嫦娥六號只是“新手村”？天問二號開啓太空採樣“地獄模式”！
北京時間今天（5月29日）凌晨1時31分，西昌衛星發射中心，長征三號乙運載火箭噴薄出熾熱的火焰，載着萬衆矚目的天問二號探測器拔地而起，精準地奔赴那片廣袤無垠的太空。
天問二號發射升空瞬間 | 逆飛流星-Alight
這不僅僅是一次成功的發射，更是一場史詩級星際“大冒險”的啓程 —— 一場預計長達10年的深空探索之旅，已經正式拉開序幕 ！
長三乙火箭整流罩上印着天問系列工程官方標識 | CALT
“天問”，這個充滿詩意與探索精神的名字，是中國行星探測系列任務的名稱。在天問一號成功抵達火星，完成環繞、着陸和巡視探測之後，“天問”系列的第二位成員——天問二號，將目光投向了太陽系裏的小天體。
天問二號發射任務徽章 | CALT
它將首先飛向近地小行星2016 HO3，不是簡單的“路過”，而是要繞着它飛、近距離觀察，並挑戰一項高難度動作——採集它的表面樣本，並把這些珍貴的“宇宙快遞”送回地球。
而在完成小行星採樣後，天問二號將繼續長途跋涉，去探訪一顆名爲 311P 的主帶彗星。這顆彗星以其奇特的形態吸引着科學家的目光，我們將有機會近距離一睹它的真容。
天問二號發射海報 | 天問二喫小行星探測器官博
地球的“影子舞伴”
天問二號要拜訪的這位 2016 HO3，究竟是何方神聖呢？
它是個頗爲特殊的小行星。2016年4月27日，位於美國夏威夷的泛星計劃（PanSTARRS）望遠鏡發現了它。根據亮度估計，它的直徑爲40-100米，自轉週期只有約28分鐘，躋身太陽系自轉最快的十大天體行列。
小行星2016 HO3示意圖 | Mark A. Garlick, Space-art.co.uk / University of Warwick / University of Cambridge
但比起快速轉圈圈，這塊“大石頭”的軌道更令人印象深刻。
它像其他小行星一樣，也環繞太陽運行，而軌道半長徑爲1.00天文單位，公轉週期爲365.77 天。有沒有覺得很眼熟？怎麼跟咱們地球差不多呀？沒錯，乍一看會以爲它在和地球“搶跑道”。
但它的“跑道”和地球的又不完全一樣。2016 HO3的軌道略扁一些，偏心率爲 0.10，還“歪”了一點，相對於黃道存在8° 左右的傾角。正是這一點點的不同，造就了一個奇妙的現象：它雖然繞着太陽跑，但始終和地球若即若離，從來不曾遠離我們，好像是地球的伴侶。
2016 HO3 軌道示意圖 | NASA
從地球上看出去，它好像在圍繞地球轉圈圈，但是與地球的衛星月球又不同。月球圍繞地球的“腰”轉圈圈，而2016 HO3是繞着地球上下轉圈圈，約45年完成“一圈”。因此，天文學家稱它地球的“準衛星”（quasi-satellite）。
由於發現它的泛星計劃設在夏威夷，天文學家用一個夏威夷土著語Kamoʻoalewa 給它命名。Kamoʻo 指“碎片”，lewa意思是“震盪”，含義是“繞着地球震盪的小碎片”。有人暫時把它譯作“震盪天星”，因爲還沒有官方標準譯名。
說起來，地球的準衛星不止2016 HO3一個。20年前發現的2003 YN107 軌道也很特別，公轉週期也是一年左右，在 1997 年至 2006 年期間，它與地球保持在 0.1 天文單位（1500萬公里）範圍內，並且一度看上去似乎在緩慢地繞地球運行。然而它並未被地球引力牽絆，最後還是離開了地球。
1600年-2500年小行星2016 HO3 相對於太陽與地球運動軌道的模擬動畫 | Wikipedia
2016 HO3 的情況就完全不同了，計算機模擬顯示，它陪伴地球已經至少一個世紀了，和地球的距離始終保持在30~100倍地月距離（約1400萬公里~4000萬公里），最近的時候發生在1923年12月27日，距離爲 1244萬公里。這種情況將持續到24世紀，隨後切換到一條馬鞍形軌道，過一陣子又將切換到“準衛星”軌道。
這就是所謂的“軌道共振”，是太陽和地球引力共同作用的結果，這讓2016 HO3 成爲迄今爲止發現的最穩定的地球準衛星——既無法完全擺脫地球引力的影響，又無法真正成爲地球的衛星。
月球碎片？
地球的這個神祕的“舞伴”， 究竟是從哪裏來的呢？這是個有意思的話題。
在太陽系中，有一條“小行星高速公路” ——位於火星與木星之間，那裏運行在着數百萬顆小行星，我們稱之爲小行星主帶，與太陽的平均距離約 2.8 天文單位。
太陽系的大多數小行星都運行在火星軌道和木星軌道之間的小行星主帶中 | NASA/McREL
然而有些小行星“並不安分”，近日點位於地球軌道附近，甚至跑到地球軌道內側。我們把近日點小於1.3 天文單位的小行星稱爲近地小行星。
研究認爲，它們大多是受到大行星的引力干擾，在漫長的演化過程中軌道發生了變化，從小行星主帶遷移到地球附近。截至2024年底，人類已經發現37000多顆近地小行星。
2016 HO3是否也是這種小行星“移民”中的一員呢？
四類近地小行星軌道 | Wikipedia
比較常見的近地小行星有四類。不過我們發現 2016 HO3 的軌道與它們都有不小的差異。於是天文學家有了另一個大膽的猜測——2016 HO3是從月球身上撞出來的！
天文學家利用它靠近地球的機會對它進行了光譜分析，驚奇地發現它的成分與阿波羅登月樣本很相似。
小行星本身不發光，只能反射太陽光，而小行星上塵埃顆粒的大小分佈會影響陽光反射率，小行星物質的不同化學成分會吸收特定波長的陽光，因此對小行星的反射光譜進行分析就可以間接地知道其表面物質組成與結構特徵。
天文學家利用地面大型望遠鏡對 2016 HO3可見光波段和紅外波段的光譜做了細緻分析，發現它主要由硅酸鹽組成，屬於石質小行星（S型）。更進一步，在紅外波段的光譜特徵顯示，它與阿波羅月球岩石樣品高度相似。
因此，有人猜測它可能來自月球，在很久很久以前的一次撞擊事件中，從月球上分離出來，成爲一顆環繞太陽運行的小行星，並在長期的演化過程中，被地球引力約束，最終達到現在的共振狀態。
2016 HO3 小行星光譜與阿波羅月球樣本相符 | Benjamin N. L. Sharkey et al. (2021)
清華大學航天航空學院教授寶音課題組結合撞擊動力學結論和月表撞擊坑數據，建立了月球撞擊產生的高速逃逸碎片和撞擊坑尺寸間的定量關係，認爲2016 HO3 的故鄉是位於月球背面直徑爲 22 公里的一座年輕的環形山——焦爾達諾·布魯諾環形山（Giordano Bruno crater）。
2016 HO3 究竟是不是月球失散多年的“兄弟”呢？毫無疑問，最好的辦法就是取一些樣品回來分析分析。
焦爾達諾·布魯諾環形山 | NASA
首次挑戰小行星軟着陸
截至目前，人類總共有過三次小行星的採樣返回任務，分別是日本的隼鳥號（Hayabusa）和隼鳥2號（Hayabusa2），以及美國的奧西里斯王號（OSIRIS-REx）。
2003年升空的隼鳥號，開了小行星採樣的先河，但是該任務總體上卻由於種種原因並不成功，最終只收集到探測器觸碰到25143號小行星糸川表面時揚起的1500個“微粒”。
2014年的隼鳥2號更爲成熟。它向小行星龍宮釋放了一顆金屬子彈，撞擊小行星表面形成直徑約10米的彈坑，通過機械臂上的採集器，獲得了5.4克小行星樣品。2022年6月，日本文部科學省稱，科學家在其樣本中檢測到20多種氨基酸，這對理解生命在宇宙中的起源與演化有着重要意義。
日本隼鳥二號探測器效果圖
2016年升空的NASA奧西里斯王號探測器取得了空前的成功。原計劃獲取60克樣品，最終獲得了121.6克，遠超預期。它通過3.35米長的採樣機械臂，在觸碰小行星貝努表面的一剎那，向小行星表面吹出氮氣，將塵埃和碎屑吹到兩側容器中。
它們都有一個共同點：採用的都是“蜻蜓點水”的採樣方式——探測器像一隻勇敢的鳥兒，小心翼翼地觸碰一下小行星表面，迅速抓一把（或吹一把）就走，全程只有幾秒鐘。
奧西里斯王號探測器觸碰式採樣 | 圖源：NASA
爲什麼這麼“匆忙”？因爲小行星採樣，實在是太難了！
首先，小行星的個頭比較小，引力極其微弱，但又不能完全忽略。
前面所提到的幾個小行星，糸川的平均半徑約313米，龍宮的平均半徑約448米，貝努的平均半徑約245米，質量最大的龍宮也不過是4.5×1011kg，是月球的1600億分之一，是太陽系最大小行星竈神星的5.7億分之一。
相比之下，2016 HO3 的直徑估計只有40多米，質量還要小很多。據推測，2016 HO3 的重力加速度僅爲地球百萬分之一的水平。
因此，探測這種小行星，根本無法做到引力俘獲，只能是先伴飛，然後緩慢降低高度，小心翼翼地觸碰。一旦速度控制不好，探測器會立刻被彈飛出去。
隼鳥號採樣的小行星糸川（左）和隼鳥2號採樣的小行星龍宮（右），天問二號要去的2016 HO3 比它們都小 | JAXA
第二，對目標天體的具體情況知之甚少。
絕大多數小行星都太小太暗，在多數情況下無法直接觀測到。即便能拍到照片，它們也只是一個很不起眼的小點。
到目前爲止，我們對2016 HO3 大小、形狀、密度、質量、結構等一概不知。就連對它的尺寸的估計，也只是來自亮度的測定，再假定一個反照率得出的推測。在相同亮度情況下，如果小行星的金屬含量高一點，反照率就會高，那麼相應的尺寸就小一些。如果它含碳量大一些，反照率就偏低，如果要有相同的亮度，自然就需要有更大的尺寸。
在這種未知因素較多的情況下，空間探測風險是很大的。
天問二號任務流程示意圖，圖中小行星的模樣完全是猜測，具體情況我們暫時還一無所知 | 中國國家航天局探月與航天工程中心
第三，不知道小行星表面合適採樣點在哪裏。
因爲小行星質量很小，而且有可能本身就是天體撞擊出來的碎片，它並沒有經歷過地質演化過程，看上去不過是由許許多多碎石捏在一起的大石堆，其表面可能非常粗糙，到處都是碎石溝壑，很難找到一塊平坦的着陸區。在隼鳥號探訪糸川的時候，就遭遇了這種情況。
嫦娥五號和嫦娥六號在月球採樣前，我們已經有了幾個候選着陸區和着陸點，並提前掌握了高精度三維地形，足以確保着陸器安全落月。然而小行星2016 HO3 給我們出的難題是，直到現在我們都沒有它的影像，也沒有地圖，更沒有所謂候選着陸點了。一切都只能“到那兒再說”。
隼鳥2號在小行星龍宮上採樣的過程 | JAXA
第四，距離遠，測控精度要求高。
雖說是近地小行星，但2016 HO3與地球的距離也在1200萬公里以上，小行星的個頭也小，探測器的信號也弱，要對它進行測定軌是極爲困難的。
遙遠的距離還增加了通信的延時，完全依賴於地面的遙控是不現實的，因此必須提高探測器本身的智能化水平。
2016 HO3尚且如此，主帶彗星311P 就更爲遙遠了，需要追求更高的測控精度。
面對這些挑戰，天問二號準備了一套“組合拳” 。
發射後用1年時間飛抵目標小行星附近，隨後遵循“邊飛行、邊探測、邊制訂”的策略，再花1年左右的時間對其進行近距探測，獲得高分辨率的探測數據，包括建立小行星的高精度三維模型（至少是米級）、熱模型等。然後通過層層篩選確定採樣區，並制定相應的採樣策略。就像一些選拔活動，15進8，8進3，最後3選1。
天問二號飛行過程示意圖 | 餘後滿等.（2021）
除了國際上已經被證明切實可行的觸碰採樣方式外，天問二號還開創性地設計了懸停採樣模式和附着採樣模式，計劃採集超過100克的小行星樣品。
觸碰採樣和懸停採樣都屬於短時採樣，主要針對“砂石堆”型鬆散結構。
觸碰採樣對採樣區域面積要求較小，相對安全性也高。天問二號攜帶一個激勵採樣與送樣一體化機構，通過毛刷掛掃方式和氣吹方式，將不大於20mm的樣品送入容器進行收納密封。
懸停採樣可以有效處理堅硬表面的風化層顆粒，令探測器下降到距小行星表面約1米高度時懸停，伸出機械臂，將端頭插入小行星表面，採集表層風化物顆粒。
附着採樣也被稱爲錨定採樣，是天問二號的亮點之一，這也將成爲國際上首次在小行星上實施附着採樣。全過程將通過附着裝置、採樣裝置、送樣裝置等共同實現。
天問二號任務簡介 | CGTN
整個小行星採樣過程可以分爲9個階段，包括：運載發射、小行星轉移、小行星接近、小行星交會、小行星近距探測、小行星採樣、返回等待、返回轉移、再入回收。
在綜合考慮重量、功率、飛行時間等約束條件後，天問二號探測器選擇了高比衝離子電推進系統，以達到節省燃料、高精度推力控制與姿態控制等效果。爲了確保穩穩站上小行星，探測器頂部還裝有額外的發動機，以增加“下壓力”。
更長遠的目標
你以爲帶回 2016 HO3的樣本就是任務的終點了嗎？不，天問二號的雄心不止於此！
在完成小行星採樣、釋放返回艙後，探測器本身將繼續踏上長達約7年的漫漫征途，去探訪另一位神祕的天體——主帶彗星 311P。
311P 也是個“怪咖”，2013年才被發現，運行在小行星主帶之中。一開始，人們就覺得它似乎長着好幾條尾巴。進一步的觀測確定，它在持續揮發，擁有多達6條塵埃尾，最終被歸爲主帶彗星，也成爲迄今爲止形態最奇特的一顆。
哈勃望遠鏡觀測到了擁有六條彗尾的311P | 圖源：ESA/Hubble
爲什麼說它“格格不入”呢？因爲傳統理論認爲，彗星大多來自於太陽系靠外側的柯伊伯帶或邊緣位置的奧爾特星雲，因爲那裏足夠寒冷，能儲存着大量的冰和易揮發的成分。當它們靠近太陽時，受太陽輻照影響，內部物質蒸發纔會形成壯觀的彗尾。
但小行星主帶位於火星和木星之間，離太陽相對較近，處在所謂的“雪線”以內。按理說，這個區域早就應該被太陽的熱量“吹乾”了，水冰等揮發物很難長期存在。
那麼，311P 爲什麼還能有那麼強大而穩定的噴發現象呢？這是天問二號要去揭開的又一個謎題。
天問二號卡通形象 | 中國航天科技集團
爲了完成這些艱鉅而又迷人的任務，天問二號攜帶了一整套“豪華”的科學儀器。
除了採樣設備，它還有能看清細節的多光譜相機、能遙測地形的探測雷達、能感知溫度的熱輻射光譜儀、能分析成分的可見紅外光譜儀，還有能“聞”到周圍粒子的帶電粒子與中性粒子分析儀和噴發物分析儀等等，總共十多種科學載荷。
它們將對 2016 HO3 和 311P 進行全方位、深入的探測。
天問二號探測器示意圖 | 中國國家航天局
中國的小行星探測雖然起步晚，但我們的起點一點兒也不低。天問二號任務複雜度高、難度大、創新性強，直接瞄準了行星科學和太陽系演化這些前沿科學難題。
從嫦娥五號、六號成功實現月球採樣返回，到天問一號成功探火，再到今天天問二號啓程探索小行星與彗星——我們一步一個腳印，不斷積累着行星際探測和地外天體採樣的寶貴經驗。這些經驗，將爲我們未來的夢想鋪平道路，比如天問三號——親手從火星上，帶回那神祕而醉人的一抔紅土！
這是天問一號送上火星的祝融號火星車，而天問三號任務的目標是去火星上採集樣品再送回地球 | CNSA
但此刻，所有的目光聚焦在天問二號這位剛剛起航的“新兵”身上。
從地球出發，它將跨越千萬公里，挑戰極弱引力下的精準採樣，解開神祕小行星的身世謎團；再向更遠處飛去，直面一顆行爲異常的“怪彗星”，尋找太陽系演化的更多線索。
這不是一項孤立的任務，它承載着中國行星探測的新一次躍升。它將是我們首次對地球準衛星進行實地調查 ，也是首次在國際上嘗試附着式採樣技術。一次發射，兩次探測，多個“第一次”，都寫在“天問二號”的航程之上。
這是天問之名的真正含義：不斷髮問，不斷邁向更遠的未知。
而這場天問，纔剛剛開始。
參考文獻
作者：水兄
編輯：Steed
封面圖來源：CGTN
一個AI
我們對宇宙問了這麼多問題，其實宇宙一個也沒回答，全是咱們自己跑老遠去找答案——
這像不像你跟你老闆提需求的樣子？
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