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開(kāi)展小行星彗星深空探測(cè)的科學(xué)意義和啟示

2011-11-15 09:36季江徽
國(guó)防科技工業(yè) 2011年4期
關(guān)鍵詞:羅塞塔彗星太陽(yáng)系

□ 季江徽

傳統(tǒng)地面小行星觀測(cè)僅可獲得基本軌道參數(shù)和一些物理特性,對(duì)小行星物質(zhì)成分的分類和形狀的解析度則是非常有限,而對(duì)體積大小、物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引力場(chǎng),磁場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)定幾乎是空白。受地面觀測(cè)的限制,深空探測(cè)成為深入探索和全面認(rèn)知小行星和彗星特性的重要途徑。

從早期的可見(jiàn)光探測(cè),逐漸擴(kuò)展到γ射線、X射線、紫外、可見(jiàn)光、紅外、微波和無(wú)線電波的整個(gè)電磁波譜;從遙感分析、就位分析到返回樣品的實(shí)驗(yàn)室分析。這些探測(cè)活動(dòng)對(duì)了解掌握小行星和彗星的特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,系統(tǒng)地研究和評(píng)估小天體撞擊地球的可能性和災(zāi)害程度,特別是未來(lái)規(guī)避小行星的威脅而采取有效的防范或規(guī)避措施提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

探測(cè)歷程和未來(lái)趨勢(shì)

國(guó)際小行星探測(cè)經(jīng)歷了從早期的飛越探測(cè)到近期的環(huán)繞著陸探測(cè)、再到采樣返回探測(cè)這樣幾個(gè)階段。國(guó)際上小行星探測(cè)首選目標(biāo)是近地小行星,如美國(guó)NASA的NEAR探測(cè)目標(biāo)Eros和日本Hayabusa的探測(cè)目標(biāo)Ikotawa,這是迄今為止國(guó)際上僅有的兩次對(duì)小行星的深空探測(cè)計(jì)劃。

彗星探測(cè)開(kāi)始于從上個(gè)世紀(jì)80年代,主要探測(cè)的目標(biāo)是哈雷彗星,近年來(lái)實(shí)施的計(jì)劃有美國(guó)的Deep Space 1、Stardust、Deep Impact和歐洲的Rosetta等,這些任務(wù)經(jīng)歷了從飛越探測(cè)到繞飛著陸探測(cè)的階段,聚焦于彗星的彗尾成分、彗核形態(tài)結(jié)構(gòu)等科學(xué)問(wèn)題。

對(duì)近地小行星的專門探測(cè):1996年2月17日, 美國(guó)NASA發(fā)射的“近地小行星交會(huì)”探測(cè)器攜帶了相機(jī)、激光測(cè)距儀等儀器,于2000年2月14日飛抵近地小行星愛(ài)神星(Eros)作近距離多種手段的全面觀測(cè),探測(cè)了小行星大小、形狀、質(zhì)量、重力、磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、化學(xué)成分和主要礦物的全球分布。2003年5月9日,日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)射的“隼鳥(niǎo)號(hào)”探測(cè)器飛往絲川小行星,實(shí)現(xiàn)人類首次從小行星采集回收巖石樣品的任務(wù)。2010年6月13日返回地球,在采集到了小行星返回樣品中發(fā)現(xiàn)1500個(gè)微粒,其主要成分是橄欖石、斜長(zhǎng)石等巖石的大型結(jié)晶,這是小行星曾經(jīng)歷過(guò)高溫的巖石的典型特征。

對(duì)彗星的專門探測(cè):2005年1月12日NASA發(fā)射了“深度撞擊”探測(cè)器,并在2005年7月4日會(huì)合彗星9P/Tempel 1。它攜帶HRI(高分辨儀器)和MRI(中分辨儀器)及星敏感器分別用于攝像、紅外光譜和導(dǎo)航,配有IRS的撞擊體,以及太陽(yáng)能電池板、NiH2電池、電腦控制記錄和H G A(高增益天線)通訊系統(tǒng)等。飛臨彗星前,HRI和MRI拍攝彗核和選定彗核表面撞擊區(qū)。飛越彗核前1天,探測(cè)器發(fā)射350 kg的撞擊體,以約10.2 km/s速度轟擊彗核,產(chǎn)生深度為5-7米足球場(chǎng)大小的隕擊坑,同時(shí)進(jìn)行攝像和紅外分光觀測(cè),從而探測(cè)該彗星內(nèi)部情況。這是第一次利用太陽(yáng)系天體的一個(gè)大“實(shí)驗(yàn)”,重要任務(wù)是獲取撞擊引起彗星軌道改變的數(shù)據(jù)。這些探測(cè)活動(dòng)將回答:彗星為何休眠?是冰物質(zhì)揮發(fā)完了還是封藏在內(nèi)核?如何識(shí)別曾經(jīng)是彗星的小行星?彗星表面的隕擊坑的形狀是怎樣的?

2004年3月2日歐空局將“羅塞塔”彗星探測(cè)器發(fā)射升空,開(kāi)始了彗星探測(cè)之旅。它將在為期10年的太空旅途中,經(jīng)過(guò)一次火星借力和三次地球借力飛行后,于2014年1月飛抵“丘留莫夫—格拉西緬科”彗星,并將在距離彗星幾公里的軌道上繞彗星運(yùn)行,同年11月,“羅塞塔”探測(cè)器將釋放出一個(gè)名叫“菲萊”的著陸器,緩緩接近彗核表面后固定在彗星表面。此后,“羅塞塔”將與彗星共同度過(guò)17個(gè)月,雙方在此期間不斷向太陽(yáng)靠近,直至彗星到達(dá)近日點(diǎn)。在“羅塞塔”的飛行過(guò)程中順訪了兩個(gè)小行星Lutetia和Steins, 在2010年7月已成功訪問(wèn)Lutetia?!傲_塞塔”計(jì)劃是彗星探測(cè)歷史上的新里程碑,通過(guò)測(cè)定該彗核的總體特性、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、表面形態(tài)和成分;測(cè)定彗核中的揮發(fā)物和難熔物的化學(xué)成分、礦物和同位素組成;測(cè)定彗核中的揮發(fā)物和難熔物的物理性質(zhì)以及它們的相互作用;研究彗核表層和內(nèi)彗發(fā)的活動(dòng)發(fā)展和過(guò)程。

在未來(lái)10-20年,美國(guó)、日本和歐洲將進(jìn)行小行星和彗星的采樣返回探測(cè),多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè),以及將實(shí)現(xiàn)由無(wú)人探測(cè)到載人探測(cè)的轉(zhuǎn)變, NASA已制定“移民石”計(jì)劃擬登陸小行星, 因而小行星很可能成為實(shí)現(xiàn)登陸火星這個(gè)終極目標(biāo)的跳板。

絲川小行星

探測(cè)焦點(diǎn)與啟示

小行星和彗星中保存了早期太陽(yáng)系的原始成分。其中,在火星和木星軌道之間主帶碳質(zhì)C型小行星,特別是碳質(zhì)近地小行星是碳質(zhì)球粒隕石的發(fā)祥地,成為探索地球上的生命來(lái)源的重要目標(biāo),而富含大量的揮發(fā)物活動(dòng)彗星也是一個(gè)值得關(guān)注的焦點(diǎn)。

科學(xué)家們正在試圖通過(guò)對(duì)小行星和彗星深空探測(cè)解答一系列關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題:如早期小行星中有機(jī)物的本質(zhì)和起源是什么,它們對(duì)形成生命起源所必需的分子有何影響,地球上的生命是否來(lái)自小行星或彗星;小行星中是否含有太陽(yáng)星云中的原始物質(zhì),在太陽(yáng)系早期與行星形成同時(shí)發(fā)生的物理過(guò)程是什么,小行星和彗星在地球形成史上的隕擊事件的頻率和造成的影響如何?未來(lái)采取怎樣的防范措施來(lái)減弱或消除其撞擊危害?彗星是如何起源的?彗星塵和恒星際物質(zhì)之間有什么關(guān)聯(lián)?彗核的真實(shí)本質(zhì)是怎樣的?地球海洋的形成和彗星有何聯(lián)系?

美國(guó)、歐洲和日本開(kāi)展的對(duì)小行星和彗星探測(cè)表明,這些任務(wù)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大、科學(xué)成果突出,對(duì)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)性強(qiáng)。我國(guó)開(kāi)展小行星和彗星探測(cè)要圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,結(jié)合航天技術(shù)能力、科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,堅(jiān)持科學(xué)需求牽引、推動(dòng)技術(shù)發(fā)展;堅(jiān)持高起點(diǎn)和前瞻性,突出創(chuàng)新和特色;堅(jiān)持以我為主,并積極開(kāi)展國(guó)際合作。圍繞太陽(yáng)系起源、地球生命起源和水起源以及地外生命物質(zhì)存在等重大科學(xué)問(wèn)題,通過(guò)對(duì)碳質(zhì)(和其它原始)小行星和富含大量的揮發(fā)物活動(dòng)彗星開(kāi)展深空探測(cè),將直接取得太陽(yáng)系原始成分來(lái)探索宇宙中原始生命的存在形式和探索地球生命在外太空的適應(yīng)能力,深化認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的形成過(guò)程和演化歷史,勘測(cè)利用太陽(yáng)系天然資源,保護(hù)地球和人類安全等方面,確定我國(guó)開(kāi)展小行星和彗星深空探測(cè)的基本科學(xué)目標(biāo)。

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