天外来新土！美国首个小行星采样任务返回地球

人从未比在太空行走时显得更为渺小，或更为伟大

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贝努

太空飞行7年后，NASA小行星探测器奥西里斯-REx（OSIRIS-REx）的样本返回舱于北京时间今天（9月24日）晚间22时52分在美国西部沙漠着陆。这是美国首个小行星采样返回任务。

▲样本返回舱着陆（图源：NASA Live）

耗资10亿美元的奥西里斯-REx 任务是2016年9月8日从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射的，近两年后抵达小行星贝努（Bennu）周围，然后又花了两年时间对其表面进行扫描和成像。

2020年10月20日，从轨道上对贝努的地形进行仔细观察后，探测器降落到这颗平均直径490米的小行星表面，收集了约250克样本，存入探测器的样本返回舱中。2021年5月，探测器推进系统点火，开始返回19亿公里之外的地球。

刚刚，它的样本返回舱完成了任务最困难的环节之一：地球大气层再入与着陆。

▲着陆瞬间（图源：NASA Live）

贝努是什么星？

贝努是1999年发现的一颗小行星，以古埃及神话中的不死鸟命名，其形状大致呈球形，像一个旋转的陀螺。奥西里斯-REx 探测器的高分辨率数据显示，它的表面很粗糙，有200多块直径大于10米的巨石，其中最大的一块直径为58米。巨石中含有长达1米以上的碳酸盐矿物。

有着45亿年历史的贝努小行星，就像来自太阳系演化早期的时光胶囊。它的碳有机分子中包含了地球生命的必要成分，以及在有水存在时能发生变化的矿物质。研究人员认为，地球上至少有一部分水和有机分子来自小行星。因此，贝努这样的小天体很可能为生命的起源提供线索。

NASA决定探测这颗小行星的另一个原因在于，2178年至2290年间，贝努撞击地球的总几率高达1800分之一，是最危险的小行星之一。

▲旋转的贝努（图源：NASA）

样本怎样返回？

两年4个月的返回飞行中，奥西里斯-REx 探测器基本上处于低功耗模式。随着探测器逐渐接近地球，NASA唤醒了它的某些系统，提高了探测器的功率，确保其轨道和方向能准确抛下样本返回舱。最小的错位也可能导致任务失败，让返回舱以毁灭性的速度坠落或者完全错过地球，飞向太空。 

在地球上空约10万公里高度，样本返回舱与探测器分离。探测器启动发动机以偏离地球，朝着新的任务目标——阿波菲斯小行星（Apophis）飞行。它将更名为奥西里斯-APEX（“奥西里斯-阿波菲斯探测器”的缩写），计划2029年进入阿波菲斯小行星的轨道，执行为期18个月的探测任务。

样本返回舱在分离约4小时后进入地球大气层。随着空气密度越来越大，它完全被包裹成一个火球。防热层能吸收和消散再入过程中产生的热量，其形状减缓了返回舱的下降速度，让它不会因空气燃烧摩擦而解体。在减速最激烈的阶段，返回舱将承受32倍于自身重量的力。

进入地球大气层约两分钟后，返回舱承受的力下降至自身重量的1.4倍左右。此时，锥状降落伞展开，将返回舱的飞行从高超音速减到亚音速。

返回舱进入犹他州国防部测试训练靶场上空16公里空域时，地面雷达站开始跟踪，并将着陆位置确定在9米范围内。距离地面约1.6公里处，主降落伞展开。最后，返回舱降落在该靶场58公里×14公里的着陆回收区内。

▲返回舱与探测器分离模拟（图源：NASA）

样本研究

屏息时刻到了。一旦确认着陆区安全，到达现场的回收人员将对刚刚着陆的返回舱将进行结构完整性检查，并送往附近的移动洁净间。着陆场的地面样本也被采集并检测，以排除贝努样本因撞击地表而受到污染的可能性。

在洁净间里，返回舱的防热层将被拆除，露出装有贝努样本的密封容器。容器将被送往NASA位于休斯敦的约翰逊航天中心，25%的样本要留在奥西里斯-REx任务团队手中。

作为为奥西里斯-REx 探测器提供了激光高度计的回报，加拿大航天局将获得4%的样本。日本航天局的份额是0.5%。（此前日本隼鸟2号任务带回5克小行星样本，给了NASA约10%。） 

剩下的70%样本将保存在约翰逊航天中心，“供尚未出生的科学家（未来）使用今天尚未发明的技术进行研究，以回答有关太阳系的基本问题。” 

针对1969年至1972年阿波罗宇航员带回的月球样本，NASA用了同样的方法。今天，科学家们仍在继续研究这些样本，不断产生关于月球及其历史的新认知。NASA还向博物馆提供了一些阿波罗任务的月球岩石，让普通人可以近距离观看地球之外的东西。

▲等待贝努样本的实验室（图源：NASA）

地外采样

NASA将这个秋季称为“小行星之秋”。10月5日，灵神星探测器（Psyche）将启程飞往同名的金属小行星。一个月后，露西探测器（Lucy）将飞掠自2021年升空以来相遇的第一颗小行星——位于火星和木星之间的主带小行星丁基内什（Dinkinesh）。这两次任务都不涉及采样。

从地外成功采集样本并返回地球的国家，仅有美国、日本、苏联/俄罗斯和中国。后二者均执行的是月球任务。

不算阿波罗宇航员收集的数百公斤月球岩石，这是NASA第三次从深空带回样本。2004年，“创世纪”号探测器（Genesis）带着收集了太阳风粒子的返回舱返回地球，不幸坠毁，样本受损。2006年，星尘号探测器（Stardust）成功捕获彗星的气体和尘埃粒子并着陆地球。科学家们从这些粒子中首次发现了组成蛋白质最基本的物质——甘氨酸，从而支持了地球上生命的原始成分源自太空的理论。

小行星采矿领域的先行者是日本。2010年，日本隼鸟号（Hayabusa）探测器从丝川小行星（Itokawa）采集了少许颗粒。2020年，隼鸟二号（Hayabusa2）从龙宫小行星（Ryugu）带回约5克样本，其中含有约2万种由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的有机物分子。

▲隼鸟二号样本返回（图源：JAXA）

参考文章：

1、AP，NASA spacecraft delivering biggest sample yet from an asteroid，

https://apnews.com/article/nasa-asteroid-sample-return-utah-6f601c00773ccf8b89706b0fcf64d172

2、Josh Dinner，How NASA's OSIRIS-REx will bring asteroid samples to Earth in 5 not-so-easy steps，

https://www.space.com/nasa-osiris-rex-sample-return-step-by-step

3、Mike Wall，Who will get OSIRIS-REx's asteroid samples after they land this weekend?

https://www.space.com/nasa-osiris-rex-asteroid-samples-fate  

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