小行星深空探测的科学意义和展望.pdf

第20卷第11期 2005 年11月 地球科学进展 ADVANCESIN EARTH SCIENCE Vol 20 No 11 Nov 2005 文章编号 1001 8166 2005 11 1183 08 小行星深空探测的科学意义和展望 徐伟彪 赵海斌 中国科学院紫金山天文台 江苏 南京 210008 摘 要 太阳系深空探测活动方兴未艾 小行星探测已成为主要发展方向 通过回顾近年来几个主 要的国际小行星空间探测计划以及取得的研究成果 总结了小行星深空探测从早期的近距离飞越 到小行星低空绕轨勘探 到目前的表面软着陆和采集样品返回的发展进程 同时深空探测也给行 星科学研究者提出了新的挑战 鉴于目前行星科学的研究热点 详细叙述了小行星深空探测急需解 决的重大科学问题及其科学意义 随后简单介绍了未来小行星深空探测计划的科学目标 为小行星 深空探测的具体任务提供了科学目标选择方向 最后呼吁我国及时介入小行星深空探测 提升航 天能力 开拓深空领域 关 键 词 太阳系 小行星 空间探测 中图分类号 P185 文献标识码 A 0 前 言 近年来 世界各空间大国掀起了太阳系深空探 测的热潮 先后对月球 火星 小行星 彗星等太阳系 天体进行了全方位 多手段的探测 深入研究各天体 的地质特性和所处的空间环境 探索行星系统的形 成和演化历史 寻求解决太阳系起源和生命起源的 最基本问题 在阿波罗登月计划25年后 美国展开 了重返月球的探测活动 1994 年的 克莱门汀 Clem entine 和1998 年的 月球勘探者 Lunar Prospector 计划对月球进行了全面细致的探测工 作 我国也已实施启动了 嫦娥工程 探月计划 目 的是获取月球的三维立体图像和勘察月球表面多种 化学元素的分布特点和规律 在火星探测方面 从 1996 年的 火星全球勘探 Mars Global Surveyor 1997 年的 火星探路者 Mars Pathfinder 2001 年 的 奥德赛 Mars Odyssey 2003 年的 火星快车 Mars Express 以及同年发射的 火星探测漫游者 计划 Mars Exploration Rover Mission 上的 机遇 号 Opportunity 和 勇气号 Spirit 火星车 探测 工作取得了圆满的成功 获得了大量的科研数据 涌 现了一系列新发现 为人类认识和了解火星作出了 巨大贡献 2004 年初欧空局发射了 罗塞塔 ROSETTA 彗星着陆器 最近 卡西尼 Cassini 号 探测器又成功地进入了土星轨道 这些事件将空间 探测活动推进到了一个新的时代 在月球和火星探 测热潮的同时 小行星深空探测工作也引起人们的 重视 探测活动从早期的近距离飞越 1991 年 Gali leo 计划 到小行星低空绕轨勘探 2000 年 NEAR 计 划 发展到目前的小行星表面软着陆和采集样品 计划 2003 年日本发射了 缪斯 C MUSES C 探 测器 将于2005 年10月在1998 SF36 号小行星 As teroid Itokawa 上软着陆并采集表面样品 2007 年6 月返回地球 小行星深空探测是空间探测活动新的 发展方向 是我们探索太阳系起源的重要研究领域 本文将回顾小行星探测的历史 详细论述小行星深 收稿日期 2004 11 02 修回日期 2005 07 04 基金项目 863 703 项目 火星 小行星和彗星深空探测的科学目标论证 国家杰出青年科学基金项目 天体化学和比较行星学 编 号 40325009 国家自然科学基金项目 近地天体的搜索 认证和危险评估 编号 10503013 中国科学院 引进国外杰出 人才 基金项目和小行星基金会资助 作者简介 徐伟彪 1962 男 江苏江阴人 研究员 博士生导师 主要从事天体化学和比较行星学研究 E m ail w bxu pm o ac cn 空探测涉及的科学问题和重要意义 并对未来的小 行星探测计划作简单介绍 1 小行星及其国际空间探测计划简介 早在1766 年 德国中学教师提丢斯 J D Titi us 发现各大行星与太阳之间的平均距离遵循一定 的规律 但是在火星与木星之间 这个规律被打破 了 他认为其间应有对应的天体存在 这个天体于 1801 年元旦被意大利天文学家皮亚齐发现了 它正 好位于火星与木星之间 与太阳的平均距离为2 77 AU 与 提丢斯 波得定则 预测的2 8 AU 的位置 几乎完全吻合 但是它的直径只有1 000 km 不足以 被称为大行星 这颗新发现的天体被命名为1号小 行星 谷神星 1 Ceres 这一发现 极大地鼓舞了 提丢斯 波得定则 的支持者 在发现谷神星大约 一年后 他们又在火星与木星轨道之间发现了第2 颗小行星 智神星 2 Pallas 接着又找到了第3 颗小行星 婚神星 3 J uno 第4颗小行星 灶神 星 4 Vesta 等 截至到2005 年5月共有已编号 的小行星99 906 个 多次回归而未正式编号的小行 星108 708 个 正式命名的小行星数目也已经达到 12 345 个 人们终于意识到 在火星与木星的轨道 之间 并不是存在一颗大行星 而只有一个小行 星带 小行星是围绕太阳运行的岩石或金属天体 它 们的体积相当小 最大的是1号小行星 Ceres 它的 直径约有1 000 km 小的小行星则只有十几米 在 目前已经发现的小行星中 直径大于240 km 的只有 16颗 小行星在太阳系内运动范围从地球轨道内侧 一直延伸到太阳系边缘 其中绝大多数小行星分布在 火星和木星轨道之间 称之为主带小行星 少数小行 星的轨道和地球的轨道很接近 有些甚至已经和地球 相撞湮灭了 这类小行星被称作近地小行星 它们对 地球和人类的生存 安全构成潜在的危险 小行星是46亿年前太阳系初期形成的行星体 也有人认为小行星是由一个大行星在亿万年前被撞 击碎裂之后的遗留物 现在大多数理论支持前者 事实上如果将所有小行星的质量加起来考虑成一个 大行星 这个 大行星 的直径也只有1 500 km 左右 还不到月球直径的1 2 小行星的表面性质和物质成分可用光谱法 多 色测光法 偏振法 红外及射电辐射法 雷达探测等 方法研究 衡量小行星表面性质的一个重要参 数 反照率 albedo 跟小行星表面物质的性质 成分 颗粒大小 表面结构等 有关 最初小行星 被划分为反照率小的碳质 C型 小行星和反照率 大的石质 S型 小行星 1 随后又结合反射光谱等 特征而分为多类 C B F G P D T S M E A Q R V 型等 2 最新的分类研究应用反射光谱和反 照率 把小行星分为S C X三大类以及一些次要的 异常类型 每个大类下面又分出亚类 共26个光谱 型 3 小行星表面的反射光谱反映了其本身的物质组 成 如S型小行星的表面主要成分为硅酸盐与金属 铁 M 型主要为金属铁 C型的化学成分与太阳大气 的平均组成很相似 挥发性组分除外 富含碳质和 有机质成分 类似于碳质球粒陨石 不同类型的小 行星是由于其内部发生了不同程度的熔融分异的结 果 反映了太阳系的演化历史 小行星在漫长的太 阳系演化过程中 相互发生碰撞并破裂成众多碎片 有些碎片进入地球重力场而陨落成为陨石 因此 陨石是研究小行星以及太阳系的珍贵样品 早期的小行星探测活动以近距离飞越为主 Galileo 宇宙飞船在飞往木星的旅途中 顺便探测2 个小行星 对它们进行了近距离多波段光谱的探测 工作 研究这些小行星的大小 形状 陨击坑特征 以 及表面化学成分和矿物组成 1991 年 Galileo 飞越了951 号小行星 Gaspra S 型小行星 接近距离为1 600 km 测得其自转周期 为7 04 小时 形状不规则 18 2 km 10 5 km 8 9 km 平均半径为 6 1 0 4 km 表面陨击坑较少 1993 年又飞越了243 号小行星 Ida S型小行星 接近距离2 400 km 形状为29 9 km 12 7 km 9 3 km 平均半径为 15 7 0 6 km 体积密度为 2 6 0 5 g cm 3 表面重力0 3 1 1 cm s 2 表面 陨击坑较多 自转周期为4 63 小时 探测活动还首 次发现该小行星拥有自己的小卫星 Dactyl 形状 为1 6 km 1 4 km 1 2 km 平均半径0 7 km 轨 道高度距离 Ida 中心大约100 km 1996 年 2 月发射的 近地小行 星交会 NEAR 探测器 揭开了小行星深空探测的新纪元 NEAR 飞船携带了6种探测仪器 于2000 年2月飞 抵433 号近地小行星 爱神星 433 Eros 随后展 开了为期一年的低轨道绕飞探测活动 2000 年2 月14日飞船开始绕飞 Eros 4月10日从椭圆型轨 道变到100 km 高度的圆形轨道 12月降低到35 km 高度 NEAR 在12个月的绕飞过程中 测量了 Eros 的大小 形状 质量 质量分布 重力 磁场 自转率 4811 地球科学进展 第20卷 化学成分和主要矿物的全球分布特性 Eros 的自转 周期是5 27 小时 反照率为0 16 形状34 4 km 11 2 km 11 2 km 没有卫星 密度为 2 67 0 03 g cm 3 表面重力为0 23 0 56 cm s 2 重力场 很弱但足够飞船的绕飞 4 Eros 的一边是具有辉石 成分的平面状表面 另一边是以橄榄石为主的凸面 表面化学成分接近原始球粒陨石 5 Eros 有20 km 长的山脉状形态 密度较高 表面有陨击坑 2个最 大的陨击坑直径分别是10 km 和6 5 km 表面陨击 坑数量少而小 6 NEAR 飞船在飞往 Eros 的途中还顺访了253 号 小行星 Mathilde 这是人类首次近距离观测C型小 行星 7 1997 年6月27日飞船在距该小行星1 212 km 处飞过 测得其形状为66 km 48 km 46 km 表面黝黑且有大量陨击坑 多光谱成像观测发现表 面被4个直径大于20 km 的陨击坑覆盖 近60 的表面没有发现颜色和反照率的变化 推测是该小 行星上的富碳物质区域 Mathilde 表面的反照率与 地球上收集到的CM群碳质球粒陨石非常相似 但 是 Mathilde 的密度很低 1 3 g cm 3 仅仅是CM 群 碳质球粒陨石密度的一半 可以预料其内部可能是 多孔松散结构或者含有水冰 Mathilde 的自转周期 为17 4 天 在已知小行星中列第三慢 Mathilde 没 有卫星 当代行星科学的一个重要研究方向就是要在小 行星和陨石之间建立直接的联系 确定每一类陨石 是来自哪一类光谱型的小行星 或者更精确到某一 颗小行星 长期以来 人们试图寻找这种关系 如果 能确定某种陨石来自某一特定类型的小行星 那么 研究这些陨石样品就能了解小行星的形成 内部熔 融分异和演化历史 由于目前太空探测器离小行星 的距离较远 几百到几千公里 观测数据的精确度 不够 不能准确确定小行星表面的矿物组成和化学 成分 小行星探测器软着陆到小行星表面 直接分 析其表面的岩石化学组成 并采集适量样品回归地 球 将有助于揭开小行星和陨石之间的神秘面纱 在这个科学目标的驱动下 日本航天局于2003 年5 月9日发射了 Hayabusa 探测器 Muses C 计划 飞 往1998 SF36 小行星 准备执行人类首次从小行星采 集回收岩石样品的任务 Hayabusa 探测器已经在 2005 年9月初交会小行星 将围绕小行星飞行3个 月 先对该小行星进行近距离 20 km 观测 然后分 别在3个着落点上采集样本1 10 g 于2007 年夏 季返抵地球 装载样本的返回舱将降落在澳大利亚 的沙漠上 2 小行星深空探测的科学问题和意义 除了以上介绍的小行星深空探测计划以外 还 有很多探测计划与小行星有关 1998 年发射的 深 空1号 Deep Space 1 于1999 年7月28日对 9969 号小行星 Braille 作了近距离飞越探测 1999 年发射的 星尘 Stardust 号探测器于2002 年11 月2号飞越了5535 号小行星 Annefrank 2004 年初 欧空局成功发射了 罗塞塔 ROSETTA 它将飞越 21号 Lutetia 和2867 号 Steins 小行星 2006 年计划 发射的 曙光 Dawn 号飞船将探测太阳系内2颗 较大的小行星1号 谷神星 1 Ceres 和4号 灶神 星 4 Vesta 美国正在酝酿的 Hera 计划 将探访3 个不同光谱型的近地小行星 对每一个小行星分别 在3个采样点上采样 预计将有1 kg 的样品返回地 球 我国也正在积极筹备近地小行星的深空探测活 动 8 小行星探测活动方兴未艾 其重要性是显而 易见的 下面我们将详细叙述小行星深空探测的科 学意义 1 研究小行星轨道演化的机制 以及近地小 行星撞击地球的潜在危险 绝大多数小行星位于火 星和木星轨道之间的小行星主带 在黄道面附近绕 太阳公转 由于受多种因素的影响 有些小行星的 轨道发生了变化 一部分小行星迁移到小行星主带 的内侧 与地球的轨道很接近 有的甚至穿越了地球 轨道 与地球发生碰撞 小行星撞击事件是无可争辩的事实 月球表面 布满了大大小小的陨击坑 月球南极的 Aitken 盆地 直径为2 500 km 深达15 km 是太阳系内最大 最 深 最古老的陨击坑 而地球表面由于活跃的地质 运动 大多数陨击坑已被磨蚀 只留下为数不多 已 发现180 个左右 的陨击坑 最著名的是美国亚利 桑那州 W inslow 郡附近的 Barringer 陨击坑 小行星 撞击地球在历史上发生过很多次 65 Ma 前地球上 恐龙和其他生命的灭绝就是由于一颗直径10 km 左 右的小行星撞击地球而造成的 并在墨西哥湾的 Chicxulub 地区留下了一个180 km 的陨击坑 1908 年 在西伯利亚的通古斯卡地区 一颗50 70 m 的 小行星发生爆炸 造成了大面积森林方向性的倒塌 这就是著名的 通古斯卡事件 1994 年发生的 彗 木相撞事件 则更是记忆犹新 有人估计 像 通古 斯卡事件 级别的撞击事件每100 年发生一次 释 放出的能量相当于100 颗日本广岛原子弹爆炸的威 5811 第11期 徐伟彪等 小行星深空探测的科学意义和展望 力 美国亚利桑那州的陨击坑级别的撞击事件每 1 ka 发生一次 而一颗1 km 大小的小行星撞击地球 时所释放出的能量相当于地球上所有核武器爆炸所 产生的破坏力 将会对全球文明造成毁灭性的灾难 这些近地小行星是怎样从小行星主带迁移到近 地轨道 未来近地小行星撞击地球的概率是多少 这是当今行星科学研究的一个重要课题 如4660 Nereus 小行星将在2060 年2月14日距离地球仅为 0 008 AU 将来很有可能撞击地球 目前全世界正 在加强对该小行星的观测 研究发现 小行星的自 转速率 自转轴的指向 密度 形状 磁场强度是影响 小行星轨道演化的重要因素 然而 地面上的天文 观测很难准确测定这些物理参数 特别是对那些直 径小于1 km 的小行星 地面观测更加困难 而这些 小行星的数目要比直径大于1 km 的小行星多很多 因此 它们对地球的潜在危险更大 只有通过深空 近距离探测 才能全面准确地了解这些小行星的特 征 及时预测未来小行星碰撞地球的机会 2 小行星碰撞地球的动力学机制 以及对地 球生命的影响 人类越来越关注小行星碰撞地球的 潜在危险 国际上已建立了近地天体监测和预警网 不断公布新发现的对地球存在潜在危险的目标 并 广泛开展研究各种对策来拦截对地球有灾难性破坏 的小行星 为了迫使小行星偏离其运行轨道 我们 必须首先了解小行星的内部结构 组成等特性 对不 同成分和内部结构的小行星使用不同的拦截手段 以防止小行星发生破裂成碎片而无法控制 假如拦 截失败 我们还可以根据小行星的内部结构特性来 预测其进入地球大气层后的运行轨迹 如果小行星 内部很疏松 则其进入大气层后会发生空中爆炸而 破裂 就像 通古斯卡 爆炸事件 如果小行星内部 很致密 它就会穿越大气层 撞击到地面而产生巨大 的破坏性 这就需要准确预报其撞击地点 采取必 要措施将危害降到最低 小行星深空探测可以帮助 我们加深对小行星本体的了解 充分认识小行星的 内部结构和组成成分等特性 3 探索太阳系小行星的成因和演化历史 目 前的理论认为 小行星的形成是与太阳系同步进行 的 在46亿年前的太阳系初期 固体物质不断从原 始太阳星云中凝聚出来 形成行星子 planetesi mals 有些行星子被附近的大行星吸积而捕获 有 些则不断增长而形成小行星 目前已发现的小行星 有20多万颗 绝大多数位于火星和木星轨道之间 距离太阳约3 AU 附近 在众多的小行星中 有些 小行星的轨道特征和光谱类型很接近 它们被划分 为很多族 同一族内的小行星可能由一颗较大的小 行星原星子破裂而成 另外 不同光谱类型的小行 星在空间轨道分布上也有一定的统计规律 原始型 小行星 如C型 一般分布在小行星主带的外侧 而 熔融分异型小行星 如S和M型 分布在靠近太阳 的小行星主带内侧 小行星的成因机制 碰撞历史 及空间轨道的分布规律 是当今行星科学研究的一 个重要课题 小行星深空探测可以为我们提供近距 离全方位的观测数据 使我们更清楚地了解小行星 进而揭开太阳系起源的奥秘 4 研究小行星母体内部的熔融分异机制 陨 石研究结果表明 大多数陨石 约85 自形成以后 没有发生重大变化 较完整地保留了原始太阳星云 凝聚分馏和演化的历史 这些陨石的母体小行星内 部没有发生高温熔融分异过程 代表了太阳系原始 物质组成 而有些陨石 如无球粒石陨石 石铁陨 石和铁陨石 则明显是岩浆熔融分异结晶的产物 表明它们的母体小行星内部发生了大规模的高温熔 融分异过程 和大行星 如地球 火星 一样 形成了 核 幔 壳的结构 为什么有些小行星在太阳系形成初期内部发生 了高温熔融分异 而有些小行星却在形成以后没有 发生重大的地质作用 是什么物理机制使小行星内 部发生了熔融现象 内部发生熔融分异过程的小行 星在太阳系内的空间和时间上的分布规律是什么 这是2006 年计划发射的 曙光 Dawn 号飞船的主 要科学目标 它将探测太阳系内2颗较大的小行星 1号 谷神星 1 Ceres 和4号 灶神星 4 Vesta Ceres 是原始型小行星 而 Vesta 是熔融分异型小行 星 它们在太阳系内轨道位置很接近 离太阳的平均 距离约为2 5 AU 5 建立小行星与陨石之间的直接联系 除了 少数月球和火星陨石 绝大多数陨石都是来自小行 星的碎片 目前全世界已收集到3万多块陨石样 品 其中80 是普通球粒陨石 其余为碳质球粒陨 石 顽火辉石球粒陨石和分异陨石 无球粒石陨石 石铁陨石和铁陨石 原始球粒陨石自形成以来没 有受过重大变质作用 其化学成分与太阳系平均组 成非常相似 它们是原始太阳星云分馏凝聚的产物 代表了太阳系最原始的物质组成 而分异陨石的化 学成分和矿物组合变化很大 从玄武质无球粒石陨 石 到石铁陨石和铁陨石 它们是太阳系早期小行星 内部岩浆熔融分异的产物 要充分认识这些陨石的 6811 地球科学进展 第20卷 特性以及它们在太阳系形成过程中的作用 我们必 须首先了解陨石的来源和陨石母体的特性 长期以 来 人们试图寻找陨石与小行星的关系 如果能确定 某种陨石来自某一特定类型的小行星 那么研究这 些陨石样品就能了解小行星的形成 内部熔融分异 和演化历史 按一般常理 普通球粒陨石的小行星 母体应该普遍存在于小行星带内 因为普通球粒陨 石是最常见的陨石样品 然而 长期以来的天文观 测并没有在小行星带中找到与普通球粒陨石的反射 光谱相同的小行星 这是当今行星科学面临的一大 困惑 因此寻找普通球粒陨石的小行星母体也成为 行星科学的一大科学目标 目前有两种理论来解释普通球粒陨石的小行星 母体的失踪问题 9 一种理论认为 普通球粒陨石 的小行星过去曾经主导于小行星带 后因受热作用 而发生熔融分异 其表面被硅酸盐和金属覆盖 而形 成S型小行星 另一种理论认为 目前所观测到的 所有S型小行星 其中25 50 是由普通球粒陨 石物质组成 但是由于受空间风化作用的影响 其表 面的反射光谱发生了变化 并不像普通球粒陨石的 反射光谱 反而与S型小行星的相似 小行星和陨石之间有很多相关问题目前还没有 解决 如小行星的比重 C型小行星的反射光谱与 碳质球粒陨石相似 但是其比重却只有碳质球粒陨 石的一半 它们可能含有20 的水 然而 S型小行 星的反射光谱并不显示有水的存在 但是其比重也 很低 这是否说明所有小行星都含水 还是小行星 内部具有特殊的结构 它们比地球上最松散的沙岩 还要松散 要解决这些问题 仅仅依靠实验室的陨 石分析和地面望远镜的小行星天文观测是不够的 太空探测器对小行星的近距离和零距离观测有望能 提供新的线索 直接采集小行星样品返回地球 将 极大地丰富我们对陨石实验室分析结果和小行星天 文观测数据的理解 能够帮助我们建立陨石和小行 星之间的直接联系 6 新的太阳系原始物质 目前全世界已收集 到3万多块各种类型的陨石 大多可能来自S型 C 型和M型小行星 但是 还有很多类型的小行星 如T D O Ld型等 与其相对应的物质却不在陨 石之列 这些类型的小行星物质的化学成分和矿物 组成有什么特性 是否代表了太阳系的原始物质 有没有经历了水变质和热变质作用的影响 对这类 小行星的深空探测有望能为我们提供新的线索 7 小行星含有有机成分 对研究地球上的生 命起源提供新的思路 氨基酸 am ino acids 是地球 生物圈的重要组成单元 早在一个多世纪以前 Pasteur 发现地球上的生命大都唯一地选择具有左 旋手性 laevorotatory 的氨基酸 这为探索生命的起 源奠定了重要的基础 有的理论认为 生命起源于 无手性的有机分子 而生物在长期的演化过程中有 选择性地利用了特定手性的有机分子 另一种理论 认为 在生命起源以前 地球上已存在大量左旋手性 的有机分子 生命就是从这些有机物中发展和演化 而成 然而在早期的地球环境下发生的化学反应却 不能产生适量的具有左旋手性的有机分子 于是 有人认为组成生命的左旋手性有机分子 如氨基 酸 是由陨石 彗星和宇宙尘埃带入地球的 这些天 外来客为地球布下了生命的种子 富含挥发性成分的碳质球粒陨石含有多种有机 分子 包括氨基酸 咖啡碱 嘧啶磷等生命起源所需 的重要有机分子 10 C 型小行星的反射光谱与碳 质球粒陨石非常相似 表面物质富含碳和水 有机物 含量也很高 C型小行星是最普遍的小行星 占小 行星总数的75 这类小行星将是深空探测的一 个重要目标 从C型小行星上采集样品返回地球 将对研究生命的起源有极其重大的意义 8 小行星蕴涵恒星物质 为认识恒星演化和 恒星与行星形成的关系提供线索 现代实验室同位 素分析表明 有些陨石含有短寿期放射性同位素 26Al 41Ca 53Mn 60Fe等 11 有些陨石含有前太阳 系恒星尘埃 如金刚石 石墨 Si C Si 3 N 4 刚玉 Al2O3 尖晶石 Mg Al 2O4 黑铝钙矿 Ca Al 12O19 Ti O 2 Mg Cr Al 2O4和硅酸盐 12 这些都是由邻近 的恒星向太阳系原始星云注入的物质 它们或者是 星际介质的分子 或者是恒星大气中的尘埃 含有大 量恒星形成和演化过程的信息 然而 在陨石中寻 找恒星物质非常困难 目前只在少数原始球粒陨石 中找到了恒星物质 但是 具有同样类型和特性的 小行星数量很多 深空探测采集小行星样品返回地 球 可能为我们提供新的恒星物质类型 进一步认识 恒星的形成和演化历史 以及恒星对太阳系形成所 起的作用 9 通过对小行星的探测 为我们以后征服太 空 从太空中汲取自然资源做好准备 小行星的比 重明显偏低 特别是 C 型小行星 它们可能含有 20 的水 水在生命起源和演化过程中起了非常重 要的作用 另一方面 水又是重要的自然资源 可以 作为人类空间探测的能源补给站 从小行星运送水 7811 第11期 徐伟彪等 小行星深空探测的科学意义和展望 资源到空间站要比从地球上运送更容易 可以节省 大量能源 除水以外 小行星还蕴藏其他稀有金属 和矿产资源 可以为人类开发利用 M型小行星是 由金属组成 其中含有大量贵金属 如 Au Ru Rh Pd Os Ir 和Pt 有人估计 1颗1 km 大小的M型 小行星含有40万吨的贵金属 目前的市场价高达 50 000 亿美元 13 10 试验和开发航空航天新技术 促进国民经 济的全面发展 小行星的重力场很弱 深空探测器 的设计要求将与探月器和火星飞船有很多不同之 处 目前 全世界对小行星的探测工作还处于初级 阶段 有很多技术是开创性的 有待于进一步试验和 完善 比如深空探测器的自导航系统 宇宙飞船在 太空飞行时 必须准确地确定其空间位置和轨道飞 行方向 在以往的空间探测过程中 这项工作是由 地面工作人员分析测定 并把结果以无线电信号传 输给飞船 调整其飞行速度和方向 这种方法费时 费力 并占用了大量深空通讯资源 美国宇航局 1998 年发射的深空1号首次采用了自导航系统 成 功地完成了对 Borrelly 彗星的深空探测任务 飞船 在太空旅行中 操作系统每隔一段时间自动启动自 导航系统 对已知方位的小行星和恒星进行摄影照 相 然后计算出飞船的空间位置 如果飞船偏离了 轨道 自导航系统就会向飞船的动力系统发出指令 不断调整飞船的速度和方向 使其沿着预定的轨道 飞行 日本航天局2003 年发射的 Hayabusa 探测器 也将采用自导航系统来完成在小行星表面软着陆的 任务 由于小行星距离地球太远 无线电波也要10 分钟才能到达 地面控制中心不能直接指导飞船的 行动 整个降落过程将由飞船自己控制 这颗小行星 的质量 大小和形状现在都不清楚 MUSES C 将使用 了光学导航照相机和激光测距仪 选择着陆地点 计 算飞船与着陆点的相对距离和方位 自动控制飞船的 动力推进器 以保证飞船在小行星上安全着陆 自阿波罗计划实施以来 深空探测技术的发展 带动了计算机 通信 测控 火箭 激光 材料 医疗等 一系列基础科学和高新技术的全面发展 这些技术 转变为民用后 在许多方面改善了人们日常生活的 方式和品质 促进了国民经济的发展 航天事业还与 国防建设密切相关 现代化战争是海陆空立体战争 要求对目标实施精确打击 这就需要精确的导航系统 和完善的通信系统 可以预料 航空航天事业的发展 将对未来经济发展和国防建设起到主导作用 3 未来的小行星探测计划 近期已立项的小行星探测计划是美国2006 年 将要发射的 曙光 Dawn 号探测器 它将对1号 小行星 谷神星 1 Ceres 和4号小行星 灶神星 4 Vesta 展开全方位 多手段的深空探测活动 14 该项目的主旨是通过比较两个不同光谱类型的小行 星之间的差异来推测太阳系早期行星形成和演化的 条件和机制 Ceres 和 Vesta 经历了不同的演化历 史 Ceres 是原始型小行星 它保持了低温环境 表面 是冰 下面可能有水 而 Vesta 则在太阳系早期经 历了高温熔融过程 内部发生岩浆分异作用而形成 金属核和硅酸盐壳层结构 小行星经常受到其他天体的撞击 部分结构松 散的小行星受到大行星的引力起潮作用而发生破碎 就像 Shoem aker Levy 彗星受木星引力分裂一样 因此只有少数较大的小行星保存了较完整的原始信 息 Ceres 和 Vesta 是主带中2颗较大的小行星 它 们在物理化学性质有很大的差异 互为补充 Ceres 的表面是原始物质成分 含有含水矿物 并可能存在 非常弱的大气和霜冻 Vesta 则是一个干燥的 经历 了熔融分异的天体 表面覆盖着早期岩浆喷发后形 成的玄武质火山岩 与月球类似 为什么 Ceres 和 Vesta 之间在物质成分上存在如此大的反差 尽管它 们在太阳系内的空间位置很接近 这是 曙光 计划 的主要科学目标 由于这两个小行星的轨道都是黄 道平面内的近圆轨道上 可以较方便的仅用一次空间 探测来完成对它们的交会探测 在众多的陨石中 有一组无球粒石陨石 古铜钙 长无球粒陨石 Howardite 钙长辉长无球粒陨石 Eucrite 和奥长古铜无球粒陨石 Diogenite 简称 HED 陨石 这些陨石可能来自 Vesta 因为它们之 间的反射光谱非常相近 截止到目前 还没有找到 来自 Ceres 的陨石样品 可能是 Ceres 没有发生过重 大的碰撞事件而产生足够的碎片陨落到地球 也有 可能是 Ceres 表面的反射光谱没有真正反映其表面 岩石的化学成分 也就是说 我们可能已经拥有了来 自 Ceres 的陨石样品 但由于 Ceres 表面的反射光 谱受空间风化作用的影响而发生了变化 所以不能 确定哪些陨石是来自 Ceres HED 陨石与 Vesta 之 间的地质学联系是什么 能否寻找到 Ceres 在陨石 中的对应体 这将是 曙光 号探测器的任务目标 之一 探测器将对这两个小行星作低轨道的绕飞勘 探 获得高分辨率的化学元素和矿物组成的全球分 8811 地球科学进展 第20卷 布图 通过对新鲜陨击坑的反射光谱测量 研究空 间风化作用的影响 确定 Ceres 陨石的对应体 建立 HED 陨石与 Vesta 之间的地质关系 曙光 号探测器携带了多波段照相机 可见光 和红外光谱仪 射线和中子探测器 它将拍摄 Vesta 和 Ceres 的表面的全图 在0 35 0 9 m 0 8 2 5 m 2 4 5 0 m 之间的3个波段里测量表面 的反射光谱 探测Fe Ti O Si Ca U Th K H Al 和 Mg的全球丰度分布图 测量 Vesta 的第9度重力场和 Ceres 的第5度重力场 确定其内部核心的大小 4 结 语 21世纪将是科学技术突飞猛进的新时代 人类 认识和征服宇宙的能力将有新的飞跃 空间探测及 对空间的开发和利用 是反映一个国家高新科技水 平和经济实力的重要标志 2000 年11月22日 我 国政府发表的 中国的航天 白皮书 正式提出 发 展空间环境 开展深空探测 是我国近期的航天技 术的发展目标之一 2003 年 我国实施启动了 嫦 娥工程 开展以月球探测为主的深空探测研究 将 利用先进仪器对月球的资源和能源分布以及特殊环 境进行全面的探测 这对于我国的科学 社会 经济 的发展和提高我国的国际地位具有重大的意义 目 前 世界各国的小行星探测活动正处于起步阶段 及 时介入小行星深空探测领域将使我国在国际空间探 测活动中占有有利地位 抓住航天机遇 开拓外太空 新领域 参考文献 References 1 Zellner B Polarim etric albedos ofasteroid s J Bulletin ofthe A merican Astronomical Society 1973 5 388 2 Tholen D J Asteroid Taxonom yfrom Cluster An alysis of Photom e try D University of Arizona 1984 3 Bus SJ Binzel R P Phase IIofthesm allm ain beltaste roidspec troscopicsurvey Afeature basedtaxonom y J Icarus 2002 158 146 177 4 Zuber M T David E S Andrew FC etal Theshape of 433 Eros fromthe NEAR Shoem akerlaserrangefinder J Science 2000 289 2 097 2 101 5 Trom bka J I Squyres SW Br cknerJ etal The elem entalcom position of asteroid 433 Eros Results ofthe NEAR Shoem aker X rayspectrom eter J Science 2000 289 2 101 2 105 6 Veverka J Robinson M Thom as P etal NEAR at Eros Im aging and spectralresults J Science 2000 289 2 088 2 097 7 Veverka J Tom as P Harch A et al NEAR sflyby of 253 Mathilde Im ages ofa C asteroid J Science 1997 278 2 109 2 114 8 Zhao Haibin Xu W eibiao Scientific Ob jectives ofdeepspa ce ex ploration of asteroid Z Harbin 1 st Conference of Deep Space Exploration 2005 赵海斌 徐伟彪 小行星深空探测的科学 目标与探测计划 Z 哈尔滨 中国宇航学会深空探测技术专 业委员会第一届学术大会 2005 9 Meibom A Clark B E Evidenceforthe insignificance ofo rdinary chondritic m aterialinthe asteroid belt J Meteoritics Planeta ry Science 1999 34 7 24 10 Cronin J R Pizzarello S Cruikshank D P Organic m atterin carbonaceous chondrites planetarysatellites asteroids and com ets A In Kerridge J F Matthews MS eds Meteorites and the Early Solar System C Tucson University of Arizona Press 1988 819 857 11 Hsu W Short livedradionuclidesinthe earl ysolarsystem A m e teoritic perspective ofthesolarsystemform ation J Chinese As tronom y and Astrophysics 2003 27 365 373 12 Clayton D D Nittler L R Astrophysicswith presolarstard ust J Annual Reviewof Astronom y and Astrophysics 2004 42 39 78 13 Kargel J S Metalliferous asteroids as poten tialsourcesof precious metals J J ournalof Geophysical Research 1994 99 21 129 21 141 14 Russell C T Coradini A De Sanctis M C etal Dawn mission A J ourneyin Space and Tim e Z Lunar and Planetary Science Conference 2003 XXXIV 1 473 DEEPSPACEEXPLORATIO NOFASTEROID S THESCIE NCEPERSPECTIV ES XU W ei bia o ZHAO Hai bin Laboratoryfor Astrochem istry and Planetary Sciences Purple Mountain Observatory CAS Nan jing 210008 China Abstract This paper reviewsthe historyofdeep space ex ploration ofasteroidsand sum marizes the im p ortant achievem entsfrom these missions The missio nstoasteroids have gone through three phases flyby orbiting and sam ple collection These activities have gre atly enhanced our understanding of the solar s ystem formation and evolution history Here weillustratethe science perspectives for the deep space explo ration ofasteroids 1 The m a jor fraction ofasteroidsorbitsthe sun between Marsand J upiter Butasm allnum ber of asteroids has orbitalradiusveryclose tothatofthe Ear th Som eofthem collided withthe Earthinthe p ast and som e willhit 9811 第11期 徐伟彪等 小行星深空探测的科学意义和展望 the Earth in the near future These ob jects pos sess greatthreaten tothe Earth and our human b eing How did the asteroids change theirorbitsoverthe tim ean d whataffected theirorbitevolution These questions becom etop prior ities in planetaryresearch areas To better u nder stand the orbital evolution of asteroids and evaluate theirim pact probabilitytothe Earth itis necessarytocarryoutdeep space explora tion ofasteroids 2 How do asteroidscollide with the Earth Inwhat way can wechange theirtra jectories be forethey hitthe Earth Thisisan importantpractice toavoidimpacto r minimize impactdam age Todo this weneed toknow the in ternal structures ofasteroids Wecan make pl an todeflectpotentiallyhazardousob jects b eforethey im pactthe Earth 3 Due totheirsm allbodies asteroids did notexperience large degree ofg eologicalprocesses since theirfor mation They recorded abundantinformation a boutthe conditionsand processes during the e arliest stages ofourso lar system Exploration ofasteroidsthus pro vides a new way tostudy the formation ofthe sol arsystem and the plan etaryevolution 4 Exploration ofasteroidscan provide us a deep erunderstanding ofthe originand evolution o fthe solarsys tem Itis notclear why som easteroids preserv ed their primitive natureand others wentthro ugh large degree ofdif ferentiation during the earliest stage of the solar system Thisisthe main goal of the Dawn m ission scheduled to launch nextyear by NASA This mission willexp loretwolarge asteroids 1 Ceres and 4 Vesta The former has a very primitive surface water bearing minerals and possibly avery weak atmosphereand frost The latter is a dry differentiated body whose surface has been re surfaced by basaltic lava flows Dawn willinv estigate the internal structure densityand hom ogeneityofthese twocom plem e ntaryasteroids 5 Most meteorites were derived from asteroids Butwe do notknow wherethey com efrom and whatt he ge neticrelationships between meteorites and t heir parentbodies are Among allthe meteorit es found so far about 80 areordinarychondrites These meteorites h ave reflected spectrum similartothose of Sty pe asteroids But Stype asteroidsonlyaccountfor about 20 ofastero id population Exploration ofasteroidscan h elp ustoestablish age neticrelationship between asteroidsa