小天體採樣返回任務的科學目標：太陽系誕生的最初1000萬年

2020-05-01 中科院地質地球所

林楊挺等-SSR：小天體採樣返回任務的科學目標：太陽系誕生的最初1000萬年

小天體採樣返回任務的科學目標：太陽系誕生的最初1000萬年

小行星和彗星等小天體的軌道易於改變，常撞擊地球。小的（直徑小於10-20m）小行星進入地球大氣，即為常見的火流星，其殘留的石塊被發現後即是隕石；如果小行星的直徑超過百米，其撞擊將會造成區域性破壞，乃至全球性的大災難。恐龍滅絕很可能就是源於一次大的小行星撞擊事件。小天體撞擊地球是一種低概率但可導致災難性後果的事件，因此小行星的監測、預警和防禦關係到人類的共同命運。另一方面，進入21世紀，太空資源逐漸成為一個重要議題，關係到人類社會的可持續發展戰略。所有這些重大需求的滿足，都將建立在長期的小天體探測和研究基礎之上。

小天體是太陽系形成過程殘留下的「化石」，是構建地球等行星的「磚瓦」。小天體探測是揭示太陽系形成過程的主要途徑。但是，小天體的特點是數量巨大（登記在案近一百萬顆，並且總數還在不斷增長）、空間分布廣（從靠近太陽，到火星與木星之間的小行星帶，到海王星以遠的柯伊伯帶）、組成多樣（除彗星主要成分為冰外，小行星可由金屬和各種巖石組成），因此選擇重要目標和規劃探測路線對於小天體的探測至關重要。

中國科學院空間科學先導專項設立「小天體採樣返回背景型號」課題，擬通過對太陽系形成和演化的關鍵科學問題進行深入研究，凝鍊小天體探測的科學目標，確定系統探測小天體的路線和重要目標，並研發低成本小天體探測的關鍵技術。該課題由中科院地質與地球物理所林楊挺研究員任負責人，參與單位包括中科院地質與地球物理所、國家天文臺、紫金山天文臺、地球化學所、上海微小衛星創新研究院、空間應用工程與技術中心、國家空間科學中心、瀋陽自動化所、上海技物所、西安光機所等單位。2020年4月國際權威學術期刊Space Science Reviews發表了林楊挺等人撰寫的題為「小天體採樣返回任務概念：太陽系的第一個1000萬年演化」的研究成果。

太陽系的形成按時間順序劃分為星雲凝聚、星子生長、行星胚胎形成、原始行星形成等不同階段，其中最初的1000萬年（包括星雲凝聚和星子生長階段）至關重要，奠定了太陽系物質在空間上的分布。林楊挺等提出這一過程最重要的7大科學問題：

（1）太陽星雲的初始狀態；

（2）不同氧化-還原條件下的星雲凝聚；

（3）星雲中的加熱事件；

（4）星雲盤的物質遷移和分異；

（5）星子吸積及後期變質；

（6）內-外太陽系的分離；

（7）星雲盤中有機質的分布與演化。

小天體的探測任務要圍繞這些重大問題進行設計，其中目標小天體的選擇要求滿足2個重要原則：

（1）選擇最原始的小行星，以避免小行星形成之後的加熱和水蝕變等事件抹除了星雲過程的記錄。碳質小行星富含水和有機質，通常是小行星探測的首選目標。但是，這類小行星往往經歷了強烈的巖石與水的反應，將大部分星雲階段的產物破壞殆盡；

（2）選擇不同光譜類型的小行星，代表太陽星雲盤不同位置的樣本，這樣才能構建太陽星雲盤的三維模型，得到一幅由均勻的星雲逐漸演變成為高度分異的太陽系的圖像。

但是，國際上傾向於選擇碳質小行星，而它們全部形成於木星以遠的外太陽系區域。地球和類地行星均屬於內太陽系，它們與外太陽系天體具有完全不同的同位素組成。為了描繪太陽系第一個1000萬年的形成過程，林楊挺等提出選擇4大類型原始的小天體作為探測目標，分別代表太陽星雲盤的關鍵位置（圖1）：

（1）可能最靠近太陽的E-型小行星（也被劃分為Xe-型）

（2）可能靠近木星內側的L-型小行星

（3）木星外側的C-型\P-型\D-型小行星

（4）最遠的彗星

其中，L-型小行星的光譜特徵與太陽系最古老的集合體（代表了太陽系形成的起點）相似，很可能是一種非常富集這些最古老樣本的特殊小行星。在設計小天體採樣任務路線圖的基礎上，提出先期任務將E-型小行星作為首選目標，將L-型小行星作為備選目標的策略，不僅技術上可行，任務周期短，並且在科學目標上與日本和美國正在進行的碳質小行星採樣任務有最大的互補性。在探測技術上，提出多點觸碰採樣方案，降低任務的風險，並且採集小行星不同區域的樣品，藉助高精度的同位素分析技術，示蹤小行星的生長過程和物質來源。同時，對小天體採樣任務的主要風險、小行星樣品的保存和處理、超低溫彗星採樣和保存的技術挑戰等進行了分析，並提出相應的解決方案。

小天體採樣返回任務的科學目標：太陽系誕生的最初1000萬年

圖1 小天體採樣返回任務概念

小天體採樣返回任務的科學目標：太陽系誕生的最初1000萬年

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