美国宇航局如何从一颗古老的小行星上捕捉到太阳系过去的一部分

   日期:2024-10-31     来源:本站    作者:admin    浏览:95    
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  今天上午8点42分,地面上的红外传感器探测到OSIRIS-REx航天器的样本回收舱的热量特征,当时它以超过45000公里/小时(27650英里/小时)的速度撞向大气层。这个重达46公斤(101磅)的太空舱是由更大的OSIRIS-REx母船在短暂掠过地球时扔下的。太空舱在加利福尼亚海岸外的空中撞击,目标是降落伞降落在盐湖城西南的国防部犹他测试和训练靶场。甚至在太空舱着陆之前,四架搜索直升机就争先恐后地去接它,美国宇航局的人焦急地等待着它安全返回的消息。

  它有。太空舱在美东时间上午8点55分轰隆隆地降落,直升机机组人员把它捡起来,迅速送到军事基地的一间洁净室,准备把它送到休斯顿的约翰逊航天中心。

  那里的科学家将有很多东西要看。密封在太空舱内的是250克(8.8盎司)来自本努小行星的岩石和尘埃,这是一个45亿年前的古老太阳系化石,美国宇航局已经花费了8亿多美元和7年的时间来探索它。样本的返回使OSIRIS-REx成为继日本的隼鸟号和隼鸟2号分别在2010年和2020年成功后,第三个完成小行星洞穴探险任务的航天器——也是第一个美国航天器。了解了本努尘埃的化学成分和历史,你就能了解太阳系和地球的化学成分、历史,甚至是地球的起源——以及以我们的星球为家的生命。

  “这在某种程度上说明了人们探索的原因,”OSIRIS-REx项目经理里奇·伯恩斯(Rich Burns)说。“我们可以了解太阳系的演变,为什么地球以现在的状态存在,为什么它很特别。我们可以回答我们从哪里来的问题。”

  收集Bennu的样本并不容易。2016年9月8日,OSIRIS-REx(起源,光谱解释,资源识别,安全-风化层探测器的缩写)从卡纳维拉尔角发射升空,开始对本努进行环绕探测。这颗小行星是一个很小的目标,直径只有492米(1614英尺),围绕太阳运行的轨道与地球大致相同。在最遥远的地方,它离我们大约3亿公里(1.86亿英里)。到达它的最直接的方法是像乌鸦飞一样穿过太阳系,在太阳的另一边拦截本努。但这样一来,探测器就会以90度角接近火星,以19300公里/小时(12000英里/小时)的速度飞驰而过。对于旅行者号宇宙飞船在20世纪70年代和80年代对外行星进行的短暂的摄影飞行来说,这是可以接受的;然而,OSIRIS-REx任务要求航天器不仅要飞越本努,而且要进入它周围的惰性轨道。要做到这一点,飞船必须绕太阳绕两圈,慢慢赶上小行星,并匹配它的速度和轨道。在此期间,OSIRIS-REx在里程表上记录了超过20亿公里(12.4亿英里)的距离。

  2018年12月3日,飞船终于赶上了“贝努”,并启动了推进器,进入了绕“贝努”运行的轨道。它只需要一点点推进剂就能做到这一点,而要把它抽走也只需要一点点:本奴的引力——如果它有引力的话——比地球的引力小10万倍。在小行星微弱的引力控制下,宇宙飞船开始了远程测量活动,使用其机载的多种仪器——包括三台摄像机、一台红外光谱仪、一台x射线成像光谱仪和一台激光高度计——来研究本努的矿物和元素组成。它还详尽地绘制了小行星表面的地图,寻找一个收集样本的地方。在某些时候,OSIRIS-REx的飞行高度低至本努上空1.6公里(0.99英里),这是迄今为止任何航天器最接近其轨道上的任何物体的高度。

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  如此接近是有危险的。本奴每4.3小时绕其轴旋转一次,因此它面向太阳的白天为2.15小时,面向太空的夜晚为2.15小时。在这些转变过程中,岩石上任何给定位置的温度从116°C(240°F)波动到-73°C(-100°F),然后再回来。所有这些热压力的变化导致了表面岩石和其他碎石的大量膨胀和收缩,足以使它们有效地从本努表面跳下来。

  “它最终看起来像爆米花,”亚利桑那大学行星科学教授、OSIRIS-REx任务的首席研究员但丁·劳雷塔(Dante Lauretta)说。“每次我们看,我们都看到有东西从表面爆炸。我们说,‘天哪,这对航天器来说可能是一个危险的环境。我们可能不得不后退,重新设计整个相遇。’”最终,团队得出结论,没有必要这么做。小岩石从“本努”的微重力抓地力中挣脱出来并不需要太多能量,所以即使碎石击中了航天器,也不会产生任何有意义的冲击力。

  所有的近距离轨道观察都得到了回报:就在宇宙飞船到达本努一周后,美国宇航局宣布,它已经发现了混合在土壤中的水合或化学含水矿物的存在。由于没有大气层,只有微弱的重力作用,本努不可能有任何聚集液体的沉积物,但即使是水的痕迹的发现也表明,这块岩石曾经是一个更大质量的一部分——甚至可能是一个卫星或行星——它确实有肌肉来留住水。

  伯恩斯说:“我们的想法是,本努是一个更大的母体的一部分,它发生了一次碰撞事件。”

  直到2020年10月20日,也就是奥西里斯-雷克斯抵达本努将近两年之后,该航天器才开始了其任务的顶点机动——下降最后一英里以收集样本。美国宇航局已经将潜在的收集地点缩小到四个候选地点,并将其命名为矶鹞、鱼鹰、翠鸟和夜莺——选择这些地点是因为它们的岩石障碍最少,不利于航天器下降,而且有丰富的松散土壤可供收集。最终,美国国家航空航天局确定,位于本努北部高火山口的南丁格尔是这群人中最好的。

  为了采集样本,飞船需要在“本努”上短暂着陆,这是一种美国宇航局命名为TAG的机动,即“触碰即走”。在OSIRIS-REx到达火星表面的16秒内,它伸出了3.3米(10.8英尺)长的机械臂,机械臂的末端配备了一个收集室。这时,手臂上的氮气瓶起火,将泥土和松散的鹅卵石吹进一个房间。然后密封室的盖子,将珍贵的样品转移到回收舱。2021年5月10日,在完成了近7个多月的轨道测量后,OSIRIS-REx终于脱离轨道,返回地球。

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  现在,Bennu样本已经在地面上,来自世界各地的200多名科学家将开始研究它。他们试图回答的最有趣的问题是,即将到来的小行星可能在向地球播撒水、氮、碳和其他生命形成所必需的成分方面发挥了什么作用。

  月球被认为是在近45亿年前形成的,当时一颗火星大小的小行星与地球相撞,抛出了一团碎片,合并成一个全新的天体。任何海洋、大部分大气——以及任何可能存在于我们星球上的地球生物——都将在暴力中被消灭。“我们认为火星表面已经完全消毒了,”Lauretta说。要让生命重新出现,就需要小行星撞击地球,为地球提供必要的化学物质。对本努的土壤和岩石的研究将有助于证明小行星是否确实从一开始就携带了足够数量的这些原材料。

  至于OSIRIS-REx本身,它在今天早上飞越地球时甚至没有暂停?最初,飞船的任务应该在样本返回舱被释放后结束。然而,在2022年4月,美国宇航局宣布它对这艘船有其他计划,并将在2029年这颗340米(1100英尺)高的岩石与地球近距离接触后,将其送入第二次轨道交会,这次是与小行星阿波菲斯(Apophis)。OSIRIS-Rex将在阿波菲斯停留大约18个月,团队的一些成员甚至在梦想它可能不会完成。

  “永远不要说不可能,”劳雷塔说。“我要辞去首席研究员的职务,由我的一个徒弟接替。我告诉她,‘别弄坏飞船。它可能还有第三颗小行星。’”

 
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