林杨挺

(中国科学院院地质与地球物理所地球与行星物理重点实验室,北京 100029)

1 前言

2004年嫦娥探月工程立项以来,我国已成功实施了绕月轨道探测的嫦娥一号和二号,以及月球表面软着陆和巡视探测的嫦娥三号和四号任务。其中,嫦娥四号率先在月球背面着陆,实现了对月球上最大、最古老的南极——艾肯盆地的首次原位探测,获得了月球深部物质组成、月壤厚度和浅层结构、高精度地形地貌等大量新发现。预计2019年将发射嫦娥五号,采集不少于2kg月球样品返回地球,其中包括长度为2m的月壤钻孔岩芯。在完成月球探测“绕、落、回”之后,我国将实施嫦娥三期探月工程[1],通过1次采样返回、2次着陆和巡视探测任务,全面开展对月球南极的探测,深化对月球形成与演化的认识。同时,还将开展月基对天、对地观测,以及月面科学试验,并建成月球科研基地基本型。

在嫦娥工程的基础上,我国计划开展一系列深空探测任务,其中首选目标是火星。通过对火星的探测,揭示宜居环境及其演化,探索可能存在的地外生命。我国将于2020年首次发射火星探测飞船,开展环绕轨道器、着陆器、火星车等三位一体的联合探测。此外,已规划的第二次火星探测任务将从火星采集样品并返回。除火星之外,我国还计划对木星及其卫星 (例如木卫四)进行探测。

我国深空探测的另一重要目标是小天体,已规划的小天体目标是地球准卫星——2016HO3小行星。计划将对2016HO3小行星进行伴飞、环绕、附着探测并采样返回。在成功实施采样返回主任务之后,飞船将继续飞往小行星带,对主带彗星进行探测。与月球、火星等行星不同,小行星和彗星数量巨大,已观测到记录在案的将近百万颗,同时还有大量或因为较小或因为较远而没被发现;小天体的分布在空间上非常广大,从近地轨道一直到小行星带,到柯伊伯带,以至更为遥远的空间;小天体的光谱类型多样,反映了物质组成上很大的不均一性和变化,代表了它们在太阳星云盘中不同的形成区域和条件。同时,小天体对地球的撞击,构成了对地球上包括人类在内的巨大威胁。另一方面,一些类型的小天体是未来太空探索的重要资源。因此,需要基于太阳系形成演化的关键科学问题与空间技术发展路线相结合,制定出适合我国国情、具有显著创新性的小天体探测路线图,对小天体开展长期、持续的探测。

2 小天体探测的意义

2.1 深空探测的重要领域,揭示太阳系形成的基本途径

深空探测根据目标和科学问题,大体上可以划分为三大类,即月球探测、火星等行星探测以及小天体探测。月球探测的目标是理解地球—月球系统的形成和地球早期历史,建立人类进入深空的月球基地。火星探测的目标是发现地外生命,揭示宜居环境的演化,通过不同行星的对比研究,理解地球形成与演化的独特性。小天体探测的科学目标则是解开太阳系的形成过程,给出地球、火星等行星的初始物质组成。

地球、火星等形成之后,经过了40多亿年的演化,因此它们形成时的初始状态等已基本消失殆尽。相反,小天体是太阳系形成过程中残留的“化石”,是构建各大行星的“砖瓦”等材料,保存了太阳星云的初始状态、星云演化过程以及行星的生长过程等信息。不同类型的小行星形成于太阳星云盘的不同位置,记录了该区域的演化历史;彗星形成于木星以远的区域,更多保存了太阳星云的原始状态。一些小行星形成之后,经历了后期事件的改造,包括热变质、水蚀变、熔融分异以及撞击作用等,对于认识地球等行星的早期演化具有重要的意义。因此,只有通过对各类型小行星和彗星的探测,才能全面恢复太阳系的起源和早期演化历史。

2.2 预防小天体撞击,负起人类命运共同体的大国担当

地球上已证实的陨石坑将近200个,其中约1/4的直径超过10km,最大的坑直径可达300km。作为参照,导致恐龙灭绝、发生在6600万年前的小行星撞击事件,在墨西哥湾尤卡坦半岛形成的Chicxulub撞击坑直径约为150km。形成这些坑的撞击事件,对地球上的生命可产生毁灭性的后果。2013年2月15日,俄罗斯车里雅宾斯克发生了近年最大规模的陨石撞击事件,造成1000多人受伤。月球上布满了大大小小的撞击盆地和撞击坑,很好地记录了地球—月球空间小天体的撞击频率和历史。月球上直径大于20km的撞击坑近7000个,而直径大于300km的撞击盆地有30个,其中最大的南极艾肯盆地直径达2500km。虽然地球—月球空间的小天体撞击强度和频率均随时间而减弱,现代的灾难性小天体撞击是一个小概率事件,但如果发生,则会给国家乃至全球生物和人类社会带来毁灭性的灾难。

近地小天体其轨道可与地球相交。由于天体之间引力相互作用、太阳光压作用等因素的影响,一些近地小天体的轨道演化,最终可能导致与地球相撞。因此,需要对近地小天体开展巡天观测,发现所有潜在威胁的目标;进而对这些潜在威胁的小天体开展长期监测,监视其轨道的演化,对小天体撞击地球事件做出预警。同时,对小天体开展环绕探测和采样返回,研究它们的物性、机械力学特性、物质组成、轨道演化机制等,最终消除这些具有潜在威胁的小天体对地球的撞击。

2.3 小天体是深空探测未来的战略资源

人类社会的发展必然要走出地球这个摇篮,而且这一过程随着经济和科学技术的发展有显著加快的趋势。国际上,民间资本开始进入深空探测领域,成立了各种相关私营公司,包括行星资源公司 (Planetary Resources)、深空工业公司(Deep Space Industries)、SpaceX等,提前进入太空矿产资源的领域。美国国会还通过了相关法律,以保障其私企在未来太空矿产资源开发等领域的权益。卢森堡也将太空资源的开发利用作为其未来重要经济支柱提前布局,出台了空间资源计划,吸引全球共同参与。未来的深空开发,将会以月球作为超级基地和跳板。因此,支撑月球基地是太空资源的首要目标,其中最为重要的将是从一些类型的小天体获得水和有机质等战略物质。

2.4 大力促进空间技术的发展

不同于月球、火星等行星,小天体目标小,基本属于弱引力、无大气的环境。相对而言,可以用较小的代价抵达小天体并开展探测,包括采样返回。因此,小天体的探测可以采用低成本、多次任务的方式进行。这一探测方式,也提供了很好的机会,依次发展深空探测技术,包括电推进和太阳帆技术、轨道精密测控和自主导航技术、深空通信、精确触碰、弱引力目标的附着、表面移动、表面各种作业以及超低温采样等技术。因此,小天体探测对于牵引空间技术的进步具有不可替代的重要性。

2.5 国际深空探测的热点和前沿

小行星和彗星探测一直是国际深空探测的热点和前沿领域。除阿波罗登月计划之外,美国国家航空航天局 (NASA)已实施的35次深空探测任务中,有9次是以小行星和彗星为探测目标。NASA的小天体探测计划包括：其目标覆盖了近地小行星 433Eros的 NEAR-Shoemarker任务,Wild 2彗星尘埃的采集并返回的“星尘号”任务,以Tempel 1彗星为目标的“深度撞击”任务,以及以主带小行星灶神星和谷神星为目标的“黎明号”计划。目前NASA正在实施Bennu碳质小行星的采样返回计划“OSIRIS-REx”任务,并已规划了对金属小行星探测的Psyche计划,对木星特洛伊小行星探测的Lucy计划,以及对近地双星Didymos进行轨道偏移实验的DART任务等。欧空局 (ESA)的深空探测一直把彗星作为主要目标,包括已实施的对哈雷彗星彗尾尘粒探测的Giotto计划,对67p彗星进行探测的Rosetta计划,以及刚批准的对可能来自太阳系外彗星进行探测的“彗星拦截器”(Comet Interceptor)计划等。日本将小天体探测作为其深空探测的主线和特色,隼鸟号计划取得了部分成功,从细川小行星采集到了尘粒样品。在此基础上,目前正在实施以采集“龙宫”碳质小行星样品为目标的隼鸟2号任务。此外,日本还规划了对火星两个卫星,即火卫1和火卫2的探测,并计划从其中一个采样返回,以及以试验新技术为主要目标的Destiny+计划等。因此,在我国现有小行星采样返回任务的基础上,还需要规划我国的小天体探测路线,持续和系统地开展更多的小天体探测,推动我国深空探测技术的发展,为认识太阳系形成与演化做出中国贡献,并确保我国的太空权益。

3 太阳系起源的前沿科学问题

小天体是太阳系起源和早期演化残留下来的天体,因而记录了太阳系的诞生过程和早期历史。通过对不同类型小天体探测,将回答太阳系起源这一重大科学问题。为此,需要对太阳系形成过程中的一系列关键科学问题进行梳理,从而规划小天体的探测路线,并确定探测的具体目标。

3.1 太阳星云的初始状态

根据现代星云理论,太阳系是由尘埃和气体构成的星云盘,在引力作用下吸积形成的。一个问题是,太阳星云盘初始的尘埃与气体的比例是多少?密度是多少?这些固体尘埃在太阳系之前既已存在,因而是前太阳物质 (presolar grains),它们保存了前一世代恒星的物质组成信息,又称为太阳系外物质。对最原始的碳质陨石等研究,已发现了来自II型超新星、超新星、渐近线红巨星以及其他类型恒星的太阳系外微粒[2]。太阳星云实际是由不同恒星演化晚期抛射的物质构成。另一个问题是,构成太阳星云的初始物质来源于哪些恒星?它们之间的丰度比值是多少?不同恒星来源物质在太阳星云盘中的分布是否均匀?地球、火星、灶神星以及各种小行星 (陨石)中已发现的各种同位素异常 (如 O、Cr、Ti、Ni等)[3],是否与原始星云盘中这些太阳系外颗粒的不均一分布有关?或者,一部分同位素异常是太阳星云演化阶段,由于临近超新星爆发加入?并且这一超新星爆发事件直接触发了太阳星云的塌缩,从而形成太阳系?

当太阳星云盘中央形成太阳之后,太阳辐射及其相关的温度变化如何影响星云盘的物质组成演化?随着温度的升高,星云盘温度梯度的形成,物质如何迁移,并逐渐演化成不均一的状态?水和有机质如何演化?

3.2 太阳星云阶段的重要事件

包括太阳星云的气-固凝聚过程,以及由微米-次微米聚集形成毫米-厘米大小集合体的过程。星云理论表明,太阳星云的初始状态为低温的冷星云盘。但是,原始的球粒陨石,特别是其中的碳质球粒陨石含有细粒难熔矿物构成的集合体,简称细粒难熔包体,其化学组成表现为富Ca、Al等难熔元素,因而又简称细粒CAI。细粒难熔包体的矿物组合、结构、化学元素组成模式等均与太阳系平均化学组成的高温气体的气-固凝聚一致[4-8],因而代表了太阳星云最早形成的固态集合体 (同位素年龄45.67亿年)。细粒难熔包体的形成要求星云温度曾升高至2000K,而它们又广泛出现在各类型原始球粒陨石中[9],特别是代表外太阳系的碳质球粒陨石中,这与太阳星云盘的初始低温状态不一致,如何解释?“星尘号”计划采集的彗星尘粒中,也发现同样的细粒难熔包体[10],更与通常认为彗星主要是由低温物质构成的模型不一致。

除了很可能由高温气体凝聚形成的难熔包体之外,顽辉石球粒陨石的特殊矿物组合不仅要求气-固凝聚,而且要求其形成处于极端的还原条件下。 正常情况下,Ca、 Na、 K、 Mn、 Cr、 Mg、Si等是典型的亲石元素,即它们主要以各种氧化物等形式出现。但是,在顽辉石球粒陨石中,Si可以单质零价存在于Fe-Ni金属中,Ca、Na、K、Mn、Cr、Mg等形成各种硫化物[11-13]。要形成这些矿物组合,需要将太阳星云的C/O比值从0.54提高到0.8以上[14]。这一极端的条件如何产生?该类陨石母体小行星形成的空间位置?

星云凝聚是由高温的气体冷却形成固相的过程。太阳星云盘中很可能还普遍存在快速加热,然后快速冷却的不同事件。这一事件的证据是粗粒结构的难熔包体 (或称火成结构难熔包体),它们在矿物和化学组成上与细粒难熔包体相似,但结构上表明是由熔体结晶形成。有观点认为它们是具有太阳系平均成分的铁镁质硅酸盐,加热后高温蒸发后残留的难熔组分[15];也有观点认为它们是细粒难熔包体受热熔融后再结晶,组成基本未变,仅结构发生了改变[6]。不管怎样,粗粒难熔包体代表了太阳星云中的高温加热事件,其冷却速率一般不超过50℃/h。更为普遍的高温加热事件产物是硅酸盐球粒,它们构成了球粒陨石的最主要组分。与粗粒难熔包体不同,球粒熔融之后的冷却速率更快,一般超过50℃/h,甚到高达1000℃/h。很显然,球粒的形成代表了太阳星云中一种不同的、但极为普遍的加热事件。上述加热事件产生的机制是什么?发生的空间位置?形成球粒事件的时间?粗粒难熔包体与细粒难熔包体之间的成因联系?

3.3 太阳星云的径向分异

太阳系形成过程中最显著的一个结果,是理论上均一的原始星云盘演化成为一个高度不均的太阳系,特别是由类地行星构成的内太阳系与气态行星构成的外太阳系之间的巨大差异。除此之外,在太阳星云的凝聚阶段,可能就已经出现了星云盘径向上的化学分异。如前所述,顽辉石球粒陨石很可能形成于一个极端还原的星云环境。这一极端还原的条件是如何产生的?不同化学群球粒陨石之间的全岩化学组成有显著的不同,如何形成?水和有机质的分布很不均一,它们在太阳星云盘中如何迁移?对星云演化又有何影响?

难熔包体的富16O异常发现是天体化学的重大成果之一[16]。大量的分析结果进一步表明,地球、火星、灶神星以及各类型小行星陨石具有不同的氧同位素组成[17]。但是,氧同位素异常的机理,特别是太阳系氧同位素异常的分布特征还没有得到很好的解释。近年对太阳系各种物质的同位素分析发现,根据Cr、Ti、O等同位素异常,可以将太阳系物质划分为内、外太阳系二大部分,但是其产生的原因是什么?这些同位素异常的机制?

3.4 小天体的形成和早期演化

与太阳星云凝聚过程相比,对小行星的形成过程所知甚少,一个重要原因是陨石样品在尺寸上一般为分米级大小,少量达到米级。一般认为,太阳星云凝聚形成的毫米-厘米大小集合体首先聚集成卵石大小块体,然后堆积形成公里级-百公里级的星子。理论模拟计算表明,星子形成的物质主要来源于本地,但仍有一定比例的物质来自其他区域[18]。对小行星的观测和探测也表明,有相当高比例的小行星显哑铃状等形态,很可能是由二个或多个星子拼接而成。一些特殊的陨石,由多种类型的陨石角砾构成,反映了不同类型小行星之间的碰撞和堆积。“黎明号”计划对灶神星表面的探测,发现较多分布的暗色物质和氢的分布,很可能是碳质小行星撞击留下的碎片[19]。日本隼鸟2号对龙宫小行星的探测,美国OSIRIS-REx对Bennu小行星的探测,均表明这二个碳质小行星是由碎石块堆积而成[20,21]。因此,关于星子的形成机制、过程、物质来源、形成时间等需要通过小行星的探测获得答案。

星子形成之后,除了由动能和势能转化为热能之外,更多的能量来自短寿命的放射性核素衰变,特别是26Al(半衰期73万年)的衰变能。因此,较大的星子,特别是其中央经历了不同程度的热变质改造。当温度足够高时,金属和硅酸盐发生的熔融,并且相互分离,形成了主要由Fe-Ni合金构成的核部,以及由硅酸岩熔体结晶形成的幔。对收集到的大量陨石样品分析表明,很少存在原始球粒陨石与熔融形成的铁陨石或无球粒陨石之间的成因联系,或是没有发现对应的陨石?或是因为它们之间确实不存在联系?无球粒陨石在同位素组成上均属于内太阳系型,而外太阳系型主要是碳质球粒陨石,这是表明它们分别形成于太阳星云盘的不同区域?外太阳区域的星子形成较晚,温度更低,因而热变质程度较低,更很少发生熔融?

除了温度升高造成的热变质,甚至熔融之外,液态水或水蒸汽的存在,可以造成强烈的水蚀变。橄榄石、辉石、长石等硅酸盐矿物在水蚀变下形成各种粘土矿物,硫化物和金属发生氧化。小行星中普遍形成碳酸盐、硫酸盐、甚至石盐等蒸发盐类矿物。小行星内的水蚀变,很大程度上抹除了太阳星云过程的记录。“黎明号”计划对谷神星的探测,发现了一系列水蚀变存在的证据,甚至表明谷神星内部存在液态水的海洋[22-24]。大部分碳质陨石存在明显的水蚀变,但也有一部分水含量低。一个相关的问题是,这些贫水的碳质陨石 (小行星)是原始不含水的状态?或是由于后期热变质脱水的结果?决定星子水含量的主要因素是什么?

3.5 木星的迁移及其影响

小天体的轨道易于受到扰动而发生改变,因此观测到的小天体轨道不代表其形成位置。近地小行星的光谱类型与主带小行星相似,是由后者迁移至目前的轨道;而主带小行星在很小的空间区域 (2-4AU),分布各种不同光谱类型的小行星,其化学组成的差异涵盖了从最靠近太阳的水星一直到外太阳系。另一方面,主带小行星光谱类型的分布存在统计规律,即靠近太阳一侧,以发生熔融的分异型小行星为主,而随远离太阳,原始类型小行星的比例增高[25]。是什么事件或机制决定了不同光谱类型小行星的空间分布?它们形成时的空间位置?

太阳系形成的数据模拟结果表明,木星和土星的形成对太阳系,特别是小行星的分布可产生很大的影响[25-28]。木星的初始形成位置约在3AU,当其生长到20个地球大小时,其轨道向内迁移至现今火星位置,从而将内太阳区域的星子弹射出去。随后,木星的轨道向外迁移,进而将外太阳区域,包括柯伊伯带的小天体弹射进内太阳区域。木星的快速生长,是否阻断了内-外太阳星云盘物质的迁移?并造成它们之间同位素异常的差异?木星发生上述迁移的实验证据?如果发生了迁移,其出现的时间?

4 小天体探测的思路

4.1 长期持续的任务

一方面,小天体,特别是小行星的数量巨大,已划分出至少25个不同的光谱类型。另一方面,已收集到的小行星陨石,已知30个化学群左右。小行星的光谱类型与陨石化学群之间重叠较少,实际上太阳系形成过程中残留下来的星子类型也有很大的数量。为了恢复太阳星云的初始状态和演化过程,需要对这些不同类型的小行星和彗星进行探测。同时,星子形成之后,可能经历了不同程度的水蚀变、热变质、熔融分异以及撞击等作用。为了揭示这一阶段的星子演化,理解行星的形成,需要对同一星子开展更深入的探测。因此,为了揭示太阳系形成和早期演化历史,需要长期持续开展小天体的探测。此外,小天体作为未来太空的战略资源,以及小天体撞击构成对地球的潜在威胁,同样要求对它们进行长期的探测。

我国目前仅规划了一次小天体探测任务,无法满足对太阳系起源认识的需求,无法保证未来对小天体资源的需求,无法防御潜在小天体撞击对人类构成的威胁。需要以太阳系形成与演化重大科学问题为牵引,结合未来小天体资源的开发和利用,以及小天体安全防御,规划出我国小天体探测的路线,长期持续地开展小天体的探测。

4.2 多任务、低成本

同月球、火星和其他行星探测相比,小天体探测可以采用低成本的技术路线和工程方案。事实上,NASA的Discovery级任务主要针对小天体探测,日本的小行星探测任务经费也控制在1.5亿美元范围。同时,随着微小卫星技术的成熟和普及,也为小天体探测提供了一个很好的飞行器平台。因此,低成本的小天体探测在经济上是可能的,技术上也是可行的。通过长期持续实施小天体探测任务,最终揭示整个太阳系起源和早期演化历史,开发和利用小天体资源,防御小天体撞击对人类的威胁。

4.3 科学与技术发展路线的结合和促进

小天体探测具有目标多重性的显著特征,即在科学探索、太空资源开发、小天体撞击安全防御等方面均具有重大的意义。同时,这三个方面之间又相互促进和依存,科学探索是太空资源利用和防御小天体撞击的基础,而后两者的需求则促进科学探索的发展。太空资源利用和防御小天体撞击更多侧重空间技术的进步。因此小天体探测的总路线,需要综合考虑科学目标的需求、太空资源利用和防御小天体撞击的技术发展需求两大方面,并将二者更好地结合起来,协同发展,相互促进。总体而言,以太空资源利用和防御小天体撞击为最终目标,制定出空间技术的发展路线图;以此为工程约束,根据小天体探测的总科学目标,制定相应的分阶段小天体探测任务。这也是以科学探测为牵引,带动空间技术的进步和发展。

4.4 多元化的探测路线

在国际私营企业进入深空探测领域,并得到相关政府支持的大背景下,国内也开始成立民营的太空探索公司。同时,微小卫星技术的发展,也不断降低空间探测的技术门槛。具备低成本、多任务为特色的小天体探测,很可能更适合多元化的发展框架,成为国家任务的重要补充,形成我国深空探测的特色。作为对比,美国的太空公司更多介入月球和火星的探测领域。

5 总结

小天体探测是深空探测的重要组成部分,是揭示太阳系起源和早期演化、地球等行星初始物质组成以及水和有机质分布与演化等重大科学问题的关键途径。同时,小天体探测在未来太空资源利用、小天体撞击安全防御等领域起到关键作用。小天体探测一直是国际深空探测的热点和前沿。同时,小天体数量巨大、类型繁多、空间分布极广。一部分类型的小行星和彗星代表了太阳星云盘不同空间区域残留的原始星子,记录了太阳星云的演化过程;一部分类型的小行星经历了水蚀变、热变质、熔融分异、冲击变质等,记录了小行星和行星早期的演化历史。我国目前已规划的小天体探测任务仅有一次,因此需要以解决上述重大科学问题为牵引,以小天体资源利用和撞击防御为技术发展目标,制定出我国小天体探测的路线,长期持续开展低成本、多元化的小天体探测,为探索自然、实现人类可持续发展做出中国的贡献。