NASA的OSIRIS-REx小行星探测器,如何采集样本?

摘要:NASA的OSIRIS-REx探测器,在对1999RQ36近地小行星进行了为期一年的探测后,考察了四个备用采样点,现在将进一步缩小为两个,计划在2020年夏季“降落”在小行星上,然后采集50~2000克的小行星样本,并于2023年9月带回到地球。

1999RQ36小行星

这颗代号“1999RQ36”的近地小行星,英文名为Bennu(贝努),发现于1999年,直径大约550米,该小行星轨道的近日点在地球轨道内,远日点在地球轨道外,轨道行迹非常接近地球轨道,属于阿波罗型小行星,对地球具有非常高的危险性。

1999RQ36小行星的公转周期为1.2年,每过6年会接近地球一次,科学家的计算表明,该小行星将于2135年穿过地球和月球之间,然后在2181年与地球的距离达到最近,此时撞击地球的概率只有两千分之一。

由于微小的影响,都会对小行星未来轨道产生巨大的偏差,所以科学家对小行星的轨道预测非常有限,如果这么大的小行星撞击地球,将会对地球生命造成毁灭性影响。

科学家猜测,这颗小行星极有可能是太阳系形成之初残留下来的,保留了太阳系形成时的物质,对它的研究有可能揭开太阳系形成之谜,所以1999RQ36小行星成了OSIRIS-REx探测器的目标天体。

OSIRIS-REx探测器

2016年9月8日,NASA发射了名为“OSIRIS-REx”的探测器,全称“Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer”,这颗探测器的任务之一,就是从1999RQ36小行星上采集样本,然后再带回地球。

OSIRIS-REx探测器于2018年12月3日抵达1999RQ36小行星,在距离小行星19公里外与小行星同步飞行,并通过光谱分析仪,在小行星上发现了水存在的证据。

在2019年6月12日,探测器第二次接近小行星,将飞船置于轨道B上,距离小行星的表面只有680米。

下面是探测器对1999RQ36小行星,拍摄的部分高清图像

(1)探测器上的激光测高仪,对小行星表面进行了1100万次的测量,得到了小行星的3D模型图,其中深蓝色区域比红色区域低大约60米,而黑色部分是没有测量到的区域。

(2)下图中的大石块,尺寸有52米,位于小行星南半球处,分别由左右两架相机拍摄。

样本采集

与日本隼鸟2号(着陆龙宫小行星,直径大约900米)不同的是,1999RQ36小行星的引力实在太小了,OSIRIS-REx探测器采用一种接触式的采集方式,而不是像隼鸟2号那样直接着陆。

OSIRIS-REx探测器使用一根大约2米长的机械臂,在机械臂末端有一个形似喷头的采集器,当探测器准备采集样本时:

(1)探测器首先会抵达小行星表面125米的安全位置,然后评估风险程度,如果某项数据超出安全值,探测器将会立刻上升到安全高度等待地面命令。

(2)若安全位置各项数据正常,探测器就会切换到功率最小的推进器继续下降。

(3)当到达55米的高度时,探测器会以0.1米每秒的速度接近小行星。

(4)当机械臂接触小行星表面时,计时器开始工作,同时机械臂弹簧压缩吸收探测器的动能。

(5)同时,采集器中的高压氮气喷出,把直径小于2.5厘米的样本吹入收集器当中,预计能采集50~2000克的样本。

(6)数秒之后(根据实际情况确定时间),采集器停止工作,机械臂的弹簧弹起,把探测器与小行星进行分离。

(7)推进器工作,探测器以0.7米每秒的速度转移到安全高度。

四个采样地点

OSIRIS-REx探测器在前面一年的探测中,重点寻找最佳的采样地点,并预选了四个备用采样点,以四种鸟的命名,分别叫做:夜莺(Nightingale)、鱼鹰( Osprey)、翠鸟(Kingfisher)和矶鹞(Sandpiper)。

四个位置在小行星上的位置演示:


地点一:夜莺

小行星北极附近的一个小坑内,被一个更大的坑(直径70米)包围着,位于坑中心偏西的位置,这里主要有着深色的细颗粒物质,颜色变化最大,表面温度最低。

采集器要求的样本颗粒直径必须小于2.5厘米,还要避免较大石块带来的威胁,在夜莺处还有着多个可供选择的精确采样点。

但是夜莺周围存在几个较大的巨石,对探测器的采集有一定风险。

地点二:鱼鹰

赤道附近一个直径20米的小环形山内,富碳物质据有较高的光谱特性,颜色变化排名第二,岩石可能呈现多样性。

由于小行星的赤道隆起,此处可能同时包含了小行星南半球和北半球的物质,是比较理想的采集点。

可以看到,在鱼鹰处有一块深色物质,北部则有一块大而平的巨石。

上图把10~21厘米的岩石用黄色标出,大于21厘米的岩石用红色标出,方便研究人员选择最佳的采样地点。

地点三:翠鸟

赤道附近的一个小坑内(直径8米),小坑被巨石包围着。

但是在半径5米内没有大块岩石,水矿物质也具有较高的光谱特性。

地点四:矶鹞

在南半球的一个大型环形山东南侧,在半径5米内,所处位置相对平坦。

但是在矶鹞周围,有许多大石块。

矶鹞周围有两个较小的坑,可能会给矶鹞注入相对年轻的物质,在所有采样地点中,矶鹞的反照率排第二,而且还存在水合物,表明这里可能含有未变形的富碳物质。

目前,NASA的研究人员已经仔细研究了四个样本采集点的影响因素,接下来将着重挑选出“主采样点”和“备用采样点”,一旦确定下来,探测器接下来的工作将为明年夏天的采样动作做准备,计划2023年9月把样本带回到地球。