“天問二號”將深度解密小行星

　　雷淼

　　2025年5月前后，中國航天將迎來一件大事：天問二號搭乘長征三號乙運載火箭，開啟深空探測新征程。

　　提到天問二號，大家可能會以為它是繼天問一號之后的第二次火星探測任務，但其實“天問”是中國行星探測系列任務的命名，并不限于火星。天問二號的任務是造訪兩顆目標天體，一顆是編號為2016 HO3的近地小行星，另一顆是主帶彗星311P。天問二號為什么選擇這兩顆小天體作為探測目標？這一探索過程對我國深空探測的推進有何助益？

　　研究地球“準衛星”性價比很高

　　根據目前的任務計劃，天問二號升空后，會先到近地小行星2016 HO3，從其表面采樣送回地球，但探測器本身不會返回地面，而是利用地球引力彈弓來一次加速，繼續飛往主帶彗星311P執行探測任務。

　　2016年4月27日，位于夏威夷的哈萊阿卡拉天文臺泛星計劃望遠鏡發現了一顆阿波羅型小行星2016 HO3。阿波羅型小行星都有一個特點，其橢圓軌道一段在地球軌道以內，另一段在地球軌道以外。

　　天文學家經過軌道觀測與計算模擬發現，2016 HO3十分有趣，簡直就像月球之外的第二顆天然地球衛星，大約在一個世紀前來到地球附近，每年圍繞地球轉一圈。它的公轉周期是365.77天，和地球的365.25天非常接近。它半年運行在地球軌道的內圈時，會暫時跑得比地球快，而運行在地球軌道以外的另外半年，又會跑得比地球慢。所以，從地球的角度來看，這顆小行星就成為“瞻之在前，忽焉在后”，每年圍著地球轉一圈了。此外，它的軌道與地球軌道有大約8°的夾角，如果把地球軌道面比作水面的話，那么2016 HO3就像海豚一樣忽潛忽躍，為此還得了一個夏威夷語的名字：Kamo’oalewa，意為“振蕩天星”。

　　當然，我們不能把2016 HO3當成月球那樣的真衛星。因為它圍繞地球運動只是一種視覺效果，其本質是圍繞太陽公轉，是由太陽引力掌控而非地球引力操縱的結果。地球在伴行期間會對其軌道起到一些攝動作用，但它終將掙脫地球的拉扯，漸行漸遠。到了2369年，它甚至會運行到地球軌道的對側，隔著太陽與地球遙遙相望。

　　科學家給這類天體設了一個特別的歸類，叫作“準衛星”。目前，地球附近的準衛星有5顆，其中就屬2016 HO3距離最近、運行最穩定。

　　準衛星和地球軌道如此接近，使其成為研究價值很高的一種天體。作為小行星，本身就埋藏著太陽系誕生之初的原始信息，億萬年來幾乎未受打擾。它在地球軌道附近運行，無論一開始就在這里，還是被各大行星的引力“搬運”來的，多多少少都反映了地球軌道附近的空間狀況。它也有可能是地球/月球的撞擊噴出物，蘊含著地月系的演化歷史。從另一個角度來看，準衛星和地球距離較近，對地面測控要求相對較低，航天器接近它所需的能量也較小，因此，對它進行探測是個“性價比”很高的任務。

　　對2016 HO3已有的光學觀測和光譜分析表明，它的尺寸在40米至100米之間，每28分鐘自轉一圈，物質構成以硅質為主，很可能是月球噴出物，也有可能是獨立發育的S型小行星。天問二號計劃對這顆準衛星進行伴飛、測繪、遙感、采樣，獲取它的熱輻射狀態、表面特征、密度、成分等信息。其研究結果有可能回答準衛星的起源以及軌道演化歷史和未來趨勢等科學問題，并為小行星乃至太陽系的形成和演化過程提供科學依據。

　　主帶彗星或藏“天外來水”秘密

　　天問二號的第二個探測目標也十分特別。它是2013年8月27日由泛星計劃望遠鏡發現的天體，編號為311P/PanSTARRS，運行在大部分小行星所在的主小行星帶(簡稱“主帶”)內，卻擁有類似彗星的外觀。哈勃空間望遠鏡在2013年9月對它進行了細致的觀測，看到了6條像是彗尾的結構。

　　一般來說，主帶內的小行星和常規的彗星是兩種迥異的天體。主帶在火星與木星軌道之間，陽光輻射較強，小行星的揮發物難以存留，因而以巖質為主。常規的彗星來自遙遠寒冷的柯伊伯帶或奧爾特云，保存有豐富的冰。

　　那么，這個運行在主帶卻長著彗尾的311P，到底是個什么天體？其實，311P不是第一顆具有彗尾的主帶小行星。1996年，天文學家觀測到，1979年被發現并以普通小行星身份編目的7968號小行星運行到近日點時出現了彗尾，于是這顆小行星又被編為彗星133P。

　　天文學家把這種介于小行星和彗星之間的天體稱為“主帶彗星”，隨著更多類似天體陸續被發現，它們又得名“活躍小行星”。這兩個名字指的都是同一類天體，只看要強調哪個方面：歸為彗星，研究重點是它為何能存留在主帶內；歸為小行星，研究重點是它為何具有揮發物活動的特性。通過天文觀測，人們找到了小行星活動的一些原因。例如，小行星經過輕微撞擊，或因太陽照射所致的“YORP效應”發生自轉加速，就可能使巖石堆崩裂或移位，暴露出古老的冰或其他揮發物，使小行星長出彗尾，“重煥青春”。

　　研究主帶彗星或活躍小行星的揮發物遺存，具有重要意義。人們一般認為，地球形成之初是個熾熱干燥的巖質星球，不太可能留得住水，而原始海洋的水主要是在地球冷卻之后，由其他含水天體撞擊帶來的。由于彗星的冰儲量豐富，它順理成章地成了為地球供水的頭號“種子選手”。但是通過分析彗尾中的氫同位素比率，科學家發現與地球海洋的數據差異很大，所以對“彗星運水說”的懷疑與日俱增。而活躍小行星的出現，為地球上水的來源提供了新思路。如果探明活躍小行星將冰或其他揮發物保留至今的機制，或可能改寫舊有的認知。

　　311P的直徑大約有480米，2018年4月的觀測結果顯示，它可能還有一顆衛星。如果屬實的話，311P便是少有的雙小行星系統，將為天問二號的探測任務提供額外的研究價值及技術挑戰。

　　著陸采樣前為何需伴飛一年之久

　　2025年5月前后，天問二號搭乘長征三號乙運載火箭發射升空后，經過約一年的飛行將到達探測任務第一站：2016 HO3。不過，它需伴隨這顆小天體飛行一年后，才能擇機執行采樣任務。

　　為什么需伴飛一年之久呢？一是因為要在著陸采樣之前執行許多科學研究，二是因為對這顆小天體的了解還不夠，比如，它究竟有多大？是什么形狀？是一整塊“大石頭”還是由許多碎塊堆成？其表面地形會不會磕碰、卡住或遮擋探測器？種種細節都要慎重考慮。2014年11月，歐洲空間局的“菲萊”號在楚留莫夫-格拉希門克彗星著陸時，就被卡在一道黑暗的裂縫中，因太陽能板供電不足而一度與地球失去聯系。所以，在正式著陸前，探測器要對小行星進行詳盡的測繪和地形分析，尋找最佳著陸地點。

　　著陸采樣過程也與大家熟悉的月面采樣不太一樣。這顆小天體的引力幾近于無，在其表面著陸不會像在月球或火星著陸那樣“短平快”，而更像是對接空間站，要輕柔地把探測器靠上去。假如小天體是一整塊，那么落猛了有可能被彈飛；而若是松散的碎石堆，在極弱引力下，觸感多半像是兒童游樂場的彩球泳池或一桶爆米花，落猛了就容易陷入。2020年10月，美國的“奧西里斯王”號在貝努小行星采樣時就有這種體驗，短短6秒的接觸中，探測器陷入小行星表面半米深，如果上升推進器晚開幾秒，可能就出不來了。

　　天問二號會使用多臂協作式小天體附著取樣機器人機械系統，將自己固定在小行星表面再執行采樣任務，目標是取得100克以上的小行星樣品。采樣完畢后，天問二號將樣品交還地球需要大半年左右的時間。到了地球附近，天問二號會把裝有小行星樣品的返回艙丟下來，并借著地球來一次引力加速，將自己彈向下一站旅途。這次引力加速非常必要，因為311P運行在主小行星帶，比火星軌道還要靠外，所以天問二號要克服太陽引力才能抵達。預計天問二號從地球飛到311P，需耗費7年時間。

　　中國小行星探測任務設計了五大類科學目標，分別是：1.認知小天體、解密小天體；2.追溯小天體的前世和今生；3.探索生命和地球水的起源；4.揭示太陽對小天體的影響；5.探究小天體對地球的危害。為此，天問二號配置了可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發物分析儀等10種載荷，以便對兩顆目標小行星的形貌、表面物質、熱輻射特性、次表層內部結構、磁場、軌道特征、運行軌道附近的空間環境等做一個全面“體檢”。

　　除了這些就位探測之外，地面科研人員通過天問二號獲取的樣品，還將開展多項研究。例如，測定小行星樣品的物理性質、化學成分和同位素組成，為小行星的起源乃至早期太陽系的形成與演化過程提供科學依據；測定和研究小行星樣品的年齡，研究小行星的吸積形成、撞擊分裂和行星際空間的運行歷史；與隕石進行比較研究，建立返回樣品與隕石、地面觀測與遙感就位分析數據之間的聯系，拓展、豐富小行星和太陽系起源與演化的研究。

　　創新高精尖技術為天問二號護航

　　天問二號是我國的首次小行星探測任務，與以往各次探測任務差異很大，在國際上能夠借鑒的經驗也有限，因此面臨著諸多方面的挑戰。

　　首次探測小行星就要探測兩個了解尚不透徹的天體，再加上目標與地球之間存在較大的通信延遲，因此，要求探測器的軟硬件具有強大的現場自主決策與應變能力。而小行星的形狀不規則、表面環境復雜、引力微弱，使探測器的附著和穩定停留十分困難，更加要求探測器的推進系統和機械裝置精準運作、密切配合。

　　這次探測任務時長超過9年，到我國預期的2030年載人登月時，天問二號朝著第二個小行星還要再飛5年，這極大地考驗著探測器的可靠性。另外，這次探測任務飛越了火星軌道，目標遙遠且尺度極小，對測控與導航精度也提出了前所未有的要求。

　　所以，天問二號除了鞏固已有的科技經驗之外，還需在許多方面突破、拓展已有的科技邊界。以采樣系統為例，過去看到的嫦娥號采樣，都是用“腿”著陸，再用“臂”采集月壤。對于小行星這樣幾無引力的地方而言，站著和掛著的區別并不大。天問二號開發團隊設計的多臂協作式小天體附著取樣機器人將腿和臂合為一體，可實現著陸緩沖、附著固定、取樣、放樣等多種功能。日本的“隼鳥2號”和美國的“奧西里斯王”號均采用“親一口就跑”的模式，而天問二號執行的將是首個固定附著在小行星上采樣的探測任務。

　　針對星表性狀不明的未知風險，天問二號的采樣系統準備了砂輪磨削和毛刷清掃兩種方案。不管小行星表面是“一整塊”還是“一大堆”，系統都不會被它難住。天問二號一對直徑4.7米的太陽翼使用了圓形柔性的設計，就是為了在崎嶇地形采樣時不造成阻礙。

　　天問二號的動力推進系統使用的是離子電推進，和化學推進劑相比，所產生的力量雖小，卻能持久，且占用的發射載荷較低，非常適用于漫長的空間旅行和抵達目的地后的精細操作。

　　在遠程測控方面，2024年12月27日，我國在日喀則和長白山啟動了兩座新的40米射電望遠鏡，使我國的甚長基線干涉測量(VLBI)網絡從“四站一中心”升級到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴到3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，將為我國的深空探測提供更強的助力。升級后的VLBI網絡，首先服務的就是天問二號的太空征程。

　　總之，天問二號任務選擇地球準衛星和主帶彗星為探測對象，在國際上尚屬首次，將為國際小行星研究領域貢獻中國智慧。未來，“天問家族”中的天問三號還會前往火星執行采樣返回任務，天問四號則奔赴更遙遠的木星，繼續推動我國深空探測事業的發展。

　　(作者為中國科普作家協會會員)