“天問二號” 飛天，奔赴隱秘小世界

“天問二號”探測器開啟了一場為期十年的“追星之旅”。這一次的目標(biāo)是針對小行星和彗星的取樣及探測。

在太陽系中，除了太陽、八大行星和以冥王星為代表的矮行星外，還有大量的小行星和彗星。這些小天體雖然看起來微不足道，但在它們身上卻可能隱藏著能夠揭開太陽系形成、行星演化和生命起源等一系列重大謎團(tuán)的關(guān)鍵線索。國際天文學(xué)界已經(jīng)對小行星和彗星開展了長期、深入的研究，近年來我國也開始把這一領(lǐng)域作為空間科學(xué)的重點(diǎn)研究方向。

▲“天問二號”探測器藝術(shù)想象圖（來源：國家航天局）

2025年5月29日1時31分，“天問二號”探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利發(fā)射升空，開啟一場為期十年的“追星之旅”。它的目標(biāo)是通過一次發(fā)射，實(shí)施小行星2016HO3伴飛、取樣、返回和主帶彗星311P伴飛探測等多項任務(wù)。這些任務(wù)具有重大的開創(chuàng)性意義，邁出了我國空間科學(xué)的歷史性一步。

精心選擇探測目標(biāo)

截至目前，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過100萬顆小行星和為數(shù)眾多的彗星。作為我國首次小行星探測任務(wù)，“天問二號”從節(jié)約成本、提高效率的角度出發(fā)，計劃用一次任務(wù)對兩個目標(biāo)進(jìn)行探測，而這兩個目標(biāo)的選擇都經(jīng)過了精心考量。

在大量的小行星中，有一類被稱作近地小行星，這是一類軌道近日點(diǎn)距離在1.3AU（1AU=1.496×108千米，即日地平均距離，稱為1個天文單位）以內(nèi)的小行星。這類小行星距離地球較近，可能對地球構(gòu)成潛在的威脅。天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過3萬顆近地小行星，它們處于不同的演化階段，具有不同的科學(xué)研究價值。

大部分近地小行星的軌道呈橢圓形，只有很小的一部分處于與地球共軌的狀態(tài)。這些地球共軌小行星又包括地球準(zhǔn)衛(wèi)星、特洛伊小行星與馬蹄形軌道小行星三類，其中地球準(zhǔn)衛(wèi)星的數(shù)量最為稀少，它們因為能穩(wěn)定地運(yùn)行于地球軌道附近而得名。地球準(zhǔn)衛(wèi)星是研究太陽系早期物質(zhì)組成、形成過程和演化歷史的“活化石”，被認(rèn)為具有極高的科研價值，但目前研究人員對它們的了解還十分有限。例如，他們還不確定這類小天體是地球或者月球遭到撞擊形成的碎塊還是后期被地球捕獲的小天體。研究人員希望能夠通過環(huán)繞器對這類天體進(jìn)行熱輻射測量、表面測繪、成分分析和內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測，并通過采樣返回對樣品進(jìn)行進(jìn)一步分析，從而對這類小天體的熱輻射狀態(tài)、表面特征、成分、密度等信息獲得更加全面的了解，借此回答它們的起源和軌道演化等關(guān)鍵問題。

▲地球與小行星2016HO3環(huán)繞太陽的軌道示意圖（來源：美國國家航空航天局）

截至2023年12月，天文學(xué)家一共只發(fā)現(xiàn)了5顆地球準(zhǔn)衛(wèi)星。“天問二號”此次探測的目標(biāo)小行星2016HO3，就是第5顆被發(fā)現(xiàn)的地球準(zhǔn)衛(wèi)星，也是其中最特別的一顆。這顆直徑為40~100米的小行星的軌道半長軸為1.001AU，因此它繞太陽公轉(zhuǎn)的周期為365.4天，與地球的公轉(zhuǎn)周期365.25天幾乎完全一致。經(jīng)過計算機(jī)模擬，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在過去的100年里，這顆小行星與地球始終保持著軌道共振，而這種狀態(tài)還將持續(xù)約300年。軌道共振使它與地球“若即若離”：它同地球的最遠(yuǎn)距離為4000萬千米，不會脫離地球的引力影響；但同地球的最近距離也有1400萬千米，所以不會像月球一樣真正成為地球的衛(wèi)星。

2016年4月27日，美國全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（Pan-STARRS，又稱為“泛星計劃”）位于美國夏威夷哈雷阿卡拉山上的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這顆小行星。它在被發(fā)現(xiàn)后獲得臨時編號2016HO3，還被命名為Kamo’oalewa，這個詞在夏威夷當(dāng)?shù)卣Z言中的意思是“振蕩的天體”，暗示了它特別的軌道性質(zhì)。后來，這顆小行星獲得國際天文學(xué)聯(lián)合會認(rèn)證的永久編號469219。它同地球的距離較近，對地面測控的要求較低，同時轉(zhuǎn)移軌道需要的能量也較小，適于進(jìn)行就位探測和采樣返回，因此被選為“天問二號”的探測目標(biāo)。

雖然同為太陽系中的小天體，但傳統(tǒng)上小行星和彗星被認(rèn)為具有明顯的不同，二者的動力學(xué)特性、觀測特性和成分特性都具有自身鮮明的特點(diǎn)。此外，這兩類天體的主要分布區(qū)域也不同：除了近地小行星外，太陽系內(nèi)超過90%的小行星都位于火星和木星軌道之間的小行星帶中，這些小行星也被稱為主帶小行星；而彗星則主要存在于遙遠(yuǎn)的太陽系邊緣，包括柯伊伯帶和奧爾特云中。

不過，隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)小行星和彗星并非截然不同的兩類天體，一類被稱作主帶彗星（或稱冰質(zhì)小行星、活躍小行星）的天體就是二者之間的過渡形式。這類天體兼具二者的特征，即具有小行星的軌道特征和彗星的物理特征。截至2023年12月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的主帶彗星僅有15顆，他們對這類天體的研究還處于起步階段，主帶彗星的起源和形成、主帶彗星的揮發(fā)成分等一系列問題都有待進(jìn)一步的研究。

“天問二號”將要探測的主帶彗星311P是由“泛星計劃”望遠(yuǎn)鏡于2013年8月發(fā)現(xiàn)的，它是天文學(xué)家確認(rèn)的第7顆主帶彗星。這顆主帶彗星的直徑為320~585米，軌道位于小行星帶內(nèi)側(cè)，環(huán)繞太陽的公轉(zhuǎn)周期為3.23年，最近距離太陽1.94AU，最遠(yuǎn)距離太陽2.44AU。天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)311P時觀察到它具有與彗星相似的多條塵埃噴發(fā)尾跡，但擁有小行星的穩(wěn)定軌道。2013年的觀測顯示，它噴發(fā)的塵埃在太陽風(fēng)的作用下，展開成6條螺旋狀尾跡。

“天問二號”對311P開展繞飛探測，將有助于天文學(xué)家探究主帶彗星這類小天體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及演化機(jī)制等問題，填補(bǔ)太陽系小天體研究領(lǐng)域的空白。其中一類關(guān)鍵問題是，主帶彗星的塵埃中是否含有水分子以及這類小天體是否普遍存在？如果在小行星帶中存在大量富含水冰的主帶彗星，則很有可能改變我們對地球海洋起源的現(xiàn)有認(rèn)識。

緊跟世界研究前沿

小行星撞擊對地球環(huán)境和生命演化產(chǎn)生過巨大的影響。現(xiàn)有研究認(rèn)為，大約6600萬年前一顆小行星撞擊地球可能是導(dǎo)致恐龍滅絕的主要原因。而1908年的通古斯大爆炸和2013年發(fā)生在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克州的小行星撞擊事件，則使人類切身感受到小行星的威力。隨著觀測能力的不斷提高，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了越來越多對地球構(gòu)成潛在威脅的小行星，因此小行星研究在科學(xué)目標(biāo)之外還增加了應(yīng)對撞擊威脅的現(xiàn)實(shí)需要。

自20世紀(jì)90年代以來，國際天文學(xué)界對小行星和彗星的關(guān)注度逐漸增加，小行星探測經(jīng)歷了近距離飛越、繞飛、附著就位探測和表面采樣返回等階段，其中以美國、日本和歐洲開展的多項探測任務(wù)為代表。例如，歐洲空間局（ESA）的“羅塞塔-菲萊號”（Rosetta-Philae）對楚留莫夫-格拉希門克彗星（67P）進(jìn)行了就位探測，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的“隼鳥號”（Hayabusa）和“隼鳥2號”（Hayabusa 2）以及美國國家航空航天局（NASA）的“歐西里斯號”（OSIRIS-REx）執(zhí)行了小行星表面采樣返回任務(wù)。我國的“嫦娥二號”在完成既定工程目標(biāo)與科學(xué)任務(wù)后，完成了對小行星圖塔蒂斯（4179 Toutatis）的飛越，第一次對這顆小行星進(jìn)行了近距離光學(xué)觀測，實(shí)現(xiàn)了我國小行星探測的初步嘗試。

中國小行星探測任務(wù)雖然起步晚，但是起點(diǎn)高，制定了豐富的科學(xué)目標(biāo)。“天問二號”任務(wù)包括認(rèn)識小天體、解密小天體，追溯小天體的前世和今生，探索生命和地球水的起源，揭示太陽對小天體的影響，探究小天體對地球的危害等5大類科學(xué)目標(biāo)，含有共計29項科學(xué)研究內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)這些科學(xué)目標(biāo)，“天問二號”配備了可見紅外成像光譜儀、多光譜相機(jī)、探測雷達(dá)、磁強(qiáng)計等10種探測儀器。

“天問二號”任務(wù)在推進(jìn)過程中也在不斷進(jìn)行調(diào)整：任務(wù)立項初期曾被提議以“鄭和”命名；2019年時，探測器計劃是在2022年發(fā)射升空。同時，任務(wù)立項時計劃探測的地球準(zhǔn)衛(wèi)星就是2016HO3，但當(dāng)時計劃探測的主帶彗星是另一顆主帶彗星133P，后被調(diào)整為現(xiàn)在的311P。

兩個探測目標(biāo)將“天問二號”任務(wù)劃分為兩個階段，第一個階段是計劃用2年半左右的時間完成對2016HO3采樣返回的任務(wù)。雖然“嫦娥五號”和“嫦娥六號”已經(jīng)分別成功實(shí)施月球正面和月球背面采樣返回，但此次小行星采樣返回任務(wù)將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。由于小行星表面的引力比月球表面小得多，所以無法沿用“嫦娥五號”和“嫦娥六號”的采樣方法。在“天問二號”采樣任務(wù)中，將會用到兩種方法：第一種被稱作“觸摸式”（touch-and-go），這是“歐西里斯號”和“隼鳥2號”使用過的小行星采樣技術(shù)；而第二種方法被稱作“錨定式”（anchor-and-attach），這將是首次在小行星采樣任務(wù)中使用的技術(shù)。“錨定式”需要使用非常精確的探測器導(dǎo)航和控制系統(tǒng)才能完成，例如，探測器的錨定系統(tǒng)需要對小行星表面風(fēng)化層反應(yīng)極其靈敏才能實(shí)現(xiàn)附著，繼而完成精準(zhǔn)受控的采樣操作。

另一個挑戰(zhàn)是如果由地面人員控制探測器降落并附著在小行星表面，那么由此造成的時間延遲將會使這項對時間精度要求極高的任務(wù)無法完成，因此探測器需要自主完成降落、附著等一系列操作。如果采樣工作順利完成的話，樣品將會由一個返回艙帶回地球。返回艙到達(dá)地球的速度將達(dá)到約每秒12.1千米，相比之下月球采樣返回艙的速度為約每秒10.7千米，因此研究人員需要對已有的返回艙進(jìn)行升級改造，使它能夠承受重返地球大氣層時因與地球大氣層更劇烈的摩擦而產(chǎn)生的更高溫度。

在將返回艙送回地球后，“天問二號”將進(jìn)入一個轉(zhuǎn)移軌道，開啟任務(wù)的第二個階段，此后它將花費(fèi)大約7年的時間于30年代中期到達(dá)311P，然后對這顆主帶彗星進(jìn)行遙感探測。

行星探測穩(wěn)步推進(jìn)

“天問二號”的成功發(fā)射，令人們再次把關(guān)注的目光投向“天問”任務(wù)。2020年4月24日是第五個中國航天日，國家航天局在這一天宣布將我國的行星探測任務(wù)正式命名為“天問”，并把我國首次火星探測任務(wù)命名為“天問一號”。

2020年7月23日，“天問一號”火星探測器從海南文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空。2021年5月15日，“天問一號”著陸巡視組合體順利在火星表面著陸，中國成為繼蘇聯(lián)和美國之后世界上第三個探測器成功在火星著陸的國家。2021年6月11日，國家航天局發(fā)布了“天問一號”探測器著陸火星后的首批科學(xué)影像圖，標(biāo)志著一次完成環(huán)繞、著陸、巡視三個目標(biāo)的中國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功。

目前，我國火星探測任務(wù)正在按照“一步實(shí)現(xiàn)繞著巡，二步完成取樣回”的路線穩(wěn)步推進(jìn)。在實(shí)現(xiàn)第一階段目標(biāo)后，我國計劃在2028年前后實(shí)施“天問三號”任務(wù)，將通過兩次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星采樣返回的目標(biāo)。此外，我國計劃在2030年前后發(fā)射“天問四號”，開展木星系探測任務(wù)，對木星和木星的衛(wèi)星進(jìn)行研究。

“天問”取自中國古代偉大詩人屈原的《天問》，他在這部不朽詩篇中展現(xiàn)了中國人對求索蒼穹的渴望。“天問二號”為中國的行星探測任務(wù)翻開了新的篇章，有望成為解開太陽系眾多謎團(tuán)的一把鑰匙。隨著后續(xù)任務(wù)的陸續(xù)展開，“天問”系列探測器將會在更加廣闊的太陽系空間內(nèi)留下中國人的印記，把兩千多年前的浪漫變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

責(zé)任編輯 | 朱力遠(yuǎn)

校對：吳依蘭