NASA的OSIRIS-REx探测器即将登陆小行星并采样

美国国家航空航天局(NASA)近日宣布,旨在进行小行星采样并返回的OSIRIS-REx探测器将于10月20日登陆小行星贝努(Bennu,即小行星101955)。届时这台探测器将小心翼翼地进行长达4.5小时的降落,然后在几秒钟内接触并离开这颗小行星。

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经过4.5小时的缓慢降落,OSIRIS-REx探测器将在几秒钟内登陆小行星贝努并采样(想象图)

OSIRIS-REx探测器的全称是“太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者”(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer)。NASA已经选定了它的着陆点,即“夜莺”(Nightingale),位于贝努北半球一个直径16米的岩石区域。这个候选地点被认为具有颗粒最细的土壤。

这台卡车大小的探测器装有一个机械臂,用来收集小行星表面的样品。科学家们希望这项任务能加深我们对行星形成及生命起源的了解,并更深入地探索可能影响地球的小行星。着陆地点之所以选中“夜莺”,是因为这是贝努表面最清晰的区域之一,最容易接触到细小颗粒物质。

然而,着陆点周围有一些巨大的、如同建筑物大小的石块,只有一个大约几个停车位大小的地方可供降落。另一方面,如果着陆稍有偏差,OSIRIS-REx探测器的处境也可能非常不妙。

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NASA还透露了OSIRIS-REx探测器将如何在小行星表面着陆的一些细节。这场四个半小时的考验将分为三个步骤。第一步是点燃OSIRIS-REx探测器上的推进器,使其脱离距离表面约770米的轨道。

贝努位于地球和火星之间,距离地球约3.34亿公里。在如此远的距离上,从OSIRIS-REx探测器到NASA总部之间的信号传递大约需要18.5分钟。这意味着人工着陆是不可能的,所有成功着陆的希望都寄托在机载自主系统上。

按照计划,OSIRIS-REx探测器应该收集至少57克的小行星岩石材料带回地球。这将是自阿波罗任务以来最大的样品采集任务,而阿波罗任务获得了更多的资金,在采集样品时也得到了地面上更多的帮助。如果贝努表面的物质采集成功,OSIRIS-REx探测器将于2023年9月24日返回地球。

NASA还透露了OSIRIS-REx探测器将如何在小行星表面着陆的一些细节。这场四个半小时的考验将分为三个步骤。第一步是点燃OSIRIS-REx探测器上的推进器,使其脱离距离表面约770米的轨道。

轨道高度之所以这么低,是因为贝努的平均半径只有246米,整体的引力很小。此时,探测器的采样臂,称为“接触即走样品采集机制”(Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism,简称TAGSAM),将展开并向下指向贝努。脆弱的太阳能电池板将在探测器上方以Y字形翼状展开,以安全避开任何危险。

TAGSAM的采样头将是探测器唯一会接触到贝努表面的部分。OSIRIS-REx项目副主管麦克•莫罗表示,这项任务经过了多年的计划和艰苦工作,而在届时的登陆过程中,TAGSAM基本上只与小行星表面接触5到10秒钟。

NASA的工作人员将授权OSIRIS-REx探测器自主降落,它将利用一个名为“自然特征跟踪”(Natural Feature Tracking,简称NFT)的导航系统控制自己的着陆。该系统使用了OSIRIS-REx任务所拍摄的小行星表面的全部详细图像,并将其转化为一张地图,指出了所有潜在的危险。如果着陆偏离了各种预先定义的限制,可能使探测器处于危险中,该系统就会执行预先编程的中止任务。

如果发生这种情况,NASA将重新组织任务团队并在稍后的日期再次尝试。探测器缓慢稳定的下降过程大约需要4个小时,然后在大约125米的高度进行所谓的“检查点”(Checkpoint)机动。

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OSIRIS-REx探测器是美国第一个旨在将小行星碎片带回地球的任务。

随着推进器的再一次点火,缓慢的下降将变得更陡、更快,探测器也越来越接近小行星表面。大约11分钟后,将进行第三次也是最后一次机动,即“赛末点”(Matchpoint)。此时,计算机系统将使用推进器,将探测器稳定在距离着陆点54米的高度。OSIRIS-REx探测器将再次放慢速度,并试图在接近小行星之前与其旋转相匹配。

NASA预测,OSIRIS-REx探测器在小行星表面着陆的时间不会超过16秒。之后,探测器的氮气瓶将喷出气体,从贝努的表面吹起碎屑。探测器将在再次点火前尝试采集一些碎屑,然后撤到安全的轨道上。在这次具有里程碑意义的着陆后一周,NASA才能知道是否能成功获得约60克的小行星物质。

10月22日,一架机载照相机将对可伸缩采样臂进行拍摄,以查看是否采集了任何物质。10月24日,OSIRIS-REx探测器将尝试确定这些物质的质量。如果采样量足够,这些物质将被安全地包装起来,放在“样品返回舱”(Sample Return Capsule,简称SRC)中,开始返回地球的旅程。

如果采样量不能令NASA满意,OSIRIS-REx探测器将返回小行星上方并再次尝试,因为探测器携带了足够的氮气,可以进行三次尝试。如果真的发生这种情况,NASA将放弃“夜莺”,将降落点改为备用的“鱼鹰”(Osprey),并且最早也要到2021年1月才会再次着陆。

贝努表面的灶神星碎片

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NASA拍摄的小行星“贝努”的图像显示,它的表面还有另一颗小行星的碎片,而且“极其明亮”。这些碎片来自灶神星(Vesta),大小从1.5米到4.3米不等,散布在贝努的南半球及其中心附近。

NASA拍摄的小行星“贝努”的图像显示,它的表面还有另一颗小行星的碎片,而且“极其明亮”。这些碎片来自灶神星(Vesta),大小从1.5米到4.3米不等,散布在贝努的南半球及其中心附近。

研究人员从OSIRIS-REx探测器的图像中检测到了这些巨石,它们看起来比周围的深色富碳区域要明亮得多。探测器使用机载光谱仪分析了这些碎片,发现了辉石矿物的迹象——这是灶神星上的一种已知化合物。

NASA研究人员认为,这些物质来自贝努的母小行星,后者受到了灶神星碎片的撞击。NASA戈达德太空飞行中心的汉娜·卡普兰说:“我们的主要假设是,一块灶神星的碎片撞击了贝努的母小行星,之后贝努就从母小行星那里‘继承’了这些物质。后来,当这颗母小行星发生灾难性的断裂时,它的一部分碎片在自身重力作用下聚集形成了贝努,包括一些来自灶神星的辉石。”

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小行星“贝努”,由OSIRIS-REx探测器拍摄于2018年12月2日。

OSIRIS-REx探测器任务将如何从小行星上获取样品?

科学家表示,这颗古老的小行星可能含有生命起源的线索。据信,它形成于45亿年前,携带着太阳系诞生时的残余物质。

OSIRIS-REx探测器于美国东部时间2016年9月8日19时05分搭载阿特拉斯5号火箭发射升空。在仔细调查了贝努小行星的特征并确定最合适的取样地点后,OSIRIS-REx探测器将使用机械臂收集约60至2000克的小行星表面物质,并在2023年通过一个可拆卸的太空舱将样品送回地球。

为了在小行星表面采集样本,OSIRIS-REx探测器将在一个特定区域上空盘旋,然后以每秒10厘米的速度缓慢而轻柔地降落。探测器还携带着激光高度计和亚利桑那大学提供的一套摄像机,以及光谱仪和激光雷达。

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