振盪天星與神秘彗星:天問二號的問天之旅 | 太空精釀_風聞
风云之声-风云之声官方账号-42分钟前
2025年5月29日1時31分,天問二號從西昌衞星發射中心搭乘長征三號乙火箭成功起飛,開啓了長達10年的太陽系探索之旅。按照計劃,它將在前兩年半時間內先後飛抵、探測、採樣小行星2016HO3。將採樣的樣品送回地球后,天問二號還將繼續花費7年時間去探測彗星311P。整個任務長達10年,最遠距離地球5億千米,預計將創造中國與世界航天的多個新紀錄。

天問二號在西昌發射的現場(圖源:新華社才揚)
為什麼選擇這兩個小天體探測?
《天問》是我國偉大詩人屈原著作的長詩,他在詩裏以浪漫主義情懷探討天地陰陽與日月星辰,發出了“日月安屬?列星安陳?”的千年感嘆。為此,中國航天在跨越千年時空後,提出了“天問”系列行星際探測任務,嘗試回答屈原留給後人的疑問。而就在他含恨投江(公元前278年)的2303年後,天問二號在端午節前出發,瞄準太陽系裏兩類頗為神秘的小天體,嘗試揭開科學界的幾個重要謎題。
第一個探測目標是小行星2016HO3,從這個命名就能簡單看出它的“出生日期”(發現日期):2016年4月下半月(27日)發現的第89個小天體。這個編號的意思是2016年,第H時段(每個時段代表半個月,H = 8,4月下半月),在這個時段內從字母表循環3遍後又到了字母O,但這個字母表中不包括字母I,即只有25個字母,所以實際發現次序是3 × 25 + 14(剔除I後字母O編號14)= 89。它還有一個小天體的標準數字編號469219,以及發現它的夏威夷大學在2019年以夏威夷語起的名字“Kamo`oalewa”,這個名字有一個酷炫的涵義“振盪天星”。

2016HO3一直在地球附近“振盪”(圖源:NASA)
從名字就能看出,這個小行星實在太特殊了,“振盪”體現在它一直在地球附近但並不像月球一樣穩定地環繞,“天星”體現在它圍繞太陽穩定公轉、並不被地球引力束縛成為地球的衞星,從下圖可以明顯看出它的軌道特點。它繞太陽公轉的軌道週期與地球幾乎一致(每年會有略微變化),但一直是個地球附近“上躥下跳”的小跟班,是一個“準衞星”,二者在太空中齊步共舞。

從太陽視角看地球和“振盪天星”2016HO3(圖源:Phoenix7777,NASA/JPL)

從地球視角看“振盪天星”2016HO3(圖源:Phoenix7777,NASA/JPL)
實際上,像它這樣的地球“準衞星”並不唯一,地球附近至少還有6顆。但關鍵在於它們距離地球很遠,並不被地球引力牢牢束縛,而是受到太陽、地球和其他天體的“多體攝動“影響,長期來看軌道並不穩定,理論上遲早會被彈走。但2016HO3的軌道目前來看還比較穩定,近幾百年內還將是地球的穩定小跟班。所以它一經發現立即成為了整個天文界、航天界的“超級網紅”,美國宇航局的太陽帆任務、科羅拉多大學的抵近探測任務都瞄準了它,不過時間已經證明中國的天問二號將是它的首個訪客。
2016HO3的尺寸非常小,或許只有40-100米的尺寸,大概28分鐘就能迅速轉一週,它極其微弱的引力甚至不足以讓它成為圓形。利用地球觀測的光譜特徵分析表明,它表面或許是硅酸鹽的碎石、沙礫和塵土構成。相信讀者們可以猜到,這類地球“準衞星”的形成肯定和地球、月球有着千絲萬縷的聯繫。科學家們提出過各種猜想,例如月球被劇烈撞擊拋射到太空的碎片、地球早期殘餘碎片、偶然被捕獲的近地小天體等。不過“耳聽為虛,眼見為實”,可能只有天問二號才能揭開它的神秘面紗。因此,2016HO3是天問二號的最核心探測目標,任務將採集最為珍貴的小天體樣本送回地球。

哈勃望遠鏡看到的311P彗星的多個“尾巴“(圖源:NASA)
另一個探測目標是311P彗星,它又名P/2013 P5,是在2013年8月27日才發現的彗星家族新成員。等到哈勃望遠鏡瞄準它仔細觀察的時候,發現它竟然有6條分岔的“尾巴”,這與常規彗星僅有1條主要彗尾的特點完全不同。這顆彗星位於太陽系內火星軌道和木星軌道的廣闊區域,就像主小行星帶的劃分一樣。但它之所以叫做主帶彗星而非小行星,還是因為它呈現很多彗星的現象(例如不斷拋灑水冰)。而在此前天文學家的認知中,彗星大部分來自太陽系邊緣,主帶小行星也因為距離太陽過近很難保留水冰。所以為什麼這顆彗星會出現在小行星帶,至今還是一個神秘的問題。
此外,它的尺寸也很小,半徑或許僅有240米,能形成這種天文奇觀着實另類。科學家們懷疑它或許是由一堆帶冰“碎石”形成的鬆散組合,又或者是自己高速旋轉成“烘乾機”一樣導致水冰不斷甩出,才形成了這麼多尾巴。而且後續的高精度光學觀測中,還懷疑它附近甚至有一個”小衞星“環衞它的左右,且疑似它整體的外觀或許因為大量物質拋灑發生了較大改變。遺憾它實在太小,離地球又實在太遠,從地球附近很難看清楚這顆彗星到底發生了什麼。或許這就是天問二號第二個使命的重要意義。
天問二號為什麼這麼特殊設計?
從前文可以看出,無論是2016HO3小行星還是311P主帶彗星,都是近10來年才被人類集中認知、且藴藏巨大科學研究價值的珍貴特殊天體。對這兩個寶貴的“時間膠囊“的研究,可助力我們探究地月系統及太陽系演化的歷史,進而明白人類的前因和未來。然而,它們都非常小、非常遠,對它們的探測又談何容易。天問二號一馬當先,成為肩負人類重大探測使命的使者,也必須有多個絕活才能實現。
第一,天問二號要解決能源問題,這是航天任務順利實施的根本保障。天問二號最遠時距離地球超過5億千米,那裏的太陽能已極其微弱。為更好收集能量,就必須想辦法增加太陽能電池板的有效面積。然而,如果採用簡單增大傳統電池板寬度和長度的方式,對2016HO3探測和採樣過程中就非常可能出現帆板與它碰撞的風險。所以最後的選擇是採用圓形柔性太陽翼的方式,發射後從扇面打開、單個面積達到17平米,滿足能源需求。

天問二號的最大外形是圓形太陽能帆板(圖源:中新社)
第二,天問二號要解決動力問題。它耗時10年,要先逃離地球、追上抵近2016HO3、採樣後返回艙返回地球、主探測器再次逃離地球引力、追上並抵近311P,行程以10億千米級計。在抵近這兩個小天體時,天問二號還需要不斷自主變軌,保持與它們的穩定關係,主動使自己成為2016HO3和311P的“準衞星”。為此,天問二號配備了複雜的推進器系統,由電推進和化學推進組成。在深空中既要大力出奇跡快速變軌機動,又要長時間電推連續工作、小推力低能軌道轉移和精準保持相對小天體的位置。在返回地球后,又要藉助免費的“地球引力彈弓”改變軌道,再次被助推到遙遠的深空。漫長的飛行過程可謂驚險重重,但又精彩絕倫。

天問二號任務週期長達十年(圖源:國家航天局探月與航天工程中心)
第三,天問二號如何抵近採樣?2016HO3實在是太小太遠了,用地球上的測控天線只能支持數十千米級的導航定位精度,根本無法直接幫助天問二號直接抵近。為此,天問二號攜帶了各類相機、激光與雷達組成的一體化自主導航系統,通過實地觀測不斷校正二者相對位置,最終實現抵近。而2016HO3又太輕了,但轉得又太快,且表面形狀和地質地貌尚屬未知,基本不存在被它引力捕獲穩定着陸的情況。天問二號因此設計了複雜的多臂協作式機械系統,實際上是將自己“捆”在小行星表面,利用觸碰採樣、懸停採樣和附着採樣的綜合採樣方式,取回不低於100 g的樣本,屬於國內外首創,這樣才能確保所取樣本的代表性和科學意義。
第四,天問二號如何送回樣本?天問二號把樣本採完後還需送回,它的返回艙速度必將超過第二宇宙速度(11.7 km/s)衝入地球大氣層,這將產生巨大的震動和熱量,對返回艙的設計要求顯著提升。為此,必須攻克超高温材料設計、氣動設計、結構設計、姿態控制、採集樣本保護等多個技術難題,才能將最珍貴的“太陽系記憶碎片”送回科學家的手中。
第五,天問二號如何實現更多科學研究?採樣是最核心的目標,但如果僅是採樣也過於單一。天問二號還攜帶了可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發物分析儀等,對2016HO3和311P實現全方位的“望聞問切”,徹底弄清楚這兩個天體的噴發物、幾何外形、組成成分、地質地貌、磁場和重力場等,建立它們的最全最綜合數據庫,形成最全“證件照”。
綜上,天問二號肩負着全球科學家們的深切期望,回應着屈原2000多年前的疑問,順利出發,中國航天為之突破了各方面關鍵技術,以最先進的能力努力在“振盪天星”上印上中國人的一小步,採集回寶貴的樣本送回地球。這是全世界科學家們的科學盛宴,也是中國航天人的技術狂歡。值此佳節之際,我們牽上屈原的跨時空念想,預祝它的十年之旅順利安康。