奥西里斯-雷克斯：“过家门”而不入，留下珍贵大礼

文/梁雷

茫茫星海中，一位离家7年的“游子”渐渐接近地球，却不能返回地球“母亲”的怀抱，只能在与地球“擦肩而过”的瞬间，匆匆一瞥家乡，留下珍贵的礼物。

9月24日，美国奥西里斯-雷克斯号探测器实施轨道修正，将小行星贝努的样本送回了地球。小行星贝努被选为采样目标，有何特殊之处？该探测器漫长的采样返回任务借助了哪些新技术？需要克服哪些隐患？这项任务可能给科学家带来哪些科学和技术收获呢？

▲ 探测器从贝努小行星表面采样示意图

为什么选择“贝努”？

1999年，美国宇航局资助的林肯近地小行星研究小组发现了小行星贝努。它的赤道直径约500米，运行轨道距离地球轨道约750万千米，很快引起了行星防御协调办公室的注意，被归类为潜在的危险天体。经过持续观测和精密计算，科学家认为，在2175～2199年之间，小行星贝努有1/2700的概率撞击地球，在所有类似的近地小行星中属于高风险目标。由此，小行星贝努在众多“竞争者”中脱颖而出，成为探测器的勘测、采样目标。显然，科学家希望通过研究其样本，确定对付这些“危险分子”的方法。

小行星贝努被命名的过程比较有趣：2013年，9岁美国男孩迈克尔·普齐奥在竞赛中赢得了命名权。他的命名创意来源于古埃及神话中的太阳神贝努，象征着太阳、创造和重生，似乎隐喻着探测器有机会一窥太阳系诞生的秘密，尝试解开生命起源谜题。此外，古埃及人通常把贝努描绘成一只灰色苍鹭的形象，而奥西里斯-雷克斯号探测器的接触式采样器铰接臂和太阳能电池板看上去类似神灵的颈部和翅膀，或许也给了小男孩一定的灵感。

▲ 小行星样本舱着陆地球

其实，小行星贝努被选为任务目标，另有重要原因。科学家认为，它富含大量碳和其他矿物质，而且这些物质和岩石早在太阳系诞生之初就已存在了。正是由于它太古老了，其样本中很可能含有地球生命最初形成时便存在的分子物质，实属珍贵的“第一手素材”。

▲ 探测器访问小行星贝努示意图

众所周知，地球上的生命形式都是基于碳原子链与氧、氢、氮等元素的结合。科学家则希望在小行星贝努的样本中有全新的发现，尽可能揭示富含有机物的小行星在“催化”地球生命方面所起的作用。如果有关键发现，也许地球人就是我们寻找已久的“外星人”。

从探测器的命名上，我们也可以初步理解这次任务的意图。“奥西里斯-雷克斯”是探测器正式名称英文缩写的音译，也就是一手持钩子一手持连枷的古埃及神灵。在传说中，奥西里斯曾在埃及尼罗河三角洲地区向人们传授农业知识，促进了生命繁衍，而探测器带回的小行星样本中很可能含有促成地球生命起源的有机物。此外，奥西里斯的另一个角色是象征死亡的冥界之神，暗示探测器前去探索的小行星有可能与地球相撞，带来破坏与死亡，一些中文翻译也因此将这个探测器译作“冥王号”。

新技术解决新难题

2016年，奥西里斯-雷克斯号探测器升空，奔赴小行星贝努轨道，但它并非急不可耐地登陆小行星“开工”，而是在距离小行星贝努仅有1.6～2.1千米的轨道上绕行。这也是探测器首次成功地环绕体格和引力如此小的天体长期飞行。在此后的1年多中,探测器精细地调整轨道,在各种高度上地毯式扫射小行星贝努表面的每一寸。对部分需要重点考察的区域，探测器的飞掠高度甚至低到了250米。在这些近距离考察下，小行星贝努这个地基望远镜里的小亮点已经成为人类在太阳系中最了解的小行星之一。比如，2018年底，探测器在小行星贝努表面发现了水的痕迹。

虽然前期准备足够精细，但在采样工作正式开始前，难题又一次摆在了科学家面前。原本科学家打算在小行星贝努表面找一块直径约50米的平坦区域作为着陆区，结果却发现小行星贝努表面崎岖多石，最终的作业区直径只有6米。如果探测器整体着陆小行星贝努表面，很有可能激起大量粉尘碎屑，引发电子设备短路和机械故障，因此采样过程必须尽可能地快捷高效。

▲ 探测器接近小行星示意图

为了克服全新的困难，探测器应用了全新的技术和方案。科学家起初规划使用激光测距作为探测器着陆、采样阶段的主要导航定位手段。计划变更后，科学家又设计出一种基于光学影像的备用导航定位方案——自然特征跟踪技术。

简单地说，奥西里斯-雷克斯号探测器在降落过程中不断实时拍摄作业区附近的照片,将这些照片和三维地形、影像数据库进行比对,匹配特征鲜明的石块作为地标,不断更新自身的实时位置、速度和计划采样位置。如果检测到拍摄的影像里有危险障碍物，探测器还可以自主撤离。接下来，奥西里斯-雷克斯号探测器伸出了末端为圆球状的采样器铰接臂，采样器头部向小行星表面尽量延伸，借助探测器缓慢下行轨道的动量，轻轻地接触小行星表面。就在铰接臂与小行星表面接触的瞬间，探测器发射了压缩氮气，吹卷起小行星表面的灰尘碎石，迅速将其收集到采样器中。

▲ 科研团队转运小行星样本舱

说来话长，实际上，探测器正式作业时间不过是10秒之内，堪称“蜻蜓点水”，完成了历时7年任务的最关键一步。随着奥西里斯-雷克斯号探测器远离小行星贝努，采样器头部在多个不同位置移动的图像被用于评估，显示采集样本远超过任务要求的60克，可谓“满载而归”。

科学成果拭目以待

9月24日，奥西里斯-雷克斯号探测器的样本舱实施分离，最终降落在美国盐湖城外的沙漠中。为了确保样品舱顺利回收，科学家们已在这里进行了持续数月的演习。当样品舱着陆后，他们迅速将样品舱回收，以防止对地球环境造成污染，然后由直升机将其运到美国休斯敦的约翰逊航天中心的无尘洁净室中进行整理。

令人啼笑皆非的是，跨越数百万千米而来的小行星样本，却在“临门一脚”遭遇意外——科研人员暂时很难提取出大多数样本。

▲ 小行星大多数样本取出遇到麻烦，但舱外已收集到足够样本

原来，探测器采样器的头部被称为触控取样装置，带回地球的小行星样本和该装置的所有管理工作都被安排在一个专门的手套箱中进行，以防样本被“污染”。实施取样作业时，必须有氮气流充斥在触控取样装置中。同样，取出样本的任何方案都必须遵循一个前提：使用工具放入手套箱，符合无尘洁净室的标准。

目前，科研人员面临一个难题：触控取样装置上的35个紧固件中，有2个出现异常，无法用已批准放入手套箱的工具拆卸。科研人员正研究新的解决方案，后续还将设计、制造特殊工具，这意味着需要等待一段时间才能够拿到剩余样本。为此，触控取样装置已被从手套箱内的活性氮气流中取出，储存在转移容器中，做好密封包装工作，确保样本在稳定、富氮的环境中保持原始状态。

▲ 小行星贝努样本公开展出

不过，科研团队已经从采样器外部收集了70.3克小行星岩石和尘埃，超过了最初的60克目标，可见这次小行星采样任务的收获远超预期。

按美国宇航局公布的计划，在接下来的两年里，小行星样本的25%将被送到多国约200名科学家手中进行研究。其余75%的样本很可能被存放数十年。随着技术进步，各种奇妙的新想法和新技术必将涌现，美国宇航局会征集各国科学家的建议，适时取出部分样本开展研究。

那么小行星贝努的样本有可能带来哪些新成果？我们通过“拆分”探测器的名字，有望根据其科学目标作出预判。“奥西里斯-雷克斯号”的专业名称为“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”，英文缩写为“OSIRIS-Rex”。具体来看，O即Origins起源，科学家希望采样分析一颗富含碳的原始小行星，研究其矿物质和有机物的成分、分布、演化史；SI即Spectral Interpretation光谱解释，也就是阐释小行星贝努的整体属性，与地基望远镜观测其他小行星的结果进行对比研究；RI即Resource Identification资源识别，指的是探测器绘制小行星贝努的全球属性、化学和矿物学地图，确定其地质演化史，助力样本研究工作；S即Security安全，探测器在一颗潜在危险的小行星上测量亚尔科夫斯基效应（一种由旋转的小行星释放热量所引发的力，这种力可以逐渐改变其轨道），并研究小行星的哪些特性引发了这种效应；Rex即Regolith Explorer风化层探索者，探测器精细勘测取样区域的表面物质风化层，记录其结构、形态、化学和光谱特性等。

事实上，奥西里斯-雷克斯号探测器的任务远比普通人想象的更加复杂。将小行星贝努的样本送回地球后，探测器没有“功成身退”，而是“再踏征程”，从地球“借力”，利用引力弹弓加速，马不停蹄地前往小行星阿波菲斯，同时改名为“阿波菲斯探险者”。阿波菲斯同样是潜在危险小行星，体格更小，直径约370米，预计2029年将距离地球约3.2万千米。届时，探测器将对它进行全面考察，以便研究近地小行星的运动特性。显然，探测器这样复杂的变轨机动对于地面团队是宝贵的锻炼经验。