中国首个小行星/彗星穷游(探测)计划,安排上了
2019-06-14 21:52

中国首个小行星/彗星穷游(探测)计划,安排上了

Photo by Greg Rakozy on Unsplash,本文来自公众号:果壳(ID:Guokr42),作者: haibaraemily


今年初,嫦娥四号着陆器和巡视器顺利达成“人类首次着陆于月球背面”的成就,而接下来,月球正面采样返回的嫦娥五号,以及火星着陆和巡视任务,也已经近在眼前。

但我们对星辰大海的追求绝不会止步于此。


今年4月中旬,中国国家航天局正式宣布[1]:中国的第一个小行星探测任务,已经给安排上了!


太长不看:

1.这是中国的第一个小行星探测计划;

2.目标是地球的一颗准卫星,还要采样送回地球;

3.好不容易飞一回,哪能只去一颗小行星;

4.所以接下来,还会去探测一颗主带彗星;

5.这个计划可能会命名为——郑和号


花一次钱,去两颗星


综合考虑成本和效率,我国的第一次小行星探测任务总体策略是“多目标、多任务、多功能、多阶段”,说白了就是一次任务探测多个天体,完成尽量丰富的探测。


对于比火星更远的天体,多任务探测是一种很常见的方案。毕竟去这么远的地方需要好多年才能抵达目标,要是一次就去探访一个天体,未免有点太奢侈了。如果探访多个天体的话,不仅能省钱,也能让远在地球上的我们阶段性地收到探测数据,不用苦苦等上数十年甚至更多年。


多任务探测最经典的例子,可能是至今仍在工作的旅行者1号和2号。发射于1977年9月5日的旅行者1号,于1979和1980年先后探访了木星和土星系统,而同年8月20日发射的旅行者2号探测器则更加牛掰,于1979、1981、1986和1989年先后探访了木星、土星、天王星、海王星,把外太阳系的全部四颗大行星一网打尽。


只飞掠了木星和土星的旅行者1号,和飞掠了木星、土星、天王星、海王星的旅行者2号 | 维基


另一个经典的多任务探测的例子,是去年刚刚结束任务的黎明号,又译作曙光号,一次任务在11年里先后探访了两颗主小行星带天体——灶神星和谷神星(详情参见:宇宙穷游指南:曙光号花最少的钱,看最精彩的世界 | 迈向太空)。


黎明号,先后探测了灶神星(右)和谷神星(左) | NASA


而咱们这次小行星任务呢,是计划通过一次发射先后探测两个目标:近地小行星(469219) 2016 HO3和主带彗星133P/Elst-Pizarro。


第一个目标:近地小行星(469219) 2016 HO3


一看名字就知道,这是一颗新近发现的小行星——2016代表它被发现的年份。2016年4月27日,位于夏威夷哈莱亚卡拉天文台的的泛星计划望远镜(Pan-STARRS 1)首次观测到这颗小行星。


泛星计划望远镜首次观测到2016 HO3(绿圈中) | Pan-STARRS[2]


当然咯,既然是夏威夷发现的,那么照例会被取上一个夏威夷语名字,比如之前的星际来客奥陌陌(‘Oumuamua)就是夏威夷语名字。事实上,连上次的网红黑洞也有一个夏威夷语名字Powehi。而2016 HO3的夏威夷语名字是Kamoʻoalewa,意为“(轨道)不停振荡的天体”。


近地小行星 2016 HO3是一颗阿波罗型小行星,这类小行星会运行到地球轨道内部去,因此有时会非常靠近地球,是从地球出发的探测器比较容易在短时间内探访的一类小行星。JAXA的隼鸟号当年探访的糸川(25143 Itokawa)、隼鸟2号正在探访的龙宫(162173 Ryugu)、NASA的冥王号正在探访的贝努(101955 Bennu),都是阿波罗型小行星。


2016 HO3的轨道(白色) | 维基


如果仅仅是离得近,那也没什么特别特殊的。 2016 HO3的极其特殊之处在于——它是咱们地球目前个头最小、离地球最近、也是轨道最稳定的一颗“准卫星”。


啥叫“准卫星”呢?简单来说,就是一颗小行星和一颗行星靠得很近,同时这俩的公转周期还基本一样。结果就是,尽管这俩都是绕着太阳公转的,但从行星的视角来看,这颗小行星简直就像跟屁虫一样甩不开,总是在自己跟前晃悠——不是卫星,但“相伴”而行,亲如卫星。


准卫星2016 HO3到地球的平均距离比月球远得多,始终在地月距离的38-100倍之间,并没有真的被地球的引力所俘获而成为卫星 | DSI


看动画更清楚:

视频来源:NASA [3]


截至目前,咱们地球有5颗已知的准卫星:(164207) 2004 GU9、(277810)  2006 FV35、2013 LX28、2014 OL339和 2016 HO3。 2016 HO3是其中最小的一颗,直径据估计不足百米,可能只有40多米。[4]


一方面,人类之前从没有探测器探访过这类小行星,可以说对这类小行星表面的详细情况一无所知。另一方面,这类小行星距离较近,又相对容易抵达。这让人类的第一次准卫星探测,既不至于难度太大,又能对新发现充满期待。


除了中国,欧洲有个叫作Beyond Altas的私人探测计划也瞄上了准卫星2016 HO3[5]。不过呢,看这个项目的网站介绍,进度似乎还停留在ppt阶段。


Beyond Altas任务概念图 | Beyond Altas[5]


多说一句。虽说是“离地球最近的一颗准卫星”,但由于大行星引力的影响,准卫星的轨道并不稳定。也就是说,它们并不会永远陪伴地球。更准确地说,这些小行星会在准卫星轨道和马蹄形轨道之间反复切换[4]。


所谓“马蹄形轨道”,是指以行星(地球)为参考系,小行星一直在日地拉格朗日L4-L3-L5的马蹄形范围内反复震荡。


马蹄形轨道(青色线圈定的区域),和准卫星轨道同为1:1轨道共振模式中的一种 | 维基


动图更清楚:

马蹄形轨道的一个典型的例子:小行星(419624) 2010 SO16(粉色线)在1600到2500年之间相对于地球(蓝色点)的轨道 | 维基/Phoenix7777


而咱们现在的这颗准卫星2016 HO3,也只是在大约100年前才成为了地球的亲密小伙伴,这场陪伴估计会在大约300年后结束[4]。


1960~2020年间,2016 HO3相对于地球的位置变化 | JPL


(别担心,300年还很长呢,毕竟咱们也就能活个100岁吧)


 第二个目标:主带彗星133P/Elst-Pizarro


啥,小行星带里也有彗星?!


在很长一段时间里,人们一直认为彗星只有两个来源:遥远的柯伊伯带和更加遥远的奥尔特云。然而这一切在2006年前后发生了改变。


最初发现于1979年、此后一直平平无奇地游荡在小行星带中的一颗小行星1979 OW7,突然展现出了典型的彗星特征:它在1996和2002年两次被明确观察到了喷发灰尘的现象[6, 7]。


1996年8月7日, Eric W. Elst观测到小行星1979 OW7彗星一般的“尾巴” | ESO[8]


这颗小行星随后被暂时命名为P/1996 N2,再后来以1996年首次观测到其彗星特征的两位天文学家—— Eric W. Elst和Guido Pizarro的姓氏命名为彗星133P/Elst-Pizarro。不过,它的小行星永久编号7968倒是保留了下来。


这是主小行星带中发现的第1颗彗星


不久后的2005年10月24日,第2颗位于主小行星带中的彗星P/2005 U1 (Read)被意外发现[9]。同年11月26日,第3颗这样的彗星118401 (1999 RE70)被发现[10](后更名为176P/LINEAR)


至此,天文学家正式提出了“主带彗星”(MBCs)这样一个新的彗星种类。这类小天体完全位于主小行星带中,有着稳定的轨道,却表现出典型的彗星特征[10]。


对于主带彗星这种“新品种”,人类的了解可以说是极其有限。主带彗星到底是如何形成的?为什么会突然开始活跃?没有人知道答案。


比较确定的一点是:至少一部分主带彗星上应当是富含挥发性物质的,尤其是水冰。因为它们展现出彗尾的时期,与它们飞掠近日点附近的时期刚好吻合,说明这些彗尾正是受热挥发产生的。


以彗星133P/Elst-Pizarro为例,这颗彗星1996年首次被观测到活跃的彗星特征时,正是在它飞掠近日点期间,而在此后的3次飞掠近日点期间(这颗彗星每5.62年绕太阳一圈),天文学家也如期观测到了它的彗尾。


133P/Elst-Pizarro每到近日点附近就会开始活跃,这和传统彗星因为水冰受热挥发而产生彗发彗尾的过程似乎并无二致 | 论文[11]


如果主带彗星上确实富含水冰,加上它们应当也很容易受到大天体的引力扰动或小行星/彗星彼此之间的撞击而撞上地球,地球上的水会不会就来源于这类临近的彗星群呢?主带彗星的表面特征和组成成分,又跟传统的彗星有什么区别?


尽管科学家已经依据地基望远镜作出了大量观测和推断,但对如此小的天体(几公里宽),还是有太多问题只能等待探测器近距离造访才能揭开或者验证答案了。


而中国这次瞄准的,正是彗星133P/Elst-Pizarro。


2002年9月7日,夏威夷大学2.2米口径望远镜拍摄到的主带彗星133P/Elst-Pizarro | 论文[7]


事实上,欧空局曾在2015和2016年提出过一个叫作卡斯塔利亚号(Castalia)的探测任务,也瞄准了同一颗彗星,计划对它进行一系列近距离探测,但遗憾的是,该任务并没有被当时的Cosmic Vision项目选中[11]。


欧空局筹划中的Castalia任务概念图 | ESA[11]


好在,这个提案并没有被完全pass。经过进一步的完善,Castalia任务有望在2028年发射,这样可以在2035年抵达彗星133P/Elst-Pizarro,赶上2030年活跃之后的下一次近日点活跃[11, 12]。


按时间算来,这次中国是打算要抢先啦!


 3年一个小目标,7年一个大丰收


按照国家航天局公布的规划[1],中国的这次小行星探测任务将采用长征三号乙运载火箭,于西昌卫星发射中心发射。此外,从目前由中国空间技术研究院在今年月球与行星科学大会(LPSC)发表的摘要[13]来看,如果这一任务在2022年发射,那么日程安排可能是:


1. 2023年抵达近地小行星2016 HO3,环绕这颗小行星进行一系列近距离遥感探测,并择机采集10克以上的小行星样本;


2. 约2024年离开这颗小行星,返回地球;


3. 在2024年左右飞掠地球,同时把小行星样本返回舱丢回地球(✅历时2-3年的第一阶段任务完成)


4. 剩下的小分队继续飞掠地球和火星(引力助推),前往位于火星和木星之间的主小行星带;


5. 约2030年抵达主带彗星133P/Elst-Pizarro,刚好赶在这颗彗星又一次飞掠近日点之前,再环绕这颗彗星进行大约1年的近距离遥感探测(✅历时约7年的第二阶段任务完成)


如果在2022年发射,小行星任务的初步进度规划 | 制图:尞祡;改编自摘要[13] 


任务重,难度大


根据国家航天局公布的载荷方案征集[1],本次小行星任务初步计划携带8台科学仪器,包括:中视场彩色相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、多光谱相机、探测雷达、磁强计、带电粒子与中性粒子分析仪、尘埃分析仪。


随着探测任务的逐步展开,我们将借助这些科学仪器,一点一点揭开2016 HO3和133P/Elst-Pizarro的神秘面纱[1]:


  • 首先,是小行星2016 HO3的大小、形状、表面形态、物质分布、内部结构等;


  • 然后,是对送回地球的小行星样品进行实验室分析,了解2016 HO3的年龄、矿物组成、与已有陨石样本的异同等;


  • 再然后,是了解主带彗星133P/Elst-Pizarro的组成和形貌、临近空间环境,以及可能的水和有机物等信息。


这些实地探测结果不仅可以帮助我们追溯这两颗天体的形成和演化历史,还能进一步帮助我们探索太阳系形成之初的原始信息、地球上水和生命的起源、彗星与星际空间的相互作用机制,等等。


当然,这次任务的难度之大,也是显而易见的。且不说多任务探测的各种不确定性,仅仅是近距离环绕探测十米级的小行星并采样返回,也已经人类尚无前例的挑战了


面对重力如此微弱的小行星,如何进入它的环绕轨道?2016 HO3自转非常之快,半个小时就能自转一圈,如何着陆并采集样本?


更何况,我们对这两颗小行星/彗星的表面几乎一无所知,所有的精细探测计划都只能得到实际抵达、看清楚之后才能开始规划。


虽然尚未官宣,但据中国空间技术研究院的报告[13],这个项目很可能会被命名为“郑和号”


我相信,不用多说,大家也知道这个名字的意义和分量。这个名字里,寄托了我们对星辰和大海的理想,还有不懈的追求。


首次探测地球准卫星

首次探测十米级小行星 + 采样返回

首次探测主带彗星

……


作为中国的首次小行星/彗星探测计划,这样一个极具胆识、勇气和豪情的探测方案,当得起这个名字。


本文来自公众号:果壳(ID:Guokr42),作者: haibaraemily


致谢:本文感谢小龙哈勃的审稿和对本文提升所做的帮助~


参考文献

[1] 国家航天局 | 小行星探测任务有效载荷和搭载项目机遇公告

http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758839/c6805886/content.html

[2] https://earthsky.org/space/asteroid-2016-ho3-earth-second-moon-constant-companion

[3] NASA | Small Asteroid Is Earth's Constant Companion

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6537

[4] de la Fuente Marcos, C., & de la Fuente Marcos, R. (2016). Asteroid (469219) 2016 HO3, the smallest and closest Earth quasi-satellite. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 462(4), 3441-3456.

[5] https://beyondatlas.org/about/

[6] Elst, E. W., Pizarro, O., Pollas, C., Ticha, J., Tichy, M., Moravec, Z., ... & Marsden, B. G. (1996). Comet P/1996 N2 (Elst-Pizarro). International Astronomical Union Circular, 6456.

[7] Hsieh, H. H., Jewitt, D. C., & Fernández, Y. R. (2004). The strange case of 133P/Elst-Pizarro: A comet among the asteroids. The Astronomical Journal, 127(5), 2997.

[8] Strange comet discovered at ESO

https://www.eso.org/public/images/eso9637a/

[9] Read, M. T., Bressi, T. H., Gehrels, T., Scotti, J. V., & Christensen, E. J. (2005). Comet P/2005 U1 (Read). International Astronomical Union Circular, 8624.

http://www.cbat.eps.harvard.edu/iauc/08600/08624.html

[10] Hsieh, H. H., & Jewitt, D. (2006). A population of comets in the main asteroid belt. Science, 312 (5773), 561-563.

[11] Snodgrass, C., et al. "The Castalia mission to main belt comet 133p/Elst-Pizarro." Advances in Space Research 62.8 (2018): 1947-1976.

[12] https://sites.google.com/site/castaliathemission/

[13] Zhang, X., et al. "ZhengHe-A Mission to a Near-Earth Asteroid and a Main Belt Comet." Lunar and Planetary Science Conference. Vol. 50. 2019.

[14] 小龙哈勃的微博 https://weibo.com/1705147594/HqiL81MIq

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

正在改变与想要改变世界的人,都在虎嗅APP

赞赏
关闭赞赏 开启赞赏

支持一下   修改

确定

读了这篇文章的人还读了...

回顶部
收藏
评论1
点赞9