碳質(zhì)小行星富含太陽系中最原始的碳質(zhì)礦物和有機(jī)物，是研究地球生命起源物質(zhì)的重要窗口。日本航天局（JAXA）開展的隼鳥2號任務(wù)首次從碳質(zhì)小行星成功采樣返回，為揭示生命起源提供了寶貴線索。

本期《星際征途》聚焦隼鳥2號任務(wù)，特邀美國行星科學(xué)研究所鄒小端研究員撰文。鄒小端長期從事月球及小天體的研究，曾參與多項美國航天局（NASA）與JAXA的小行星探測任務(wù)。

專欄主持人：李薦揚

隼鳥2號是日本JAXA主導(dǎo)的第二次小行星采樣任務(wù) （圖片來源:JAXA）

對太陽系的探索一直致力于回答一些深邃而根本的問題：地球生命究竟源自何處？太陽系是如何誕生和演化的？為了尋找這些答案，人類早已將目光投向了那些保持原始狀態(tài)的小天體，如彗星和小行星。這些原始天體猶如時間膠囊，保存了太陽系誕生之初的寶貴信息。

而談到探索小天體的歷史，日本航天事業(yè)可謂獨具特色，并且由來已久。這段故事要從1985年的哈雷彗星回歸說起。當(dāng)時，日本航天局（JAXA）成功發(fā)射了兩顆行星際探測器——先驅(qū)者號（Sakigake）和彗星號（Suisei），成為繼歐洲、蘇聯(lián)之后，全球少數(shù)成功進(jìn)行彗星探測的國家之一。這次成功不僅標(biāo)志著日本在深空探測領(lǐng)域的首次亮相，也開啟了日本對小天體長期、深入探索的序幕。

進(jìn)入21世紀(jì)后，JAXA更加專注于小行星的科學(xué)探索。2003年，JAXA成功發(fā)射了世界上第一個小行星采樣返回探測器隼鳥號（Hayabusa），探索了小行星絲川（Itokawa）。隼鳥號的旅程其實并不順利，途中發(fā)生了各種故障，進(jìn)行了驚險的搶救。雖然困難重重，但最終于2010年成功返回地球，并帶回珍貴樣品（約1500顆微小塵粒，總量不到1毫克）。這段激勵人心的經(jīng)歷，為全球的小行星探測樹立了典范，也為隼鳥2號計劃贏得了廣泛支持，成為后續(xù)任務(wù)的重要基礎(chǔ)。

在隼鳥號任務(wù)經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，JAXA進(jìn)一步啟動了隼鳥2號（Hayabusa2）任務(wù)，目標(biāo)是更為神秘的C型小行星龍宮（Ryugu）。這個任務(wù)和美國航天局（NASA）的冥王號（OSIRIS-REx）小行星采樣任務(wù)并駕齊驅(qū)并展開合作。后者以小行星貝努（Bennu）為目標(biāo)。兩個任務(wù)各具技術(shù)特色，都旨在更深入地揭開太陽系和地球生命的起源之謎。

龍宮小行星和絲川小行星的軌道位置對比 （圖片來源:JAXA）

? 揭示太陽系與生命起源之謎 ?

隼鳥2號任務(wù)希望回答一個簡單而又深奧的問題：地球上最初的水和生命起源所需的有機(jī)物，源自何處？

地球海洋的水以及構(gòu)建原始生命的有機(jī)物，被認(rèn)為早在約46億年前太陽系誕生時，就已存在于星際氣體中。而小行星龍宮正好是個理想的研究對象，因為它屬于C型（碳質(zhì)）小行星，這個類型的小行星可能很好地保留了太陽系剛形成時的原始狀態(tài)或形成時期的“記憶”。這意味著龍宮上可能帶著太陽系早期的珍貴記錄，蘊(yùn)藏著有機(jī)物和含水礦物。科學(xué)家期望通過對這顆小行星的科學(xué)觀測和采樣返回，獲取關(guān)于太陽系、地球與生命起源和演化過程的重要線索。

隼鳥2號拍攝的龍宮小行星

小行星龍宮（162173 Ryugu）直徑約900米，形狀像個旋轉(zhuǎn)陀螺，表面布滿碎石和巨巖。其中一個明顯的地貌特征是一塊大巖石，名為“乙姬巖”（Otohime Saxum），是一塊直徑160米的巨石，位于龍宮南極附近。它坐落在一條幾乎完全環(huán)繞小行星的深溝內(nèi)。

隼鳥2號的任務(wù)不僅包括科學(xué)觀測和樣本采集，還利用撞擊裝置在小行星表面人工制造撞擊坑，從而采集小行星內(nèi)部樣本。這是一次前所未有的挑戰(zhàn)，JAXA希望借此建立未來深空探測所需的先進(jìn)技術(shù)。

任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)

·深入揭示地球、海洋及原始生命前體分子的起源；

·探索太陽系早期物質(zhì)的演化過程，重點研究水、礦物質(zhì)與有機(jī)物之間的相互作用；

·研究小行星的形成機(jī)制，包括材料聚集、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與表面演化過程；

·獲取暴露于空間風(fēng)化與未暴露樣本，分析其成分差異，重建C型小行星的演化歷程。

·隼鳥2號任務(wù)不僅驗證了上述先進(jìn)技術(shù)的有效性和可靠性，還顯著推動了未來深空探測任務(wù)的技術(shù)發(fā)展，為后續(xù)對更遙遠(yuǎn)小天體的探測任務(wù)積累了寶貴經(jīng)驗。

任務(wù)的工程目標(biāo)

·建立穩(wěn)定可靠的深空樣本返回技術(shù)。隼鳥2號繼承并優(yōu)化了前一代隼鳥號的采樣返回技術(shù)，實現(xiàn)了更精準(zhǔn)可靠的樣本采集。任務(wù)期間，探測器在小行星龍宮表面兩次成功采集樣本，其中包括一次從人工撞擊坑內(nèi)部采集的地下原始物質(zhì)樣本，最終成功將5.4克樣本安全返回地球，大幅超出原計劃0.1克的目標(biāo)。這標(biāo)志著日本在深空采樣返回技術(shù)上取得了重大進(jìn)步。

·展示人工撞擊裝置形成撞擊坑的能力。隼鳥2號搭載的“小型攜帶式撞擊裝置”（SCI）首次實現(xiàn)了在小行星表面制造人工撞擊坑的實驗。SCI以高速撞擊小行星表面，制造了一個直徑約17.6米、深約3米的撞擊坑。這次撞擊成功暴露了未被太陽風(fēng)和太空輻射影響的地下物質(zhì)，為采集更加原始的樣本提供了機(jī)會，也極大推動了人類對小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制的理解。

·推進(jìn)自動化導(dǎo)航、著陸與采樣的技術(shù)集成。隼鳥2號廣泛運用自主導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能自主分析小行星表面的地貌、自動調(diào)整飛行軌跡，選擇合適的著陸地點，并安全完成樣本采集。探測器依靠光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC）和激光高度計（LIDAR）精確測量距離與高度，成功實施了多次精確的著陸采樣行動。整個過程展現(xiàn)出高度的自動化與精準(zhǔn)控制能力，顯著降低了地面干預(yù)的需求，提高了任務(wù)成功率。

·檢驗太陽能帆板姿態(tài)控制與離子推進(jìn)等先進(jìn)系統(tǒng)。隼鳥2號使用了高效的離子推進(jìn)器（μ10離子發(fā)動機(jī)），在長期飛行過程中產(chǎn)生穩(wěn)定的微小推力，節(jié)省了大量燃料，使探測器得以精確控制軌道，順利抵達(dá)目標(biāo)小行星。此外，太陽能帆板高效提供能源并支持姿態(tài)控制系統(tǒng)運行，確保了整個探測任務(wù)期間電力充足、姿態(tài)穩(wěn)定。

小行星主要類型

·C型（碳質(zhì)，carbonaceous）小行星，是太陽系中最常見的一類小行星，它們的表面覆蓋著大量暗色物質(zhì)，因此反照率很低，外觀昏暗。這類小行星主要分布在主小行星帶的外部，數(shù)量約占已知小行星的四分之三。它們的成分非常原始，富含水合礦物、有機(jī)分子和碳，可能保存了太陽系形成初期的物質(zhì)。由于這些特點，C型小行星被認(rèn)為是研究太陽系起源、地球上水的來源和生命有機(jī)成分來源的重要對象。

·S型（石質(zhì)，silicaceous）小行星，富含硅酸鹽礦物，如橄欖石和輝石，較為明亮，反照率較高。占比大約為17%，主要集中在主小行星帶的內(nèi)側(cè)。代表性小行星：絲川（25143 Itokawa）。

·M型（金屬，metallic）小行星，以金屬（鐵、鎳）為主，表面較為光滑，反照率適中。可能來自于古老天體的金屬核心，數(shù)量較少。代表性小行星：靈神星（16 Psyche）。

·V型（玄武巖質(zhì)，vestoid）小行星，由火山活動形成的玄武巖為主要構(gòu)成，具有火成巖特征。源自古代大型碰撞事件，主要聚集在灶神星（4 Vesta）附近的區(qū)域。代表性小行星：灶神星。

此外，還有一些較小規(guī)模的分類，如D型（黑暗紅色小行星，富含有機(jī)物）、P型（低反照率的黑暗天體）、E型（高反照率的鎂橄欖石類）等。

在以上類型中，C型最為常見，占比約75%；S型次之；其他類型比例較低，但各具特色，有助于科學(xué)家理解太陽系多樣的形成歷史與物質(zhì)組成。

? 兼具冒險和工匠精神的探測器任務(wù) ?

比起歐洲空間局（ESA）和NASA，日本小行星探測的總經(jīng)費相對較少，但其航天任務(wù)卻展現(xiàn)了少而精的極致工匠精神。JAXA成功通過隼鳥2號進(jìn)一步發(fā)展了日本獨有的宇宙探測技術(shù)。隼鳥號挑戰(zhàn)了許多“世界首次”的任務(wù)，而隼鳥2號在此基礎(chǔ)上，致力于讓小行星探測技術(shù)更加可靠，同時也挑戰(zhàn)了許多新技術(shù)，比如人工制造撞擊坑、深空高速通信和新型觀測設(shè)備等。

隼鳥2號繼承了前作的基本結(jié)構(gòu)，探測器主體尺寸約1米×1.6米×1.25米，質(zhì)量約609千克，展開后的太陽能帆板寬達(dá)6米。系統(tǒng)由推進(jìn)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、通信與電源系統(tǒng)、探測儀器等構(gòu)成，設(shè)計引入了眾多新技術(shù)和改進(jìn)。

探測器配備了先進(jìn)的儀器設(shè)備

·光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC-T）：用于精確導(dǎo)航和地表的高分辨率成像，使探測器能夠安全靠近并精確降落在小行星表面。

·近紅外光譜儀（NIRS3）：通過分析反射太陽光的光譜特征，識別小行星表面的礦物組成及含水礦物分布，幫助判斷龍宮是否保存了太陽系早期的水和有機(jī)物質(zhì)。

·熱紅外相機(jī)（TIR）：測量表面溫度變化，提供龍宮表面的熱特性信息，從而判斷小行星物質(zhì)的物理特征與粒度。

·激光高度計（LIDAR）：發(fā)射激光脈沖測距，精確獲得小行星表面的地形和高度信息，為安全降落和采樣提供支持。

·小型攜帶式撞擊裝置（SCI）：首次被用于在小行星表面制造人工撞擊坑，暴露地下未受太空風(fēng)化影響的原始物質(zhì)，幫助深入研究小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。

此外，隼鳥2號還搭載了用于近距離觀測的小型探測裝置，包括與德國和法國合作開發(fā)的著陸器MASCOT（吉祥物號）和日本自主研發(fā)的小型漫游器MINERVA-II（密涅瓦2號）。

 MASCOT攜帶紅外顯微鏡、磁力計、輻射計和廣角相 MINERVA-II通過獨特的蹦跳方式在弱引力環(huán)境下進(jìn)行廣泛移動和觀測，成功記錄了龍宮表面的詳細(xì)地貌。

這些儀器不僅提升了任務(wù)的科學(xué)成果，還帶來了豐富的任務(wù)發(fā)現(xiàn)與意外收獲。例如，在撞擊實驗中，SCI裝置創(chuàng)造了一個約17.6米寬、3米深的撞擊坑，揭示了小行星表面松散的結(jié)構(gòu)特征；兩塊特殊巖塊（一塊穩(wěn)定不動，一塊明顯移動）更是說明了撞擊力和重力對表面物質(zhì)的主導(dǎo)作用。

隼鳥2號任務(wù)不僅延續(xù)了前作的成功經(jīng)驗，更在自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)采樣和地下物質(zhì)采集等技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性創(chuàng)新，提高了深空探測技術(shù)的可靠性和科學(xué)探測的精度，成為人類探索太陽系及地球生命起源研究中的重要里程碑。

隼鳥2號任務(wù)時間線——52億千米的往返快遞

隼鳥2號于2014年12月3日從種子島宇宙中心發(fā)射，到2020年12月6日樣本艙降落在澳大利亞南部沙漠，完成了一場跨越52億千米的深空旅程，成為世界上首個完成C型小行星地下樣本返回的項目。

 ·2014年12月3日：從種子島點火發(fā)射

 ·2015年12月：地球引力助推飛行

· 2018年6月：抵達(dá)小行星龍宮，在20千米高度測繪

 ·2018年9月：釋放兩臺MINERVA-II-1漫游器，首次實地成像

 ·2018年10月：釋放MASCOT著陸器

 ·2019年2月：第一次采樣（采集地表物質(zhì)）

 ·2019年4月：投放撞擊裝置（SCI），制造人工撞擊坑，暴露出地下物質(zhì)

 ·2019年7月：第二次采樣（著陸采集暴露出的地下物質(zhì)）

 ·2019年10月：釋放MINERVA-II-2漫游器

 ·2019年11月：探測器離開龍宮

 ·2020年12月6日：隼鳥2號將5.4克珍貴的小行星樣本帶回地球

 目前，探測器正在執(zhí)行延長任務(wù)，飛往目標(biāo)小行星1998 KY26（這顆小行星正式編號為98943 Torifune“鳥船”）。

SCI撞擊試驗實拍，靜態(tài)畫面展示了SCI撞擊器在龍宮撞擊坑中噴出的物質(zhì)的演變過程。比例尺為25米。

SCI（小型攜帶式撞擊器）是隼鳥2號用于制造人工撞擊坑的裝置。2019年4月5日，隼鳥2號釋放SCI后迅速飛離，以避免碎片沖擊。SCI內(nèi)部的銅彈在太空中擊發(fā)，產(chǎn)生高動能，撞向龍宮表面，成功形成一個撞擊坑。撞擊發(fā)生時，隼鳥2號也部署了一臺小型相機(jī)（DCAM3）進(jìn)行實時拍攝。從拍攝圖像中可以看到，撞擊瞬間揚起大量塵埃，形成清晰的羽狀噴發(fā)。這是人類首次在小行星上拍攝到受控撞擊的全過程，為研究小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和撞擊動力學(xué)提供了寶貴數(shù)據(jù)。

?

隼鳥2號共進(jìn)行了兩次“touchdown”著陸采樣，分別在2019年2月和7月，目標(biāo)是采集表面和地下物質(zhì)。第一次著陸在表面平坦區(qū)域，隼鳥2號利用金屬彈擊打地面，揚起碎屑，再通過采樣口吸入樣本。第二次著陸則在SCI撞擊坑附近，采集新暴露的地下物質(zhì)。這是首次在小行星上成功獲取地下樣本。整個著陸過程由自動導(dǎo)航系統(tǒng)控制，避開障礙物，著陸時間僅幾秒鐘。 左圖：一個內(nèi)部填充炸藥的錐形結(jié)構(gòu)。爆炸后，稱為“襯塊”（liner）的銅質(zhì)彈丸會被高速推出。 右圖：襯塊以約2千米/秒的速度飛向小行星表面。它重2千克，用純銅制成，便于與小行星原有物質(zhì)區(qū)分（圖片來源:JAXA）

隼鳥2號共進(jìn)行了兩次“touchdown”著陸采樣，分別在2019年2月和7月，目標(biāo)是采集表面和地下物質(zhì)。第一次著陸在表面平坦區(qū)域，隼鳥2號利用金屬彈擊打地面，揚起碎屑，再通過采樣口吸入樣本。第二次著陸則在SCI撞擊坑附近，采集新暴露的地下物質(zhì)。這是首次在小行星上成功獲取地下樣本。整個著陸過程由自動導(dǎo)航系統(tǒng)控制，避開障礙物，著陸時間僅幾秒鐘。 左圖：一個內(nèi)部填充炸藥的錐形結(jié)構(gòu)。爆炸后，稱為“襯塊”（liner）的銅質(zhì)彈丸會被高速推出。 右圖：襯塊以約2千米/秒的速度飛向小行星表面。它重2千克，用純銅制成，便于與小行星原有物質(zhì)區(qū)分（圖片來源:JAXA）

隼鳥2號在小行星龍宮表面投下影子，完成了這張“合影自拍”。這種特殊的合影方式在小行星探測中其實很有科學(xué)價值，因為從光度學(xué)研究的角度，這種影像數(shù)據(jù)可以提供寶貴的參數(shù)，用來描述天體表面的物理特征。（圖片來源:JAXA）

隼鳥2號攜帶的復(fù)雜的漫游器系統(tǒng) MINERVA-II是隼鳥2號搭載的一組小型漫游器，用于在小行星龍宮表面移動并進(jìn)行近距離觀測。MINERVA-II-1包含兩個小型漫游機(jī)器人（漫游器1A和1B），于2018年9月成功部署，它們能依靠跳躍在低重力環(huán)境中移動，拍攝圖像并測量溫度。MINERVA-II-2則在2019年釋放，任務(wù)部分成功。MINERVA-II系統(tǒng)是世界首次實現(xiàn)小行星表面移動觀測的機(jī)器人，為研究小行星表面物理性質(zhì)提供了重要數(shù)據(jù)。（圖片來源:JAXA）

漫游器為什么要“跳躍”前進(jìn)？

小行星引力非常弱，龍宮表面的引力只有地球的十萬分之一左右。用輪子或履帶行駛時，一加速就可能把整臺機(jī)器抖進(jìn)太空，控制難、風(fēng)險高。于是工程師們選擇了彈跳式移動，讓漫游器在每次落地后再蓄力起跳，既省能量又安全。

MINERVA-II每臺“跳跳機(jī)器人”直徑18厘米、高7厘米、質(zhì)量約1.1千克。采用“內(nèi)飛輪＋剎車＋轉(zhuǎn)臺”三合一機(jī)構(gòu)，無需彈簧或火工裝置，結(jié)構(gòu)簡單、可多次復(fù)用。

跳躍時，電動機(jī)先把飛輪（力矩器）加速到高轉(zhuǎn)速，然后急停制動（瞬間剎車），反作用力就會把整機(jī)“踢”離地面。第二臺電機(jī)可旋轉(zhuǎn)飛輪組件轉(zhuǎn)臺，決定起跳方向，實現(xiàn)“指哪跳哪”。

跳躍方式規(guī)避了輪式/履帶式在微引力下易失控的問題，同時可輕松跨越巖塊和溝槽，提高了科考覆蓋率?？刂扑惴ù_保起跳速度遠(yuǎn)低于龍宮約0.38米/秒的逃逸速度，既能跳得遠(yuǎn)，又不會飛走。這套設(shè)計為未來在微引力小天體上開展移動探測提供了一個成熟范例，也讓隼鳥2號團(tuán)隊首次獲得了連續(xù)、多點、近距的表面數(shù)據(jù)。

實驗與遙測數(shù)據(jù)顯示，單次可跳躍約15米（水平距離），滯空時間最長可達(dá)約15分鐘。在小行星的微引力環(huán)境下，漫游器“輕功”不凡。

漫游器1A（上）和1B（下）探索龍宮表面的藝術(shù)效果圖 （圖片來源:JAXA）

漫游器1A（上）和1B（下）探索龍宮表面的藝術(shù)效果圖 （圖片來源:JAXA）

著陸器釋放時刻。釋放過程需要極高的精準(zhǔn)控制，因為龍宮的引力極低。2018年9月21日，MINERVA-II-1的兩個小漫游器成功從隼鳥2號低速釋放，以跳躍方式在小行星表面移動并拍照。10月3日，隼鳥2號釋放由德法合作開發(fā)的MASCOT著陸器（照片上部的盒狀物體），它自由落體降落后翻轉(zhuǎn)至穩(wěn)定姿態(tài)，展開短時間科學(xué)觀測。2019年7月，MINERVA-II-2也被釋放，盡管運作不如預(yù)期，但仍傳回部分?jǐn)?shù)據(jù)。所有釋放都在隼鳥2號懸停于小行星上方數(shù)十米時進(jìn)行，并通過精確的時機(jī)與姿態(tài)控制，確保著陸器安全接觸地面。（圖片來源:JAXA）

隼鳥2號部署的MINERVA-II-1漫游器從龍宮表面發(fā)回了這張照片 （圖片來源:JAXA）

隼鳥2號近小行星操作與技術(shù)亮點

μ10離子推進(jìn)器：小推力、長航程的“耐力引擎”。隼鳥2號搭載4臺μ10離子發(fā)動機(jī)，以氙氣為工作介質(zhì)，單臺推力僅數(shù)毫牛，卻能連續(xù)運轉(zhuǎn)數(shù)萬小時，累計提供約2千米/秒的速度增量。正是這股“細(xì)水長流”式推力，讓探測器從地球飛往龍宮，再安全返航，同時還為后續(xù)延長任務(wù)預(yù)留了燃料富裕度。

 SCI撞擊裝置：“炸”出第一座小行星人造坑。SCI（Small Carry?on Impactor）通過炸藥把2千克純銅襯塊以約2千米/秒的速度射向龍宮表面，打出撞擊坑。這一大膽實驗首度在深空暴露出小行星地下原始物質(zhì)，并驗證了探測器在高危操作中的自動規(guī)避與再會合能力。

 DCAM3分離相機(jī)：飛臨“爆心”，“定格”噴發(fā)。DCAM3是一顆僅手球大小的獨立相機(jī)，內(nèi)置電池與無線鏈路。它在撞擊前被拋出，在數(shù)十米外記錄了羽流噴發(fā)的全過程，為撞擊坑尺寸反演和動力學(xué)建模提供了珍貴視頻，也展示了分布式成像的低成本解決方案。

 三室樣本容器：把“揮發(fā)分”也帶回家。返回艙內(nèi)的3間獨立容器對應(yīng)3次采樣（實際完成2次采樣），每次采樣后即時旋轉(zhuǎn)鎖閉并注入氮氣，最大限度抑制水和有機(jī)揮發(fā)物損失。其中一室還設(shè)計有氣體捕獲網(wǎng)，以便在地面分析極微量揮發(fā)性成分，實現(xiàn)從固體到氣體的全譜樣本保存。

Ka波段深空通信：小天體也能“高清直播”。為提高3億千米外的數(shù)據(jù)回傳效率，隼鳥2號采用32?GHz Ka波段高增益天線，峰值速率達(dá)數(shù)十kbps，是前代X波段系統(tǒng)的數(shù)倍。得益于此，撞擊影像等大體量數(shù)據(jù)得以及時下傳，顯著提升了任務(wù)的數(shù)據(jù)帶寬與實時性。

? 任務(wù)趣事與意外收獲 ?

隼鳥2號任務(wù)過程并非枯燥乏味，而是充滿了各種有趣和意外的經(jīng)歷。例如，小型漫游器MINERVA-II在小行星極弱的引力環(huán)境下“蹦跳式”移動，每次跳躍都可能懸浮十幾分鐘，甚至跳出ONC-T相機(jī)視野；而MASCOT著陸器在落地后曾因翻滾陷入無法工作的朝向，團(tuán)隊緊急遠(yuǎn)程指令使其完成了“最后一跳”，成功自救。

此外，在進(jìn)行SCI撞擊實驗時，為了保護(hù)主探測器免受撞擊碎片影響，隼鳥2號甚至巧妙地躲到了小行星背后，這一過程被戲稱為太空中的“躲貓貓”。最終，返回地球的樣本量也遠(yuǎn)超預(yù)期，更帶給科學(xué)家們意外之喜，也印證了任務(wù)設(shè)計和技術(shù)實施的高度可靠性。

對隼鳥2號任務(wù)帶回的樣本的初步分析表明，小行星龍宮含有豐富的有機(jī)物、氨基酸和含水礦物。這些發(fā)現(xiàn)為研究地球生命和水的起源提供了寶貴證據(jù)。

此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)龍宮的小行星結(jié)構(gòu)松散，屬于典型的碎塊堆積體，表層由細(xì)粒材料組成，且具有很低的熱慣量，這些特征對研究小行星的形成和演化過程至關(guān)重要。

值得一提的是，JAXA還和NASA進(jìn)行了龍宮和貝努小行星的樣品交換，擴(kuò)大了研究參與度和樣品分析的深度。

近距離的小行星表面構(gòu)造

龍宮小行星是一顆典型的“碎石堆”（rubble pile）結(jié)構(gòu)小行星，這類小天體結(jié)構(gòu)相對松散，比較“蓬松”。這種結(jié)構(gòu)也增加了任務(wù)的風(fēng)險。

龍宮表面還分布著許多隕擊坑，其中最大的一個名為“浦島坑”（Urashimacrater，右圖中間偏上），直徑約290米。地形起伏不大，但巖塊密集分布，缺乏均勻的沉積層，顯示其形成過程經(jīng)歷了劇烈的破碎與再聚集。

近距離的小行星表面構(gòu)造

龍宮的反照率極低，僅約0.02，說明其物質(zhì)非常暗（如果把它放在我們眼前，就會像一坨黑煤球），屬于C型小行星，富含碳和水合礦物。

龍宮的熱慣量很低意味著什么？

熱慣量（thermal inertia）描述的是某種材料“抵抗溫度變化”的能力。它由熱導(dǎo)率k、密度ρ和比熱容c決定，常用公式I=√(kρc)來表達(dá)。數(shù)值越大，說明物體在白天越不容易被曬熱、夜晚也越不容易散熱；數(shù)值越小，則升溫和降溫都越快。

低熱慣量表明熱導(dǎo)率小、密度低——龍宮表層多為毫米級甚至更細(xì)的松散塵粒，像“太空浮土”。稀疏堆積的碎塊內(nèi)部幾乎是真空，加上顆粒接觸面小，熱量難以在顆粒之間傳遞。這樣的“蓬松沙堆”意味著龍宮可能是一次撞擊后碎塊重新聚合的產(chǎn)物。

低熱慣量也幫助解釋了為什么龍宮的整體密度偏低和形狀呈“菱形陀螺”——自轉(zhuǎn)與弱引力下，松散物質(zhì)向赤道遷移。

對探測器來說，低熱慣量提示晝夜溫差極大，需要在溫控、著陸硬度與采樣力度上做特殊設(shè)計。

2020年12月6日，隼鳥2號的樣品返回艙成功在澳大利亞南部的伍默拉沙漠著陸。艙體在再入地球大氣層時包裹著防熱罩，之后降落傘自動打開，確保安全著陸。JAXA團(tuán)隊迅速在現(xiàn)場定位并回收了返回艙。（圖片來源:JAXA）

隼鳥2號帶回的樣品由JAXA在地球上的“樣品分析室”（ISAS內(nèi)的潔凈實驗室）中進(jìn)行開罐和處理。開罐裝置在超潔凈、充滿氮氣的環(huán)境中操作，以防止地球空氣污染樣品。樣品艙由三個獨立的室組成，對應(yīng)不同采樣事件，包括表面和地下物質(zhì)?？茖W(xué)家利用專用機(jī)械臂和分析設(shè)備，分批取出樣品顆粒，并進(jìn)行稱重、分類和初步成分分析。部分樣品留作長期保存，另一些則分發(fā)給國際研究團(tuán)隊。這一系統(tǒng)確保了對珍貴龍宮樣本的安全、高效和無污染處理。（圖片來源:JAXA）

? 隼鳥2號的科學(xué)發(fā)現(xiàn)——為“水與生命”尋找線索 ?

隼鳥2號帶回的5.4克樣本經(jīng)過全球300余位研究者多輪密集研究分析，揭開了龍宮的多重秘密。

水的證據(jù)——氘/氫比與“鹽水礦物”

水含量：水含量約6%，高于任何已知隕石平均值。

同位素：水的氘/氫（D/H）比與地球海洋幾乎一致，支持“部分地球水源自碳質(zhì)小行星運送”的假說。

碳酸鹽：樣本中發(fā)現(xiàn)鈉碳酸鹽、氯化物與硫酸鹽，提示其母體曾有高鹽濃度堿性液態(tài)水遍布孔隙，結(jié)晶留下“鹽霜”痕跡。

有機(jī)化學(xué)寶庫——從氨基酸到RNA核苷堿基

在水熱水解物中檢測到13種蛋白和非蛋白氨基酸（Gly、Ala、β-Ala等）與多胺、多羧酸等分子，呈外消旋態(tài)，說明其并非由生物污染產(chǎn)生。

首次在小行星樣本中檢出RNA堿基尿嘧啶以及維生素B3（煙酸）和咪唑衍生物，表明構(gòu)筑遺傳分子的前體可在星際冰或小行星內(nèi)部自然生成。

有機(jī)質(zhì)呈高度原始的狀態(tài)，芳香/脂肪比例與CI隕石（一種化學(xué)成分非常原始的碳質(zhì)球粒隕石）相近，但保留更多易揮發(fā)官能團(tuán)，為研究星際化學(xué)向行星化學(xué)的過渡提供了“干凈”樣本。

母體演化——碎塊堆積體的外太陽系來歷

礦物組成為蛇紋石+磁鐵礦+碳酸鹽的水熱改性相，結(jié)合15%～30%內(nèi)部孔隙率與約1.19克/厘米3的低密度，說明龍宮是一次碰撞破碎后再聚合的“松沙球”（rubble pile）。

氧同位素與鉻同位素含量接近CI型隕石，說明其形成于“雪線”之外遙遠(yuǎn)而寒冷的區(qū)域，后被動力學(xué)機(jī)制（如某種引力作用等）遷移至近地軌道。

磁學(xué)與熱釋光數(shù)據(jù)表明母體最高加熱溫度<300℃，保留了早期太陽系（約45.6億年前）的原貌。

對生命與行星科學(xué)的意義

隼鳥2號樣本提供了目前最直接的證據(jù)：碳質(zhì)小行星不僅可攜帶“地球海水級”（即同位素組成等與地球海水相似）水體，還蘊(yùn)含生物大分子前體，二者可能在早期地球頻繁撞擊中共同播撒至地表，為生命萌芽提供原料。其“鹽水-氨基酸”組合還暗示了類似過程可能在木星特洛伊小行星、彗星核等更多小天體發(fā)生，為廣義上的“類地星球化學(xué)養(yǎng)分輸送網(wǎng)絡(luò)”提供了新視角。

龍宮的“水與有機(jī)寶庫”證實，地球的海洋與生命萌芽的部分原料，很可能源自像它這樣的C型小行星——隼鳥2號讓這條“太空補(bǔ)給線”第一次被實物證據(jù)清晰地勾勒出來。

從長遠(yuǎn)看，隼鳥2號任務(wù)不僅成功驗證了深空自動導(dǎo)航、精確采樣和地下物質(zhì)采集技術(shù)，為未來更復(fù)雜、更遠(yuǎn)距離的太空探索奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時，這一任務(wù)也推動了國際合作，樹立了深空探測領(lǐng)域合作的新典范，為人類未來探索木星特洛伊群等遙遠(yuǎn)小天體提供了堅實的技術(shù)和經(jīng)驗儲備。

作者簡介

鄒小端

博士，美國行星科學(xué)研究所資深研究員。因幼年時認(rèn)為NASA的阿波羅任務(wù)把人類送到了月球表面太不可思議，長大后毅然選擇了行星科學(xué)這個專業(yè)。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第9期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛