外星样品到手：NASA完成首次小行星采样任务

美国犹他州西部荒漠，已经高照的艳阳丝毫驱散不了清晨的凉意，好在没有一丝微风，仿佛大自然也和现场守候的众人一样，在屏息以待一个重要时刻的到来。

飞碟形状的返回舱高速突入大气层，在湛蓝的天空中划出一道白昼流星。片刻后，红白相间的降落伞展开，如同一片轻盈的树叶从空中飘落。最终，返回舱缓缓触地，沙尘微扬。

此刻，是2023年9月24日，当地时间8点52分。NASA首个小行星采样返回任务OSIRIS-REx（冥王号）在一颗名叫“贝努”的近地小行星上采集的样品，终于安全抵达了地球。

冥王号返回地球的海报 | University of Arizona ^[1]

“冥界霸王龙”vs.“不死鸟”

NASA的冥王号探测器，发射于2016年9月8日，全称“Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer”，意思是太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障-小行星风化层探索者，缩写OSIRIS-REx。

OSIRIS是埃及神话中的神祇奥西里斯，他有双重身份，既是传播农业知识的丰饶之神（象征小行星采样返回任务可以告诉人们关于生命起源的信息），也是冥界之王（象征小行星撞击的毁灭性）。

（左）埃及神话中的奥西里斯（Osiris）（图中最左边那个）| 维基；（右）冥王号探测器示意图 | University of Arizona/Brittany Enos ^[2]

Rex是拉丁语“王”的意思，cue了一把霸王龙（Tyrannosaurus rex）。再联想到大部分恐龙很可能灭绝于6600万年前的一次小行星撞击，NASA这个丧心病狂凑出来的缩写，也暗含那么点儿让霸王龙飞去小行星“复仇”的意思。

于是这个任务还有了这么个logo：

秀一下我在会场拿的贴纸~咔咔咔~ | 作者供图

2020年出版的一本介绍冥王号任务的儿童读物，直接用一只太空恐龙宇航员来代表冥王号探测器，玩梗丝滑：

儿童读物The Adventures of Osiris-Rex， Space-Dino!: The Asteroid Sample Return Mission（《太空恐龙！冥王号的探险：小行星采样返回任务》） | Amazon

所以，OSIRIS-REx也有直译成“奥西里斯-王号”的，但字面意思，连起来的话可能应该叫——ß？

简便起见我们还是叫它“冥王号”吧。

冥王号的探测目标，是一颗叫做贝努（Bennu）的近地小行星，直径约500米，轨道位于金星和火星之间，与地球轨道有交叉。

小行星贝努的轨道（蓝色），与地球轨道（绿色）相交 | 图源：NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin ^[3]

为啥叫贝努呢？不用说，肯定也是跟埃及神话有关的：贝努是埃及神话里的不死鸟。而身为小行星的贝努则是一颗碳质小行星，这是太阳系小行星中数目最多，也最为原始的一类，其中一些可能富含水和有机物。

一些研究认为，地球早期的水和生命，可能就是富含水和有机物的小行星和彗星的撞击带来的。也就是说，探测这样的小行星既可以帮助我们了解太阳系早期的成分信息、历史和演化，说不定也可以帮助我们寻找到地球生命起源的线索。

（左）埃及神话中的不死鸟贝努 | 维基；（右）冥王号的探测目标：小行星贝努 | NASA

2018年12月31日，冥王号进入环贝努轨道，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。

在此后近两年的时间里，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，冥王号的飞掠高度甚至可以低达250米。通过这些近距离考察，贝努这个曾经望远镜里的小亮点，已经一跃成为太阳系中人类最了解的小行星之一了。

冥王号的“天罗地网”：2018年12月到2021年4月，冥王号探测器环绕小行星贝努的轨迹，左下角为对应的时间 | NASA's Scientific Visualization Studio ^[4]

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地外星球全球影像图。

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 ^[5]

小行星贝努样品get

经过一年多的精细考察和反复挑选，冥王号项目组最终从贝努上的4个备选区中，选择了最北端的“夜莺”（Nightingale）作为采样区^[6]。

“夜莺”采样区位于贝努北半球一个直径140米的撞击坑中 | NASA/Goddard/University of Arizona ^[7] 

2020年10月20日，冥王号探测器顺利降落在“夜莺”采样区。直径0.3米的采样头与小行星表面接触了约6秒钟，将小行星表面的碎石和尘埃颗粒收入“囊”中后，点火起飞离开^[8]。

冥王号采样和起飞示意图 | NASA

冥王号探测器在采样过程中的第一视角画面：

采样相机（SAMCAM）连续拍摄的82张照片制成，1.25秒/帧。最开始一帧距离表面约25米，最后一帧拍摄于点火起飞35秒后，距离表面约13米 | NASA/Goddard/University of Arizona ^[8]

冥王号的采样目标是至少采集到60克样品。尽管事后发现采样头有少量样品泄露问题，但项目组还是通过拍照，确认冥王号最终采集装箱获取到了远多于预定目标的样品量，估摸可能有250克^[9]。

2020年10月28日，冥王号完成了样品“装箱”：将采到的样品封装入返回舱^[10]。

冥王号样品封装合盖 | NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin ^[11]

重返地球

2021年5月10日，冥王号带着珍贵的小行星样品，启程返航。

冥王号返航及未来扩展任务轨道 | NASA's Scientific Visualization Studio ^[12]

历经2年4个多月的太空航程和途中的多次轨道修正，冥王号于2023年9月24日抵达地球上空，将装载着小行星贝努样品的返回舱投入地球大气层。

在隔热盾的保护下，返回舱（SRC）以12.4公里/秒的高速冲入地球大气层，经历大气减速、降落伞减速、分离降落伞，克服高温和各种可能的天气状况干扰，最终着陆在位于美国犹他州沙漠的犹他测试训练场。

（上）冥王号返回舱进入、下降和着陆（EDL）地球过程示意图 | 汉化自：Jen Christiansen ^[13]；（下）2023年9月24日冥王号DEL过程的计划时间线（北美山区时间）和地点 | NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab^[14]

这里，也是2006年1月15日NASA星尘号探测器带回的彗星样品归来的地方。

（左）星尘号返回舱着陆在美国空军犹他测试训练场；（右）星尘号返回舱在犹他州迈克尔陆军机场的临时洁净室中被打开，样品收集装置随后被重新封装运往休斯顿的约翰逊航天中心 | NASA

为了确保返回舱顺利着陆，冥王号样品回收团队已开展了多轮回收演练，力求精细还原样品回收中的每个过程。

此外，回收团队还在返回舱着陆后，对返回舱可能接触到的着陆区一带的土壤、水等物质进行采样和记录，这样将来万一小行星样品有被着陆区的地球物质污染的嫌疑，科学家团队也能分辨出哪些物质来自犹他沙漠，哪些来自小行星贝努^[15]。

落地的返回舱完好无损，已经打包由直升机运往专门的实验室等待开启样品舱 | NASA/Keegan Barber

被顺利回收的返回舱，则被尽快移送到着陆区附近的洁净室中。在回收团队拆除返回舱隔热盾、外壳等其他组件后，舱中包裹着的珍贵样品将被送往位于美国休斯顿的NASA约翰逊空间中心存储。

从犹他测试训练场到NASA约翰逊空间中心 | 图源：NASA's Goddard Space Flight Center ^[16]

NASA计划将其中3/4的样品专门留作分发给现在和将来的全世界科学家们研究之用^[17]。

下一站，“毁神星”阿波菲斯

将小行星贝努的样品送回地球后，冥王号并不会停下脚步，而是立刻动身，前往下一个探测目标——小行星阿波菲斯（Apophis）^[18]。

目前初步建立的小行星阿波菲斯形状模型。实际长什么样子，就要等冥王号近距离探访之后才知道了 | UArizona/JPL/Arecibo ^[19]

平均直径约370米的阿波菲斯也是一颗近地小行星，轨道位于金星和火星之间。阿波菲斯的个头不算小（直径大于140米），轨道又与地球轨道有交叉，是一颗典型的对地球有潜在威胁的小行星（potentially hazardous asteroid，简称PHA）。加之Apophis本意是埃及神话中的破坏和混沌之神阿佩普（Apep），中文也常把这颗小行星译为“毁神星”。

然而，即使是在“潜在威胁小行星”这个群体里，阿波菲斯也是格外令人瞩目的。这颗小行星发现于2004年，最初的轨道观测结果预测，这颗小行星在2029年抵近地球时，有2.7%的概率撞上地球！这可把地球人吓了一跳，虽说阿波菲斯比6600万年前灭绝恐龙的那颗（直径10千米级）小了不少，但要是真撞过来了，也架不住咱们人类文明脆弱啊……

好在，后续的轨道观测排除了撞地球的可能性：阿波菲斯将在2029年4月13日有惊无险地近距离飞掠地球。不过，这个“近距离”也确实是够近的，按目前的轨道预测，阿波菲斯在这次抵近过程中，距地球表面最近时只有3万多公里——比地球静止轨道卫星还要近！届时，其亮度峰值也将达到3.1等，在地理位置合适，且光污染较少的乡村和郊区，肉眼就能看到。

阿波菲斯2028~2030年期间的轨道预测模拟 | 维基

多说一句，尽管有个埃及神话的源头，但小行星阿波菲斯其实得名于美国科幻剧《星际之门：SG-1》中的反派阿波菲斯。嗯，问就是发现这颗小行星的两个天文学家喜欢这个角色……

此外，小行星阿波菲斯的光谱分类为S型（岩质小行星），成分与碳质小行星贝努有很大不同。因此，冥王号对阿波菲斯的近距离探测，不仅可以帮助我们更为深入地了解“潜在威胁小行星”们的表面和内部性质，为地球的小行星防御积累数据，还能帮助我们收获一个全新的岩质小行星探测案例，更好地认识碳质和岩质小行星之间的异同。

冥王号制定了一整套阿波菲斯观测计划^[20]：

1. 从2029年4月2日，距离阿波菲斯500万公里远的地方，冥王号就会开始远距离观测这颗小行星，此时阿波菲斯还是冥王号视野中的一个小亮点；

   
   

2. 在阿波菲斯2029年4月抵近地球前，冥王号将在距阿波菲斯5万公里远处持续观察地球引力对阿波菲斯自转的影响；

   
   

3. 在阿波菲斯近距离飞掠地球（2029年4月13日）后，冥王号将利用地球引力助推，进入环绕阿波菲斯的新轨道，开始为期18个月的阿波菲斯近距离探索之旅；

   
   

4. 最后，冥王号还计划开启推进系统来搅动阿波菲斯表面，帮助我们观察到小行星地表之下的物质。

冥王号开启推进系统搅动阿波菲斯表面示意图 | Heather Roper ^[21]

毕竟，除了返回舱扔了，冥王号携带的其他科学仪器都还嘎嘎健康，不多用用多可惜啊。

当然，新的任务阶段要有新的名字，冥王号（OSIRIS-REx）将正式变身为太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障-阿波菲斯探索者号（Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-APophis EXplorer），简称OSIRIS-APEX。缩写apex本身有“顶点”的意思，所以直译可能或许是……“至尊冥王号”？

在不远的将来，还有更多小天体采样返回任务正在筹备之中，例如：中国的天问二号计划从近地小行星2016HO3采回样品，而JAXA的火星卫星探测任务（MMX）计划从火卫一采回样品。

期待越来越多小天体采样返回任务为我们带回太阳系的“时光胶囊”吧！

参考文献

[1] NASA | OSIRIS-REx Sample Return Poster

https://solarsystem.nasa.gov/resources/2946/osiris-rex-sample-return-poster/

[2] NASA | OSIRIS-REx Sample Collection Poster

https://solarsystem.nasa.gov/resources/2542/osiris-rex-sample-collection-poster/

[3] The interior of the asteroid Bennu could be weaker than its outer layers

https://www.techexplorist.com/interior-asteroid-bennu-weaker-outer-layers/35686/

[4] NASA | A Web Around Asteroid Bennu – Visualizations

https://svs.gsfc.nasa.gov/4905/

[5] Bennu Global Mosaic

https://www.asteroidmission.org/bennu_global_mosaic/

[6] 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

[7] OSIRIS-REx: X Marks the Spot - 2019 AGU Press Conference

https://svs.gsfc.nasa.gov/13489

[8] OSIRIS-REx TAGS Asteroid Bennu 

https://www.asteroidmission.org/?latest-news=osiris-rex-tags-asteroid-bennu

[9] NASA’s OSIRIS-REx Spacecraft Collects Significant Amount of Asteroid Bennu

https://www.asteroidmission.org/?latest-news=nasas-osiris-rex-spacecraft-collects-significant-amount-of-asteroid-bennu

[10] NASA’s OSIRIS-REx Successfully Stows Sample of Asteroid Bennu

https://www.asteroidmission.org/?latest-news=nasas-osiris-rex-successfully-stows-sample-of-asteroid-bennu

[11] OSIRIS-REx in the Midst of Stow

https://www.asteroidmission.org/?latest-news=osiris-rex-in-the-midst-of-stow

[12] NASA | OSIRIS-REx orbits， maneuvers， and mapping

https://svs.gsfc.nasa.gov/4482

[13] This Is How the First-Ever U.S. Asteroid Sample Return Will Unfold

https://www.lpl.arizona.edu/news/spotlight/how-first-ever-us-asteroid-sample-return-will-unfold

[14] NASA | OSIRIS-REx Sample Return: Animations

https://svs.gsfc.nasa.gov/20381/

[15] Here’s What Asteroid Sample Recovery Will Look Like

https://blogs.nasa.gov/osiris-rex/2023/07/20/heres-what-asteroid-sample-recovery-will-look-like/

[16] NASA | Teams Watch Weather as OSIRIS-REx Prepares to Return Asteroid Sample

https://www.nasa.gov/feature/esnt/2023/teams-watch-weather-as-osiris-rex-returns-asteroid-sample

[17] 2023.05.23 Guest Blog: Bennu and Some of the Biggest Science Questions of Our Generation

https://blogs.nasa.gov/osiris-rex/2023/05/23/guest-blog-bennu-and-some-of-the-biggest-science-questions-of-our-generation/

[18] OSIRIS-Apophis Explorer

https://www.lpl.arizona.edu/missions/osiris-apex

[19] Apophis Model

https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=33287

[20] Dellagiustina， D.， Nolan， M.， Polit， A.， Golish， D.， Lauretta， D.， & Team， O. R. E. M. (2021， October). An OSIRIS-REx Extended Mission to Apophis. In AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts (Vol. 53， No. 7， pp. 412-02).

[21] APEX Illustration

https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=33286

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：haibaraemily，编辑：Steed