把太阳系的时间胶囊带回家 | 赛先生天文-深度-知识分子

把太阳系的时间胶囊带回家 | 赛先生天文

2018/12/19
导读
来自深空的礼物


小行星Vesta,矮行星Ceres和月亮(图源:wikipedia)


曾几何时,地球上的人们期待着流星划过,许下愿望;奔走各地搜集陨石碎片,渴望触摸来自深空的礼物。现如今,科学家们已不再满足于被动的等待,而是主动派出使者,去探访它们,期望这些使者能带回一些精心挑选的样本。本期赛先生天文将为您介绍正在进行中的小行星样本回收项目和背后的科学意义。


撰文 | 张晓佳(香港大学)

编辑 | 韩越扬


最近,太阳系内有两个小行星过得不太安宁。一个叫做Ryugu(“龙宫”),日本的Hayabusa2探测器正在对它进行各种近距离观测,并已经传回了Ryugu表面的高清图片[1]。另一个叫做Bennu,目前来自NASA的OSIRIS-REx探测器距离它只有十几公里,已经开始了第一轮科学考察,并计划在2020年与Bennu进行“亲密接触”,采集最少60克,最多2000克的岩石样品,并将样品打包带回地球。“满载而归”的探测器预计将于2023年降落在美国犹他州的西部沙漠[2]。而Hayabusa2探测器也计划在同一时期采集小行星Ryugu的样本并返回地球。


左:Hayabusa2,右:OSIRIS-REx(图源:NASA / Goddard / University of Arizona / JAXA)


隼鸟和冥王

先说说这两架探测器的名字。Hayabusa在日文里是“隼鸟”的意思,它从Ryugu表面采样回地球的计划,与日本神话中浦岛太郎从龙宫带回的“玉手箱”的情节相合。


Osiris-Rex解释起来略复杂一些。其中Rex在拉丁语里是“王”的意思,比如霸王龙(Tyrannosaurus rex)的单词中就有它,而Osiris的寓意就和小行星探测器的科学目标有点关系了。


俄西里斯(Osiris)是古埃及神话中的冥王,同时也是生育之神和农业之神,被认为是给古埃及文明带来生机的神。科学家们在起名的时候,之所以想和这位生机勃勃的绿皮冥王扯上关系,是觉得小行星探测器和这位神扮演的角色多少有些相似之处:因为这些即将被带回地球的样本,可能含有与生命起源相关的有机物。 另一方面,探测器前往的小行星Bennu也和“冥王”的寓意沾点边儿。这颗小行星的直径有500米,每六年就会接近地球一次,是22世纪撞击地球的潜在危险性较高的小行星之一。万一它撞上了地球,巨大的破坏力也可以类比为冥界之神的暗黑力量吧。 


这个探测器的全称有点长,单说这个O是Origins(起源)的首字母[3],也代表了此行最重要的科学目标之一——通过采集回收并分析小行星样本,研究它的成分属性,了解它的形成历史,从而尝试解答人类三大终极问题之一:我们从哪里来?


俄西里斯(Osiris)(图源:wikipedia)


精挑细选的采样目标

小行星的研究之所以重要,是因为它和太阳系的形成历史密不可分。目前的太阳系形成理论认为,在距今46亿年前,一团氢分子云在引力坍塌区中诞生了若干恒星,其中就有我们的太阳。那时候太阳周围还没有现在的行星,但有一个围绕它旋转的扁平吸积盘,叫做原行星盘。原行星盘中包含大量气体和少量尘埃。盘中的尘埃微粒逐渐凝聚成几百米到几千米大小的星子(planetesimals),这些星子再进一步聚合成地球这样的岩石行星。如果成长速度足够快,大质量的岩石行星还可以在气体盘消失之前,俘获很厚的大气层变成木星这样的巨型气态行星。


如果把太阳系内的行星比作“建筑物”的话,那么今天太阳系内的小行星就好比是遗留下来的“砖块”。它们没有经历地球上这样剧烈的地质变化,因此如同时间胶囊一般,保留了太阳系形成早期的一些重要信息。 研究这些“砖块”可以帮助我们了解太阳系内的“建筑物”是如何一步一步搭建起来的 ,这其中便包括地球上与生命起源息息相关的水和有机物从何而来,以及其他天体上是否可能存在或曾经存在过生命。


目前已知的太阳系内小行星大约有78万颗,为什么选取Bennu和Ryugu作为采样目标呢?首先,要考虑到观测的难度。比如,选取距离地球轨道很近的小行星,这样宇宙飞船靠近它们比较容易。


其次,为了提高任务的成功率,小行星得有类似于地球的自转小行星的自转速度与它们的大小相关,一般直径200米以内的小行星自转都很快,有些甚至几分钟就转完一圈。而对于那些自转太快的小行星,一来探测器难以匹配它的旋转速度来进行采样,二来探测器想要采集的那一类被称为“风化层”的表面物质早就被抛射出去了。所以,科学家通常选取个头比较大(自转速度比较慢)的小行星[4]


起初,科学家们还有点担心Ryugu会不会转得太快,因为它的赤道部分有凸起的形状,这通常是旋转太快造成的。好在Hayabusa2探测器到达后,测得它的自转周期在7.5小时左右,让科学家松了一口气。Bennu的自转速度更快一点,周期为4.3小时,但也在可接受范围内。


还有一个很重要的选取标准就是小行星的成分。按照光谱类型,Bennu和Ryugu属于富含碳的C类近地小行星。之所以看中C类小行星,是因为它们在光谱类型上与碳质球粒陨石十分相似,被认为是后者的母体。而后者的化学组成与太阳和早期太阳星云的成分非常相近,是十分古老的存在[5]。研究落在地球上的陨石也可以得到一些信息,但是我们很难确定大多数陨石来自于哪个母体,而且它们在落入地球的过程中也会遭受污染。相比之下,研究C类小行星能得到更直接的早期太阳系的信息。


不过,小行星的真实成份还需要近距离观察后才能最终确认。此次Hayabusa2探测器就肩负这个任务:确认Ryugu表面看起来这么暗的原因,究竟是它富含碳(通常都是这样假设的),还是它含有像磁铁矿那样的微小金属颗粒[6]


另外,C类小行星的光谱中还有被称为“水吸收”的特征,这表明它们的成分中有水合矿物质。有一种理论认为,地球上最初的水和生命体就来自这类小行星对地球的撞击。这类小行星的成分还包含与生命形成有关的有机分子。虽然它们有可能在早期经受过撞击,但科学家们不认为这一过程会显著改变其化学特性。因此,科学家们希望对这类古老的小行星上的有机物进行同位素分析,来进一步了解太阳系早期的状况


这种研究往往能给我们带来新的线索。比如,之前星尘号(Stardust)对维尔特二号彗星(Wild 2)的研究检测到了只有在高温环境下才能产生的矿物质,说明这颗彗星有可能形成于距离太阳很近的地方,之后被抛射到太阳系外围,变成冰冷的脏雪球[7]


曾经有水

就在12月11日,关于Bennu的最新研究为科学家带来了惊喜[8]。OSIRIS-REx的可见-红外光谱仪(OVIRS)和热发射光谱仪(OTES)获得的数据显示,Bennu上存在一种名为“羟基”(化学式为–OH,但有别于氢氧根)的物质,是一种氢原子与氧原子以共价键相连接的化学官能团。虽然Bennu的个头太小,难以留存液态水,但科学家们怀疑“羟基”这种物质在含有水合黏土矿物的小行星中大量存在。


这一发现意味着,在过去的某个时刻,Bennu上的岩石物质曾经与水相互作用,也就是说Bennu的母体——那个更大的小行星上,曾经有水。“Bennu上水合矿物的存在证实了它是太阳系形成早期的残余物,是研究原始挥发物和有机物组成的理想标本,”马里兰州格林贝尔特的美国宇航局(NASA)戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的艾米西蒙这样说道。未来,这些探测器带回的样本会进一步丰富有关太阳系形成的信息库。


左:Ryugu (图源:global.jaxa.jp右:Bennu,帝国大厦和埃菲尔铁塔(图源:NASA's Goddard Space Flight Center)


将样品带回地球

读到这里你可能会想:没错,你说的这些我都懂,小行星是值得研究的,可为什么一定要采集样本再回来呢?让探测器靠近后就地研究一下,不是更省时间和经费?比如这次Hayabusa2着陆后,也会就地进行化学和同位素分析,为什么还要采样带回地球呢?


原因之一是探测器携带的设备能力有限[9]。在地球上进行地质分析通常需要一屋子的仪器,但是探测器的携带能力有限,不可能带这么多设备去外太空。为了能在其他天体上进行这类研究,工程师们花费了数年时间才终于把这套设备集成到微波炉的大小。有了这项技术,NASA的好奇号火星车就可以自己采集土壤和岩石标本,送入仪器中进行分析。不过凡事都有利弊,获得便捷性的代价是牺牲仪器的测量精度。此外,火箭发射时遭受的震动对精密仪器也是一个巨大的考验。


美国宇航局约翰逊航天中心的天体物质负责人弗朗西斯麦卡宾表示:“如果我们需要非常高的精度,我们就需要将样品带回地球,在高精度地质年代学实验室中进行分析。” 他认为,即使是火星车上的微型电子扫描显微镜,也不能很好地判断一些疑似生命体的物质是不是通过无机过程产生的,只有将样本带回地球才能更明确地判断火星上是否存在生命。同理,想要更好地分析小行星的化学组成,也要借助地球实验室的精密仪器。


另一方面,具有挑战性的任务能够激发人们在技术上不断的改进和创新。对地外天体的样本回收也有这方面的价值,阿波罗号带回来的月球岩石样本就是一个很好的例子。之前,在长达四十年的时间里,科学家们都认为月球是个干燥的地方,直到新一代科学家花费了几年的努力,研究出一项新的技术,在阿波罗带回的样本中找到了水[10],才终于改变了人们对月球的看法。这项技术在二十世纪七十年代前根本不存在。


未来,科学家们还计划对更遥远的火星进行样本回收。任务难度的提高自然需要更先进的技术,而这些技术的产生也会在其他方面推动人类社会的进步。一旦对地外天体的采集技术趋于成熟,人类对资源的开放和利用将不再局限于地球,未来的人们可以将小行星作为太空飞船的加油站,加速探索宇宙的进程。


作者简介

张晓佳,现香港大学地球科学系博士后。2006年毕业于北京大学,2013年于北京大学获得天体物理学博士学位。研究领域是行星科学,主要研究方向为早期行星形成与轨道演化的数值模拟。


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参考资料

[1] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20181026e_TD1R1A_ONCT/ 

[2] https://www.asteroidmission.org/objectives/mission-operations/

[3] https://www.asteroidmission.org/objectives/osiris-rex-acronym/

[4] https://solarsystem.nasa.gov/news/517/why-bennu-10-reasons/

[5] https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-46179-3

[6] https://www.nature.com/articles/d41586-018-05544-9

[7] http://science.sciencemag.org/content/328/5977/483

[8] https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-newly-arrived-osiris-rex-spacecraft-already-discovers-water-on-asteroid

[9] http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/why-sample-return.html

[10] https://news.nationalgeographic.com/news/2010/03/100310-water-apollo-moon-rocks/

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1 条评论
评论
  • 张辉wo 2018/12/19

    恭贺

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