中国将从小行星采样返回，详解未来20年探测计划
嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星。照片由中科院紫金山天文台提供
记者：喻菲
中国国务院新闻办公室最近发布的《2016中国的航天》白皮书在介绍未来五年深空探测的主要任务时，也提及了小行星探测。
作为中国深空探测科学目标论证专家委员会成员的中科院紫金山天文台研究员季江徽说，专家组论证了中国未来20年深空探测的主要科学目标，目前基本确定紧随火星计划的是探测小行星，之后会是木星及木卫系统。
“专家们的计划是专门发射一颗小行星空间探测器，对三颗近地小行星开展飞越、伴飞、伴飞附着探测。附着就是要落在小行星表面，进行原位采样分析。”季江徽说。
目前，世界上只有美国和日本的探测器在小行星上着陆过。日本的隼鸟一号探测器曾在丝川小行星上着陆并采样返回。
“将来中国有可能像日本一样从小行星采样返回，在地面上的实验室里分析取回的样品。2017年嫦娥五号一旦成功从月球采样返回，就说明中国具备这个能力。”季江徽说。
和小行星一起飞
目标将选三颗特别的小行星
小行星一般是指围绕太阳运行的体积较小的岩石或金属天体。绝大多数小行星分布于火星和木星轨道之间的主带区域。由于质量较小，因此大多数小行星的形状很不规则。然而，这些体积虽小又无大气的小行星上却可能蕴含了地球生命和水体起源的重要线索，同时也蕴藏着太阳系形成初期的原始信息，因而对其研究具有重要的科学价值。特别是一些小行星轨道与地球轨道很接近或相交，存在与地球相撞的可能，因此对地球与人类的安全构成了潜在危险。
季江徽介绍探测小行星的科学目标时说，首选探测目标是对地球构成威胁的近地小行星，评估它们撞击地球的概率；二要研究小行星的形成和演化，从而研究太阳系的起源、演化；三是探索地球生命和水的起源。
季江徽介绍，中国科学家拟选择三颗很特别的近地小行星作为探测目标，目前的设想是对阿波菲斯（Apophis）小行星进行伴飞探测，对1996 FG3小行星进行伴飞并附着探测，另外还要根据探测器的发射窗口选择一颗近地小行星开展飞越探测。整个探测任务约持续6年。
阿波菲斯小行星于2004年被发现，其最大直径约为394米，宽度超过两个足球场大。专家测算，阿波菲斯将于2029年4月13日和地球“擦肩而过”，距离地球表面约3万多千米，比月球都要近得多，从而创造最接近地球的记录，届时将裸眼可见。由于它的运行轨道被地球引力改变，它将于2036年重新造访地球。
“阿波菲斯”是埃及神话中的毁灭之神，以此命名是因为科学家曾认为这颗小行星对地球威胁很大。由于存在未来撞击地球的可能性，它在近几年备受科学家的关注。全球有100多个科研小组在对它研究。不过不必担心，目前科学家测算它撞击地球的概率微乎其微。
小行星接近地球
来自太空的潜在威胁
尽管暂时不必为阿波菲斯担忧，但科学家估计在地球附近存在着30万颗直径在40米以上的近地天体，目前只发现了约3%。这使得国际社会愈发重视近地小行星对地球和人类生存的威胁。2013年12月经联合国大会批准成立了国际小行星预警网。
2017年1月下旬，作为该预警网的成员，紫金山天文台近地天体望远镜发现了三颗近地小行星：2017 BK3、2017 BM3、2017 BL3，而2017 BL3是一个有潜在威胁的近地小行星。
美国白宫科技政策办公室最近发布《国家近地天体防备战略》，指出近地天体作为一个潜在威胁，可能对全球环境、经济、地缘政治造成严重灾难。2013年2月15日，俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件，致使1200人受伤，近3000座建筑受损。
季江徽说，面对近地天体的碰撞威胁，不仅需要在地面上建设专门的望远镜组成监测预警网络，还需开展空基近地小行星全面普查，更需要发射小行星探测器对探测目标进行近距离详细勘查，了解其物理特性、内部结构与组成成分等。
他说，中国开展小行星深空探测将有助于更好的了解近地天体的基本特性，便于将来采取有效的应对措施来防御、减缓或消除碰撞威胁。
在小行星上采样分析
小行星上或将发现生命起源的奥秘
科学家认为， 1996 FG3小行星上或许能发现地球生命起源的秘密。
季江徽说，关于地球生命起源目前有两种理论，一种是生命孕育于地球自身，另一种是来自外太空。科学家找到的许多陨石上含有有机物，被认为与生命起源有关。另外在很多小行星上还发现了水，有科学家认为，地球上的水可能来自小行星或彗星。
“为什么1996 FG3小行星被认为与生命有关呢？因为科学家已经在地面上对它做了大量的天文观测，通过光谱分析发现它是一颗碳质小行星，很可能含有生命起源所需的有机组分。”季江徽说。
他说，碳质小行星在火星与木星轨道间的主带非常多，但是在近地小行星中不多见。这些小行星可能受到大行星的引力扰动离开了主带，以及由于各方向受到不均匀的热辐射而获得动能从而拉近它们与地球的距离。
季江徽介绍，紫金山天文台与国内有关单位已合作完成了小行星采样一体化装置原理样机的研制，这为中国未来小行星原位采样提供了有力保障。
中国科学家研制的小行星一体化采样装置。照片由中科院紫金山天文台提供
飞越“战神”
其实中国早已飞越探测过一颗小行星。
好似一块生姜，也像一颗奇形怪状的花生，它是一颗以西方神话中战神“图塔蒂斯”命名的小行星。图塔蒂斯是一颗对地球构成潜在威胁的近地小行星，在2012年之前每四年接近一次地球。
2012年12月13日，中国第二颗月球探测器嫦娥二号圆满完成探月既定任务和日-地L2点试验任务之后，在距地球约700万千米远的深空，以每秒10千米的相对速度，从图塔蒂斯小行星身边飞奔而过，距“战神”最近的距离约为770米。
这是中国首次实现对小行星的飞越探测，也是国际上首次实现对“战神”的近距离探测，并拍下这颗小行星的光学图像，第一次将其表面特征清晰地呈现在世人面前，最高分辨率优于3米。
“嫦娥”飞越“战神”
季江徽举着一本美国出版的厚厚专著Asteroids IV说，这是小行星科学研究的“圣经”，每十年出版一本，概括过去十年在这个领域研究的国际最新进展。“这是最新版的，邀请我们写了一部分，介绍嫦娥二号对图塔蒂斯的探测成果。目前对小行星研究比较多的是欧美。天文学家虽然观测了很多小行星，但是空间探测并拍摄到照片的小行星很少，只有十多颗。”
季江徽说：“嫦娥二号能在距离地球那么遥远的地方接近图塔蒂斯，并在那么短暂的相遇时间抓拍到它是一件非常困难的事。在国际会议上，很多国外科学家问到嫦娥二号能离图塔蒂斯那么近，是不是准备撞上去的？其实并没有。”
他说，2010年发射的嫦娥二号是为了探月而设计的，但国防科工局探月与航天工程中心在发射之前征集了嫦娥二号探月之后的拓展试验建议。
紫金山天文台研究员季江徽在介绍中国小行星研究。喻菲 摄影
“那时候中国的深空测控网能力还不够，所以必须找一个小行星接近地球的机会。我念研究生的时候就研究过图塔蒂斯，所以一下子就想到它。因为它是一颗近地小行星，也是对地球构成威胁、体积最大的天体。它的轨道在变化，在2012年之前每四年会接近一次地球；2012年后再次如此接近地球要等到2060年后。”
在嫦娥二号拓展试验任务中，季江徽带领团队对图塔蒂斯的轨道进行了精确确定，定轨结果直接被卫星系统所采用，还对卫星飞越时刻拍照策略及预期小行星成像效果进行模拟仿真，为拓展试验任务的成功实施提供了关键的科学依据。
Nature 英文网站对嫦娥二号飞越探测图塔蒂斯小行星的报道。网站截图
嫦娥二号成功飞越并对图塔蒂斯拍照后的这几年，季江徽团队与合作者对这颗小行星开展了深入研究，一系列文章发表在《自然》出版集团旗下期刊《科学报告》及《英国皇家天文学会月刊》上。
科学家发现，图塔蒂斯由较小一端的“头部”与较大一端的“身体”组成。根据图像估算，它长约4.75千米，宽约1.95千米。科学家还研究了它为何能在太空中“翻跟头”；揭示了它表面的大部分碎石来源于早期图塔蒂斯小行星母体形成时的残留碎片，估测了其表面的撞击坑的年龄约为16亿年。
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