盤點那些年人類從太空帶回的“土特產”_風聞

北京時間2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五號歷時23天，順利從月球挖土而歸。

2020年12月17日，在內蒙古四子王旗成功回收嫦娥五號樣品艙 | CSNA

而就在11天前的12月6日清晨，日本JAXA的隼鳥2號探測器歷經6年的跋涉，將來自小行星“龍宮”的樣品送回了地球。

隼鳥2號返回艙再入地球大氣層形成的“火流星” | JAXA [1]

主動前往太空採回樣品，在人類歷史上還不多見。短短半個月裏兩份來自太空的“土特產”，這無疑是2020這個坎坷之年回饋人類智慧和堅韌的一份大禮。

除了帶回星際塵埃和太陽風粒子，在人類短短六十多年的深空探測史上，**迄今為止只完成過10次月球採樣返回，1次彗星採樣返回和2次小行星採樣返回。**每一次，都伴隨着未知、艱險和挑戰，每一次，都是載入史冊的壯舉。

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先驅者阿波羅和月球號

1969年7月20日，NASA阿波羅11號登月艙帶着兩名宇航員——尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林——成功踏上月球正面的靜海基地。（詳情：50年前的今天，月球上的24個小時）

底圖：LROC，製圖：haibaraemily

這不僅是人類首次載人登陸月球，也讓月球成為了人類目前為止唯一親身探測過的地外天體。

奧爾德林走下梯子，阿姆斯特朗拍攝 | AS11-40-5866

在總計2.5個小時的月面出艙活動時間裏，兩位宇航員完成了三次月面採樣，共採集了21.6公斤月球岩石和土壤樣本並帶回地球。

如今的我們依然會驚歎，人類的第一次太空採樣居然就有如此“高規格”，不僅真人出馬，而且幾十公斤地往回帶貨——直叫後來只採了幾十克甚至幾毫克的無人採樣任務哭暈在廁所。

阿波羅11號第一次月球樣本採集（Contingency Sample）▼

阿姆斯特朗完成第一次月面採樣 | 阿波羅着陸腿上的相機拍攝

阿波羅11號第二次樣本採集（Bulk sample）▼

阿姆斯特朗完成第二次採樣所用的鏟子和採回的樣品示例 | 美國國家航空航天博物館&NASA

阿波羅11號第三次樣本採集（Documented Sample）▼

（左）奧爾德林用直徑2釐米的巖管採集了2管深達月表以下13釐米的巖芯樣本；（右）阿波羅11號使用的採樣管長這樣（紅色箭頭） | NASA

阿姆斯特朗第三次採集的月面樣本示例 | NASA

此後的阿波羅12、14、15、16、17號均成功實現了載人登月、月球岩石和土壤採樣和返回，而且一次比一次採得多。

風格逐漸大膽.jpg

到了1972年的阿波羅17號就更加彪悍了，這次任務的宇航員們不僅在月面艙外活動了22個小時，採回了110.5公斤月球樣品（均為史上之最），更誇張的是，這次任務是直接把活的地質學家送上了月球。

阿波羅17號的登月宇航員之一，哈里森·施密特，在成為NASA宇航員之前是根正苗紅的地質學家，有地質學本碩博學位。地質學家的實地考察和採樣，讓阿波羅任務真正實現了哪裏有科學價值挖哪裏，把專業挖土做到了極致。事實上，哈里森·施密特也是登上月球的12名宇航員中唯一一名科學家。

正在採集月球岩石樣本的哈里森·施密特 | NASA

除了採集樣品，阿波羅載人任務還充分利用真人優勢，在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、重力儀和激光反射陣列安裝等一系列直到今天都無法超越的月球實地探測。這個和本篇關係不大，就不多説了。

六次阿波羅載人登月着陸點和當時着陸留下的各種設備（地震實驗裝置、上升級等）在目前最高分辨率的月球影像中的樣子 | NASA / LRO

阿波羅11號登月一年後，姍姍來遲的蘇聯月球16號才於1970年9月20日着陸在月球正面的豐富海，並採集了101克月球樣品帶回。蘇聯的三次月球採樣任務：月球16號、月球20號、月球24號均為無人採樣返回，這也是嫦娥五號之前人類唯三的無人月球採樣任務。

（左）月球16號探測器模型和前端的採樣裝置 | 維基；（右）月球16號採回的一管鑽取樣品，編號21000 | NASA/Meyer [2]

受限於火箭運力和返回方式（阿波羅返回時採用交會對接，而月球號則是上升器從月面起飛後直接返回），三次月球號任務採回的樣品都只有幾十到一百多克，相比於阿波羅任務實在不算多。

月球20號和24號鑽取採集的樣品示例。三次採樣分別帶回了101克、55克和170克月球樣品 | NASA/Meyer [3]

阿波羅和月球任務採回的樣品被接下來四十多年裏的行星科學家們孜孜不倦地鑽研至今，幫助人們揭開了諸多月球謎題。但遺憾的是，隨着阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競賽迅速進入了尾聲，月球採樣熱潮在鼎盛時期戛然而止——1976年蘇聯的月球24號任務之後，月球採樣沉寂了整整44年。

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重啓月球採樣的嫦娥五號

四十年後，讓人類探測器重返月球的，是不斷崛起的中國力量。

2013年，嫦娥三號成功着陸月球正面的雨海西北部，並釋放月球車玉兔號。這是繼美國的阿波羅號和蘇聯的月球號任務的37年之後，人類探測器再一次成功踏上月球表面。之後的2019年，嫦娥四號更是實現了人類探測器首次踏上月球背面的壯舉。

2013年12月15日，嫦娥三號着陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機完成兩器互拍 | 中國探月工程

僅僅一年之後，破繭重生的長征五號火箭帶着嫦娥五號挑戰了更高難度——月球採樣返回。

2020年11月24日凌晨出發，2020年12月17日凌晨返回，中國迄今為止最複雜的探月任務嫦娥五號，滿分完成了前往月球-月面採樣-月面起飛-月軌對接-返回地球等一系列複雜操作，實現了諸多中國深空探測史上的“第一次”。（詳見：發射成功！時隔44年，嫦娥五號將為人類再次帶回月球樣品！和 嫦娥五號採回的“土特產”，可以用來研究些什麼？）

嫦娥五號順利着陸在月球正面風暴洋北部的呂姆克山（Mons Rümker）一帶，採用鑽取和表取兩種方式，分別採集了着陸區地下和地表的多份樣品。

鑽取示意 | New China TV

表取示意 | New China TV

2020年12月19日，嫦娥五號樣品完成交接，初步稱重1731克，圓滿完成約2公斤的計劃採樣量。（詳見： 嫦娥五號採回的“土特產”，可以用來研究些什麼？）

嫦娥五號樣品稱重 | CNSA

這是迄今為止的月球無人採樣返回任務裏採回的最多樣品量，把第二名遠遠甩在了身後。

而在嫦娥五號之後，中國的嫦娥六號還會前往月球南極採樣，抵達更多前輩探測器未曾到達過的月面，完成更多前輩探測器不曾完成過的壯舉。

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“捕捉”彗星的星塵號

相比於“近在咫尺”的月球，前往彗星和小行星的採樣之路註定更加充滿意外和艱險。但人類不曾停下探索未知的腳步。

1999年2月7日，NASA的星塵號探測器發射升空，它的目標之一，是採集彗星維爾德2號（81P/Wild）彗發中的塵埃以及星際塵埃樣品並帶回地球。

星塵號。最頂端的盾狀容器就是樣品返回艙 | NASA

這是一顆公里級大小的彗星，每6.4年環繞太陽一週。相比於之後人類試圖採樣的幾顆小天體，彗星維爾德2號算得上是龐然大物了。

彗核大小約5.5 km × 4.0 km × 3.3 km，圖為星塵號拍攝的彗星維爾德2號彗核 | NASA

塵埃那麼小的東西要如何採集，更何況還是彗星的塵埃？尚無任何前輩經驗可以照搬的星塵號只能極盡巧思，自力更生。

星塵號使用二氧化硅****氣凝膠（aerogel）材質製作了一個網球拍大小的收集裝置，這種材質質地像海綿那樣疏鬆多孔，99.8%的空間都被空氣填充，因此密度極低，雖然是固體，卻極其輕盈。當探測器從彗星彗發飛過時，星塵號就迎面展開這個收集裝置，温柔無損地把被氣凝膠攔住的塵埃收集起來。這種用氣凝膠收集粒子的方式曾於1996-1997年間在和平號空間站上試驗過，後來NASA的起源號探測器也用類似的方式（但不是用的氣凝膠這種材質）收集過太陽風粒子。

星塵號捕獲塵埃的氣凝膠收集裝置 | NASA

2003年12月31日，星塵號進入彗星維爾德2號的彗發，成功“截胡”下了一點塵埃。

星塵號：只要我夠温柔，塵埃就壓根意識不到被我截胡了！| NASA

2006年1月15日，星塵號的返回艙回到地球。

（左）星塵號返回艙着陸在美國空軍猶他測試訓練場；（右）星塵號返回艙在猶他州邁克爾陸軍機場的臨時潔淨室中被打開，樣品收集裝置隨後被重新封裝運往休斯頓的約翰遜航天中心 | NASA

星塵號共帶回了約100萬顆塵埃顆粒，總計質量約1毫克[4]。

星塵號採集到的彗星塵埃顆粒示例 | NASA [4]

儘管帶回的“土特產”不多，但星塵號為人類首次帶回了彗星塵埃的樣品，直到今天依然是獨一份。

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歷經坎坷的隼鳥號

2003年，JAXA的隼鳥號探測器發射升空，目標是前往近地小行星絲川（Itokawa）展開探測並帶回樣品。

隼鳥號 | JAXA

小行星絲川是一顆阿波羅型近地小行星，光譜成分分類屬於S型（巖質），大小約535 米 × 294米 × 209米，每1.5年環繞太陽一週。

隼鳥號拍攝的小行星絲川 | JAXA

隼鳥號的旅程並不順利，還沒飛到目標就已經故障不斷，抵達小行星絲川后釋放着陸器和着陸採樣也沒能按預期進行，燃料泄露、發動機故障、滿身傷病，甚至長期陷入失聯和瀕死狀態…但它還是頑強克服了種種艱難和困境，在2010年6月奇蹟般地將來自絲川的樣品送回了地球。（詳見：不死鳥傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅（上））

工作人員在澳大利亞伍默拉試驗場回收隼鳥號返回艙 | JAXA

**對於這類直徑不足1公里的小型小行星，採集樣品又有新的難題。**絕大多數小行星自己不會噴發“土特產”，不允許探測器像星塵號那樣不接觸表面就能完成採樣；小天體自身的引力也太小，探測器很難穩穩當當地安全着陸而不反覆彈跳；另一方面，前往小行星的探測器相比於月球和火星探測器也通常輕小得多，不具備在小行星上着陸再起飛的條件。

隼鳥號首次嘗試了**“接觸即離開”（Touch and Go）的方式：探測器受控降落直到採樣杆觸碰到小天體表面，在接觸的幾秒鐘裏完成採樣，然後蜻蜓點水一般點火起飛離開。但這麼短的接觸時間帶來的結果**是：接觸即離開式採樣難以像月球火星採樣那樣長時間停留在天體表面大把大把地鑽孔或者剷土，直到填滿樣品容器；相反，每次採樣都成為了“一錘子買賣”，是否成功採到，採到了多少，很大程度上要“望天收”；如果沒采到，就只能重新降落採樣或者放棄採樣，沒有補救辦法；而到底採集了多少，實際回到地球之前也難以準確估算。

在短短幾秒鐘的接觸採樣階段，隼鳥號採用了彈射****子彈法採集樣品：一旦探測器檢測到底部長長的採樣杆接觸到了小行星表面，就即刻從採樣杆中以300米/秒的速度發射出一枚**鉭質子彈，**子彈撞出的碎屑被彈射入採樣杆中，經過多次反射被探測器所收集。

隼鳥號的採樣杆接觸小行星表面示意和隼鳥號設計的小行星採樣方式 | JAXA [5]

儘管隼鳥號的採樣工作沒能順利開展，但這種“接觸即離開”的採樣方式本身還是得到了認可，被後來的JAXA隼鳥2號和NASA的冥王號探測器所沿用。而且幸運的是，隼鳥號返回艙裏還是帶回了一些採樣過程中飛入的小行星塵埃顆粒。

隼鳥號近乎空空如也的樣品收集裝置內部，只能看到零星小顆粒 | JAXA

隼鳥號共採回約1500顆塵埃樣品，總質量**不到1毫克。**雖然重量不多，部分樣品也存在被污染的可能性[5]，但依然為行星科學家們提供了許多來自小行星絲川的“一手”信息。（量多量少，都有科學價值！）

隼鳥號帶回的一顆絲川顆粒上，科學家們用掃描電鏡和透射電鏡發現了多達15個亞微米級直徑的撞擊坑 | JAXA

更重要的是，作為人類首次小行星採樣的嘗試，隼鳥號的“不死鳥”精神，至今仍在鼓舞着後人繼續探索宇宙。

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隼鳥2號和冥王號

而在星塵號和隼鳥號這兩次小天體採樣的經驗之下，JAXA和NASA在十多年後相繼再次開始了前往小天體採樣的嘗試，隼鳥2號和冥王號（奧斯里斯號，OSIRIS-REx）橫空出世。

隼鳥2號（左）和冥王號（右）藝術想象 | JAXA、NASA

這一次，它們都瞄準了近地小行星——同為C類（碳質）小行星的“龍宮”和“貝努”。

更令人欣慰的是，這一次，兩個探測器都非常順利，也都採回了遠多於上一次的樣品。

沿用了隼鳥號的鉭質子彈採樣法，隼鳥2號在2019年裏完成了兩次採樣，分別採集了來自小行星龍宮表面和地下兩種樣品。（詳見：隼鳥2號的2019年：大展身手，滿載而歸）

第一次着陸採樣點TD1和第二次着陸採樣點TD2的位置。來源：JAXA、東大等

隼鳥2號沿用了隼鳥號的鉭質子彈彈射採樣法。

採樣杆結構和鉭質子彈實物（質量5克，直徑8毫米）照片。來源：JAXA

但也在隼鳥號的基礎上做了一些改進，例如隼鳥2號的採樣杆底部被設計成回褶狀，方便在採樣過程中“兜住”更多樣品。

採樣杆底部設計。漢化自：JAXA

當年隼鳥號遭遇的困境，採過的坑，隼鳥2號全部安全越過，順風順水地完成了幾乎所有計劃探測任務，偶遇困境，也及時改變策略，順勢玩出了新花樣（祥見：隼鳥2號：標記球和巡視器的奇幻環球旅程）。2020年12月6日，隼鳥2號的返回艙順利降落在澳大利亞伍默拉試驗場——那是十年前隼鳥號歸來的地方。

工作人員在澳大利亞伍默拉試驗場回收隼鳥2號樣品返回艙 | JAXA

一樣的返回艙，一樣的着陸區，相似的回收場景，只是這一次，打開的樣品艙裏不再“空空如也”。

隼鳥2號計劃採回100毫克小行星龍宮樣品，但實際“開箱”稱重結果顯示共採回了5.4克，是計劃採樣量的50多倍，而且可能採集到了小行星龍宮的氣體物質。

隼鳥2號的兩次採樣樣品被分裝在了兩個艙室中，僅打開的A艙室中就已經採到了這麼多龍宮顆粒物 | JAXA

隼鳥2號是人類探測器第一次從小天體上採回克級重量的樣品，而另一邊，已在2020年10月順利完成樣品採集和封裝的NASA冥王號探測器，則有望把這個記錄再提升一到兩個量級。

在接觸採樣階段，冥王號選擇發射壓縮氮氣來激起小行星表面物質，相比於“彈射子彈式”，這種“塵吸式”採樣或可採集到更多樣品。（詳見：冥王大戰不死鳥：NASA OSIRIS-REx完成首次小行星貝努採樣！）

冥王號採樣時採樣臂頭部工作示意圖 | NASA

在這種設計下，冥王號的計劃採樣量也更多——它計劃採集60克-2公斤小行星貝努的樣品。如果一切順利的話，冥王號將於2021年3月啓程，2023年9月24日將樣品送回地球。（詳見：樣品泄漏？稱重取消？冥王號還真是，計劃趕不上變化呢…）

冥王號和隼鳥2號的探測日程 | University of Arizona

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更多太空採樣，未來可期

我國的首個小行星採樣和彗星探測任務也在緊密籌劃之中。它計劃2024年發射，環繞探測近地小行星2016HO3並採集樣品，然後送回地球。這顆小行星據估計直徑只有40-100米，這將是人類探測的個頭最小的小行星。（詳見：我國的第一個小行星/彗星任務，已經給安排上了！）

2016 HO3是一顆地球的準衞星，不過它距離地球的平均距離比地月距離遠得多（始終距地球在地月距離的38-100倍之間），並沒有真的被地球的引力所俘獲成為真正的衞星 | DSI

作為我國首個小天體探測任務，這次任務絕對可以算得上是目標遠大。在完成對小行星2016HO3的近距離探測和採樣，把“土特產”快遞送回地球之後，它還會繼續前行，前往主帶彗星133P/Elst-Pizarro進行近距離探測。

2002年9月7日，位於Mauna Kea的夏威夷大學2.2米口徑望遠鏡拍攝的R波段（波長0.65微米）影像中觀測到的主帶彗星133P/Elst-Pizarro。圖幅0.5′×1.5′，總有效曝光時間1.1小時 | 參考文獻 [6]

除了小行星採樣，火星採樣返回也在我國的深空探測規劃之中。另一邊，即將抵達火星的NASA的毅力號火星車，將在接下來的幾年裏開始火星採樣和封裝工作。只不過，這些樣品在短期內還無法回到地球——要等到將來的火星返回任務來回收和帶回。（詳見：NASA毅力號啓程奔赴火星，本屆火星季圓滿落幕）

Mars2020（毅力號）採樣返回的超時空接力，(2)(3)(4)任務可以一次完成，也可以分期完成 | 漢化自：Nature News

在隼鳥2號的巨大成功之後，JAXA則打算繼續發揮小天體探測的經驗和優勢，正在規劃中的火衞一採樣返回任務MMX（火星衞星探測任務），有望在2025年左右發射。

JAXA接下來的火衞一採樣返回任務MMX | JAXA

隨着科技的發展，或許我們有生之年還能看到人類的探測器前往更遙遠的地方，帶回更遠星球的樣品也説不定呢。讓我們拭目以待吧~

參考資料

[1] Image of the re-entry capsule fireball | 

http://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20201206_fireball/

[2] https://curator.jsc.nasa.gov/lunar/lsc/luna16core.pdf

[3] http://www.iap.fr/vie_scientifique/ateliers/IAU_Centenary_2019/IAU100-Marov.pdf

[4] 星塵號 https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/stardust-return.pdf

https://curator.jsc.nasa.gov/stardust/samplecollection.cfm

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/stardust-mission

https://stardust.jpl.nasa.gov/photo/landing.html

[5] 隼鳥號 https://curator.jsc.nasa.gov/hayabusa/collection.cfm

https://curator.jsc.nasa.gov/hayabusa/forms/hayabusasamplepolicy.pdf

[6] Hsieh, H. H., Jewitt, D. C., & Fernández, Y. R. (2004). The strange case of 133P/Elst-Pizarro: A comet among the asteroids. The Astronomical Journal, 127(5), 2997.

出品：科普中國

製作：haibaraemily（https://www.bilibili.com/read/cv9016901）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心