DAOrayaki |OSIRIS-REx: NASA的小行星研究和样本采集任务

美国航空航天局(NASA)的OSIRIS-REx任务将在2023年带回小行星Bennu的碎片,这是一块来自早期太阳系的富碳岩石。之后OSIRIS-REx将在2029年研究小行星Apophis。

DAOrayaki |OSIRIS-REx: NASA的小行星研究和样本采集任务

美国航空航天局(NASA)的OSIRIS-REx任务将在2023年带回小行星Bennu的碎片,这是一块来自早期太阳系的富碳岩石。之后OSIRIS-REx将在2029年研究小行星Apophis。

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:40 USD

研究种类:Space Exploration,Asteroid Sample

原文作者:   Nola Taylor Tillman

创作者:HTseaaat@DAOrayaki.org

审核者:Skyone@DAOrayaki.org

原文:  OSIRIS-REx: NASA's asteroid study and sample return mission

美国航空航天局(NASA)的OSIRIS-REx任务将在2023年带回小行星Bennu的碎片,这是一块来自早期太阳系的富碳岩石。之后OSIRIS-REx将在2029年研究小行星Apophis。

NASA的OSIRIS-REx是一项正在进行的任务,它访问并收集小行星 101955(Bennu)的样本,并在2023年将样本带回地球。

OSIRIS-REx于2016年9月8日发射,并于2018年12月3日抵达小行星Bennu。它于2018年12月31日开始绕着这颗富含碳元素的小行星运行。2020年10月20日,经过一次惊险但短暂的着陆,OSIRIS-Rex在小行星Bennu表面采集到一些样本并于2021年5月10日开始漫长的返航旅程。

OSIRIS-REx的样本返回舱计划于2023年9月24日将Bennu的样本带回地球,但这并不是它任务的结束。OSIRIS-REx将在2029年被重新分配到近地小行星Apophis,并有一个新的名字:OSIRIS-Apophis探测器,或命名为OSIRIS-APEX。

NASA的OSIRIS-REx航天器拍摄的两张图片显示采样臂接触到小行星Bennu的表面。(图片来源:NASA/Goddard/University of Arizona)

前往Bennu的漫漫旅途

2009年,耗资8亿美元的OSIRIS-REx(起源-光谱解释-资源识别-安全-岩石探测器)任务成为NASA新前沿任务类别的决赛入围者,同时入围的还有研究金星(表面和大气地球化学探测器,简称SAGE)和月球(MoonRise)的任务。2011年,OSIRIS-REx竞选为获胜方案。

新前沿计划由一系列中等级别的航天器任务组成,旨在帮助我们更好地了解太阳系。OSIRIS-REx是新前沿计划的第三个任务;之前的入选者是新视野号(New Horizons),它在2015年飞过矮行星冥王星,在2019年飞过一颗名为2014 MU69的天体,目前正在太阳系外继续执行任务;还有朱诺号(Juno)任务,它在2016年抵达木星周围的轨道,目前仍在那里运行。

OSIRIS-REx于2016年9月8日发射。它曾在2017年9月短暂返航,完成了对地球的增速飞越。OSIRIS-REx于2018年12月3日抵达Bennu。在抵达后的一个月里,OSIRIS-REx对Bennu的形状和质量进行了详细测量,然后精确地滑入Bennu的环绕轨道。

这次小行星探索创造了两项记录:Bennu是航天飞船有史以来绕行的最小的天体(Bennu的直径为1640英尺,即500米),而且OSIRIS-REx环绕了有史以来最接近天体的轨道,距离行星表面仅1英里(1.6公里)。

NASA的OSIRIS-REx航天器于2018年12月12日使用其MapCam相机拍摄的小行星Bennu。(图片来源:NASA/Goddard/University of Arizona)

OSIRIS-REX仪器设备

OSIRIS-REx上的五种仪器对这颗小行星进行了详细的研究、测绘和分析:

  1. OSIRIS-REx可见光和红外光谱仪(OVIRS)——通过测量可见光和近红外光,OVIRS搜索了行星上的有机物和其他矿物质。
  2. OSIRIS-REx热发射光谱仪(OTES)——利用热红外线,OTES测量Bennu的温度并绘制矿物和化学丰度图。OVIRS和OTES对Bennu进行了一系列的波长测绘,以选择该小行星采样的最佳地点。
  3. OSIRIS-REx相机套件(OCAMS)——一个用于绘制Bennu地图的三相机套件。体型最大的PolyCam从120万英里(200万公里)外拍摄了Bennu的第一批图像,并拍摄了采样点的高清晰度图像。MapCam搜寻小行星周围的卫星和尘埃,对其进行彩色测绘,并拍摄照片以绘制地形图。SamCam记录了样品的收集和采集过程。
  4. OSIRIS-REx激光测高仪(OLA)——通过扫描Bennu的整个表面,OLA将传回数据以创建该小行星表面的高精度三维模型。研究员说到当时加拿大制造的两个激光器中的一个在执行主要任务时出现故障,但它的工作时间超过了其预期的仪器寿命,并收集了OSIRIS-REx着陆所需的所有信息。
  5. Regolith X射线成像光谱仪(RExIS)——研究Bennu的X射线辐射有助于绘制显示其表面不同元素丰度的地图。不同于其他成像仪器,RExIS在单个原子元素的层级上检查小行星的组成。
小行星Bennu上的夜莺(Nightingale)采样区示意图。(图片来源:NASA/Goddard/University of Arizona)

任务时间表

OSIRIS-REx在发射后进行了两次深空演习。第一次发生在2016年12月28日,为航天器与地球的重力辅助做了准备。

差不多一年之后,2017年9月22日,OSIRIS-REx在我们母星上空进行了一次飞越,为其前往Bennu的旅程提速。航天器最接近地球的时候是在南极上空,其距离地球表面大约有10,700英里(17,200公里)。这次飞越将OSIRIS-REx的速度提高了约8500英里/小时(13,000公里/小时),而且执行得非常完美。然后,OSIRIS-REx继续其前往Bennu的旅程。

在前往Bennu的旅途过程中,OSIRIS-REx从300多万英里(500万公里)的距离拍下了一些地球及其卫星震撼的图像。

2018年6月28日,OSIRIS-REx成功地完成了其第二次也是最后一次深空演习,之后航天器进行了一系列成功接近小行星Bennu的操作,并于2018年12月3日安全抵达。

在对这颗小行星进行了相当详细的研究之后,科学家们确定了要取样的区域,一个绰号为夜莺的岩石区。2020年10月21日,航天器完美的着陆仅用了6秒钟,并让触摸式样品采集机制(TAGSAM)开始发挥作用。

当OSIRIS-REx接近这颗小行星时,TAGSAM利用纯氮气的样品在岩石表面进行了爆破。OSIRIS-REx将表面炸开的石渣(灰尘和碎石)推入采样器的腔室。OSIRIS-REx的任务是收集至少2盎司(60克)的小行星材料,考虑到任何测量误差,最好能收集到5盎司(150克)的材料。NASA在这次尝试后声称,航天器轻松收集了超过2盎司(60克)的小行星材料。

虽然航天器收集到了足够的材料并完成了主要任务,但OSIRIS-REx确实携带了三瓶氮气,以允许进行多次收集尝试。TAGSAM经评估可携带多达70盎司(2,000克)的材料。(为了在低重力环境中称量样品,科学家们在收集样品前后测量了航天器的角加速度)。

OSIRIS-REx在2021年4月7日完成了对Bennu的最后一次飞越,并在当年5月10日启程返回地球。根据计划,样本舱将于2023年9月24日返回地球,而主航天器将继续前往Apophis,并在2029年抵达目的地。

OSIRIS-REx在小行星Bennu的操作时间轴。(图片来源:亚利桑那大学)

为什么选择Bennu?

OSIRIS-Rex访问的小行星最初被称为1999 RQ36,并在2013年的一场比赛中被9岁的Mike Puzio更名为Bennu。Bennu是埃及的神明,通常被描绘成一只灰色的苍鹭。Puzio选择了这个名字,因为他认为TAGSAM和太阳能板很像神明的脖子和翅膀。

Bennu是在地球1.2亿英里(1.9亿公里)范围内运行的几千个近地天体之一。在这些天体中,Bennu的轨道是已知的,并且与地球的运行轨道十分相似,有这些特点的近地天体不超过200个。这颗小行星每436天围绕太阳运行一次,每过6年就会非常接近地球。

Bennu本身也比较大,其宽度大约有1,650英尺(500米)。小于650英尺(200米)的天体自转太快,导致航天器无法在上面安全降落。只有少数在适当轨道上并且足够大的小行星才允许航天器安全访问。

在那些认为适合着陆的小行星中,Bennu有一个更有吸引力的部分。这颗小行星含有相对丰富的碳基物质;可能将水和有机物质带到地球并帮助开启生命进程,其意义也与埃及神话中的Bennu神近似。

Bennu的近距离轨道也使它成为对地球有潜在危险的天体,NASA目前估计的风险等级相当低:这颗小行星到2300年的总撞击概率仅为1750分之一。如果这颗小行星真的与地球相撞,撞击不会摧毁地球,但无论它坠落在任何地方都会对当地造成严重的破坏。专家声称这样大小的行星可能会破坏坠落点周围的局部地区,但它不会造成大规模的灭绝。

尽管如此,OSIRIS-REx提供的预先警告可以帮助科学家在撞击前很久就采取预防措施。其中一种方法是使用 "动能撞击器 "技术改变小行星的方向,NASA最近的DART任务展示了这项技术。2022年9月26日,DART(双小行星重定向测试)成功地将一个航天器撞向名为Dimorphos的小行星,并试图改变其轨道。这次任务取得了巨大的成功,2022年10月11日,NASA正式宣布,DART将Dimorphos近12小时的轨道缩短了32分钟,打破了之前的估计。

SOAR望远镜看到的DART与小行星Dimorphos碰撞后的情景。(图片来源:NOIRLab)

访问Apophis

Apophis是另一颗有潜在危险的小行星,最近人们把它从哨兵影响风险表中移除,该表记录了有可能撞击地球的小行星。

根据NASA对Apophis在太空中运动优化后的模拟,至少在未来100年内Apophis不会成为问题。地球将在2029年4月13日星期五与这颗小行星近距离接触,这颗1,120英尺(340米)宽的天体距离地球只有19,000英里(31,000公里),比大多数静止轨道卫星还要近。

此前科学家们计算出Apophis在2068年飞越地球的过程中撞击地球的概率非常小,但2021年对其风险的重新评估表明没有任何需要担心的威胁。但是,随着这颗小行星逐渐接近,有一个健康的、没有任务的航天器可参与行动,给NASA带来了一个独特的时刻。

NASA在2022年4月宣布,他们将调整OSIRIS-REx的方向,以充分利用这次和Apophis的相遇,并在它将Bennu的行星样本投放到地球后重新命名该航天器。OSIRIS-APEX将是2023年任务的新名称,它也将在2029年到达Apophis。

这项任务确实承担了一些仪器老化的风险(因为OSIRIS-Rex将花费大约13年飞越到Apophis)以及额外的成本,这会增加2亿美元的开销,使得从地球到Bennu再到Apophis的任务总成本达到10亿美元。这意味着,这一成本可能比发射第二个独立的航天器要小,而且省去了新任务中风险最大的阶段之一,即用火箭助推飞出地球。

除了OLA的一个发射器之外,航天器上的仪器都很健康,这将使新的OSIRIS-APEX任务能够顺利完成其工作。该航天器将对Apophis进行为期18个月的检查,旨接近该小行星,以便对其进行非常详细的检查。,包括检测其表层下的物质。一个特殊的推进器机动装置将炸开行星表面,以揭示Apophis的地下物质。

这将对研究特别有帮助,因为尽管Apophis和Bennu大小差不多,但却是完全不同的小行星类型。Apophis与普通球粒陨石同属S型家族,而Bennu则属于很久以前可能向地球输送水的家族(被称为B型)。

戈德斯通雷达在2021年3月对小行星99942 Apophis最接近地球时的拍摄。(图片来源:NASA/JPL-Caltech/NSF/AUI/GBO)

小行星采样任务

小行星是行星形成过程中留下的碎片,因此,它们可以作为早期太阳系的基本蓝图。研究它们可以让科学家看到早期太阳系是什么样子,并掌握行星的形成过程。

OSIRIS-REx执行了一系列的小行星任务,虽然它是第一个向美国传回样本的任务,但日本已经有两个类似的任务。2010年,隼鸟号成为第一个将小行星碎片带回地球的航天器。2020年,日本的一个后续样本采集任务,称为隼鸟二号,对小行星Ryugu也做了同样的事情。

另一个例子是NASA的黎明号任务,在前往矮行星Ceres之前访问了小行星Vesta。然而,与黎明号任务相比,OSIRIS-REx的目标是将Bennu的一部分带回地球进行深入的实验室研究,这在行星轨道上是不可能的。OSIRIS-REx团队的目标是收集至少2盎司(60克)的材料来实现他们的科学目标。

OSIRIS-REx的另一个次要目标是进一步了解潜在的危险小行星的运动。(尽管在太空中探索了几十年,还没有什么可担心的,但研究仍在进行中)。Bennu和Apophis都被指定为 "潜在危险 "的小行星,但这更多是一种统计描述,而不是为了引起恐慌。

OSIRIS-REx还将帮助天文学家研究小行星的Yarkovsky效应。这种现象发生时,来自太阳的热量提供了一个微小的推力,从而改变了小行星或其他天体的运动轨迹。虽然这种推力很小,但它可以随着时间的推移而积累,进而改变太空中天体的行进路线。但是,研究这种效应具有挑战性,因为它会根据每个小行星的形状而变化。

显示多年来访问过小行星的其他任务的信息图。(图片来源:亚利桑那大学)

参考文献:

[1]https://www.space.com/how-many-asteroids-threaten-earth

[2]https://solarsystem.nasa.gov/missions/osiris-rex/in-depth/

[3]https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/osiris-rex.html

[4]https://www.asteroidmission.org/galleries/

[5]Arizona Board of Regents. (2022.) OSIRIS-Rex: Asteroid Sample Return Mission - Galleries. Accessed Nov. 10, 2022 from:

https://www.asteroidmission.org/galleries/

[6](opens in new tab)Lockheed Martin. (2022.) OSIRIS-REx: Discovering the Origins of the Solar System. Accessed Nov. 10, 2022 from:

https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/osiris-rex.html

[7]NASA. (2020, Oct. 23.) NASA’s OSIRIS-REx spacecraft collects significant amount of asteroid. Accessed Nov. 10, 2022 from:

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-osiris-rex-spacecraft-collects-significant-amount-of-asteroid

[8]NASA Science. (n.d.) OSIRIS-REx. Accessed Nov. 10, 2022 from:

https://solarsystem.nasa.gov/missions/osiris-rex/in-depth/


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