除了嫦娥五号,还有哪些探测器从太空带回过“土特产”?

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  北京时间2020年12月17日凌晨,去去就回的嫦娥五号历时23天,顺利从月球挖土而归。

    

  2020年12月17日在内蒙古四子王旗成功回收的嫦娥五号样品舱 | CSNA

  而就在11天前的12月6日清晨,日本JAXA的隼鸟2号探测器历经6年的跋涉,将来自小行星“龙宫”的样品送回了地球。

   

  隼鸟2号返回舱再入地球大气层形成的“火流星” | JAXA [1](动图)

  主动前往太空采回样品,在人类历史上还不多见。短短半个月里两份来自太空的“土特产”,这无疑是2020这个坎坷之年回馈人类智慧和坚韧的一份大礼。

  除了带回星际尘埃和太阳风粒子,在人类短短六十多年的深空探测史上,迄今为止只完成过9次月球采样返回,1次彗星采样返回和2次小行星采样返回。每一次,都伴随着未知、艰险和挑战,每一次,都是载入史册的壮举。

   先驱者阿波罗和月球号

  1969年7月20日,NASA阿波罗11号登月舱带着两名宇航员——尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林——成功踏上月球正面的静海基地。(详情:50年前的今天,月球上的24个小时,https://mp.weixin.qq.com/s/y4v4cEXgVDF8v1LTDuXgfw

  

  底图:LROC,制图:haibaraemily

  这不仅是人类首次载人登陆月球,也让月球成为了人类目前为止唯一亲身探测过的地外天体。

  

  奥尔德林走下梯子,阿姆斯特朗拍摄 | AS11-40-5866

  在总计2.5个小时的月面出舱活动时间里,两位宇航员完成了三次月面采样,共采集了21.6公斤月球岩石和土壤样本并带回地球。

  

  阿波罗11号月球样品汇总。数据来源:NASA,整理:haibaraemily

  如今的我们依然会惊叹,人类的第一次太空采样居然就有如此“高规格”,不仅真人出马,而且几十公斤地往回带货——直叫后来只采了几十克甚至几毫克的无人采样任务哭晕在厕所。

  阿波罗11号第一次月球样本采集(Contingency Sample)

  

  阿姆斯特朗完成第一次月面采样 | 阿波罗着陆腿上的相机拍摄(动图)

  阿波罗11号第二次样本采集(Bulk sample)

  

  阿姆斯特朗完成第二次采样所用的铲子和采回的样品示例 | 美国国家航空航天博物馆&NASA

  阿波罗11号第三次样本采集(Documented Sample)

  

  (左)奥尔德林用直径2厘米的岩管采集了2管深达月表以下13厘米的岩芯样本;(右)阿波罗11号使用的采样管长这样(红色箭头) | NASA

  

  阿姆斯特朗第三次采集的月面样本示例 | NASA

  此后的阿波罗12、14、15、16、17号均成功实现了载人登月、月球岩石和土壤采样和返回,而且一次比一次采得多。

  

  风格逐渐大胆.jpg

  到了1972年的阿波罗17号就更加彪悍了,这次任务的宇航员们不仅在月面舱外活动了22个小时,采回了110.5公斤月球样品(均为史上之最),更夸张的是,这次任务是直接把活的地质学家送上了月球

  阿波罗17号的登月宇航员之一,哈里森·施密特,在成为NASA宇航员之前是根正苗红的地质学家,有地质学本硕博学位。地质学家的实地考察和采样,让阿波罗任务真正实现了哪里有科学价值挖哪里,把专业挖土做到了极致。事实上,哈里森·施密特也是登上月球的12名宇航员中唯一一名科学家。

  

  正在采集月球岩石样本的哈里森·施密特 | NASA

  除了采集样品,阿波罗载人任务还充分利用真人优势,在月球表面完成了包括地震实验、热流探测、重力仪和激光反射阵列安装等一系列直到今天都无法超越的月球实地探测。这个和本篇关系不大,就不多说了。

  

  六次阿波罗载人登月着陆点和当时着陆留下的各种设备(地震实验装置、上升级等)在目前最高分辨率的月球影像中的样子 | NASA / LRO

  阿波罗11号登月一年后,姗姗来迟的苏联月球16号才于1970年9月20日着陆在月球正面的丰富海,并采集了101克月球样品带回。苏联的三次月球采样任务:月球16号、月球20号、月球24号均为无人采样返回,这也是嫦娥五号之前人类唯三的无人月球采样任务。

  

  (左)月球16号探测器模型和前端的采样装置 | 维基;(右)月球16号采回的一管钻取样品,编号21000 | NASA/Meyer [2]

  受限于火箭运力和返回方式(阿波罗返回时采用交会对接,而月球号则是上升器从月面起飞后直接返回),三次月球号任务采回的样品都只有几十到一百多克,相比于阿波罗任务实在不算多。

  

  月球20号和24号钻取采集的样品示例。三次采样分别带回了101克、55克和170克月球样品 | NASA/Meyer [3]

  阿波罗和月球任务采回的样品被接下来四十多年里的行星科学家们孜孜不倦地钻研至今,帮助人们揭开了诸多月球谜题。但遗憾的是,随着阿波罗载人登月的成功,美苏太空竞赛迅速进入了尾声,月球采样热潮在鼎盛时期戛然而止——1976年苏联的月球24号任务之后,月球采样沉寂了整整44年。

   重启月球采样的嫦娥五号

  四十年后,让人类探测器重返月球的,是不断崛起的中国力量

  2013年,嫦娥三号成功着陆月球正面的雨海西北部并释放月球车玉兔号。这是继美国的阿波罗号和苏联的月球号任务的37年之后,人类探测器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年,嫦娥四号更是实现了人类探测器首次踏上月球背面的壮举。

  

  2013年12月15日,嫦娥三号着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机完成两器互拍 | 中国探月工程

  仅仅一年之后,破茧重生的长征五号火箭带着嫦娥五号挑战了更高难度——月球采样返回

  2020年11月24日凌晨出发,2020年12月17日凌晨返回,中国迄今为止最复杂的探月任务嫦娥五号,满分完成了前往月球-月面采样-月面起飞-月轨对接-返回地球等一系列复杂操作,实现了诸多中国深空探测史上的“第一次”(详见:发射成功!时隔44年,嫦娥五号将为人类再次带回月球样品!https://mp.weixin.qq.com/s/VH7DcQMCnuM9zLi6_g2Utg和 嫦娥五号采回的“土特产”,可以用来研究些什么?https://mp.weixin.qq.com/s/0l5RyLkoZu16nO5NdJnKUQ

  

  嫦娥五号顺利着陆在月球正面风暴洋北部的吕姆克山(Mons Rümker)一带,采集到了至少2公斤月球样品。这是迄今为止的月球无人采样返回任务里采回的最多样品量,把第二名远远甩在了身后。

  

  之前那版你们说橙色晃眼,换了个颜色…

  而在嫦娥五号之后,中国的嫦娥六号还会前往月球南极采样,抵达更多前辈探测器未曾到达过的月面,完成更多前辈探测器不曾完成过的壮举。

  “捕捉”彗星的星尘号

  相比于“近在咫尺”的月球,前往彗星和小行星的采样之路注定更加充满意外和艰险。但人类不曾停下探索未知的脚步。

  1999年2月7日,NASA的星尘号探测器发射升空,它的目标之一,是采集彗星维尔德2号(81P/Wild)彗发中的尘埃以及星际尘埃样品并带回地球。

  

  星尘号。最顶端的盾状容器就是样品返回舱 | NASA

  这是一颗公里级大小的彗星,每6.4年环绕太阳一周。相比于之后人类试图采样的几颗小天体,彗星维尔德2号算得上是庞然大物了。

  

  彗核大小约5.5 km × 4.0 km × 3.3 km,图为星尘号拍摄的彗星维尔德2号彗核 | NASA

  尘埃那么小的东西要如何采集,更何况还是彗星的尘埃?尚无任何前辈经验可以照搬的星尘号只能极尽巧思,自力更生。

  星尘号使用二氧化硅气凝胶(aerogel)材质制作了一个网球拍大小的收集装置,这种材质质地像海绵那样疏松多孔,99.8%的空间都被空气填充,因此密度极低,虽然是固体,却极其轻盈。当探测器从彗星彗发飞过时,星尘号就迎面展开这个收集装置,温柔无损地把被气凝胶拦住的尘埃收集起来。这种用气凝胶收集粒子的方式曾于1996-1997年间在和平号空间站上试验过,后来NASA的起源号探测器也用类似的方式(但不是用的气凝胶这种材质)收集过太阳风粒子。

  

  星尘号捕获尘埃的气凝胶收集装置 | NASA

  2003年12月31日,星尘号进入彗星维尔德2号的彗发,成功“截胡”下了一点尘埃。

  

  星尘号:只要我够温柔,尘埃就压根意识不到被我截胡了!| NASA

  2006年1月15日,星尘号的返回舱回到地球。

  

  (左)星尘号返回舱着陆在美国空军犹他测试训练场;(右)星尘号返回舱在犹他州迈克尔陆军机场的临时洁净室中被打开,样品收集装置随后被重新封装运往休斯顿的约翰逊航天中心 | NASA

  星尘号共带回了约100万颗尘埃颗粒,总计质量约1毫克 [4]。

  

  星尘号采集到的彗星尘埃颗粒示例 | NASA [4]

  

  星尘号收集样品的气凝胶切片中采集到的彗星尘埃(箭头处)| NASA

  尽管带回的“土特产”不多,但星尘号为人类首次带回了彗星尘埃的样品,直到今天依然是独一份

  历经坎坷的隼鸟号

  2003年,JAXA的隼鸟号探测器发射升空,目标是前往近地小行星丝川(Itokawa)展开探测并带回样品。

  

  隼鸟号 | JAXA

  小行星丝川是一颗阿波罗型近地小行星,光谱成分分类属于S型(岩质),大小约535 米 × 294米 × 209米,每1.5年环绕太阳一周。

  

  隼鸟号拍摄的小行星丝川 | JAXA

  隼鸟号的旅程并不顺利,还没飞到目标就已经故障不断,抵达小行星丝川后释放着陆器和着陆采样也没能按预期进行,燃料泄露、满身伤病,甚至长期陷入失联和濒死状态…但它还是顽强克服了种种艰难和困境,在2010年6月奇迹般地将来自丝川的样品送回了地球。(详见:不死鸟传奇——“隼鸟”家族的小行星之旅(上)https://mp.weixin.qq.com/s/ZaxRJCpbbGGr4FbsULgs8w

  

  工作人员在澳大利亚伍默拉试验场回收隼鸟号返回舱 | JAXA

  对于这类直径不足1公里的小型小行星,采集样品又有新的难题。绝大多数小行星自己不会喷发“土特产”,不允许探测器像星尘号那样不接触表面就能完成采样;小天体自身的引力也太小,探测器很难稳稳当当地安全着陆而不反复弹跳;另一方面,前往小行星的探测器相比于月球和火星探测器也通常轻小得多,不具备在小行星上着陆再起飞的条件。

  隼鸟号首次尝试了“接触即离开”(Touch and Go)的方式:探测器受控降落直到采样杆触碰到小天体表面,在接触的几秒钟里完成采样,然后蜻蜓点水一般点火起飞离开。

  一旦探测器检测到底部长长的采样杆接触到了小行星表面,就即刻从采样杆中以300米/秒的速度发射出一枚钽质子弹,子弹撞出的碎屑被弹射入采样杆中,经过多次反射探测器所收集。

  

  隼鸟号的采样杆接触小行星表面示意和隼鸟号设计的小行星采样方式 | JAXA [5]

  尽管隼鸟号的采样工作没能顺利开展,但这种“接触即离开”的采样方式本身还是得到了认可,被后来的JAXA隼鸟2号和NASA的冥王号探测器所沿用。而且幸运的是,隼鸟号返回舱里还是带回了一些采样过程中飞入的小行星尘埃颗粒。

    

  隼鸟号近乎空空如也的样品收集装置内部,只能看到零星小颗粒 | JAXA/JSPEC

  隼鸟号共采回约1500颗尘埃样品,总质量不到1毫克。虽然重量不多,部分样品也存在被污染的可能性[5],但依然为行星科学家们提供了许多来自小行星丝川的“一手”信息。(量多量少,都有科学价值!)

  

  隼鸟号带回的一颗丝川颗粒上,科学家们用扫描电镜和透射电镜发现了多达15个亚微米级直径的撞击坑 | JAXA

  更重要的是,作为人类首次小行星采样的尝试,隼鸟号的“不死鸟”精神,至今仍在鼓舞着后人继续探索宇宙。

   隼鸟2号和冥王号

  而在星尘号和隼鸟号这两次小天体采样的经验之下,JAXA和NASA在十多年后相继再次开始了前往小天体采样的尝试,隼鸟2号和冥王号(奥斯里斯号,OSIRIS-REx)横空出世。

    

  隼鸟2号(左)和冥王号(右)艺术想象 | JAXA、NASA

  这一次,它们都瞄准了近地小行星小行星——同为C类(碳质)小行星的“龙宫”和“贝努”。

  

  更令人欣慰的是,这一次,两个探测器都非常顺利,也都采回了远多于上一次的样品。

  沿用了隼鸟号的钽质子弹采样法,隼鸟2号在2019年里完成了两次采样,分别采集了来自小行星龙宫表面地下两种样品。(详见:隼鸟2号的2019年:大展身手,满载而归https://mp.weixin.qq.com/s/i1QagOEXAKBt5EOFJyqDbg

  

  工作人员在澳大利亚伍默拉试验场回收隼鸟2号样品返回舱 | JAXA

  隼鸟2号计划采回100毫克小行星龙宫样品,但按目前的“开箱”情况来看,实际采回的样品远超这个量级,而且可能采集到了小行星龙宫的气体物质

  

  隼鸟2号的两次采样样品被分装在了两个舱室中,截止2020年12月15日,仅打开的A舱室中就已经确认采到了大量龙宫颗粒物 | JAXA

  另一边,NASA的冥王号也已在2020年10月顺利完成了样品采集和封装。在接触采样阶段,冥王号选择发射压缩氮气来激起小行星表面物质,相比于“弹射子弹式”,这种“尘吸式”采样或可采集到更多样品。(详见:冥王大战不死鸟:NASA OSIRIS-REx完成首次小行星贝努采样!https://mp.weixin.qq.com/s/aKmq6JFSW3JDnVgTJ184_A

  

  冥王号采样时采样臂头部工作示意图 | NASA(动图)

  冥王号计划采集60克-2公斤小行星贝努的样品,如果一切顺利的话,它将于2021年3月启程,2023年9月24日将样品送回地球。(详见:样品泄漏?称重取消?冥王号还真是,计划赶不上变化呢…https://mp.weixin.qq.com/s/N7acn1qCbDZ_3GgvxFiOlQ

  

  冥王号和隼鸟2号的探测日程 | University of Arizona

  更多太空采样,未来可期

  我国的首个小行星采样和彗星探测任务也在紧密筹划之中。它计划2024年发射,环绕探测近地小行星2016HO3并采集样品,然后送回地球。这颗小行星据估计直径只有40-100米,这将是人类探测的个头最小的小行星。(详见:我国的第一个小行星/彗星任务,已经给安排上了!https://mp.weixin.qq.com/s/Ux1g24Z8rLKbkRI3qhN8gA

  

  2016 HO3是一颗地球的准卫星,不过它距离地球的平均距离比地月距离远得多(始终距地球在地月距离的38-100倍之间),并没有真的被地球的引力所俘获成为真正的卫星 | DSI

  作为我国首个小天体探测任务,这次任务绝对可以算得上是目标远大。在完成对小行星2016HO3的近距离探测和采样,把“土特产”快递送回地球之后,它还会继续前行,前往主带彗星133P/Elst-Pizarro进行近距离探测。

  

  2002年9月7日,位于Mauna Kea的夏威夷大学2.2米口径望远镜拍摄的R波段(波长0.65微米)影像中观测到的主带彗星133P/Elst-Pizarro。图幅0.5′×1.5′,总有效曝光时间1.1小时 | 参考文献 [6]

  除了小行星采样,火星采样返回也在我国的深空探测规划之中。另一边,即将抵达火星的NASA的毅力号火星车,将在接下来的几年里开始火星采样和封装工作。只不过,这些样品在短期内还无法回到地球——要等到将来的火星返回任务来回收和带回。(详见:NASA毅力号启程奔赴火星,本届火星季圆满落幕https://mp.weixin.qq.com/s/65J_ezCTVeunTaG3YRa4kQ

  

  Mars2020(毅力号)采样返回的超时空接力,(2)(3)(4)任务可以一次完成,也可以分期完成 | 汉化自:Nature News

  在隼鸟2号的巨大成功之后,JAXA则打算继续发挥小天体探测的经验和优势,正在规划中的火卫一采样返回任务MMX(火星卫星探测任务),有望在2025年左右发射。

   

  JAXA接下来的火卫一采样返回任务MMX | JAXA

  随着科技的发展,或许我们有生之年还能看到人类的探测器前往更遥远的地方,带回更远星球的样品也说不定呢。让我们拭目以待吧~

  参考资料:

  [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] 星尘号 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] 隼鸟号 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.

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