可能对人类构成最大威胁的小行星于 1999 年被发现，它在太空中翻滚，其不稳定的轨道周期性地与地球绕太阳的轨道相交。天文学家最终以埃及神话中的创世神贝努命名了这个半公里宽的天体。的确，如果富含有机化合物和富含水的矿物质的贝努坠落在一个荒芜的世界，它可能会播下生命的种子。但实际上，它可能注定会造成巨大的苦难和死亡。天文学家预测，在 2135 年，贝努将比月球更近地掠过地球，这次飞掠可能会调整小行星的轨迹，从而确保在 22 世纪后期撞击我们的星球。
没有人能够预测贝努可能坠落地球的哪个确切位置，尽管基本的算术表明，它的撞击可能会释放相当于 3000 兆吨 TNT 的能量。如果 2135 年的飞掠使其走上与地球的碰撞轨道，全球领导人基本上将有两种选择来避免灾难：要么疏散世界上的大片区域，要么发射任务来偏转小行星。为了了解疏散或偏转任务需要有多大规模，未来的规划者将部分依赖于一个多世纪前，NASA 计划于今年九月发射的探测器收集的数据。这个名为 OSIRIS-REx 的探测器将访问贝努，目标是将小行星的样本带回地球。
OSIRIS-REx 的起源
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
作为太阳系形成的残余物，小行星是我们历史上最黑暗时期的使者，携带着关于地球地质记录前数亿年事件的原本无法获得的数据。来自小行星的样本可能包含关于太阳诞生、行星形成，甚至地球生命起源的悬而未决的问题的答案。再加上需要防范灾难性的小行星撞击，很明显科学家们对这些天体感兴趣的原因。
不太明显的是，为什么我们需要派遣探测器进行往返任务来获取样本。毕竟，小行星的碎片一直在坠落到地球上——我们称之为陨石。问题在于，几乎没有陨石是原始的。所有陨石都必须经历一次炽热的、表面熔化的进入地球大气层的过程，而且大多数陨石在被发现之前都会经历数年、数百年甚至数千年的风吹雨打，它们未被讲述的故事在长期暴露于风雨中后慢慢褪色。相比之下，大多数小行星在深空的无菌环境中已被有效地保持静止数十亿年。访问它们是获取它们所含信息的唯一途径。
而在小行星中，贝努是一个特例。填充地球博物馆的大多数陨石碎片是由岩石和金属组成的——这些材料足够耐用，可以在坠落到我们星球表面的过程中幸存下来。另一方面，贝努是一个煤黑色的、由脆弱的有机化合物组成的团块。这种碳质化合物可能是我们星球上碳基生物化学的前身。即使贝努没有潜在的危险，科学家们也会想要研究它。但它确实具有潜在的危险——而且正因为贝努如此危险地接近我们的星球，样本返回任务才是可行的。
贝努的故事至少可以追溯到十亿年前，当时它诞生于一颗在火星和木星之间漂移的、被撞击破碎的原行星喷射出的碎石堆。OSIRIS-REx 的故事始于 2004 年 2 月，当时我还是亚利桑那大学月球与行星实验室的一名三年级助理教授。航空航天公司洛克希德·马丁公司联系了我的老板迈克尔·J·德雷克，请他担任 NASA 提议的小行星样本返回任务的首席研究员，德雷克联系了我，请我担任他的副手。
我早期在任务中的工作是定义其科学原理。我已经研究陨石十多年了，并且知道所有关于陨石的未解之谜，只有大量原始物质的样本返回才能提供答案。当时，只有一个项目可以与我们的项目相提并论：日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 的隼鸟号任务，该任务于 2005 年与小行星丝川会合以收集样本。隼鸟号任务仅部分成功。探测器设法收集了 1500 个微小的矿物颗粒，远少于预期。（从小行星上采集样本很难！）此外，丝川是一个明亮的石质天体，其历史和科学潜力与贝努等黑暗的碳质小行星截然不同。我们正在进入新的领域。
一天晚上在家中，我决定起草一份任务的主要科学主题纲要，并写下了四个词：起源、光谱学、资源和安全。来自贝努等小行星的原始样本可以告诉我们更多关于行星甚至生命本身的起源。对其表面土壤（风化层）的光谱学研究将增加成功采集具有科学价值的样本的机会，并且还可以揭示贝努是否拥有未来某天可以开采的宝贵资源。我们对贝努的轨道、成分和其他特征了解得越多，我们就越能确定小行星是否会对地球构成威胁，以及我们如何才能使其偏转。更广泛地说，来自发送到贝努的探测器的高保真“地面实况”数据将使我们能够查明和控制可能存在于望远镜观测和理论模型中的缺陷，从而支持对整个太阳系中更广泛的小行星种类进行研究。
点击或轻触放大
图表：布莱恩·克里斯蒂
该纲要定义了该任务，并提供了其令人敬畏的、曲折的首字母缩略词：OSIRIS-REx 代表起源、光谱解释、资源识别和安全-风化层探测器。NASA 于 2011 年 5 月 25 日选择了 OSIRIS-REx 进行飞行，团队成员聚集在一起庆祝我们的成功。不幸的是，德雷克不久之后于 2011 年 9 月去世。我从副手晋升为首席研究员，取代了他的位置。OSIRIS-REx 团队每天都在纪念迈克的工作，他们知道，当我们准备开辟新的科学前沿时，他会为我们感到骄傲。
从生命的起源到外星经济
OSIRIS-REx 的旅程将从探测器于 9 月在佛罗里达州卡纳维拉尔角搭乘宇宙神 V 型火箭发射时开始。它将在太阳系中飞行近两年，然后于 2018 年 8 月抵达贝努。然后它将在贝努轨道上运行三年多，彻底绘制小行星的地图，并最终采集至少 60 克重的样本。
OSIRIS-REx 返回的样本将记录一段漫长的时间跨度，从太阳系存在之前到现在。贝努最古老的矿物质将是微小的“太阳前”颗粒，这些颗粒是在垂死恒星发出的恒星风中形成的。最终，这些颗粒被并入太阳及其行星中。贝努最年轻的成分将是由微陨石撞击、宇宙射线和太阳耀斑改变的矿物质和化合物。OSIRIS-REx 对碳质小行星上的这些“太空风化”过程的研究将是前所未有的。
然而，与其他碳质小行星一样，贝努的大部分物质将是有机分子和富含水的粘土矿物——这些物质被认为是 DNA、RNA、蛋白质和地球生命其他组成部分的原始原料。贝努的一些水曾经是液态的，在小行星核心中，由铝 26 和铁 60 等短寿命同位素的放射性衰变保持温暖。大量的碳质小行星一定曾坠落到早期的、益生元地球上。但是，这些小行星是否真的孕育了生命的配方，在我们星球上很难轻易回答——这里没有足够古老的、未被改变的岩石来讲述这个故事。
OSIRIS-REx 不仅是一项探索我们深层起源的任务；它还将收集对我们未来至关重要的信息。几家公司和国家正在认真研究小行星采矿，将其作为解决地球内外资源限制的方案，探索提取贵金属以供地球上使用，或利用水冰在太空中生产火箭燃料的方法。凭借其精确绘制小行星地图和绕小行星机动的能力，OSIRIS-REx 将成为未来小行星采矿任务的探路者。
贝努的威胁
尽管改善小行星撞击预报和预防方法并非该任务的唯一目的，但 OSIRIS-REx 在这方面的价值不容低估。确定小行星是否会撞击地球需要极其精确地测量天体的轨道。要理解这项任务的难度，请考虑所涉及的距离和力。贝努每 1.2 年绕太阳一周，轨道速度超过每秒 28 公里，并且每六年接近地球一次。在一次轨道运行中，这颗小行星的行程超过十亿公里；在其最远距离，小行星距离地球超过 3.4 亿公里。
由于它经常相对接近地球，天文学家已经能够足够仔细地研究贝努的轨道，使其成为小行星目录中记录最精确的轨道。其半长轴（其轨道在两个最远点处的半径）的不确定性仅为 6 米，总长度为 168,505,699.049 公里。这相当于以约三分之一毫米的精度测量从纽约市到洛杉矶的距离。但仅轨道精度是不够的，因为许多外力会导致小行星的轨道发生变化。
为了绘制贝努的航线，OSIRIS-REx 团队使用高保真模型来计算所有力对小行星轨道的影响。这些模型必须考虑太阳、月球和八大行星，以及其他大型小行星和矮行星冥王星的引力效应。即使是地球的扁率也发挥着作用，因为它会在近距离经过的小行星的轨迹中引起显着的变化。模型预测贝努将在 2135 年在距离地球 30 万公里的范围内经过。之后会发生什么就更难预测了。然而，可以肯定的是：如果贝努在 2135 年的飞掠过程中穿过地球周围的几个“锁眼”区域之一，累积的引力效应将使其在 22 世纪末期走上撞击地球的轨道。
我们对贝努的了解实在太少，无法预测它是否真的会穿过那些锁眼区域之一。我们目前计算出在 2196 年撞击地球的可能性约为万分之一；汇总所有潜在的地球撞击事件，估计在 2175 年至 2196 年之间的某个时间撞击地球的可能性约为 2700 分之一。然而，贝努似乎与撞击地球的可能性一样，也很可能完全被弹出内太阳系。如果它避免了这些结果，它最终几乎有均等的机会坠入太阳，撞击金星的可能性略低。或者——尽管这种情况不太可能发生——它可能会撞击水星、火星或木星。更好的贝努内部、表面和轨道相互作用模型——OSIRIS-REx 可以提供的模型——将使我们能够提高预报的准确性。
但是，OSIRIS-REx 对小行星预报的最大贡献将是对最近发现的非引力现象——雅科夫斯基效应 [见上方方框] 的研究。雅科夫斯基效应描述了小行星吸收阳光并将能量以热量的形式辐射回太空时作用在小行星上的力。当这种热辐射没有均匀分布在整个小行星上时，它就像一个微小的推进器，导致小行星漂移并随着时间的推移改变其轨道。具有顺行自转（像地球一样从西向东旋转）的小行星在这种推力下会远离太阳漂移。具有逆行自转的小行星（如贝努）则会向内漂移。
我们已经使用地面和太空望远镜测量了贝努的雅科夫斯基效应，揭示自 1999 年发现以来，它的位置已经偏移了 160 多公里。这些测量结果表明，贝努可能起源于更远的小行星带，在火星和木星之间的某个位置，然后向内迁移到目前的位置。不均匀的太阳光照和热再辐射也会影响小行星的自转，这很好地解释了贝努的陀螺状形状。这种形状来自于阳光不对称地照射在贝努表面，长期以来提高了其自转速度，并稳定地将表面物质从两极驱动到赤道。由此产生的大规模表面重塑可能将新鲜的、未风化的物质带到了贝努表面——非常适合获取原始样本。
OSIRIS-REx 将通过测量贝努的自转、表面积和热辐射，对雅科夫斯基效应进行详细研究。我们还将在遭遇过程中直接测量雅科夫斯基加速度。这项研究将改进我们对雅科夫斯基效应的理论，并使我们能够将其纳入所有近地小行星的撞击危险评估中。此外，更好地理解雅科夫斯基效应可能对未来的小行星偏转任务至关重要，这些任务可能会利用该效应来帮助将危险的太空岩石推到不同的、威胁较小的轨道上。
盛大结局
从开始到结束——从 2000 年代中期起源到 2020 年代结束，再到其多代人的遗产——OSIRIS-REx 将代表数十年的工作和数亿美元的投资。所有这些努力和费用都将在一个仅仅持续五秒钟的行为中达到顶峰：触碰即走机动，探测器必须执行该机动才能从小行星表面采集样本。
OSIRIS-REx 将使用一种名为触碰即走式样本采集机构 (TAGSAM) 的仪器采集样本。TAGSAM 由两个主要组件组成，一个采样头和一个铰接定位臂。采样头通过释放一股氮气射流来采集大块样本，氮气射流“液化”风化层并将其推进到收集室中。铰接臂将采样头定位以进行采集，将其带回进行视觉记录，并将其放入返回地球的舱中。作为备份，TAGSAM 底板上的 24 个独立的表面接触垫将在接触小行星表面时采集细颗粒物质。
OSIRIS-REx 在贝努停留的三年时间里，大部分时间将用于为最后的机动做准备。探测器将利用其相机、激光器、无线电天线和光谱仪，创建小行星的多个高分辨率全球勘测图。从这些勘测图中，我们将构建一张“藏宝图”，该地图将根据安全性、获取样本的估计难易程度以及任何采集样本的预期科学价值，确定一个主要和一个备用样本采集点。最安全的访问区域可能靠近赤道，在那里探测器可以更容易地匹配旋转小行星的速度，以便在表面着陆。最具科学价值的地点应该包含各种有机化合物、富含水的矿物质和其他物质，这些物质可以帮助我们了解小行星是否对地球生命的起源做出了贡献。
一旦 OSIRIS-REx 团队选择了主要样本采集点并进行了广泛的彩排，实际的触碰即走机动将开始。此时，贝努可能在其轨道的最远端，距离地球超过 18 光分。在我们发送启动机动的命令后，我们只能坐下来等待自动化过程展开。在几个小时内进行的一系列三次推进燃烧中，OSIRIS-REx 将脱离轨道，与采样点对齐，然后缓慢下降到小行星表面。它将以最大速度每秒 10 厘米的速度着陆。TAGSAM 将有五秒钟的时间采集样本，然后探测器将从小行星上起飞，升至小行星上方约 10 公里的高度。在那里，它将进行一系列测试，以确保采样成功。TAGSAM 包含足够的氮气用于三次采样尝试——三次罢工，我们就出局了。
如果一切顺利，在 2021 年，探测器将点燃其主发动机，将其珍贵的样本返回地球。在 2023 年末，就在将样本返回舱抛入地球大气层后，OSIRIS-REx 将再次点燃其发动机，进入围绕太阳的安全、稳定的墓地轨道。样本返回舱将以超过每小时 45,000 公里的速度撞击大气层顶部，受到隔热罩的保护，隔热罩将释放掉其 99% 以上的再入能量。在三公里的高度，返回舱将展开降落伞，减速至在犹他州西沙漠软着陆，此时距离其旅程开始已过去七年。一支专家团队将回收样本，并将其运送到 NASA 约翰逊航天中心进行长期储存和分发，以便全球科学界能够在未来几代人对其进行研究。