可能對人類構成最大威脅的小行星於 1999 年被發現，它在太空中翻滾，其不穩定的軌道週期性地與地球繞太陽的軌道相交。天文學家最終以埃及神話中的創世神貝努命名了這個半公里寬的天體。的確，如果富含有機化合物和富含水的礦物質的貝努墜落在一個荒蕪的世界，它可能會播下生命的種子。但實際上，它可能註定會造成巨大的苦難和死亡。天文學家預測，在 2135 年，貝努將比月球更近地掠過地球，這次飛掠可能會調整小行星的軌跡，從而確保在 22 世紀後期撞擊我們的星球。
沒有人能夠預測貝努可能墜落地球的哪個確切位置，儘管基本的算術表明，它的撞擊可能會釋放相當於 3000 兆噸 TNT 的能量。如果 2135 年的飛掠使其走上與地球的碰撞軌道，全球領導人基本上將有兩種選擇來避免災難：要麼疏散世界上的大片區域，要麼發射任務來偏轉小行星。為了瞭解疏散或偏轉任務需要有多大規模，未來的規劃者將部分依賴於一個多世紀前，NASA 計劃於今年九月發射的探測器收集的資料。這個名為 OSIRIS-REx 的探測器將訪問貝努，目標是將小行星的樣本帶回地球。
OSIRIS-REx 的起源
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
作為太陽系形成的殘餘物，小行星是我們歷史上最黑暗時期的使者，攜帶著關於地球地質記錄前數億年事件的原本無法獲得的資料。來自小行星的樣本可能包含關於太陽誕生、行星形成，甚至地球生命起源的懸而未決的問題的答案。再加上需要防範災難性的小行星撞擊，很明顯科學家們對這些天體感興趣的原因。
不太明顯的是，為什麼我們需要派遣探測器進行往返任務來獲取樣本。畢竟，小行星的碎片一直在墜落到地球上——我們稱之為隕石。問題在於，幾乎沒有隕石是原始的。所有隕石都必須經歷一次熾熱的、表面熔化的進入地球大氣層的過程，而且大多數隕石在被發現之前都會經歷數年、數百年甚至數千年的風吹雨打，它們未被講述的故事在長期暴露於風雨中後慢慢褪色。相比之下，大多數小行星在深空的無菌環境中已被有效地保持靜止數十億年。訪問它們是獲取它們所含資訊的唯一途徑。
而在小行星中，貝努是一個特例。填充地球博物館的大多數隕石碎片是由岩石和金屬組成的——這些材料足夠耐用，可以在墜落到我們星球表面的過程中倖存下來。另一方面，貝努是一個煤黑色的、由脆弱的有機化合物組成的團塊。這種碳質化合物可能是我們星球上碳基生物化學的前身。即使貝努沒有潛在的危險，科學家們也會想要研究它。但它確實具有潛在的危險——而且正因為貝努如此危險地接近我們的星球，樣本返回任務才是可行的。
貝努的故事至少可以追溯到十億年前，當時它誕生於一顆在火星和木星之間漂移的、被撞擊破碎的原行星噴射出的碎石堆。OSIRIS-REx 的故事始於 2004 年 2 月，當時我還是亞利桑那大學月球與行星實驗室的一名三年級助理教授。航空航天公司洛克希德·馬丁公司聯絡了我的老闆邁克爾·J·德雷克，請他擔任 NASA 提議的小行星樣本返回任務的首席研究員，德雷克聯絡了我，請我擔任他的副手。
我早期在任務中的工作是定義其科學原理。我已經研究隕石十多年了，並且知道所有關於隕石的未解之謎，只有大量原始物質的樣本返回才能提供答案。當時，只有一個專案可以與我們的專案相提並論：日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 的隼鳥號任務，該任務於 2005 年與小行星絲川會合以收集樣本。隼鳥號任務僅部分成功。探測器設法收集了 1500 個微小的礦物顆粒，遠少於預期。（從小行星上採集樣本很難！）此外，絲川是一個明亮的石質天體，其歷史和科學潛力與貝努等黑暗的碳質小行星截然不同。我們正在進入新的領域。
一天晚上在家中，我決定起草一份任務的主要科學主題綱要，並寫下了四個詞：起源、光譜學、資源和安全。來自貝努等小行星的原始樣本可以告訴我們更多關於行星甚至生命本身的起源。對其表面土壤（風化層）的光譜學研究將增加成功採集具有科學價值的樣本的機會，並且還可以揭示貝努是否擁有未來某天可以開採的寶貴資源。我們對貝努的軌道、成分和其他特徵瞭解得越多，我們就越能確定小行星是否會對地球構成威脅，以及我們如何才能使其偏轉。更廣泛地說，來自發送到貝努的探測器的高保真“地面實況”資料將使我們能夠查明和控制可能存在於望遠鏡觀測和理論模型中的缺陷，從而支援對整個太陽系中更廣泛的小行星種類進行研究。
點選或輕觸放大
圖表：布萊恩·克里斯蒂
該綱要定義了該任務，並提供了其令人敬畏的、曲折的首字母縮略詞：OSIRIS-REx 代表起源、光譜解釋、資源識別和安全-風化層探測器。NASA 於 2011 年 5 月 25 日選擇了 OSIRIS-REx 進行飛行，團隊成員聚集在一起慶祝我們的成功。不幸的是，德雷克不久之後於 2011 年 9 月去世。我從副手晉升為首席研究員，取代了他的位置。OSIRIS-REx 團隊每天都在紀念邁克的工作，他們知道，當我們準備開闢新的科學前沿時，他會為我們感到驕傲。
從生命的起源到外星經濟
OSIRIS-REx 的旅程將從探測器於 9 月在佛羅里達州卡納維拉爾角搭乘宇宙神 V 型火箭發射時開始。它將在太陽系中飛行近兩年，然後於 2018 年 8 月抵達貝努。然後它將在貝努軌道上執行三年多，徹底繪製小行星的地圖，並最終採集至少 60 克重的樣本。
OSIRIS-REx 返回的樣本將記錄一段漫長的時間跨度，從太陽系存在之前到現在。貝努最古老的礦物質將是微小的“太陽前”顆粒，這些顆粒是在垂死恆星發出的恆星風中形成的。最終，這些顆粒被併入太陽及其行星中。貝努最年輕的成分將是由微隕石撞擊、宇宙射線和太陽耀斑改變的礦物質和化合物。OSIRIS-REx 對碳質小行星上的這些“太空風化”過程的研究將是前所未有的。
然而，與其他碳質小行星一樣，貝努的大部分物質將是有機分子和富含水的粘土礦物——這些物質被認為是 DNA、RNA、蛋白質和地球生命其他組成部分的原始原料。貝努的一些水曾經是液態的，在小行星核心中，由鋁 26 和鐵 60 等短壽命同位素的放射性衰變保持溫暖。大量的碳質小行星一定曾墜落到早期的、益生元地球上。但是，這些小行星是否真的孕育了生命的配方，在我們星球上很難輕易回答——這裡沒有足夠古老的、未被改變的岩石來講述這個故事。
OSIRIS-REx 不僅是一項探索我們深層起源的任務；它還將收集對我們未來至關重要的資訊。幾家公司和國家正在認真研究小行星採礦，將其作為解決地球內外資源限制的方案，探索提取貴金屬以供地球上使用，或利用水冰在太空中生產火箭燃料的方法。憑藉其精確繪製小行星地圖和繞小行星機動的能力，OSIRIS-REx 將成為未來小行星採礦任務的探路者。
貝努的威脅
儘管改善小行星撞擊預報和預防方法並非該任務的唯一目的，但 OSIRIS-REx 在這方面的價值不容低估。確定小行星是否會撞擊地球需要極其精確地測量天體的軌道。要理解這項任務的難度，請考慮所涉及的距離和力。貝努每 1.2 年繞太陽一週，軌道速度超過每秒 28 公里，並且每六年接近地球一次。在一次軌道執行中，這顆小行星的行程超過十億公里；在其最遠距離，小行星距離地球超過 3.4 億公里。
由於它經常相對接近地球，天文學家已經能夠足夠仔細地研究貝努的軌道，使其成為小行星目錄中記錄最精確的軌道。其半長軸（其軌道在兩個最遠點處的半徑）的不確定性僅為 6 米，總長度為 168,505,699.049 公里。這相當於以約三分之一毫米的精度測量從紐約市到洛杉磯的距離。但僅軌道精度是不夠的，因為許多外力會導致小行星的軌道發生變化。
為了繪製貝努的航線，OSIRIS-REx 團隊使用高保真模型來計算所有力對小行星軌道的影響。這些模型必須考慮太陽、月球和八大行星，以及其他大型小行星和矮行星冥王星的引力效應。即使是地球的扁率也發揮著作用，因為它會在近距離經過的小行星的軌跡中引起顯著的變化。模型預測貝努將在 2135 年在距離地球 30 萬公里的範圍內經過。之後會發生什麼就更難預測了。然而，可以肯定的是：如果貝努在 2135 年的飛掠過程中穿過地球周圍的幾個“鎖眼”區域之一，累積的引力效應將使其在 22 世紀末期走上撞擊地球的軌道。
我們對貝努的瞭解實在太少，無法預測它是否真的會穿過那些鎖眼區域之一。我們目前計算出在 2196 年撞擊地球的可能性約為萬分之一；彙總所有潛在的地球撞擊事件，估計在 2175 年至 2196 年之間的某個時間撞擊地球的可能性約為 2700 分之一。然而，貝努似乎與撞擊地球的可能性一樣，也很可能完全被彈出內太陽系。如果它避免了這些結果，它最終幾乎有均等的機會墜入太陽，撞擊金星的可能性略低。或者——儘管這種情況不太可能發生——它可能會撞擊水星、火星或木星。更好的貝努內部、表面和軌道相互作用模型——OSIRIS-REx 可以提供的模型——將使我們能夠提高預報的準確性。
但是，OSIRIS-REx 對小行星預報的最大貢獻將是對最近發現的非引力現象——雅科夫斯基效應 [見上方方框] 的研究。雅科夫斯基效應描述了小行星吸收陽光並將能量以熱量的形式輻射回太空時作用在小行星上的力。當這種熱輻射沒有均勻分佈在整個小行星上時，它就像一個微小的推進器，導致小行星漂移並隨著時間的推移改變其軌道。具有順行自轉（像地球一樣從西向東旋轉）的小行星在這種推力下會遠離太陽漂移。具有逆行自轉的小行星（如貝努）則會向內漂移。
我們已經使用地面和太空望遠鏡測量了貝努的雅科夫斯基效應，揭示自 1999 年發現以來，它的位置已經偏移了 160 多公里。這些測量結果表明，貝努可能起源於更遠的小行星帶，在火星和木星之間的某個位置，然後向內遷移到目前的位置。不均勻的太陽光照和熱再輻射也會影響小行星的自轉，這很好地解釋了貝努的陀螺狀形狀。這種形狀來自於陽光不對稱地照射在貝努表面，長期以來提高了其自轉速度，並穩定地將表面物質從兩極驅動到赤道。由此產生的大規模表面重塑可能將新鮮的、未風化的物質帶到了貝努表面——非常適合獲取原始樣本。
OSIRIS-REx 將透過測量貝努的自轉、表面積和熱輻射，對雅科夫斯基效應進行詳細研究。我們還將在遭遇過程中直接測量雅科夫斯基加速度。這項研究將改進我們對雅科夫斯基效應的理論，並使我們能夠將其納入所有近地小行星的撞擊危險評估中。此外，更好地理解雅科夫斯基效應可能對未來的小行星偏轉任務至關重要，這些任務可能會利用該效應來幫助將危險的太空岩石推到不同的、威脅較小的軌道上。
盛大結局
從開始到結束——從 2000 年代中期起源到 2020 年代結束，再到其多代人的遺產——OSIRIS-REx 將代表數十年的工作和數億美元的投資。所有這些努力和費用都將在一個僅僅持續五秒鐘的行為中達到頂峰：觸碰即走機動，探測器必須執行該機動才能從小行星表面採集樣本。
OSIRIS-REx 將使用一種名為觸碰即走式樣本採集機構 (TAGSAM) 的儀器採集樣本。TAGSAM 由兩個主要元件組成，一個取樣頭和一個鉸接定位臂。取樣頭透過釋放一股氮氣射流來採集大塊樣本，氮氣射流“液化”風化層並將其推進到收集室中。鉸接臂將取樣頭定位以進行採集，將其帶回進行視覺記錄，並將其放入返回地球的艙中。作為備份，TAGSAM 底板上的 24 個獨立的表面接觸墊將在接觸小行星表面時採集細顆粒物質。
OSIRIS-REx 在貝努停留的三年時間裡，大部分時間將用於為最後的機動做準備。探測器將利用其相機、雷射器、無線電天線和光譜儀，建立小行星的多個高解析度全球勘測圖。從這些勘測圖中，我們將構建一張“藏寶圖”，該地圖將根據安全性、獲取樣本的估計難易程度以及任何採集樣本的預期科學價值，確定一個主要和一個備用樣本採集點。最安全的訪問區域可能靠近赤道，在那裡探測器可以更容易地匹配旋轉小行星的速度，以便在表面著陸。最具科學價值的地點應該包含各種有機化合物、富含水的礦物質和其他物質，這些物質可以幫助我們瞭解小行星是否對地球生命的起源做出了貢獻。
一旦 OSIRIS-REx 團隊選擇了主要樣本採集點並進行了廣泛的彩排，實際的觸碰即走機動將開始。此時，貝努可能在其軌道的最遠端，距離地球超過 18 光分。在我們傳送啟動機動的命令後，我們只能坐下來等待自動化過程展開。在幾個小時內進行的一系列三次推進燃燒中，OSIRIS-REx 將脫離軌道，與取樣點對齊，然後緩慢下降到小行星表面。它將以最大速度每秒 10 釐米的速度著陸。TAGSAM 將有五秒鐘的時間採集樣本，然後探測器將從小行星上起飛，升至小行星上方約 10 公里的高度。在那裡，它將進行一系列測試，以確保取樣成功。TAGSAM 包含足夠的氮氣用於三次取樣嘗試——三次罷工，我們就出局了。
如果一切順利，在 2021 年，探測器將點燃其主發動機，將其珍貴的樣本返回地球。在 2023 年末，就在將樣本返回艙拋入地球大氣層後，OSIRIS-REx 將再次點燃其發動機，進入圍繞太陽的安全、穩定的墓地軌道。樣本返回艙將以超過每小時 45,000 公里的速度撞擊大氣層頂部，受到隔熱罩的保護，隔熱罩將釋放掉其 99% 以上的再入能量。在三公里的高度，返回艙將展開降落傘，減速至在猶他州西沙漠軟著陸，此時距離其旅程開始已過去七年。一支專家團隊將回收樣本，並將其運送到 NASA 約翰遜航天中心進行長期儲存和分發，以便全球科學界能夠在未來幾代人對其進行研究。