天文史上的今天 | 多災多難：記人類首次小行星取樣返回任務

05-22

來自專欄天文史上的今天

2003年5月9日，日本發射「隼鳥」號探測器。這是人類首次嘗試小行星取樣返回，但這次任務的實施過程可謂曲折。

「隼鳥」探測器使用取樣器在小行星地表取樣的示意圖

來源：JAXA

隼鳥（Hayabusa）是日本的一艘小行星取樣返回探測器，它在2010年成功取回了25143號「糸川」小行星的表面樣品。這也是人類首次成功實現小行星表面取樣返回，成就可謂輝煌。

然而這顆探測器的故事極為曲折，多災多難，它最終成功取得成功，簡直就是日本科學家們不屈不撓精神的最好寫照。

規劃與歷史背景

「隼鳥」號取樣示意圖

來源：JAXA

目前日本全面負責民用航天發展的機構是「日本宇宙航空研究開發機構」（JAXA），該機構成立於2003年，但「隼鳥」號探測任務的提出時間甚至還要早於JAXA的成立。

在那之前，日本的航天部門之一，後來成為JAXA一部分的「宇宙科學研究所」（ISAS）就提出，計劃在1990年代規劃實施一次小行星取樣返回任務。當時日本科學家們設想對1943號小行星「Anteros」進行取樣返回。但最終，這一項目方案還是被擱置了，最主要的原因是日方評估計劃難度後認為，在技術上尚不具備成熟條件。

「日本宇宙航空研究開發機構」（JAXA）的徽標。JAXA已經成為與美國NASA，歐洲ESA並列的世界主要空間科學研究機構之一，非常遺憾，我們國家目前尚無完全可以與日本或美國相應機構對標的專門國家民用航天研究統籌機構

來源：JAXA

到了1990年代中期，「宇宙科學研究所」規划了一項代號「MUSES-C」的取樣返回任務，其計劃取樣的目標是小行星4660 Nereus，備份目標是小行星1989 ML。

然而，原本準備用於發射的火箭研製卻出現問題，導致發射遲遲無法進行，在令人不安的等待中，這兩個原先預定的目標都飛離了預定位置，探測已經無法進行。

「隼鳥」號拍攝的25143號小行星「糸川」

來源：JAXA

沒有辦法，日本科學家們緊急商討對策，並將探測目標換成了25143號小行星「糸川」。

這是一顆1998年才被發現，以日本火箭科學先驅糸川英夫（1912~1999）的名字命名的小行星。星體長大約500米，寬度厚度大約均為200多米。

好事多磨

2003年11月4日，美國SOHO探測器記錄到日面發生一次10多年來最強烈的耀斑爆發

來源：NASA

好事多磨，2003年5月9日，「MUSES-C」探測器終於發射升空，並在升空後不久被重新命名為「隼鳥」（はやぶさ）。然而，這好事還沒磨完。

太空飛行期間，太陽發生了一次有記錄以來最猛烈的耀斑爆發，這次爆發直接導致「隼鳥」的太陽能電池受損，進而導致其用於推進的離子發動機受到影響。2004年5月19日，「隼鳥」從地球附近飛過進行引力彈弓加速，並最終在當年9月12日抵達「糸川」小行星。由於離子發動機受損，此時已經比預定時間晚了近3個月。

「MINERVA」微型著陸器

來源：JAXA

當年11月初，JAXA宣布「隼鳥」探測器打算在11月4日進行一次嘗試著陸。但這次嘗試最終還是沒有進行，因為科學家們發現很難找到合適的降落地點。

隨後，在11月12日，JAXA決定先把一顆名為「MINERVA」的微型著陸器釋放到小行星表面。「MINERVA」是一個縮寫，意思是「微型小行星機械裝置」，這是一個大約一斤重的測試著陸機器人，可以在小行星表面彈跳行進並開展多地點考察活動。非常遺憾，這個小機器人沒能降落到小行星地表，它飄走了…

「隼鳥」釋放「微型小行星機械裝置」的示意圖，然而現實是殘酷的...

來源：JAXA

最終，在11月底，「隼鳥」兩次嘗試在小行星上降落，但兩次都因為搭載計算機不明原因地進入安全模式而無功而返，地面無法完全確認在此期間飛船究竟有沒有成功採集到樣本。

但不管如何，地面決定不再冒險，他們準備讓「隼鳥」返回地球，如果再做耽擱，飛船恐將錯過返回地球的最後時間窗口。但是在準備離開時，更多的故障發生了：飛船的姿態控制系統發生故障，緊接著還有燃料泄漏，以及通訊系統故障，一度讓全球關心這次任務的所有人都捏一把汗。於是，幾乎已經「殘疾」的「隼鳥」號就這樣朝著地球飛行，然而在此期間與地面的聯繫又數次中斷...

「隼鳥」拍攝的「系川」小行星地表高解析度圖像

來源：JAXA

在返回地球期間，「隼鳥」的4台離子發動機中只有兩台還能工作，11塊電池裡還有7塊能夠使用，後來僅剩的兩台發動機中，又有一台發生故障而停止工作。

最終，經過漫長跋涉，2010年6月13日，「隼鳥」總算攜帶著樣品艙抵達了地球，並開始沖入大氣層。「隼鳥」飛船在大氣層中焚毀，但加裝隔熱設計的樣品艙保存了下來，並安全落到了澳大利亞境內。

科學發現

2010年6月13日，地面觀測到澳大利亞上空正在沖入大氣層的「隼鳥」號返回艙

來源：JAXA

2010年11月份，JAXA表示，他們在「隼鳥」的樣品艙內找到大約1500個岩石顆粒，其中大部分被認為屬於「地外來源」，也就是來自小行星。

出於謹慎起見，JAXA的科學家花費數月時間進行詳細分析，排除了這些顆粒是地球表面物質，或是飛行途中沾染的宇宙塵埃的可能性。

「隼鳥」號取回的小行星地表顆粒樣本

來源：Nakamura et al., 2011

在初步分析結果中，JAXA科學家們宣布他們檢測到橄欖石和輝石成分，這些礦物成分在地球上很常見，但也存在於月球與火星岩石中。這些顆粒非常小，直徑一般在10微米量級，不到頭髮絲直徑的1/10。

根據2011年8月26日發表在《科學》雜誌上的論文，日本科學家確認，來自「糸川」小行星的顆粒樣品，其物質成分與LL型球粒隕石的成分基本一致。此前科學家們對於某些類型的隕石與小行星之間的聯繫的證據，更多是源自光譜數據，而這是第一次通過實際取樣驗證了兩者之間的來源關係。

2014年12月3日，日本發射了「隼鳥2號」探測器

來源：JAXA

由於這次任務的成功，JAXA深受鼓舞。在全面反思「隼鳥」任務故障原因和設計缺陷的基礎上，2014年12月3日，日本發射了「隼鳥2號」探測器，目標仍然是小行星取樣返回，這次瞄準的是小行星162173 Ryugu，預計將在今年7月抵達目標，並在2020年12月搭載樣品返回地球。

編者按：

《天文史上的今天》欄目是老嚴的一次個人歷險，試圖通過堅持365天，完整記錄一年中每一個日子在人類漫長的天文歷史中留下的印記。

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