冥王大战不死鸟：NASA OSIRIS-REx完成首次小行星贝努采样！
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本文首发于公众号「果壳」，不过那版为了考虑读者的先修知识，删减了与JAXA隼鸟2号的对比内容，这版更详细。
北京时间2020年10月21日清晨6点12分左右（美国时间的20日） [1]，NASA首个小行星采样返回任务OSIRIS-REx（冥王号）探测器，完成了它的首次降落采样！如果一切顺利的话，它会至少采集到60克贝努样品——这将是自阿波罗任务以来人类从太空采回的最多样品量。
冥王号采样 | University of Arizona/Brittany Enos
而这颗得名于埃及神话中的不死鸟、直径仅约500米的小行星“贝努”，在被冥王号探测器阴魂不散仔仔细细地环绕探测了一年多之后，也终于迎来和冥王号的“第一次亲密接触”。
为了这一天，冥王号已经演习了两次了。
冥王号：我先下来看看，下次再来“提货”▼
2020年8月11日，冥王号第二次采样演习时的“第一人称”视角实录 | NASA/Goddard/University of Arizona
“贝努”是一颗近地小行星，这意味着它有机会非常靠近地球。但它毕竟个头太小了，在地基望远镜中仅仅是一个小亮点，看不到任何细节。
2011年9月亚利桑那大学1.5米口径的柯伊伯望远镜拍到的贝努（绿圈） | Carl Hergenrother/University of Arizona [2]
想要探索太阳系里这些的小家伙，最大的难题之一就是在探测器抵达之前，人们对这些“目标”几乎一无所知，因此一飞到地儿就开始采样显然太鲁莽和危险了，毕竟探测器这么贵呢还脆 这个精细活儿可一点都急不得。
行星科学家和工程师们会在探测器出发之前就设计出周密的探测计划，让探测器先花上数月甚至一两年年时间做好功课，充分了解这个探测目标，才能最终确定采样位置、采样方式等细节。如果你是隼鸟2号系列的老读者，应该对这套流程非常熟悉了，冥王号对小行星贝努也是如此。
贝努近照 | NASA
JAXA隼鸟2号选择的近距离探测方案是伴飞探测，也就是总体保持在距小行星龙宫约20公里的距离上，和龙宫一起绕日飞行，但彼此又相互独立。隼鸟2号只在需要近距离探测或采样的时候才进一步下降飞近小行星龙宫，干完活再返回原本的高度。
隼鸟2号下降释放着陆器MASCOT过程。大部分时间隼鸟2号都一直停留在20公里高度处 | JAXA
而冥王号选择的方案是绕飞，也就是直接环绕着小行星飞行并完成各种探测。2018年12月3日，冥王号探测器抵达小行星贝努。12月31日，冥王号进入环贝努轨道，绕飞高度距贝努仅约1.6-2.1公里，这也是人类探测器首次成功环绕个头和引力如此小的小天体长期飞行。
冥王号最初的探测安排，对比下一张图可以看到许多日程后来发生了调整，降落采样时间也从原本的8月推迟到了10月 | 汉化自：NASA & APL
在此后的一年多时间里，冥王号一点一点调整轨道，在各种高度上地毯式扫射贝努表面的每一寸土地，对一部分需要重点考察的区域（例如备选采样区），冥王号的飞掠高度甚至可以低达250米。
贝努，一点一点靠近你 | University of Arizona [3]
通过这些近距离考察，贝努这个望远镜里的小亮点，已经一跃成为太阳系中人类最了解的小行星之一了。
冥王号携带的PolyCam相机用2155张照片拼出了小行星贝努的超高清全球影像图，分辨率高达5厘米/像素，是人类迄今为止获取的最高清的外星球全球影像图。（比隼鸟2号离得近的优势展露无疑啊）
冥王号2019年3月7日-4月19日拍摄的2155张照片拼接图，拍摄距离贝努表面3.1-5公里 | NASA/Goddard/University of Arizona [4]
冥王号也携带了类似隼鸟2号LiDAR的激光测高计（OLA），用2000万个激光测距点数据帮助冥王号建立了贝努全球的高分辨率三维地形模型。
（左）冥王号的激光测高计（OLA）| 加拿大宇航局 （右）OLA获取的小行星贝努3D地形模型，越红越高，越蓝越低，差值约60米 | NASA/University of Arizona/CSA/York/MDA [5]
冥王号的可见光与近红外光谱仪（OVIRS）发现贝努表面广泛分布着水合矿物[6]和含碳物质（有机物和碳酸盐矿物）[7]，这意味着冥王号采回的样品或许可以为我们带来揭示地球上水和有机物起源的线索。
OVIRS获取的贝努全球水合物和含碳物质光谱分布图。波段深度和波段面积对含量有一定的指示作用，但也和颗粒大小、空间风化等因素有关 | 参考文献 [7]
这些探测结果都为冥王号后续的着陆选址工作提供了有力的工程数据支持和和科学价值评估依据。
冥王号项目组没有想到，选择着陆区会是一件如此棘手的事情。
或许项目组原本以为，探测器到地儿一通狂测，只要测的够细致，选个采样区算什么难事，顶多就是有科学价值的地方太多了，选择综合征一下呗。
直到冥王号探测器真的近距离看到了小行星贝努，他们才惊讶地发现，之前通过地基望远镜观测和推算的情况，想得有点太美好了……
这颗小行星表面崎岖多石。看看这密密麻麻的大小石块，，这让冥王号如何下脚 采样臂嘛！
冥王号OCAMS (PolyCam)相机2019年3月7日距离贝努约5公里处（Detailed Survey: Baseball Diamond阶段）拍摄的贝努表面，图幅中间偏下的那块浅色石块约7.4米宽 | NASA/Goddard/University of Arizona [8]
残酷的现实为项目组寻找合适的采样点带来了更多困难，也为冥王号的着陆采样带来更多危险和不确定性。但来都来了还能咋滴，经过反复考察和挑选，冥王号项目组还是尽可能从贝努表面选出了四个还算安全，也具备较高科学价值的备选着陆区：
四个备选着陆点的位置，全都以鸟类命名 | NASA/Goddard/University of Arizona [9]
最终，最北端的“夜莺”（Nightingale）当选冥王号的首次采样区 [10]。
“夜莺”采样区位于北半球一个一个直径140米的撞击坑中 | NASA/Goddard/University of Arizona [11]
但即使是精挑细选的采样区，也依然挺不让人省心的。冥王号设计的时候，项目组原本希望平坦的采样区至少有50米直径那么大，那样即使探测器落得不那么精准，也能有点容错量。
然而现实是，即使是目前最合适的夜莺采样区，也不过是巨石环伺之中的一小片狭小的平坦区域而已，可允许冥王号安全采样的着陆区仅有直径6米。
原本计划的采样区大小（橙圈，直径50米）和实际允许的安全采样区大小（蓝圈，直径6米），对比小汽车的大小 | NASA/Goddard/University of Arizona [12]
如果不能准确落在这个区域之内，那冥王号很可能还没采集到样品，就在降落过程中一不小心磕到碰到哪块大石头然后扑街了。
巨石环伺之中的一小块平坦区域，夜莺采样区。由345张冥王号影像拼接而成。上方为贝努的东方 | NASA/Goddard/University of Arizona [13]
为了尽量减少和大石块的接触，冥王号会在下降过程中把两枚太阳能板收拢成Y型。
缩起太阳能板采样的冥王号：我当时害怕极了.jpg | NASA
但这还远远不够。
冥王号任务起初打算使用激光测距（LiDAR）作为着陆采样阶段的主导航定位手段。但为了落得更准，NASA最终放弃了LiDAR，改用了另一套基于光学影像的备用导航定位方案——自然特征跟踪（Natural Feature Tracking，NFT)技术。（更多关于LiDAR的介绍：iphone12的激光雷达，月球火星小行星探测也都在用）
冥王号在降落过程中不断实时拍摄着陆区附近的照片，用这些照片和已有的三维地形和影像数据库比对，匹配着陆区一带的特征石块作为地标，就可以更新自己的实时位置、速度和计划采样位置，如果检测到拍摄的影像里有危险障碍物还可以自主撤离 [14]。
冥王号的自然特征跟踪（NFT）技术 | © NASA/Goddard/University of Arizona [14] 汉化：@haibaraemily
冥王号探测器已经在两次降落采样演习中验证了NFT技术的可靠性，也在实际降落采样过程中使用了这种技术辅助精确降落。
使用自然特征跟踪（NFT）技术下降中的冥王号探测器示意图 | NASA/Goddard/University of Arizona [14]
面对直径仅约500米，重力极其微小的小行星贝努，冥王号采用了“接触即离开”式采样（Touch-And-Go，TAG），也就是…碰一下就走。这和我们更熟悉的JAXA隼鸟2号探测器在小行星龙宫上的采样策略几乎一样。（详见：电光火石，短兵相接！隼鸟2号第一次龙宫采样全记录和3亿公里外，60厘米精度！隼鸟2号第二次龙宫采样全记录）
冥王号整个接触采样过程计划总时长约4.5个小时，共需完成3次点火操作才能从原本的绕飞轨道降落到贝努表面：
1）第一次点火：离开距贝努表面约770米高的绕飞轨道，开始下降；
2）第二次点火：在约125米高度处点火，检核并调整冥王号的位置和速度，因此也称为“检核点点火”；
3）第三次点火：在约54米高度处点火，调整飞行参数来匹配接触采样时贝努的自转，因此也称为“匹配点点火”；
4）着陆采样：降落到贝努表面，接触采样。采样臂（TAGSAM）与贝努表面接触后，在不到16秒的时间里向贝努表面发射一发压缩氮气，用采样臂头部捕获气体扬起的贝努表面物质。（隼鸟2号是接触后采样杆内发出钽质子弹，捕获子弹扬起的物质。无论是使用钽质子弹还是压缩氮气，目的都是避免引入不可控的外来物质污染采集到的固体样品。关于隼鸟2号的采样过程详见：电光火石，短兵相接！隼鸟2号第一次龙宫采样全记录）
冥王号采样时采样臂头部工作示意图 | NASA [15]
5）事了绝尘去：点火起飞，返回原本的绕飞高度。
冥王号下降到采样点然后上升示意图，此动画中没有接触采样步骤 |NASA Goddard
冥王号计划采集至少60克贝努的石块和尘土样品带回地球，最多甚至可能采到2公斤，这将是自阿波罗任务以来人类从太空采回的最多样品量。（正在返航路上的隼鸟2号样品采集量约100毫克）。
冥王号可能采集到样品的质量和体积示意 | NASA
那么问题来了，如何确定探测器采集到了足够的样品呢？冥王号项目组计划用“双保险”来确认：
1）2020年10月22日（美国时间，下同），冥王号会用SamCam相机拍摄采样臂（TAGSAM）头部的照片，查看是否包含贝努表面物质；
SamCam相机确认样品 | NASA/Goddard/CI Lab [16]
2）2020年10月24日，冥王号会开始“转圈圈”——通过带着展开的采样臂一同旋转，对比采样前后的惯量矩变化，来测量采集到的样品重量是否达标。
旋转“称”重 | NASA/Goddard/CI Lab [16]
如果两次测试均显示采集量达标，那么这些样品会被送入样品返回舱（SRC）中，留待送回地球。
“装箱” | NASA/Goddard/CI Lab [16]
如果这次没有从夜莺采样区采集到样品或者足够的样品…没事，也还可以挽救！冥王号还有两罐压缩氮气，也就是说还有两次尝试采样的机会——它最快将于2021年1月在备选采样区“鱼鹰”（Osprey）再次尝试TAG接触采样。
“鱼鹰”采样区 | NASA/Goddard/University of Arizona [10]
冥王号计划于2021年启程离开小行星贝努，2023年9月24日将采集到的样品带回地球。
另一边，已经在回家路上的隼鸟2号，则会率先于今年12月将小行星“龙宫”的样品送回地球，然后开始新的征程。
冥王号和隼鸟2号的探测日程计划 | University of Arizona
而在那之前，中国的嫦娥5号探测器也将后发而先至，从月球上采集样本送回地球。在沉寂了几十年之后，对外太空的采样探测迎来了又一轮的热潮。
太空探索，未来可期！
[1] NASA to Broadcast OSIRIS-REx Asteroid Sample Collection Activities
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-broadcast-osiris-rex-asteroid-sample-collection-activities
[2] ASTEROID BENNU, AS SEEN FROM EARTH
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=asteroid-bennu-seen-earth
[3] OSIRIS-REx: Lowest Altitudes
https://www.asteroidmission.org/phases-lowest-altitudes-recon-c-03-09-2020/
[4] Bennu Global Mosaic
https://www.asteroidmission.org/bennu_global_mosaic/
[5] OLA’s Complete 3D Map of Bennu
https://www.asteroidmission.org/bennu_fullglobe_rotating_gif/
[6] Hamilton, V. E., Simon, A. A., Christensen, P. R., Reuter, D. C., Clark, B. E., Barucci, M. A., ... & Connolly, H. C. (2019). Evidence for widespread hydrated minerals on asteroid (101955) Bennu. Nature Astronomy, 3(4), 332-340.
[7] Simon, A. A., Kaplan, H. H., Hamilton, V. E., Lauretta, D. S., Campins, H., Emery, J. P., ... & Golish, D. R. (2020). Widespread carbon-bearing materials on near-Earth asteroid (101955) Bennu. Science.
[8] Bennu’s Boulders and Limb from Detailed Survey
https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=15551#main
[9] NASA’s OSIRIS-REx in the Midst of Site Selection
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=nasas-osiris-rex-in-the-midst-of-site-selection
[10] X MARKS THE SPOT: NASA SELECTS SITE FOR ASTEROID SAMPLE COLLECTION
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=x-marks-the-spot-nasa-selects-site-for-asteroid-sample-collection
[11] OSIRIS-REx: X Marks the Spot - 2019 AGU Press Conference
https://svs.gsfc.nasa.gov/13489
[12] Nightingale Sampling Area
https://www.asteroidmission.org/nightingalesamplingarea/
[13] Nightingale with Graphic of Spacecraft
https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=25876#main
[14] Bennu’s Boulders Shine as Beacons for NASA’s OSIRIS-REx
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=bennus-boulders-shine-as-beacons-for-nasas-osiris-rex
[15] TAGSAM Head Collecting Asteroid Sample
https://www.asteroidmission.org/asteroid-operations/tagsam_head/#main
[16] NASA | OSIRIS-REx: Countdown to TAG
https://svs.gsfc.nasa.gov/13724
关于作者
灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究，本公众号主页君。更多精彩，欢迎关注公众号~
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