一颗靠近地球在天空中运行的小行星,因为存在与地球相撞的危险性,现正成为机器人和人类进行空间探测的目标。由于它处于外层空间低引力环境,登陆小行星将比5~10年前更具有挑战性。
2005年,日本太空开发署空间和航天研究所发射了一艘Hayabusa又称Falcon(题图)的航天器,探测编号为25143的近地小行星Itokawa,一度遭到了挫折。航天器与地面通讯中断,当第二次试图在小行星上取样时,航天器中携带的肼液漏失、两个反应轮失效,电力也已耗尽。更令人沮丧的是用于小行星表面探测的第一个机器人密涅瓦(古罗马智慧女神名)丢失在宇宙空间之中。尽管这些挫折令人丧气,Hayabusa还是在小行星科学以及远空试验取得了成就,并至今邀游在太空中。
在远空探测上遇到挫折是常有的事。在本例中,Hayabusa精巧的设计和研究人员坚持不懈的努力获得了回报。它是第一艘访问Itokawa这颗定期飞过地球的小行星的航天器,并发回了小行星乱石堆般表面的十分清晰的图像;也是自美国航空航天局(NASA)对编号433的“爱神星”(Eros)小行星的重量和表面测定以来首次对Itokawa作同样的测定。Hayabusa航天器还是一次试验,以证明在航天任务设计中哪些是有用的,哪些是无用的。性能良好的关键性仪器(包括摄像机、激光高度计、近红外分光光度计和X线荧光分光光度计)是一座知识的宝藏,它使我们得以了解近地物体(NEOS)的运行情况。
小行星Itokawa是一颗直径约300米呈长条形的岩体,每天24小时自转2次,属于普通S分光镜级的岩石小行星。根据科学考察,实际上有几千颗这样的小行星与地球轨道交错,值得注意的是天文学家花费了近半个世纪时间才发现它们中的一颗,Itokawa是其中最易于访问的小行星之一——它跨越地球和火星的轨道,绕日一周约1.5年。
Hayabusa的勘测结果表明,Itokawa可能是一颗由球粒状碎岩构成的星体。球粒状流星是初始的空间岩石,从未经历过地核和地幔的分化过程。S型的小行星由下列未分化的“原料”所构成:橄榄石、辉石、金属铁、斜长石和硫化物。S型小行星原始来自火星与木星间的小行星带。在此,小行星靠引力和热力散布开来。Itokawa的岩石估计在几百万年前或几十亿年前由母体星球撞击破碎而形成,而其较大的未经熔融的母体存在的时间可追溯到太阳系形成初期。
当Hayabusa航天器对Itokawa的表面块石作出详细分析后,准备降落小行星上采取岩样。采样地点的选择是个大问题,因为没有基岩可作为样品,于是采样小组选择了名为缪斯海的海滩边采样。但有没有样品石块装进了飞船舱内,不得而知。
第一次在小行星表面进行采样是令人兴奋的。
大部分小行星科学家不希望Itokawa是一堆岩石碎片;它的引力小于地球5个数量级,曾被认为小得不足以将物体吸引到一起。科学家甚至全然不明白为什么Itokawa能够存在,因为只要以约10厘米/秒的速度(逃逸速度)轻轻一摇,就足以使上面的物体飞出去,但Itokawa将上面的岩石碎片“握住”了。它上面没有什么,只有碎石片:一个沉积的世界。统治这个世界的是弹道学的运动和粉碎过程,由撞击产生的地震般的摇动引起石块的大小分堆,而带电颗粒的低应力流动和复杂的引力运动,包括由光离子化产生的尘粒升空,以及由于太阳风作用而扬起的尘埃。但撞击坑刚一形成就改换门面,形成光滑的碎石床(即海),使人们不得不猜想当宇航员第一步踏上这颗小行星时会不会发出嘎吱声?会不会地面沉降?会不会升起一阵尘云?
通过在飞船上用红外和X线荧光分光光度计实测,Itokawa可能是由球粒状碎石所构成。这与NASA对“爱神星”用分光光度计实测的结果相一致。通常球粒状流星的密度约为3~3.5克/厘米3,用激光高度计和飞船望远镜测得的Itokawa质量为3.5×1010千克,密度为1.9克/厘米3。如为球粒状流星它必须具有40%的孔隙率,这比砂石堆的孔隙率大;Itokawa必然全部由松散的碎石所构成。这与航天器测量和我们所知道的小行星的撞击演化结果相一致。但真实情况尚需等待另一次对小行星内部的探测,可能包括如穿透雷达、地震学和碎石坑实验等。远看,Itokawa像一个土豆;近看,则像一只晶体状的水獭。小行星一般都呈凹凸不平的长椭圆形,这是由于引力不稳定、在流星的反复撞击下出现了质量变化。或者,小行星的团块形状像一块用过的肥皂,已耗损得高低不平;再者,它们会由一个较大母体被撞击,或因近地球的潮汐现象而产生的碎块重又聚集的特质所组成。
Hayabusa航天器由于缺乏精确调控的推进器,现在不再受Itokawa的细微引力影响在环绕着太阳运行。与地球间的通讯已经恢复,2006年晚些时候,它的太阳能电气推进系统开始工作,以便能携带小行星表面物质返回地球。但工程师们必须首先去掉泄漏的肼冷凝液,否则在降落时会使航天器发生扭转。再是发动机、星球追踪器和高度控制系统都要受到一次认真检查。最后,重返地球大气层必须在2010年完成,届时不可能再作后期校正。
欧洲宇航局也将实施包括两艘航天器的堂吉诃德(Don Quijofe)探测计划。两艘航天器中第一艘名叫“Sancho”将首先发射进入轨道,对小行星(目前尚未选定)表面投下测震仪等。第二艘名叫“Hidalgo”在一年后以更高速度发射,它将对小行星进行一次深度撞击,像2005年对“坦普尔1号”彗星所作的深度撞击那样。届时留在小行星上的测震仪将对撞击、新碎石坑的形成、地面滑坡,甚至卫星的形成等进行描述。而对近地小行星的探测是悠关生活在地球上每个人的事,因此欧洲宇航局计划寻找合作者一起参与———欧洲、日本、美国、俄罗斯、中国和其他国家可以在利益、资源、技术等方面实现互补。
NASA在小行星探测上起主导作用,它们完成的对“爱神星”的探测使命是第一次对小行星进行如此详细的观察。“伽利略”号航天器获得了第一张小行星图像,但NASA并未承担对近地物体的探测任务。与政府推动的月球和火星探测计划不同,近地物体的探测是自下而上的,主要出于探测者们的竞争。
下一轮近地物体探测中没有NASA的新的探测计划。NASA具有进行外太阳系探测如火星以及月球探测的预算和时间表,但对最接近地球、可能撞击地球的小行星探测计划的时间表又在哪里呢?
如果我们能对人类空间探测采取一种新的观点,必须强调宇航员将能访问一颗近地小行星而不必另行开发许多新的空间探测器。宇航员琼斯(Jones)和他的同伴曾设想,将改进的载人舱添加燃料后送至国际空间站,让宇航员在几个月内与接近地球的小行星会合,然后再返回空间站讲述访问小行星的故事。小行星可能是除月球外人类走出地球第一个合乎逻辑而且成功的目标。如果这个说法合理的话,那么Hayabusa的探测使命就是在为之铺平道路。
这是一幅太阳系部分行星和小行星Itokawa的轨道图。图中行星的位置出现在2008年9月17日。Itokawa小行星定期与地球和火星轨道相交,存在潜在相撞的危险,但有一天也可成为行星间的“渡船”。