“欧西里斯”探测贝努小行星的初步成果

2019-05-24焦维新北京大学地球与空间科学学院

国际太空 2019年4期

焦维新（北京大学地球与空间科学学院）

2016年9月8日美国成功发射的“欧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx，以下简称“欧西里斯”）探测器历经两年多的长途飞行，于2018年12月3日进入环绕目标小行星贝努（Bennu）的轨道进行观测。2019年3月，“Nature”（《自然》）杂志刊载了专辑，介绍了“欧西里斯”探测贝努小行星取得的最新成果。

1 探测计划概述

计划名称内涵

“欧西里斯”是美国国家航空航天局（NASA）正在执行的近地小行星取样返回探测计划。该计划的中文意思是“起源、光谱释义、资源识别、安全、风化层探索者”，明确概括了该计划的科学目标。所谓“起源”就是通过分析小行星上的原始物质，研究行星的形成和生命的起源；“光谱释义”的含义是通过对目标小行星进行多光谱测量，获得小行星的整体特征；“资源识别”的意思比较明确，因为可从光谱测量中直接获得矿物特征；“安全”是指这颗近地小行星具有撞击地球的潜在危险性，通过对雅克夫斯基效应的测量，今后可以更准确地预报其轨道，避免撞击地球；“风化层”的含义就更清楚了，这也是本次探测要实现的目标，就是从小行星表面取回不少于60g的风化层（或者说是碎片）带回地球。

该计划的全称“欧西里斯-雷克斯”中，“欧西里斯”（OSIRIS）是埃及神话中的冥王，九柱神之一，是古埃及最重要的神祇之一。“雷克斯”（REx）是风化层探索者的缩写。因此，该计划名称的含义是“风化层探索者——欧西里斯”。

“欧西里斯”有效载荷

目标小行星选择程序

在2008年选择探测目标时，已经发现9000多颗近地小行星，NASA提出的选择条件是低偏心率和低轨道倾角，轨道近日点大于0.8AU，远日点小于1.6AU，符合这些条件的近地小行星（NEA）只有350颗。

对于小行星的大小，NASA提出直径应大于200m，这样，符合要求的近地小行星数量由350颗减少到29颗。

从科学价值的角度看，富含碳类的小行星含有有机分子、挥发物和氨基酸，在上述29颗候选小行星中，有12颗知道成分，而只有5颗是富含碳的。

小行星贝努是一颗对地球有潜在危险天体（PHA），最小轨道交会距离约0.002AU，在2182年撞击地球的危险性目前排在第二位。从近地轨道到与贝努轨道交会的速度变量为5.1m/s。综合大小、成分、轨道等多种因素，最后被选为探测目标。

近地小行星贝努介绍

小行星贝努是1999年9月被发现的，当时的名称是1999 RQ36。通过观测发现，贝努每6年靠近地球一次，这样就提供了详细对其进行观测的机会。在1999－ 2000年、2005－ 2006年以及2011－2012 年间，贝努的亮度都很高，可见光与红外光谱测量的结果表明，贝努属于B类小行星。

贝努轨道的近日距离是0.8969AU，远日距离为1.3559AU，轨道倾角为6.0349°，轨道周期436.6487天。在2175－2196年间撞击地球的概率为1/2700。

探测任务阶段步骤

“欧西里斯”对贝努的探测细分为九个阶段，包括：接近段、初步调查段、轨道A段、详细调查段（一）、详细调查段（二）、轨道B段、低高度勘察段、预演段和接触即离取样段。每一个阶段都是特别设计的，目的是让任务团队逐步加深小行星的了解，学习如何在微重力环境下安全地驾驶航天器，并确定最佳取样地点。

2018年8月17日，距离贝努2×106km，开始了“欧西里斯”对小行星的接近段。2018年12月3日，“欧西里斯”进入环绕目标小行星贝努的轨道，开始初步调查段。在低高度勘察段，探测器将对最后两个候选样地进行一系列低空观测。这些从225m高度上获得的观测结果将能分辨出表面上小至2cm的物体。由于收集样本是一项重要活动，研究团队计划在最后执行取样之前，至少进行两次排练。当时机成熟时（大约在2020年7月），“欧西里斯”将使用“接触即离取样获得机械”（TAGSAM）从贝努采集风化层60g～2kg的样品。计划2021年3月开始返回，在2023年9月24日回到地球。

“欧西里斯”观测时间表

贝努数字地形模型

“欧西里斯”探测器的关键科学目标

1）从碳质小行星贝努表面取回足够量的风化层物质，用于研究小行星矿物和有机物的特性、历史和分布；

2）对原始的碳质小行星的整体特征、化学特性和矿物学特性进行全球绘图，用于确定其地质特征和动力学历史特征；

3）描述取样点实地风化层的质地、形态、地球化学和光谱特性，取样点的空间尺度到亚毫米；

4）测量由非引力产生的轨道偏移；确定对潜在危险小行星的雅克夫斯基效应，并确定影响这种效应的小行星性质；

5）确定原始碳质小行星的整体全球特征，以便与地基望远镜关于整个小行星密度的数据直接比较。

2 “欧西里斯”已经取得的成果

2019年3月，《自然》杂志刊载了专辑，介绍到目前为止“欧西里斯”探测贝努小行星取得的成果。

贝努的大小

小行星的形状反映了其内部性质和形成过程之间的相互作用，以及它们穿越太阳系时的进化过程。以前，地球上的雷达成像提供了小行星贝努的形状和轮廓，据最新消息，“欧西里斯”获得了更为精确的观测结果。根据新的观测数据，研究团队建立了贝努数字地形模型（GDTM）。其最佳拟合椭球体为（252.78±0.05）m×（246.2±0.09）m×（228.69±0.12）m，平均直径（490.06±0.16）m，与之前雷达测得的直径一致。GDTM 的体积为（0.0615±0.0001）km3，也与预测值近似。自转周期与相遇前估计近似，为（4.276057±0.000002）h。

贝努小行星表面形态

确定小行星上风化层和岩石的丰度和物理性质对了解其形成至关重要。“欧西里斯”获得的图像和热数据显示，小行星贝努的表面是全球粗糙的，有密集的岩石，反照率低。巨石的数量多得令人惊讶。

广泛存在水合矿物的证据

来自“欧西里斯”的光谱数据揭示了近地小行星贝努表面富含水合矿物的证据，在2.7μm附近的近红外吸收和热红外光谱特征，与含水的CM型碳质球粒陨石的光谱相似。在2.7μm处的明显吸收特性，说明小行星贝努上有含水矿物。

图中的几种陨石都是著名的碳质球粒陨石，人们对这些陨石的光谱特征已经进行了深入研究。将“欧西里斯”观测贝努的数据与这几种碳质球粒陨石的光谱数据比较，进一步证实，贝努确实有含水矿物。

表面坡度分布

在过去的100万年里，贝努的表面坡度一直在变化。最近的观测还发现贝努内部密度不均匀的证据，表明其内部是由空隙和巨石混合而成。这种非均质性的存在和贝努的顶部形状与过去某个时刻的自旋诱发的内部缺陷是一致的，尽管这种缺陷的确切方式还无法确定。

贝努小行星表面形态（上图为贝努自旋一周的图形，下图为贝努的全球等矩形图）

贝努的反射光谱

贝努反射光谱与含水的CM型碳质球粒陨石的光谱比较

贝努全球镶嵌图与高程数据和四个感兴趣的采样区域

难以想象的表面

贝努表面有几个显著的特征：一是赤道隆起；二是碎石堆积结构；三是高耸的南北山脊从极向极延伸，支配着地形，明显地引导着地表物质的流动；四是整体是黑暗的，反照率很低。

上图中：（a）图像的贝努表面覆盖有许多米级或更大的巨石。彩色比例尺显示位势高度从0m（蓝色）到70m（红色）。白色方框对应的图像在b～e区域内显示，是取样感兴趣的区域，每个方框都是50m宽。（b）图为2018年12月1日拍摄，分辨率为0.42m，区域内有高的坡。（c）图像采集于2018年12月2日，分辨率为0.33m，其中一些位置位于小型环形山的底部。（d）图为2018年12月2日拍摄，分辨率为0.32 m，其中一些区域被米级岩石环绕。（e）图像采集于2018年12月2日，分辨率为0.33m，有一些被米级大小的岩石环绕。