为什么要去小行星采样

文/李会超

▲ 爱神小行星

小行星是围绕太阳运行的一类天体。与地球、火星这样的大行星相比，小行星的体积相当小。目前，在已经发现的约100万颗小行星中，最大的小行星谷神星的直径只有约1000千米，大约相当于地球的十三分之一，而大部分小行星的直径均在10千米以下。小行星可能出现的位置从地球轨道内侧一直延伸到太阳系的边缘，但绝大部分小行星分布在火星和木星轨道之间的小行星带中。有些小行星可能在运行过程中到达距离地球相当近的位置，存在潜在的与地球相撞的可能。这类小行星被称为“近地小行星”，国际上有一些机构在对他们进行严密监控，并制定了小行星与地球可能相撞时的应对方案。

确定小行星的类型

像大行星一样，小行星本身不发光，但天文学家们可以通过观测它们反射的太阳辐射来推测小行星的性质。

小行星研究的一个重要参数是反照率，即小行星可以把多大比例的太阳辐射反射出去。反照率与小行星的成分和表面结构等性质有关，可以使天文学家们获取关于小行星的一些信息。随着光谱观测技术的发展，天文学家们还可以从小行星反射的光线中分辨出哪些波段的反射比其他波段更强，进而根据这些光谱特征进一步精确推断小行星的成分。根据反照率和光谱信息，一般将小行星划分为C型、S型和X型三类。其中C型小行星的反照率较小，富含碳质和有机成分，其数量约占已发现小行星数的75%。S型小行星主要成分为硅酸盐，其数量大概占已发现小行星数量的17%。X型的小行星则包含其他光谱特征相似的小行星。

探究太阳系起源奥秘

▲ 航天员在采集月球标本

▲ 对月壤进行分析

目前的理论认为，小行星和太阳系的其他天体是在同一时期形成的。在46亿年前的太阳系形成早期，固体物质不断从太阳系中凝聚出来，形成微行星。有些微行星子被大行星捕获，成为大行星的一部分，有些则不断增长形成小行星。因此，小行星的探测可以使我们更清楚地了解太阳系起源的奥秘。此外，有理论认为地球上构成生命的化学物质是由小行星产生的陨石和彗星、宇宙尘埃带入地球的，探测小行星还有助于进一步搞清地球生命起源的问题。

▲ 火星和木星之间的小行星带

1991年，探测木星的伽利略号探测器在途中飞掠探测了加斯普拉小行星（小行星951号），进行了航天器对小行星的首次探测。1996年2月，美国尼尔探测器则飞抵433号小行星爱神小行星，进行了环绕和着陆探测，测量了爱神小行星的大小、形状、质量分布、磁场、化学成分和矿物质分布等特征。而日本的隼鸟号系列探测器，则把小行星探测带入了取样返回探测的新阶段。

采样揭示小行星的奥秘

长久以来，科学家们一直试图搞清地球上收集到的陨石和小行星之间的联系，希望能确定每一类陨石是来自哪一类小行星。一旦这种关系建立，在地球上能够收集到的陨石就为小行星研究提供了更丰富的样本。如果使用空间探测器环绕小行星探测，由于距离小行星表面的距离还相对较远，观测数据精度不够，不能准确确定小行星表面的矿物组成和化学成分。而如果发射探测器在小行星表面登陆，采集样品后返回地球，科学家们就能够使用高精度的分析仪器对样本进行研究，从而揭示小行星与陨石间的联系。

行星科学研究，最基本的手段是使用地球上的望远镜等观测设备对大行星和小行星等天体进行探测，但由于地球与其他天体距离过于遥远，这种探测难以获得行星的细节信息。随着航天技术的发展，人们可以发射探测器，飞掠或环绕其他天体，进行遥感探测，获得行星或小行星表面的地形地貌、化学物质等信息。近些年来，搭载着多种分析仪器的巡视器开始在行星科学探测中发挥越来越重要的作用。它可以在行星和小行星表面采集样本，送入光谱仪等仪器中，对其成分进行比较细致的分析，给我们带来许多新发现。然而，受制于航天发射能力和航天器供电等多方面的限制，航天器搭载的仪器与地面上同类的大型设备相比，分析能力要弱化不少。航天器的寿命有限，对样品一般只能进行单一项目的单次分析。

▲ 月球岩石

▲ “隼鸟2号”采集到龙宫小行星样本

▲ 小行星采矿示意图

为了解决这些限制，人们迫切希望能将其他天体的样本带回地球进行研究。这些样品可以在实验室中供科学家们使用各种大型仪器，进行更为透彻的、多方面的研究。随着研究的深入，一旦科学家们提出了新的问题、有了新的分析思路，这些样品可以随时“待命”，为科学发现提供新的信息。

然而，由于从其他天体上采样返回时，航天器还要在其他天体上完成一次起飞的过程，因此难度和复杂程度较大，至今成功的例子不多。上世纪美国在开展阿波罗登月计划时，航天员从月球上累积人工采集了约382千克的月球样本。苏联共发射了11颗月球自动采样探测器，只有3颗取得了成功，共采集月球土壤样品321克。

进入21世纪后，无人的自动取样任务开始获得进展。日本的“隼鸟号”探测器在几经波折后成功的取回了小行星样本，后续的“隼鸟2号”任务已经成功将取得的样本带回地球。而美国的“奥西里斯-雷克斯”也在2020年10月20日成功收集了小行星样本，正在返回地球途中。我国的嫦娥五号探测器成功在月球表面完成了1731克样品采集，并于2020年12月17日平安返回地球。

去小行星“挖土”的价值

除了进行科学研究外，也有人提出了到小行星上“挖矿”的设想，以此开发太空资源，获得商业上的利益。金、银、铂、钴等价值或用处较大的重金属，在地球上的储量有限，有些人甚至担心，这些人类工业生产必需的资源将在百年之内耗尽。而小行星中富含的这些元素，为人类在未来从太空中获取这些元素提供了可能。在太阳系形成初期，小行星和地球由类似的物质积聚而成，但由于地球的质量比较大，较强的重力场将较重的金属元素都吸引到地球核心，而小行星由于其质量较小，大部分此类元素均保留在小行星表面。有理论认为，目前我们能在地壳中开采的金属矿物，有不少就是地球形成初期撞击到地球表面的小行星“赠与”的。小行星采矿目前还处于概念研究阶段，尚无实质上开展的计划。对于小行星采矿在经济上是否有利可图，人们的观点还不统一。有人认为，使用太阳帆等利用自然物质产生推进力的工具，可以降低星际航行的成本，从而让小行星采矿盈利。也有人对此持反对态度，认为太空飞行的巨大成本和高风险性让小行星采矿注定是个亏本的买卖。

▲ 加斯普拉小行星