人從未比在太空行走時(shí)顯得更為渺小，或更為偉大

太空飛行7年后，NASA小行星探測(cè)器奧西里斯-REx（OSIRIS-REx）的樣本返回艙于北京時(shí)間今天（9月24日）晚間在美國西部沙漠著陸。這是美國首個(gè)小行星采樣返回任務(wù)。

▲樣本返回艙著陸（圖源：NASA Live）

耗資10億美元的奧西里斯-REx 任務(wù)是2016年9月8日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射的，近兩年后抵達(dá)小行星貝努（Bennu）周圍，然后又花了兩年時(shí)間對(duì)其表面進(jìn)行掃描和成像。

2020年10月20日，從軌道上對(duì)貝努的地形進(jìn)行仔細(xì)觀察后，探測(cè)器降落到這顆平均直徑490米的小行星表面，收集了約250克樣本，存入探測(cè)器的樣本返回艙中。2021年5月，探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火，開始返回19億公里之外的地球。

剛剛，它的樣本返回艙完成了任務(wù)最困難的環(huán)節(jié)之一：地球大氣層再入與著陸。

▲著陸瞬間（圖源：NASA Live）

貝努是什么星？

貝努是1999年發(fā)現(xiàn)的一顆小行星，以古埃及神話中的不死鳥命名，其形狀大致呈球形，像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺。奧西里斯-REx 探測(cè)器的高分辨率數(shù)據(jù)顯示，它的表面很粗糙，有200多塊直徑大于10米的巨石，其中最大的一塊直徑為58米。巨石中含有長達(dá)1米以上的碳酸鹽礦物。

有著45億年歷史的貝努小行星，就像來自太陽系演化早期的時(shí)光膠囊。它的碳有機(jī)分子中包含了地球生命的必要成分，以及在有水存在時(shí)能發(fā)生變化的礦物質(zhì)。研究人員認(rèn)為，地球上至少有一部分水和有機(jī)分子來自小行星。因此，貝努這樣的小天體很可能為生命的起源提供線索。

NASA決定探測(cè)這顆小行星的另一個(gè)原因在于，2178年至2290年間，貝努撞擊地球的總幾率高達(dá)1800分之一，是最危險(xiǎn)的小行星之一。

▲旋轉(zhuǎn)的貝努（圖源：NASA）

樣本怎樣返回？

兩年4個(gè)月的返回飛行中，奧西里斯-REx 探測(cè)器基本上處于低功耗模式。隨著探測(cè)器逐漸接近地球，NASA喚醒了它的某些系統(tǒng)，提高了探測(cè)器的功率，確保其軌道和方向能準(zhǔn)確拋下樣本返回艙。最小的錯(cuò)位也可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，讓返回艙以毀滅性的速度墜落或者完全錯(cuò)過地球，飛向太空。

在地球上空約10萬公里高度，樣本返回艙與探測(cè)器分離。探測(cè)器啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以偏離地球，朝著新的任務(wù)目標(biāo)——阿波菲斯小行星（Apophis）飛行。它將更名為奧西里斯-APEX（“奧西里斯-阿波菲斯探測(cè)器”的縮寫），計(jì)劃2029年進(jìn)入阿波菲斯小行星的軌道，執(zhí)行為期18個(gè)月的探測(cè)任務(wù)。

樣本返回艙在分離約4小時(shí)后進(jìn)入地球大氣層。隨著空氣密度越來越大，它完全被包裹成一個(gè)火球。防熱層能吸收和消散再入過程中產(chǎn)生的熱量，其形狀減緩了返回艙的下降速度，讓它不會(huì)因空氣燃燒摩擦而解體。在減速最激烈的階段，返回艙將承受32倍于自身重量的力。

進(jìn)入地球大氣層約兩分鐘后，返回艙承受的力下降至自身重量的1.4倍左右。此時(shí)，錐狀降落傘展開，將返回艙的飛行從高超音速減到亞音速。

返回艙進(jìn)入猶他州國防部測(cè)試訓(xùn)練靶場(chǎng)上空16公里空域時(shí)，地面雷達(dá)站開始跟蹤，并將著陸位置確定在9米范圍內(nèi)。距離地面約1.6公里處，主降落傘展開。最后，返回艙降落在該靶場(chǎng)58公里×14公里的著陸回收區(qū)內(nèi)。

▲返回艙與探測(cè)器分離模擬（圖源：NASA）

屏息時(shí)刻到了。一旦確認(rèn)著陸區(qū)安全，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的回收人員將對(duì)剛剛著陸的返回艙將進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性檢查，并送往附近的移動(dòng)潔凈間。著陸場(chǎng)的地面樣本也被采集并檢測(cè)，以排除貝努樣本因撞擊地表而受到污染的可能性。

在潔凈間里，返回艙的防熱層將被拆除，露出裝有貝努樣本的密封容器。容器將被送往NASA位于休斯敦的約翰遜航天中心，25%的樣本要留在奧西里斯-REx任務(wù)團(tuán)隊(duì)手中。

作為為奧西里斯-REx 探測(cè)器提供了激光高度計(jì)的回報(bào)，加拿大航天局將獲得4%的樣本。日本航天局的份額是0.5%。（此前日本隼鳥2號(hào)任務(wù)帶回5克小行星樣本，給了NASA約10%。）

剩下的70%樣本將保存在約翰遜航天中心，“供尚未出生的科學(xué)家（未來）使用今天尚未發(fā)明的技術(shù)進(jìn)行研究，以回答有關(guān)太陽系的基本問題。”

針對(duì)1969年至1972年阿波羅宇航員帶回的月球樣本，NASA用了同樣的方法。今天，科學(xué)家們?nèi)栽诶^續(xù)研究這些樣本，不斷產(chǎn)生關(guān)于月球及其歷史的新認(rèn)知。NASA還向博物館提供了一些阿波羅任務(wù)的月球巖石，讓普通人可以近距離觀看地球之外的東西。

▲等待貝努樣本的實(shí)驗(yàn)室（圖源：NASA）

地外采樣

NASA將這個(gè)秋季稱為“小行星之秋”。10月5日，靈神星探測(cè)器（Psyche）將啟程飛往同名的金屬小行星。一個(gè)月后，露西探測(cè)器（Lucy）將飛掠自2021年升空以來相遇的第一顆小行星——位于火星和木星之間的主帶小行星丁基內(nèi)什（Dinkinesh）。這兩次任務(wù)都不涉及采樣。

從地外成功采集樣本并返回地球的國家，僅有美國、日本、蘇聯(lián)/俄羅斯和中國。后二者均執(zhí)行的是月球任務(wù)。

不算阿波羅宇航員收集的數(shù)百公斤月球巖石，這是NASA第三次從深空帶回樣本。2004年，“創(chuàng)世紀(jì)”號(hào)探測(cè)器（Genesis）帶著收集了太陽風(fēng)粒子的返回艙返回地球，不幸墜毀，樣本受損。2006年，星塵號(hào)探測(cè)器（Stardust）成功捕獲彗星的氣體和塵埃粒子并著陸地球。科學(xué)家們從這些粒子中首次發(fā)現(xiàn)了組成蛋白質(zhì)最基本的物質(zhì)——甘氨酸，從而支持了地球上生命的原始成分源自太空的理論。

小行星采礦領(lǐng)域的先行者是日本。2010年，日本隼鳥號(hào)（Hayabusa）探測(cè)器從絲川小行星（Itokawa）采集了少許顆粒。2020年，隼鳥二號(hào)（Hayabusa2）從龍宮小行星（Ryugu）帶回約5克樣本，其中含有約2萬種由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成的有機(jī)物分子。

▲隼鳥二號(hào)樣本返回（圖源：JAXA）

參考文章：

1、AP，NASA spacecraft delivering biggest sample yet from an asteroid，

https://apnews.com/article/nasa-asteroid-sample-return-utah-6f601c00773ccf8b89706b0fcf64d172

2、Josh Dinner，How NASA's OSIRIS-REx will bring asteroid samples to Earth in 5 not-so-easy steps，

https://www.space.com/nasa-osiris-rex-sample-return-step-by-step

3、Mike Wall，Who will get OSIRIS-REx's asteroid samples after they land this weekend?

https://www.space.com/nasa-osiris-rex-asteroid-samples-fate