奧西里斯-雷克斯：“過家門”而不入，留下珍貴大禮

文/梁雷

茫茫星海中，一位離家7年的“游子”漸漸接近地球，卻不能返回地球“母親”的懷抱，只能在與地球“擦肩而過”的瞬間，匆匆一瞥家鄉，留下珍貴的禮物。

9月24日，美國奧西里斯-雷克斯號探測器實施軌道修正，將小行星貝努的樣本送回了地球。小行星貝努被選為采樣目標，有何特殊之處？該探測器漫長的采樣返回任務借助了哪些新技術？需要克服哪些隱患？這項任務可能給科學家帶來哪些科學和技術收獲呢？

▲ 探測器從貝努小行星表面采樣示意圖

為什么選擇“貝努”？

1999年，美國宇航局資助的林肯近地小行星研究小組發現了小行星貝努。它的赤道直徑約500米，運行軌道距離地球軌道約750萬千米，很快引起了行星防御協調辦公室的注意，被歸類為潛在的危險天體。經過持續觀測和精密計算，科學家認為，在2175～2199年之間，小行星貝努有1/2700的概率撞擊地球，在所有類似的近地小行星中屬于高風險目標。由此，小行星貝努在眾多“競爭者”中脫穎而出，成為探測器的勘測、采樣目標。顯然，科學家希望通過研究其樣本，確定對付這些“危險分子”的方法。

小行星貝努被命名的過程比較有趣：2013年，9歲美國男孩邁克爾·普齊奧在競賽中贏得了命名權。他的命名創意來源于古埃及神話中的太陽神貝努，象征著太陽、創造和重生，似乎隱喻著探測器有機會一窺太陽系誕生的秘密，嘗試解開生命起源謎題。此外，古埃及人通常把貝努描繪成一只灰色蒼鷺的形象，而奧西里斯-雷克斯號探測器的接觸式采樣器鉸接臂和太陽能電池板看上去類似神靈的頸部和翅膀，或許也給了小男孩一定的靈感。

▲ 小行星樣本艙著陸地球

其實，小行星貝努被選為任務目標，另有重要原因。科學家認為，它富含大量碳和其他礦物質，而且這些物質和巖石早在太陽系誕生之初就已存在了。正是由于它太古老了，其樣本中很可能含有地球生命最初形成時便存在的分子物質，實屬珍貴的“第一手素材”。

▲ 探測器訪問小行星貝努示意圖

眾所周知，地球上的生命形式都是基于碳原子鏈與氧、氫、氮等元素的結合。科學家則希望在小行星貝努的樣本中有全新的發現，盡可能揭示富含有機物的小行星在“催化”地球生命方面所起的作用。如果有關鍵發現，也許地球人就是我們尋找已久的“外星人”。

從探測器的命名上，我們也可以初步理解這次任務的意圖?！皧W西里斯-雷克斯”是探測器正式名稱英文縮寫的音譯，也就是一手持鉤子一手持連枷的古埃及神靈。在傳說中，奧西里斯曾在埃及尼羅河三角洲地區向人們傳授農業知識，促進了生命繁衍，而探測器帶回的小行星樣本中很可能含有促成地球生命起源的有機物。此外，奧西里斯的另一個角色是象征死亡的冥界之神，暗示探測器前去探索的小行星有可能與地球相撞，帶來破壞與死亡，一些中文翻譯也因此將這個探測器譯作“冥王號”。

新技術解決新難題

2016年，奧西里斯-雷克斯號探測器升空，奔赴小行星貝努軌道，但它并非急不可耐地登陸小行星“開工”，而是在距離小行星貝努僅有1.6～2.1千米的軌道上繞行。這也是探測器首次成功地環繞體格和引力如此小的天體長期飛行。在此后的1年多中,探測器精細地調整軌道,在各種高度上地毯式掃射小行星貝努表面的每一寸。對部分需要重點考察的區域，探測器的飛掠高度甚至低到了250米。在這些近距離考察下，小行星貝努這個地基望遠鏡里的小亮點已經成為人類在太陽系中最了解的小行星之一。比如，2018年底，探測器在小行星貝努表面發現了水的痕跡。

雖然前期準備足夠精細，但在采樣工作正式開始前，難題又一次擺在了科學家面前。原本科學家打算在小行星貝努表面找一塊直徑約50米的平坦區域作為著陸區，結果卻發現小行星貝努表面崎嶇多石，最終的作業區直徑只有6米。如果探測器整體著陸小行星貝努表面，很有可能激起大量粉塵碎屑，引發電子設備短路和機械故障，因此采樣過程必須盡可能地快捷高效。

▲ 探測器接近小行星示意圖

為了克服全新的困難，探測器應用了全新的技術和方案?？茖W家起初規劃使用激光測距作為探測器著陸、采樣階段的主要導航定位手段。計劃變更后，科學家又設計出一種基于光學影像的備用導航定位方案——自然特征跟蹤技術。

簡單地說，奧西里斯-雷克斯號探測器在降落過程中不斷實時拍攝作業區附近的照片,將這些照片和三維地形、影像數據庫進行比對,匹配特征鮮明的石塊作為地標,不斷更新自身的實時位置、速度和計劃采樣位置。如果檢測到拍攝的影像里有危險障礙物，探測器還可以自主撤離。接下來，奧西里斯-雷克斯號探測器伸出了末端為圓球狀的采樣器鉸接臂，采樣器頭部向小行星表面盡量延伸，借助探測器緩慢下行軌道的動量，輕輕地接觸小行星表面。就在鉸接臂與小行星表面接觸的瞬間，探測器發射了壓縮氮氣，吹卷起小行星表面的灰塵碎石，迅速將其收集到采樣器中。

▲ 科研團隊轉運小行星樣本艙

說來話長，實際上，探測器正式作業時間不過是10秒之內，堪稱“蜻蜓點水”，完成了歷時7年任務的最關鍵一步。隨著奧西里斯-雷克斯號探測器遠離小行星貝努，采樣器頭部在多個不同位置移動的圖像被用于評估，顯示采集樣本遠超過任務要求的60克，可謂“滿載而歸”。

科學成果拭目以待

9月24日，奧西里斯-雷克斯號探測器的樣本艙實施分離，最終降落在美國鹽湖城外的沙漠中。為了確保樣品艙順利回收，科學家們已在這里進行了持續數月的演習。當樣品艙著陸后，他們迅速將樣品艙回收，以防止對地球環境造成污染，然后由直升機將其運到美國休斯敦的約翰遜航天中心的無塵潔凈室中進行整理。

令人啼笑皆非的是，跨越數百萬千米而來的小行星樣本，卻在“臨門一腳”遭遇意外——科研人員暫時很難提取出大多數樣本。

▲ 小行星大多數樣本取出遇到麻煩，但艙外已收集到足夠樣本

原來，探測器采樣器的頭部被稱為觸控取樣裝置，帶回地球的小行星樣本和該裝置的所有管理工作都被安排在一個專門的手套箱中進行，以防樣本被“污染”。實施取樣作業時，必須有氮氣流充斥在觸控取樣裝置中。同樣，取出樣本的任何方案都必須遵循一個前提：使用工具放入手套箱，符合無塵潔凈室的標準。

目前，科研人員面臨一個難題：觸控取樣裝置上的35個緊固件中，有2個出現異常，無法用已批準放入手套箱的工具拆卸?？蒲腥藛T正研究新的解決方案，后續還將設計、制造特殊工具，這意味著需要等待一段時間才能夠拿到剩余樣本。為此，觸控取樣裝置已被從手套箱內的活性氮氣流中取出，儲存在轉移容器中，做好密封包裝工作，確保樣本在穩定、富氮的環境中保持原始狀態。

▲ 小行星貝努樣本公開展出

不過，科研團隊已經從采樣器外部收集了70.3克小行星巖石和塵埃，超過了最初的60克目標，可見這次小行星采樣任務的收獲遠超預期。

按美國宇航局公布的計劃，在接下來的兩年里，小行星樣本的25%將被送到多國約200名科學家手中進行研究。其余75%的樣本很可能被存放數十年。隨著技術進步，各種奇妙的新想法和新技術必將涌現，美國宇航局會征集各國科學家的建議，適時取出部分樣本開展研究。

那么小行星貝努的樣本有可能帶來哪些新成果？我們通過“拆分”探測器的名字，有望根據其科學目標作出預判?！皧W西里斯-雷克斯號”的專業名稱為“源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器”，英文縮寫為“OSIRIS-Rex”。具體來看，O即Origins起源，科學家希望采樣分析一顆富含碳的原始小行星，研究其礦物質和有機物的成分、分布、演化史；SI即Spectral Interpretation光譜解釋，也就是闡釋小行星貝努的整體屬性，與地基望遠鏡觀測其他小行星的結果進行對比研究；RI即Resource Identification資源識別，指的是探測器繪制小行星貝努的全球屬性、化學和礦物學地圖，確定其地質演化史，助力樣本研究工作；S即Security安全，探測器在一顆潛在危險的小行星上測量亞爾科夫斯基效應（一種由旋轉的小行星釋放熱量所引發的力，這種力可以逐漸改變其軌道），并研究小行星的哪些特性引發了這種效應；Rex即Regolith Explorer風化層探索者，探測器精細勘測取樣區域的表面物質風化層，記錄其結構、形態、化學和光譜特性等。

事實上，奧西里斯-雷克斯號探測器的任務遠比普通人想象的更加復雜。將小行星貝努的樣本送回地球后，探測器沒有“功成身退”，而是“再踏征程”，從地球“借力”，利用引力彈弓加速，馬不停蹄地前往小行星阿波菲斯，同時改名為“阿波菲斯探險者”。阿波菲斯同樣是潛在危險小行星，體格更小，直徑約370米，預計2029年將距離地球約3.2萬千米。屆時，探測器將對它進行全面考察，以便研究近地小行星的運動特性。顯然，探測器這樣復雜的變軌機動對于地面團隊是寶貴的鍛煉經驗。