來源:科技日報
幾天前，日本的「隼鳥2號」 （Hayabusa2）探測器又發回了一張圖片，拍照時它距離目的地小行星只有1500公裡，預計6月27日它就會登上這個小小星球展開新一輪探險。
「隼鳥2號」是日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的小行星探測計劃，於2014年12月3日發射。將於2018年6月至7月之間達到距離地球約2億公裡的C型小行星龍宮（Ryugu，又名1999 JU3），停留一年半的時間觀測小行星並採集巖石樣本。它計劃在2020年攜帶樣本返回地球。
專注小行星採樣的隼鳥家族
1996年， NASA的會合-舒梅克號（Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker）探測器成功著陸在愛神星表面，開啟了人類與太陽系小行星親密接觸的探索之旅。其下一個目標就是採集小行星上的樣本並返回地球進行研究。著陸在地外天體進行樣本採集和回收任務是最危險和最具有挑戰性的。從發射著陸到採集和返回地球的所有操作都要以高精度和準確度來完成。另一方面，為了保證樣本的純淨度，還需要設計特殊的存貯膠囊來保證樣本在往返途中不會被汙染和變質。第一次成功將小行星上採集的樣本帶回地球的是「隼鳥2號」的前身「隼鳥」號（Hayabusa）。 它於2005年到達小行星系川（Itokawa）並採樣，2010年返回地球。儘管「隼鳥」號的採集工作沒能按照原計劃進行，但科學家們認為，在探測器著陸小行星表面時，有一些塵埃顆粒被卷進了採集器。「隼鳥」號返回地球後，本體按計劃在地球大氣層中燃燒殆盡，彈射出的樣本膠囊落在南澳大利亞州後被回收。之後科學家們分析了罐內的一些顆粒，證實它們來自於外太空，這一成果也為後續的採集計劃奠定了基礎。
「隼鳥2號」在設計上與「隼鳥」號是規格幾乎相同的「準同型機」。除了攜帶登陸器MASCOT之外，它還攜帶了撞擊器SCI用來製造人工陷坑。在靠近目標後，會先釋放登陸器到小行星表面進行探測和採樣，然後利用撞擊器在小行星表面上製造出人工陷坑，採集小行星表層以下的樣本。
為什麼選擇了龍宮
小行星和地球的形成源於同一批原初物質，地球在長期地質活動的影響下已經很難找到遠古時期的物質。小行星則不同。一個典型小行星的表面平均溫度為零下73攝氏度，它們在幾十億年間的大部分時間內沒什麼變化，如同時間膠囊一般將古老時期的物質保存了起來。因此對小行星的研究可以幫助我們了解早期太陽系形成時期的很多事情。孕育了地球生命的有機分子，也可能包含在這些古老物質中。另一方面，小行星中含有水、有機物和貴金屬等自然資源，這對制定未來開採近地小行星計劃也極有意義。
目前太陽系內已知的小行星數量超過50萬個，如果要派探測器近距離觀測並帶回樣本，就需要從幾個方面篩選出適合的小行星。
首先是成本問題。需要選擇一個可以輕鬆往返的小行星，使探測器可以在幾年內採集樣品並返回地球。所以首選近地小行星，它們的軌道近日點在1.3個天文單位（AU，約1.5×108千米）以內。其次，再結合軌道參數選取那些最適合太空飛行器往返的小行星。龍宮就是比較理想的近地小行星之一，它的軌道半長軸為1.19AU，軌道偏心率為0.19，近日點位於地球軌道附近。美國小行星採集項目OSIRIS-Rex的目的地Bennu，也是近地小行星之一，它的軌道與地球相交，每六年一次與地球擦肩而過，間距只有0.003AU。
要在小行星表面著陸採集樣本，對小行星的大小也有要求。通常，直徑越小的小行星自轉速度越快。直徑小於200米的小行星，其表面上的物質會因為過快的旋轉速度而被彈飛，太空飛行器也很難近距離接觸這種旋轉過快的小行星。因此，通常選取直徑大於200米的小行星作為探測目標。龍宮的有效直徑為875米，旋轉周期為7.6小時，大致為球形，是符合要求的採集對象。
太陽系的形成和演化通常是研究目標之一，因此小行星的成分往往包括在參考標準內。在可見光和紅外光下，不同的礦物質會呈現出不同的顏色和光譜特性，識別度堪比指紋。科學家們可以利用這些「指紋」來分辨礦物質分子。根據這種方法，可以將小行星按其光譜特性和顏色（有時也結合反照率）進行分類。比如龍宮是C型小行星，也叫碳質小行星，是最普遍的一種小行星，佔小行星總數的75%。它們一般距離太陽較遠，由於表面溫度長時間偏低，很可能含有水。也因為受熱變化的程度更低，它被認為含有比之前「隼鳥」號的目標系川更為古老的物質。另一個小行星採集項目OSIRIS-Rex的目標 Bennu是一顆B型小行星 ，屬於C型的一個子類，同樣具有含碳量高，反照率低，年代古老等特點。
樣本回收之路不輕鬆
回收小行星樣品就像送外賣盒飯一樣，不光要拿到手還要保證品質。在隼鳥項目中，顆粒樣品被保存在一個密封的高純度氮氣環境的潔淨室內，以防止空氣造成的汙染。此外還要隔絕微生物的汙染，比如在Bennu的採樣計劃中，科學家們計劃利用氮氣吹掃，防止樣品在返回地球時被地面微生物的汙染。探測器返回地球後，被彈出的樣品膠囊在穿過大氣層的過程中，所處的高溫環境也可能加熱樣品使之變質，因此膠囊上通常有隔熱盾來維持艙內的溫度。
之前隼鳥項目對於儲存膠囊的工藝也是一個很好的測試。觀測膠囊在大氣層中經過時周圍的溫度變化有助於科學家們測試隔熱盾的性能，也為後續的項目設計提供了寶貴的經驗。
在採集過程中，也可能涉及到星際汙染的問題。目前科學家們主要專注於尋找與生命起源相關的有機分子，這其中尚不包括對外來生物體的研究計劃，也不希望其他星球上的生物體隨隨便便地蹭車回到地球上。不過理論上這種事情發生的概率極低，因為小行星上的高劑量輻射會迅速殺滅任何生物體。（張曉佳 作者系香港大學地球科學系博士後）