近地小行星探测目标的选择
2017-08-07焦维新北京大学行星与空间科学研究中心
焦维新 (北京大学行星与空间科学研究中心)
近地小行星探测目标的选择
焦维新 (北京大学行星与空间科学研究中心)
Selection of the Near Earth Asteroid Targets
1 探测近地小行星面临的问题
探测是研究的基础,但与探测大天体相比,小行星探测面临许多新问题,这些问题包括:
1)近地小行星(NEA)数量巨大,截至2017年5月1日,已经发现了16089颗。从众多的天体中选择探测目标,其难度可想而知。
2)近地小行星的轨道各异,如轨道倾角、偏心率、自旋周期、半主轴长度等参数相差很大。根据美国航空航天局(NASA)喷气与推进实验室(JPL)给出的数据,近地小行星轨道倾角的范围是0.02°~154°,偏心率的范围是0.062~0.999,自旋周期的范围是4min至700多小时。因此,与这些小行星进行轨道交会所需要的能量也相差很大,如何权衡科学目标和探测成本,也是值得考虑的重要问题。
3)近地小行星的大小相差很大,直径从1m~33km。
4)按成分划分,近地小行星可分为C类、M类和S类等,各类型的成分相差较大且表面形态各异,这些因素既影响到科学目标的选择,也直接关系到着陆和取样的方法。
5)近地小行星的引力一般都很低,与在大天体上的再入、下降与着陆(EDL)很不相同,一般不存在严重撞击目标天体的问题;相反,往往是要注意着陆后的弹跳出逃问题,很多情况下需要考虑固定方法。
6)对近地小行星表面的地质特征、形态特征等情况了解甚少,一般探测器抵近后才能了解这些具体情况,这给着陆器的设计带来很大的不确定性。例如,岩石表面和“土壤”层的着陆方式很不相同,因此,着陆器的设计要适应比较大范围的表面情况。
这里讨论如何选择近地小行星作为探测目标问题。分析时采用排除法,从近地轨道转移到与目标小行星交会轨道所需要的能量、小行星大小、小行星自旋周期、小行星可能撞击地球的概率等方面,逐层次加以排除,最后再根据科学目标的要求从候选目标小行星中选择。
2 选择探测目标的判据
速度增量
选择探测目标需要考虑的一个重要因素是速度增量△v,也就是从近地轨道(如400km高度)转移至与目标小行星交会轨道所需要的速度变量尽可能小,以便节省能量。作为参考,与火星交会所需的△v是6.3km/s,与月球交会的△v是6.0km/s。影响△v的因素很多,主要涉及小行星的轨道倾角(i)、轨道偏心率(e)和远日点距离(Q),而且是由这些参数的综合因素决定的,单独看与某个参数的关系并不显著。
近年来,喷气与推进实验室在网站上直接公布近地小行星的速度增量数据。到2016年7月19日,共发现近地小行星14557颗,其中△v<6.2km/s的只有3618颗。
近地小行星的大小
目标小行星的直径不能太小。如果太小,则引力很小,探测器着陆时会遇到困难;另外,直径太小的小行星表面一般没有或很少有风化层,即通常所说的“土壤”,没有土壤,着陆固定和取样都有困难。体积很小的小行星一般自旋比较快,这也给安全着陆带来困难。
综合考虑,一般要求小行星的直径大于200m,或者要求H<21(H为绝对星等)。如果考虑小行星直径的限制,则可将上述3618颗的候选范围缩小到376颗,其中的4颗小行星已被国外进行了着陆探测或被列为探测目标,目前的待选目标为372颗。
自旋周期
在考虑着陆或取样返回探测方式中,小行星的自旋周期是需要认真考虑的问题。在着陆过程中,小行星表面的预选目标点移动了很大距离,使得着陆器在指定地点着陆的难度增大。如果自旋周期太短,着陆器难以选择合适的着陆点。
小行星的自旋周期与大小和类型有关。在确定探测目标之前,通过雷达等探测手段了解预选小行星的自旋周期。从现有的观测数据看,很少发现直径小于200m的小行星自旋周期小于2h,也很少发现直径大于500m的小行星自旋周期小于2h。在上述372颗待选小行星中,有自旋周期数据的只有80多颗,已知4颗小行星的自旋周期小于2h,因此预选范围缩小到368颗。
近地小行星类型
小行星表面的反射光谱反应了其本身物质的组成。根据小行星的反照率和光谱特性,可将小行星分为A、V、E、M、S、C、B、G、F、P、D等类型。其中C、S和M类是最早的分类,C表示碳,S表示硅,M表示金属。
C类:极暗,反照率约0.03,硅酸盐和不透明物(碳),类似碳质球类陨石。约占已知小行星的75%。集中在2.8AU附近的小行星是C类小行星,其频谱平坦,在紫外频谱吸收。这种频谱特征表明,在这个区域内小行星的表面发生过含水的变化过程。
S类:靠近太阳的小行星大多数是S类,相对亮,反照率为0.10~0.22,硅酸盐+金属的混合,类似镍铁石陨石,约占已知小行星的17%。
M类:明亮,反照率为0.10~0.18,纯镍铁。
根据小行星的类型,又可以缩小选择范围。如果目的是研究太阳系的起源和演变,选择C类小行星比较合适;如果目的是研究资源,选择M类小行星比较合适。
表面物质的形态
表面物质的形态与着陆固定和取样方法有密切的关系。例如,如果表面是坚硬的岩石,没有风化层,着陆固定和取样都比较困难,需要采取特殊的方法。表面形态与小行星大小有关系,如果近地小行星的直径小于200m,基本上没有风化层,确定是否有风化层的最好方法是用雷达探测表面物质的极化比。
撞击地球的概率
综合轨道特征和大小,有一类小行星撞击地球的危害性较大,被称为对地球有潜在危险的小行星(PHA)。最小轨道交会距离(MOID)是指两个天体轨道间的最小交会距离,可以作为小行星与行星之间碰撞的早期指示。如果地球与小行星之间的最小轨道交会距离比较大,则近期不会发生碰撞;如果最小轨道交会距离比较小,则应密切关注小行星轨道的变化,因为它可能成为撞击者。可根据最小轨道交会距离数据,判断小行星撞击地球的潜在危险性。
另外,喷气与推进实验室还设立了专门的网站,展示这类小行星撞击地球的概率。欧洲航天局(ESA)也有类似的网页。根据这两个网站的数据,当前撞击地球概率最大,且直径大于200m以上的小行星有32颗。
根据上述6个判据,可以将近地小行星的探测目标范围缩小到100颗以内。根据其他观测数据和选定的科学目标,选择出最合适的目标小行星。
3 候选近地小行星
阿波菲斯
99942号阿波菲斯小行星,其临时编号为2004 MN4,于2004年6月19日发现。根据当年176个观测数据,认为阿波菲斯在2029年撞击地球的概率高达2.7%。但更多的观测结果表明,2029年平均撞击概率为0.004%,导致其杜林危险指数降落至零级(无危害)。
研究指出,2029年4月13日阿波菲斯小行星到地球中心的距离为5.62~6.30Re;2036年4月13日,其撞击地球的概率为0.00224%, 或者说是1: 45000。
2009号FD
2009号FD小行星在喷气与推进实验室“哨兵撞击风险表”中曾经排在第一位,是目前认为最有可能撞击地球的小行星,有文献将其列为继阿波菲斯和贝努后第三颗令人最感兴趣的小行星。2009号FD小行星是在2009年3月发现的,属于阿波罗群小行星。根据估算,该小行星在2185-2196 年撞击地球的概率是0.29%。
涅柔斯
4660号涅柔斯小行星是一颗阿波罗类的近地小行星,也是穿越火星轨道的小行星。该小行星的最大特点是频繁地靠近地球,在2100年前,它将7次接近地球,最靠近的第一次是在2021年12月,距离地球3.9×106km。雷达探测结果表明,涅柔斯表面有厘米级至分米级的粗糙度。
1950号DA
1950号DA小行星(29075)是在1950年2月23日发现的,在观测了17天后从人们的视野中消失了半个世纪,后来在2000年12月31日重新被辨别出。根据2014年的研究,1950号DA在2880年撞击地球的概率是0.05%。
阿波菲斯的基本参数
2008号EV5
2008号EV5小行星是一颗碳质小行星,也是对地球有潜在危险的小行星,其形状大体上是球形,直径约400m,自旋周期约3.7h,近日点0.87825AU,远日点1.0384AU,偏心率0.083561,轨道倾角7.43819653°,轨道周期342.7天,与地球的最小轨道交会距离为0.0138092AU。从低地球轨道到达2008号EV5的△v为5.629km/s。下次靠近飞越地球的时间为2023年和2039年,与地球的回合周期大约为15年。
2016号WN55
2016号WN55小行星的直径为0.451km,在2020-2114年有77次撞击地球的机会。2039年9月13日,其到地球表面的距离仅4.18Re。