歐西里斯”探測貝努小行星的初步成果

焦維新 （北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

2016年9月8日美國成功發(fā)射的“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx，以下簡稱“歐西里斯”）探測器歷經(jīng)兩年多的長途飛行，于2018年12月3日進(jìn)入環(huán)繞目標(biāo)小行星貝努（Bennu）的軌道進(jìn)行觀測。2019年3月，“Nature”（《自然》）雜志刊載了專輯，介紹了“歐西里斯”探測貝努小行星取得的最新成果。

1 探測計(jì)劃概述

計(jì)劃名稱內(nèi)涵

“歐西里斯”是美國國家航空航天局（NASA）正在執(zhí)行的近地小行星取樣返回探測計(jì)劃。該計(jì)劃的中文意思是“起源、光譜釋義、資源識(shí)別、安全、風(fēng)化層探索者”，明確概括了該計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)。所謂“起源”就是通過分析小行星上的原始物質(zhì)，研究行星的形成和生命的起源；“光譜釋義”的含義是通過對目標(biāo)小行星進(jìn)行多光譜測量，獲得小行星的整體特征；“資源識(shí)別”的意思比較明確，因?yàn)榭蓮墓庾V測量中直接獲得礦物特征；“安全”是指這顆近地小行星具有撞擊地球的潛在危險(xiǎn)性，通過對雅克夫斯基效應(yīng)的測量，今后可以更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)其軌道，避免撞擊地球；“風(fēng)化層”的含義就更清楚了，這也是本次探測要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，就是從小行星表面取回不少于60g的風(fēng)化層（或者說是碎片）帶回地球。

該計(jì)劃的全稱“歐西里斯-雷克斯”中，“歐西里斯”（OSIRIS）是埃及神話中的冥王，九柱神之一，是古埃及最重要的神祇之一。“雷克斯”（REx）是風(fēng)化層探索者的縮寫。因此，該計(jì)劃名稱的含義是“風(fēng)化層探索者——?dú)W西里斯”。

“歐西里斯”有效載荷

目標(biāo)小行星選擇程序

在2008年選擇探測目標(biāo)時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)9000多顆近地小行星，NASA提出的選擇條件是低偏心率和低軌道傾角，軌道近日點(diǎn)大于0.8AU，遠(yuǎn)日點(diǎn)小于1.6AU，符合這些條件的近地小行星（NEA）只有350顆。

對于小行星的大小，NASA提出直徑應(yīng)大于200m，這樣，符合要求的近地小行星數(shù)量由350顆減少到29顆。

從科學(xué)價(jià)值的角度看，富含碳類的小行星含有有機(jī)分子、揮發(fā)物和氨基酸，在上述29顆候選小行星中，有12顆知道成分，而只有5顆是富含碳的。

小行星貝努是一顆對地球有潛在危險(xiǎn)天體（PHA），最小軌道交會(huì)距離約0.002AU，在2182年撞擊地球的危險(xiǎn)性目前排在第二位。從近地軌道到與貝努軌道交會(huì)的速度變量為5.1m/s。綜合大小、成分、軌道等多種因素，最后被選為探測目標(biāo)。

近地小行星貝努介紹

小行星貝努是1999年9月被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)的名稱是1999 RQ36。通過觀測發(fā)現(xiàn)，貝努每6年靠近地球一次，這樣就提供了詳細(xì)對其進(jìn)行觀測的機(jī)會(huì)。在1999－ 2000年、2005－ 2006年以及2011－2012 年間，貝努的亮度都很高，可見光與紅外光譜測量的結(jié)果表明，貝努屬于B類小行星。

貝努軌道的近日距離是0.8969AU，遠(yuǎn)日距離為1.3559AU，軌道傾角為6.0349°，軌道周期436.6487天。在2175－2196年間撞擊地球的概率為1/2700。

探測任務(wù)階段步驟

“歐西里斯”對貝努的探測細(xì)分為九個(gè)階段，包括：接近段、初步調(diào)查段、軌道A段、詳細(xì)調(diào)查段（一）、詳細(xì)調(diào)查段（二）、軌道B段、低高度勘察段、預(yù)演段和接觸即離取樣段。每一個(gè)階段都是特別設(shè)計(jì)的，目的是讓任務(wù)團(tuán)隊(duì)逐步加深小行星的了解，學(xué)習(xí)如何在微重力環(huán)境下安全地駕駛航天器，并確定最佳取樣地點(diǎn)。

2018年8月17日，距離貝努2×106km，開始了“歐西里斯”對小行星的接近段。2018年12月3日，“歐西里斯”進(jìn)入環(huán)繞目標(biāo)小行星貝努的軌道，開始初步調(diào)查段。在低高度勘察段，探測器將對最后兩個(gè)候選樣地進(jìn)行一系列低空觀測。這些從225m高度上獲得的觀測結(jié)果將能分辨出表面上小至2cm的物體。由于收集樣本是一項(xiàng)重要活動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在最后執(zhí)行取樣之前，至少進(jìn)行兩次排練。當(dāng)時(shí)機(jī)成熟時(shí)（大約在2020年7月），“歐西里斯”將使用“接觸即離取樣獲得機(jī)械”（TAGSAM）從貝努采集風(fēng)化層60g～2kg的樣品。計(jì)劃2021年3月開始返回，在2023年9月24日回到地球。

“歐西里斯”觀測時(shí)間表

貝努數(shù)字地形模型

“歐西里斯”探測器的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)

1）從碳質(zhì)小行星貝努表面取回足夠量的風(fēng)化層物質(zhì)，用于研究小行星礦物和有機(jī)物的特性、歷史和分布；

2）對原始的碳質(zhì)小行星的整體特征、化學(xué)特性和礦物學(xué)特性進(jìn)行全球繪圖，用于確定其地質(zhì)特征和動(dòng)力學(xué)歷史特征；

3）描述取樣點(diǎn)實(shí)地風(fēng)化層的質(zhì)地、形態(tài)、地球化學(xué)和光譜特性，取樣點(diǎn)的空間尺度到亞毫米；

4）測量由非引力產(chǎn)生的軌道偏移；確定對潛在危險(xiǎn)小行星的雅克夫斯基效應(yīng)，并確定影響這種效應(yīng)的小行星性質(zhì)；

5）確定原始碳質(zhì)小行星的整體全球特征，以便與地基望遠(yuǎn)鏡關(guān)于整個(gè)小行星密度的數(shù)據(jù)直接比較。

2 “歐西里斯”已經(jīng)取得的成果

2019年3月，《自然》雜志刊載了專輯，介紹到目前為止“歐西里斯”探測貝努小行星取得的成果。

貝努的大小

小行星的形狀反映了其內(nèi)部性質(zhì)和形成過程之間的相互作用，以及它們穿越太陽系時(shí)的進(jìn)化過程。以前，地球上的雷達(dá)成像提供了小行星貝努的形狀和輪廓，據(jù)最新消息，“歐西里斯”獲得了更為精確的觀測結(jié)果。根據(jù)新的觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)建立了貝努數(shù)字地形模型（GDTM）。其最佳擬合橢球體為（252.78±0.05）m×（246.2±0.09）m×（228.69±0.12）m，平均直徑（490.06±0.16）m，與之前雷達(dá)測得的直徑一致。GDTM 的體積為（0.0615±0.0001）km3，也與預(yù)測值近似。自轉(zhuǎn)周期與相遇前估計(jì)近似，為（4.276057±0.000002）h。

貝努小行星表面形態(tài)

確定小行星上風(fēng)化層和巖石的豐度和物理性質(zhì)對了解其形成至關(guān)重要。“歐西里斯”獲得的圖像和熱數(shù)據(jù)顯示，小行星貝努的表面是全球粗糙的，有密集的巖石，反照率低。巨石的數(shù)量多得令人驚訝。

廣泛存在水合礦物的證據(jù)

來自“歐西里斯”的光譜數(shù)據(jù)揭示了近地小行星貝努表面富含水合礦物的證據(jù)，在2.7μm附近的近紅外吸收和熱紅外光譜特征，與含水的CM型碳質(zhì)球粒隕石的光譜相似。在2.7μm處的明顯吸收特性，說明小行星貝努上有含水礦物。

圖中的幾種隕石都是著名的碳質(zhì)球粒隕石，人們對這些隕石的光譜特征已經(jīng)進(jìn)行了深入研究。將“歐西里斯”觀測貝努的數(shù)據(jù)與這幾種碳質(zhì)球粒隕石的光譜數(shù)據(jù)比較，進(jìn)一步證實(shí)，貝努確實(shí)有含水礦物。

表面坡度分布

在過去的100萬年里，貝努的表面坡度一直在變化。最近的觀測還發(fā)現(xiàn)貝努內(nèi)部密度不均勻的證據(jù)，表明其內(nèi)部是由空隙和巨石混合而成。這種非均質(zhì)性的存在和貝努的頂部形狀與過去某個(gè)時(shí)刻的自旋誘發(fā)的內(nèi)部缺陷是一致的，盡管這種缺陷的確切方式還無法確定。

貝努小行星表面形態(tài)（上圖為貝努自旋一周的圖形，下圖為貝努的全球等矩形圖）

貝努的反射光譜

貝努反射光譜與含水的CM型碳質(zhì)球粒隕石的光譜比較

貝努全球鑲嵌圖與高程數(shù)據(jù)和四個(gè)感興趣的采樣區(qū)域

難以想象的表面

貝努表面有幾個(gè)顯著的特征：一是赤道隆起；二是碎石堆積結(jié)構(gòu)；三是高聳的南北山脊從極向極延伸，支配著地形，明顯地引導(dǎo)著地表物質(zhì)的流動(dòng)；四是整體是黑暗的，反照率很低。

上圖中：（a）圖像的貝努表面覆蓋有許多米級(jí)或更大的巨石。彩色比例尺顯示位勢高度從0m（藍(lán)色）到70m（紅色）。白色方框?qū)?yīng)的圖像在b～e區(qū)域內(nèi)顯示，是取樣感興趣的區(qū)域，每個(gè)方框都是50m寬。（b）圖為2018年12月1日拍攝，分辨率為0.42m，區(qū)域內(nèi)有高的坡。（c）圖像采集于2018年12月2日，分辨率為0.33m，其中一些位置位于小型環(huán)形山的底部。（d）圖為2018年12月2日拍攝，分辨率為0.32 m，其中一些區(qū)域被米級(jí)巖石環(huán)繞。（e）圖像采集于2018年12月2日，分辨率為0.33m，有一些被米級(jí)大小的巖石環(huán)繞。

3 小結(jié)

在“歐西里斯”探測貝努小行星的九個(gè)階段中，目前只進(jìn)行到第三階段，但已經(jīng)取得了豐碩的成果，引起了許多學(xué)者的關(guān)注。隨著探測的深入發(fā)展，相信一定會(huì)取得更多的成果，這將極大地加深人們對小行星的認(rèn)識(shí)。重頭戲還在后面，當(dāng)“歐西里斯”完成取樣返回后，一定會(huì)有重大的發(fā)現(xiàn)。

“歐西里斯”探測貝努的一系列新發(fā)現(xiàn)說明，小行星雖小，但涉及的科學(xué)問題是豐富的，這將進(jìn)一步激勵(lì)人們更加關(guān)注小行星的科學(xué)問題。