林楊挺

(中國(guó)科學(xué)院院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

1 前言

2004年嫦娥探月工程立項(xiàng)以來(lái),我國(guó)已成功實(shí)施了繞月軌道探測(cè)的嫦娥一號(hào)和二號(hào),以及月球表面軟著陸和巡視探測(cè)的嫦娥三號(hào)和四號(hào)任務(wù)。其中,嫦娥四號(hào)率先在月球背面著陸,實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球上最大、最古老的南極——艾肯盆地的首次原位探測(cè),獲得了月球深部物質(zhì)組成、月壤厚度和淺層結(jié)構(gòu)、高精度地形地貌等大量新發(fā)現(xiàn)。預(yù)計(jì)2019年將發(fā)射嫦娥五號(hào),采集不少于2kg月球樣品返回地球,其中包括長(zhǎng)度為2m的月壤鉆孔巖芯。在完成月球探測(cè)“繞、落、回”之后,我國(guó)將實(shí)施嫦娥三期探月工程[1],通過(guò)1次采樣返回、2次著陸和巡視探測(cè)任務(wù),全面開(kāi)展對(duì)月球南極的探測(cè),深化對(duì)月球形成與演化的認(rèn)識(shí)。同時(shí),還將開(kāi)展月基對(duì)天、對(duì)地觀測(cè),以及月面科學(xué)試驗(yàn),并建成月球科研基地基本型。

在嫦娥工程的基礎(chǔ)上,我國(guó)計(jì)劃開(kāi)展一系列深空探測(cè)任務(wù),其中首選目標(biāo)是火星。通過(guò)對(duì)火星的探測(cè),揭示宜居環(huán)境及其演化,探索可能存在的地外生命。我國(guó)將于2020年首次發(fā)射火星探測(cè)飛船,開(kāi)展環(huán)繞軌道器、著陸器、火星車(chē)等三位一體的聯(lián)合探測(cè)。此外,已規(guī)劃的第二次火星探測(cè)任務(wù)將從火星采集樣品并返回。除火星之外,我國(guó)還計(jì)劃對(duì)木星及其衛(wèi)星 (例如木衛(wèi)四)進(jìn)行探測(cè)。

我國(guó)深空探測(cè)的另一重要目標(biāo)是小天體,已規(guī)劃的小天體目標(biāo)是地球準(zhǔn)衛(wèi)星——2016HO3小行星。計(jì)劃將對(duì)2016HO3小行星進(jìn)行伴飛、環(huán)繞、附著探測(cè)并采樣返回。在成功實(shí)施采樣返回主任務(wù)之后,飛船將繼續(xù)飛往小行星帶,對(duì)主帶彗星進(jìn)行探測(cè)。與月球、火星等行星不同,小行星和彗星數(shù)量巨大,已觀測(cè)到記錄在案的將近百萬(wàn)顆,同時(shí)還有大量或因?yàn)檩^小或因?yàn)檩^遠(yuǎn)而沒(méi)被發(fā)現(xiàn);小天體的分布在空間上非常廣大,從近地軌道一直到小行星帶,到柯伊伯帶,以至更為遙遠(yuǎn)的空間;小天體的光譜類(lèi)型多樣,反映了物質(zhì)組成上很大的不均一性和變化,代表了它們?cè)谔?yáng)星云盤(pán)中不同的形成區(qū)域和條件。同時(shí),小天體對(duì)地球的撞擊,構(gòu)成了對(duì)地球上包括人類(lèi)在內(nèi)的巨大威脅。另一方面,一些類(lèi)型的小天體是未來(lái)太空探索的重要資源。因此,需要基于太陽(yáng)系形成演化的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與空間技術(shù)發(fā)展路線相結(jié)合,制定出適合我國(guó)國(guó)情、具有顯著創(chuàng)新性的小天體探測(cè)路線圖,對(duì)小天體開(kāi)展長(zhǎng)期、持續(xù)的探測(cè)。

2 小天體探測(cè)的意義

2.1 深空探測(cè)的重要領(lǐng)域,揭示太陽(yáng)系形成的基本途徑

深空探測(cè)根據(jù)目標(biāo)和科學(xué)問(wèn)題,大體上可以劃分為三大類(lèi),即月球探測(cè)、火星等行星探測(cè)以及小天體探測(cè)。月球探測(cè)的目標(biāo)是理解地球—月球系統(tǒng)的形成和地球早期歷史,建立人類(lèi)進(jìn)入深空的月球基地。火星探測(cè)的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)地外生命,揭示宜居環(huán)境的演化,通過(guò)不同行星的對(duì)比研究,理解地球形成與演化的獨(dú)特性。小天體探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)則是解開(kāi)太陽(yáng)系的形成過(guò)程,給出地球、火星等行星的初始物質(zhì)組成。

地球、火星等形成之后,經(jīng)過(guò)了40多億年的演化,因此它們形成時(shí)的初始狀態(tài)等已基本消失殆盡。相反,小天體是太陽(yáng)系形成過(guò)程中殘留的“化石”,是構(gòu)建各大行星的“磚瓦”等材料,保存了太陽(yáng)星云的初始狀態(tài)、星云演化過(guò)程以及行星的生長(zhǎng)過(guò)程等信息。不同類(lèi)型的小行星形成于太陽(yáng)星云盤(pán)的不同位置,記錄了該區(qū)域的演化歷史;彗星形成于木星以遠(yuǎn)的區(qū)域,更多保存了太陽(yáng)星云的原始狀態(tài)。一些小行星形成之后,經(jīng)歷了后期事件的改造,包括熱變質(zhì)、水蝕變、熔融分異以及撞擊作用等,對(duì)于認(rèn)識(shí)地球等行星的早期演化具有重要的意義。因此,只有通過(guò)對(duì)各類(lèi)型小行星和彗星的探測(cè),才能全面恢復(fù)太陽(yáng)系的起源和早期演化歷史。

2.2 預(yù)防小天體撞擊,負(fù)起人類(lèi)命運(yùn)共同體的大國(guó)擔(dān)當(dāng)

地球上已證實(shí)的隕石坑將近200個(gè),其中約1/4的直徑超過(guò)10km,最大的坑直徑可達(dá)300km。作為參照,導(dǎo)致恐龍滅絕、發(fā)生在6600萬(wàn)年前的小行星撞擊事件,在墨西哥灣尤卡坦半島形成的Chicxulub撞擊坑直徑約為150km。形成這些坑的撞擊事件,對(duì)地球上的生命可產(chǎn)生毀滅性的后果。2013年2月15日,俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克發(fā)生了近年最大規(guī)模的隕石撞擊事件,造成1000多人受傷。月球上布滿了大大小小的撞擊盆地和撞擊坑,很好地記錄了地球—月球空間小天體的撞擊頻率和歷史。月球上直徑大于20km的撞擊坑近7000個(gè),而直徑大于300km的撞擊盆地有30個(gè),其中最大的南極艾肯盆地直徑達(dá)2500km。雖然地球—月球空間的小天體撞擊強(qiáng)度和頻率均隨時(shí)間而減弱,現(xiàn)代的災(zāi)難性小天體撞擊是一個(gè)小概率事件,但如果發(fā)生,則會(huì)給國(guó)家乃至全球生物和人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)毀滅性的災(zāi)難。

近地小天體其軌道可與地球相交。由于天體之間引力相互作用、太陽(yáng)光壓作用等因素的影響,一些近地小天體的軌道演化,最終可能導(dǎo)致與地球相撞。因此,需要對(duì)近地小天體開(kāi)展巡天觀測(cè),發(fā)現(xiàn)所有潛在威脅的目標(biāo);進(jìn)而對(duì)這些潛在威脅的小天體開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),監(jiān)視其軌道的演化,對(duì)小天體撞擊地球事件做出預(yù)警。同時(shí),對(duì)小天體開(kāi)展環(huán)繞探測(cè)和采樣返回,研究它們的物性、機(jī)械力學(xué)特性、物質(zhì)組成、軌道演化機(jī)制等,最終消除這些具有潛在威脅的小天體對(duì)地球的撞擊。

2.3 小天體是深空探測(cè)未來(lái)的戰(zhàn)略資源

人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展必然要走出地球這個(gè)搖籃,而且這一過(guò)程隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有顯著加快的趨勢(shì)。國(guó)際上,民間資本開(kāi)始進(jìn)入深空探測(cè)領(lǐng)域,成立了各種相關(guān)私營(yíng)公司,包括行星資源公司 (Planetary Resources)、深空工業(yè)公司(Deep Space Industries)、SpaceX等,提前進(jìn)入太空礦產(chǎn)資源的領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)會(huì)還通過(guò)了相關(guān)法律,以保障其私企在未來(lái)太空礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的權(quán)益。盧森堡也將太空資源的開(kāi)發(fā)利用作為其未來(lái)重要經(jīng)濟(jì)支柱提前布局,出臺(tái)了空間資源計(jì)劃,吸引全球共同參與。未來(lái)的深空開(kāi)發(fā),將會(huì)以月球作為超級(jí)基地和跳板。因此,支撐月球基地是太空資源的首要目標(biāo),其中最為重要的將是從一些類(lèi)型的小天體獲得水和有機(jī)質(zhì)等戰(zhàn)略物質(zhì)。

2.4 大力促進(jìn)空間技術(shù)的發(fā)展

不同于月球、火星等行星,小天體目標(biāo)小,基本屬于弱引力、無(wú)大氣的環(huán)境。相對(duì)而言,可以用較小的代價(jià)抵達(dá)小天體并開(kāi)展探測(cè),包括采樣返回。因此,小天體的探測(cè)可以采用低成本、多次任務(wù)的方式進(jìn)行。這一探測(cè)方式,也提供了很好的機(jī)會(huì),依次發(fā)展深空探測(cè)技術(shù),包括電推進(jìn)和太陽(yáng)帆技術(shù)、軌道精密測(cè)控和自主導(dǎo)航技術(shù)、深空通信、精確觸碰、弱引力目標(biāo)的附著、表面移動(dòng)、表面各種作業(yè)以及超低溫采樣等技術(shù)。因此,小天體探測(cè)對(duì)于牽引空間技術(shù)的進(jìn)步具有不可替代的重要性。

2.5 國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)和前沿

小行星和彗星探測(cè)一直是國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。除阿波羅登月計(jì)劃之外,美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA)已實(shí)施的35次深空探測(cè)任務(wù)中,有9次是以小行星和彗星為探測(cè)目標(biāo)。NASA的小天體探測(cè)計(jì)劃包括：其目標(biāo)覆蓋了近地小行星 433Eros的 NEAR-Shoemarker任務(wù),Wild 2彗星塵埃的采集并返回的“星塵號(hào)”任務(wù),以Tempel 1彗星為目標(biāo)的“深度撞擊”任務(wù),以及以主帶小行星灶神星和谷神星為目標(biāo)的“黎明號(hào)”計(jì)劃。目前NASA正在實(shí)施Bennu碳質(zhì)小行星的采樣返回計(jì)劃“OSIRIS-REx”任務(wù),并已規(guī)劃了對(duì)金屬小行星探測(cè)的Psyche計(jì)劃,對(duì)木星特洛伊小行星探測(cè)的Lucy計(jì)劃,以及對(duì)近地雙星Didymos進(jìn)行軌道偏移實(shí)驗(yàn)的DART任務(wù)等。歐空局 (ESA)的深空探測(cè)一直把彗星作為主要目標(biāo),包括已實(shí)施的對(duì)哈雷彗星彗尾塵粒探測(cè)的Giotto計(jì)劃,對(duì)67p彗星進(jìn)行探測(cè)的Rosetta計(jì)劃,以及剛批準(zhǔn)的對(duì)可能來(lái)自太陽(yáng)系外彗星進(jìn)行探測(cè)的“彗星攔截器”(Comet Interceptor)計(jì)劃等。日本將小天體探測(cè)作為其深空探測(cè)的主線和特色,隼鳥(niǎo)號(hào)計(jì)劃取得了部分成功,從細(xì)川小行星采集到了塵粒樣品。在此基礎(chǔ)上,目前正在實(shí)施以采集“龍宮”碳質(zhì)小行星樣品為目標(biāo)的隼鳥(niǎo)2號(hào)任務(wù)。此外,日本還規(guī)劃了對(duì)火星兩個(gè)衛(wèi)星,即火衛(wèi)1和火衛(wèi)2的探測(cè),并計(jì)劃從其中一個(gè)采樣返回,以及以試驗(yàn)新技術(shù)為主要目標(biāo)的Destiny+計(jì)劃等。因此,在我國(guó)現(xiàn)有小行星采樣返回任務(wù)的基礎(chǔ)上,還需要規(guī)劃我國(guó)的小天體探測(cè)路線,持續(xù)和系統(tǒng)地開(kāi)展更多的小天體探測(cè),推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,為認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系形成與演化做出中國(guó)貢獻(xiàn),并確保我國(guó)的太空權(quán)益。

3 太陽(yáng)系起源的前沿科學(xué)問(wèn)題

小天體是太陽(yáng)系起源和早期演化殘留下來(lái)的天體,因而記錄了太陽(yáng)系的誕生過(guò)程和早期歷史。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型小天體探測(cè),將回答太陽(yáng)系起源這一重大科學(xué)問(wèn)題。為此,需要對(duì)太陽(yáng)系形成過(guò)程中的一系列關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行梳理,從而規(guī)劃小天體的探測(cè)路線,并確定探測(cè)的具體目標(biāo)。

3.1 太陽(yáng)星云的初始狀態(tài)

根據(jù)現(xiàn)代星云理論,太陽(yáng)系是由塵埃和氣體構(gòu)成的星云盤(pán),在引力作用下吸積形成的。一個(gè)問(wèn)題是,太陽(yáng)星云盤(pán)初始的塵埃與氣體的比例是多少?密度是多少?這些固體塵埃在太陽(yáng)系之前既已存在,因而是前太陽(yáng)物質(zhì) (presolar grains),它們保存了前一世代恒星的物質(zhì)組成信息,又稱為太陽(yáng)系外物質(zhì)。對(duì)最原始的碳質(zhì)隕石等研究,已發(fā)現(xiàn)了來(lái)自II型超新星、超新星、漸近線紅巨星以及其他類(lèi)型恒星的太陽(yáng)系外微粒[2]。太陽(yáng)星云實(shí)際是由不同恒星演化晚期拋射的物質(zhì)構(gòu)成。另一個(gè)問(wèn)題是,構(gòu)成太陽(yáng)星云的初始物質(zhì)來(lái)源于哪些恒星?它們之間的豐度比值是多少?不同恒星來(lái)源物質(zhì)在太陽(yáng)星云盤(pán)中的分布是否均勻?地球、火星、灶神星以及各種小行星 (隕石)中已發(fā)現(xiàn)的各種同位素異常 (如 O、Cr、Ti、Ni等)[3],是否與原始星云盤(pán)中這些太陽(yáng)系外顆粒的不均一分布有關(guān)?或者,一部分同位素異常是太陽(yáng)星云演化階段,由于臨近超新星爆發(fā)加入?并且這一超新星爆發(fā)事件直接觸發(fā)了太陽(yáng)星云的塌縮,從而形成太陽(yáng)系?

當(dāng)太陽(yáng)星云盤(pán)中央形成太陽(yáng)之后,太陽(yáng)輻射及其相關(guān)的溫度變化如何影響星云盤(pán)的物質(zhì)組成演化?隨著溫度的升高,星云盤(pán)溫度梯度的形成,物質(zhì)如何遷移,并逐漸演化成不均一的狀態(tài)?水和有機(jī)質(zhì)如何演化?

3.2 太陽(yáng)星云階段的重要事件

包括太陽(yáng)星云的氣-固凝聚過(guò)程,以及由微米-次微米聚集形成毫米-厘米大小集合體的過(guò)程。星云理論表明,太陽(yáng)星云的初始狀態(tài)為低溫的冷星云盤(pán)。但是,原始的球粒隕石,特別是其中的碳質(zhì)球粒隕石含有細(xì)粒難熔礦物構(gòu)成的集合體,簡(jiǎn)稱細(xì)粒難熔包體,其化學(xué)組成表現(xiàn)為富Ca、Al等難熔元素,因而又簡(jiǎn)稱細(xì)粒CAI。細(xì)粒難熔包體的礦物組合、結(jié)構(gòu)、化學(xué)元素組成模式等均與太陽(yáng)系平均化學(xué)組成的高溫氣體的氣-固凝聚一致[4-8],因而代表了太陽(yáng)星云最早形成的固態(tài)集合體 (同位素年齡45.67億年)。細(xì)粒難熔包體的形成要求星云溫度曾升高至2000K,而它們又廣泛出現(xiàn)在各類(lèi)型原始球粒隕石中[9],特別是代表外太陽(yáng)系的碳質(zhì)球粒隕石中,這與太陽(yáng)星云盤(pán)的初始低溫狀態(tài)不一致,如何解釋?“星塵號(hào)”計(jì)劃采集的彗星塵粒中,也發(fā)現(xiàn)同樣的細(xì)粒難熔包體[10],更與通常認(rèn)為彗星主要是由低溫物質(zhì)構(gòu)成的模型不一致。

除了很可能由高溫氣體凝聚形成的難熔包體之外,頑輝石球粒隕石的特殊礦物組合不僅要求氣-固凝聚,而且要求其形成處于極端的還原條件下。 正常情況下,Ca、 Na、 K、 Mn、 Cr、 Mg、Si等是典型的親石元素,即它們主要以各種氧化物等形式出現(xiàn)。但是,在頑輝石球粒隕石中,Si可以單質(zhì)零價(jià)存在于Fe-Ni金屬中,Ca、Na、K、Mn、Cr、Mg等形成各種硫化物[11-13]。要形成這些礦物組合,需要將太陽(yáng)星云的C/O比值從0.54提高到0.8以上[14]。這一極端的條件如何產(chǎn)生?該類(lèi)隕石母體小行星形成的空間位置?

星云凝聚是由高溫的氣體冷卻形成固相的過(guò)程。太陽(yáng)星云盤(pán)中很可能還普遍存在快速加熱,然后快速冷卻的不同事件。這一事件的證據(jù)是粗粒結(jié)構(gòu)的難熔包體 (或稱火成結(jié)構(gòu)難熔包體),它們?cè)诘V物和化學(xué)組成上與細(xì)粒難熔包體相似,但結(jié)構(gòu)上表明是由熔體結(jié)晶形成。有觀點(diǎn)認(rèn)為它們是具有太陽(yáng)系平均成分的鐵鎂質(zhì)硅酸鹽,加熱后高溫蒸發(fā)后殘留的難熔組分[15];也有觀點(diǎn)認(rèn)為它們是細(xì)粒難熔包體受熱熔融后再結(jié)晶,組成基本未變,僅結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變[6]。不管怎樣,粗粒難熔包體代表了太陽(yáng)星云中的高溫加熱事件,其冷卻速率一般不超過(guò)50℃/h。更為普遍的高溫加熱事件產(chǎn)物是硅酸鹽球粒,它們構(gòu)成了球粒隕石的最主要組分。與粗粒難熔包體不同,球粒熔融之后的冷卻速率更快,一般超過(guò)50℃/h,甚到高達(dá)1000℃/h。很顯然,球粒的形成代表了太陽(yáng)星云中一種不同的、但極為普遍的加熱事件。上述加熱事件產(chǎn)生的機(jī)制是什么?發(fā)生的空間位置?形成球粒事件的時(shí)間?粗粒難熔包體與細(xì)粒難熔包體之間的成因聯(lián)系?

3.3 太陽(yáng)星云的徑向分異

太陽(yáng)系形成過(guò)程中最顯著的一個(gè)結(jié)果,是理論上均一的原始星云盤(pán)演化成為一個(gè)高度不均的太陽(yáng)系,特別是由類(lèi)地行星構(gòu)成的內(nèi)太陽(yáng)系與氣態(tài)行星構(gòu)成的外太陽(yáng)系之間的巨大差異。除此之外,在太陽(yáng)星云的凝聚階段,可能就已經(jīng)出現(xiàn)了星云盤(pán)徑向上的化學(xué)分異。如前所述,頑輝石球粒隕石很可能形成于一個(gè)極端還原的星云環(huán)境。這一極端還原的條件是如何產(chǎn)生的?不同化學(xué)群球粒隕石之間的全巖化學(xué)組成有顯著的不同,如何形成?水和有機(jī)質(zhì)的分布很不均一,它們?cè)谔?yáng)星云盤(pán)中如何遷移?對(duì)星云演化又有何影響?

難熔包體的富16O異常發(fā)現(xiàn)是天體化學(xué)的重大成果之一[16]。大量的分析結(jié)果進(jìn)一步表明,地球、火星、灶神星以及各類(lèi)型小行星隕石具有不同的氧同位素組成[17]。但是,氧同位素異常的機(jī)理,特別是太陽(yáng)系氧同位素異常的分布特征還沒(méi)有得到很好的解釋。近年對(duì)太陽(yáng)系各種物質(zhì)的同位素分析發(fā)現(xiàn),根據(jù)Cr、Ti、O等同位素異常,可以將太陽(yáng)系物質(zhì)劃分為內(nèi)、外太陽(yáng)系二大部分,但是其產(chǎn)生的原因是什么?這些同位素異常的機(jī)制?

3.4 小天體的形成和早期演化

與太陽(yáng)星云凝聚過(guò)程相比,對(duì)小行星的形成過(guò)程所知甚少,一個(gè)重要原因是隕石樣品在尺寸上一般為分米級(jí)大小,少量達(dá)到米級(jí)。一般認(rèn)為,太陽(yáng)星云凝聚形成的毫米-厘米大小集合體首先聚集成卵石大小塊體,然后堆積形成公里級(jí)-百公里級(jí)的星子。理論模擬計(jì)算表明,星子形成的物質(zhì)主要來(lái)源于本地,但仍有一定比例的物質(zhì)來(lái)自其他區(qū)域[18]。對(duì)小行星的觀測(cè)和探測(cè)也表明,有相當(dāng)高比例的小行星顯啞鈴狀等形態(tài),很可能是由二個(gè)或多個(gè)星子拼接而成。一些特殊的隕石,由多種類(lèi)型的隕石角礫構(gòu)成,反映了不同類(lèi)型小行星之間的碰撞和堆積?！袄杳魈?hào)”計(jì)劃對(duì)灶神星表面的探測(cè),發(fā)現(xiàn)較多分布的暗色物質(zhì)和氫的分布,很可能是碳質(zhì)小行星撞擊留下的碎片[19]。日本隼鳥(niǎo)2號(hào)對(duì)龍宮小行星的探測(cè),美國(guó)OSIRIS-REx對(duì)Bennu小行星的探測(cè),均表明這二個(gè)碳質(zhì)小行星是由碎石塊堆積而成[20,21]。因此,關(guān)于星子的形成機(jī)制、過(guò)程、物質(zhì)來(lái)源、形成時(shí)間等需要通過(guò)小行星的探測(cè)獲得答案。

星子形成之后,除了由動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能之外,更多的能量來(lái)自短壽命的放射性核素衰變,特別是26Al(半衰期73萬(wàn)年)的衰變能。因此,較大的星子,特別是其中央經(jīng)歷了不同程度的熱變質(zhì)改造。當(dāng)溫度足夠高時(shí),金屬和硅酸鹽發(fā)生的熔融,并且相互分離,形成了主要由Fe-Ni合金構(gòu)成的核部,以及由硅酸巖熔體結(jié)晶形成的幔。對(duì)收集到的大量隕石樣品分析表明,很少存在原始球粒隕石與熔融形成的鐵隕石或無(wú)球粒隕石之間的成因聯(lián)系,或是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的隕石?或是因?yàn)樗鼈冎g確實(shí)不存在聯(lián)系?無(wú)球粒隕石在同位素組成上均屬于內(nèi)太陽(yáng)系型,而外太陽(yáng)系型主要是碳質(zhì)球粒隕石,這是表明它們分別形成于太陽(yáng)星云盤(pán)的不同區(qū)域?外太陽(yáng)區(qū)域的星子形成較晚,溫度更低,因而熱變質(zhì)程度較低,更很少發(fā)生熔融?

除了溫度升高造成的熱變質(zhì),甚至熔融之外,液態(tài)水或水蒸汽的存在,可以造成強(qiáng)烈的水蝕變。橄欖石、輝石、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物在水蝕變下形成各種粘土礦物,硫化物和金屬發(fā)生氧化。小行星中普遍形成碳酸鹽、硫酸鹽、甚至石鹽等蒸發(fā)鹽類(lèi)礦物。小行星內(nèi)的水蝕變,很大程度上抹除了太陽(yáng)星云過(guò)程的記錄?！袄杳魈?hào)”計(jì)劃對(duì)谷神星的探測(cè),發(fā)現(xiàn)了一系列水蝕變存在的證據(jù),甚至表明谷神星內(nèi)部存在液態(tài)水的海洋[22-24]。大部分碳質(zhì)隕石存在明顯的水蝕變,但也有一部分水含量低。一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題是,這些貧水的碳質(zhì)隕石 (小行星)是原始不含水的狀態(tài)?或是由于后期熱變質(zhì)脫水的結(jié)果?決定星子水含量的主要因素是什么?

3.5 木星的遷移及其影響

小天體的軌道易于受到擾動(dòng)而發(fā)生改變,因此觀測(cè)到的小天體軌道不代表其形成位置。近地小行星的光譜類(lèi)型與主帶小行星相似,是由后者遷移至目前的軌道;而主帶小行星在很小的空間區(qū)域 (2-4AU),分布各種不同光譜類(lèi)型的小行星,其化學(xué)組成的差異涵蓋了從最靠近太陽(yáng)的水星一直到外太陽(yáng)系。另一方面,主帶小行星光譜類(lèi)型的分布存在統(tǒng)計(jì)規(guī)律,即靠近太陽(yáng)一側(cè),以發(fā)生熔融的分異型小行星為主,而隨遠(yuǎn)離太陽(yáng),原始類(lèi)型小行星的比例增高[25]。是什么事件或機(jī)制決定了不同光譜類(lèi)型小行星的空間分布?它們形成時(shí)的空間位置?

太陽(yáng)系形成的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明,木星和土星的形成對(duì)太陽(yáng)系,特別是小行星的分布可產(chǎn)生很大的影響[25-28]。木星的初始形成位置約在3AU,當(dāng)其生長(zhǎng)到20個(gè)地球大小時(shí),其軌道向內(nèi)遷移至現(xiàn)今火星位置,從而將內(nèi)太陽(yáng)區(qū)域的星子彈射出去。隨后,木星的軌道向外遷移,進(jìn)而將外太陽(yáng)區(qū)域,包括柯伊伯帶的小天體彈射進(jìn)內(nèi)太陽(yáng)區(qū)域。木星的快速生長(zhǎng),是否阻斷了內(nèi)-外太陽(yáng)星云盤(pán)物質(zhì)的遷移?并造成它們之間同位素異常的差異?木星發(fā)生上述遷移的實(shí)驗(yàn)證據(jù)?如果發(fā)生了遷移,其出現(xiàn)的時(shí)間?

4 小天體探測(cè)的思路

4.1 長(zhǎng)期持續(xù)的任務(wù)

一方面,小天體,特別是小行星的數(shù)量巨大,已劃分出至少25個(gè)不同的光譜類(lèi)型。另一方面,已收集到的小行星隕石,已知30個(gè)化學(xué)群左右。小行星的光譜類(lèi)型與隕石化學(xué)群之間重疊較少,實(shí)際上太陽(yáng)系形成過(guò)程中殘留下來(lái)的星子類(lèi)型也有很大的數(shù)量。為了恢復(fù)太陽(yáng)星云的初始狀態(tài)和演化過(guò)程,需要對(duì)這些不同類(lèi)型的小行星和彗星進(jìn)行探測(cè)。同時(shí),星子形成之后,可能經(jīng)歷了不同程度的水蝕變、熱變質(zhì)、熔融分異以及撞擊等作用。為了揭示這一階段的星子演化,理解行星的形成,需要對(duì)同一星子開(kāi)展更深入的探測(cè)。因此,為了揭示太陽(yáng)系形成和早期演化歷史,需要長(zhǎng)期持續(xù)開(kāi)展小天體的探測(cè)。此外,小天體作為未來(lái)太空的戰(zhàn)略資源,以及小天體撞擊構(gòu)成對(duì)地球的潛在威脅,同樣要求對(duì)它們進(jìn)行長(zhǎng)期的探測(cè)。

我國(guó)目前僅規(guī)劃了一次小天體探測(cè)任務(wù),無(wú)法滿足對(duì)太陽(yáng)系起源認(rèn)識(shí)的需求,無(wú)法保證未來(lái)對(duì)小天體資源的需求,無(wú)法防御潛在小天體撞擊對(duì)人類(lèi)構(gòu)成的威脅。需要以太陽(yáng)系形成與演化重大科學(xué)問(wèn)題為牽引,結(jié)合未來(lái)小天體資源的開(kāi)發(fā)和利用,以及小天體安全防御,規(guī)劃出我國(guó)小天體探測(cè)的路線,長(zhǎng)期持續(xù)地開(kāi)展小天體的探測(cè)。

4.2 多任務(wù)、低成本

同月球、火星和其他行星探測(cè)相比,小天體探測(cè)可以采用低成本的技術(shù)路線和工程方案。事實(shí)上,NASA的Discovery級(jí)任務(wù)主要針對(duì)小天體探測(cè),日本的小行星探測(cè)任務(wù)經(jīng)費(fèi)也控制在1.5億美元范圍。同時(shí),隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的成熟和普及,也為小天體探測(cè)提供了一個(gè)很好的飛行器平臺(tái)。因此,低成本的小天體探測(cè)在經(jīng)濟(jì)上是可能的,技術(shù)上也是可行的。通過(guò)長(zhǎng)期持續(xù)實(shí)施小天體探測(cè)任務(wù),最終揭示整個(gè)太陽(yáng)系起源和早期演化歷史,開(kāi)發(fā)和利用小天體資源,防御小天體撞擊對(duì)人類(lèi)的威脅。

4.3 科學(xué)與技術(shù)發(fā)展路線的結(jié)合和促進(jìn)

小天體探測(cè)具有目標(biāo)多重性的顯著特征,即在科學(xué)探索、太空資源開(kāi)發(fā)、小天體撞擊安全防御等方面均具有重大的意義。同時(shí),這三個(gè)方面之間又相互促進(jìn)和依存,科學(xué)探索是太空資源利用和防御小天體撞擊的基礎(chǔ),而后兩者的需求則促進(jìn)科學(xué)探索的發(fā)展。太空資源利用和防御小天體撞擊更多側(cè)重空間技術(shù)的進(jìn)步。因此小天體探測(cè)的總路線,需要綜合考慮科學(xué)目標(biāo)的需求、太空資源利用和防御小天體撞擊的技術(shù)發(fā)展需求兩大方面,并將二者更好地結(jié)合起來(lái),協(xié)同發(fā)展,相互促進(jìn)?？傮w而言,以太空資源利用和防御小天體撞擊為最終目標(biāo),制定出空間技術(shù)的發(fā)展路線圖;以此為工程約束,根據(jù)小天體探測(cè)的總科學(xué)目標(biāo),制定相應(yīng)的分階段小天體探測(cè)任務(wù)。這也是以科學(xué)探測(cè)為牽引,帶動(dòng)空間技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

4.4 多元化的探測(cè)路線

在國(guó)際私營(yíng)企業(yè)進(jìn)入深空探測(cè)領(lǐng)域,并得到相關(guān)政府支持的大背景下,國(guó)內(nèi)也開(kāi)始成立民營(yíng)的太空探索公司。同時(shí),微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,也不斷降低空間探測(cè)的技術(shù)門(mén)檻。具備低成本、多任務(wù)為特色的小天體探測(cè),很可能更適合多元化的發(fā)展框架,成為國(guó)家任務(wù)的重要補(bǔ)充,形成我國(guó)深空探測(cè)的特色。作為對(duì)比,美國(guó)的太空公司更多介入月球和火星的探測(cè)領(lǐng)域。

5 總結(jié)

小天體探測(cè)是深空探測(cè)的重要組成部分,是揭示太陽(yáng)系起源和早期演化、地球等行星初始物質(zhì)組成以及水和有機(jī)質(zhì)分布與演化等重大科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。同時(shí),小天體探測(cè)在未來(lái)太空資源利用、小天體撞擊安全防御等領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。小天體探測(cè)一直是國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)和前沿。同時(shí),小天體數(shù)量巨大、類(lèi)型繁多、空間分布極廣。一部分類(lèi)型的小行星和彗星代表了太陽(yáng)星云盤(pán)不同空間區(qū)域殘留的原始星子,記錄了太陽(yáng)星云的演化過(guò)程;一部分類(lèi)型的小行星經(jīng)歷了水蝕變、熱變質(zhì)、熔融分異、沖擊變質(zhì)等,記錄了小行星和行星早期的演化歷史。我國(guó)目前已規(guī)劃的小天體探測(cè)任務(wù)僅有一次,因此需要以解決上述重大科學(xué)問(wèn)題為牽引,以小天體資源利用和撞擊防御為技術(shù)發(fā)展目標(biāo),制定出我國(guó)小天體探測(cè)的路線,長(zhǎng)期持續(xù)開(kāi)展低成本、多元化的小天體探測(cè),為探索自然、實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展做出中國(guó)的貢獻(xiàn)。