火星、小行星和彗星的深空探测

 

最近几年来,世界各空间大国起了太阳系深空探测的热潮,先后对月球、火星、小行星、彗星等太阳系天体进行了全方位、多手段的探测工作,深入研究各天体的地质特性和所处的空间环境,探索行星系统的形成和演化历史,寻求解决太阳系起源和生命起源的最基本问题。在阿波罗登月计划25年后,美国又展开了重返月球的探测活动,1994年的“克莱门汀”(Clementine)和1998年的“月球勘探者”(Lunar Prospector)探测计划对月球进行了全面细致的探测工作。我国也已实施启动了“嫦娥工程”探月计划,目的是要获取月球的三维立体图像和勘察月球表面多种化学元素的分布特点和规律。在火星探测方面,从1996年的“火星全球勘探”(Mars Global Surveyor )1997年的“探路者”(Pathfinder),2001年的“奥德赛”(Mars Odyssey),到最近的 “机遇号”(Opportunity)和“勇气号”(Spirit)火星车,探测工作取得了圆满的成功,获得了大量的科研数据,涌现了一系列的新发现,为人类认识和了解火星作出了巨大的贡献。2004年初欧空局发射了“罗塞塔”(ROSSETA)彗星着陆器,最近“卡西尼”(Cassini)号探测器又成功地进入了土星轨道,这些事件将空间探测活动推进到了一个新的时代。在月球和火星探测热潮的同时,小行星深空探测工作也引起人们的重视,探测活动从早期的近距离飞越(1991Galileo计划),到小行星低空绕轨勘探(2000NEAR计划),发展到目前的小行星表面软着陆和采集样品计划。

火星 探测是当今国际深空探测的一个热点。火星和地球有很多相似之处:火星也有大气层,低温层和岩石圈,曾经有河流和水圈。但我们不知道火星是否曾经形成过一个生物圈,或者说,一个适合生命存在的环境。一个重要的科学问题是为什么火星失去了水圈,这样的地质过程在地球上会不会发生?当前火星探测的重点是寻找火星水源和生命迹象,并准备火星样品的回收工作。我们将对以往和将来的国际火星探测计划的科学目标作综合性的分析和评估,提出我国火星探测的具体科学目标。火星有两颗卫星,Phobos Deimos,其半径分别为2212公里。它们的轨道半径分别为938023460公里,是距行星最近的卫星,绕火星运动的周期为0.3191.263天。它们都同步自转,即自转周期与绕转周期相同,以一固定侧面对着火星。Phobos Deimos的表面反照率很低,密度也很低,其物质组成可能为富碳质,与C型小行星相似。现在它们的起源还是一个谜:它们是和火星一起形成的,还是小行星被火星捕获成为它的卫星?为了不重复别人的工作,同时能提高深空探测技术并有所创新,我们可发射探测器到火星的两颗卫星上(PhobosDeimos)。这样,它就相当于绕火星绕转的飞行器,既能探测火星及其空间环境,又能探测火卫的化学组成和物理性质。这将与欧美的火星探测计划互补,便于参与国际合作。

 

小行星 的数量很多,按其在太阳系中运行的位置可分主带小行星、近地小行星 (NEAs) 和特洛伊小行星。最值得注意的应该是近地小行星,据估计直径大于1公里的有2000颗,直径大于0.1公里的有565,000颗!目前已发现了约500颗对地球构成潜在危害的小行星(Potentially Hazardous Asteroids, PHAs)NEAs的发现、跟踪监测、研究其轨道演化,进而发射探测器直接测定其形状大小、结构、成份、磁场等并采集样品回归地球,既可为应对可能的撞击事件提供科学依据,也可了解太阳系早期形成的历史。

按小行星表面的反射光谱,可分为几大类:S型,M型,K型,C型,D型等等。小行星的反射光谱反映了其表面的物质组成。比如:S型小行星的表面主要成分为硅酸盐与金属铁;M型主要为金属铁;C型的化学成分与太阳的平均组成很相似(挥发性组分除外)。不同类型的小行星是由于其内部发生了不同程度的熔融分异的结果,反映了太阳系的演化历史。小行星在漫长的太阳系演化过程中,相互发生碰撞并破裂成众多碎片。有些碎片进入地球重力场而陨落为陨石。因此,陨石是我们研究小行星以及太阳系的珍贵样品。目前全世界已收集到3万多块陨石样品,其中80%是普通球粒陨石,其余为碳质球粒陨石,顽辉石球粒陨石和分异陨石(无球粒石陨石,石铁陨石,和铁陨石)。长期以来,人们试图寻找陨石与小行星的关系,如果能确定某种陨石来自某一特定类型的小行星,那么研究这些陨石样品就能了解小行星的形成,内部分异和演化历史。按一般常理,普通球粒陨石的小行星母体应该普遍存在于小行星带内,因为普通球粒陨石是最常见的陨石样品。然而,长期以来的天文观测并没有在小行星带中找到与普通球粒陨石的反射光谱相似的小行星。这是当今行星科学面临的一大困惑,因此寻找普通球粒陨石的小行星母体也成为行星科学的一大科学目标。

目前有两种理论来解释普通球粒陨石的小行星母体的失踪问题。一种理论认为,普通球粒陨石的小行星过去曾经主导于小行星带,后因受热作用而发生熔融分异,其表面被硅酸盐和金属覆盖,而形成S型小行星。另一种理论认为,目前所观测到的所有S型小行星,其中2550% 是由普通球粒陨石物质组成,但是由于受空间风化作用的影响,其表面的反射光谱发生了变化,并不像普通球粒陨石的反射光谱,反而与S型小行星的相似。

S型小行星由什么物质组成,仅仅依靠实验室陨石的反射光谱分析和地面天文望远镜的小行星反射光谱观测是不足以解决这个问题的。太空探测器对小行星的近距离和零距离观测有望能提供新的线索。到目前为至,太空探测器已造访了三颗S型小行星,951 Gaspra243 Ida433 Eros。初步的观测结果表明,Ida Eros可能由普通球粒陨石物质组成,但经历了严重的空间风化。Gaspra 则可能由分异陨石物质组成。由于这些太空探测器离小行星的距离较远(几百到几千公里),观测数据的精确度不够,不能准确确定S小行星表面的橄榄石,辉石和金属铁的含量。因此,未来小行星太空探测器应采用软着陆到小行星表面,直接测定其表面的岩石化学组成,并采集适量样品返回地球。

彗星 是太阳系中最古老最原始的天体,保留了大量早期太阳系形成的信息。它们是由太阳系原太阳和行星形成后的剩余物质所组成,富含水,有机质和易挥发性组分。它们是太阳系中最富含有机质的天体,并可能含有组成生命的基本单元,对地球的生命起源有重要影响。太阳系早期,彗星不断撞击行星,带来了水和有机物,对行星大气和海洋的形成起重要作用。彗星的组成是冰雪、尘埃粒子和冷冻气体,形状不规则,直径不超过10公里。一般沿着扁率很高的椭圆轨道绕太阳运动。当它趋近太阳时,就会消融、汽化,继而喷发气体和尘粒,形成可观测到的巨大的彗尾、彗发和彗核。由于受木星等的摄动,彗星会与大行星轨道相交,甚至与其相撞,引起行星的气候和生态环境的变化。科学家相信,6500万年前小行星或者彗星与地球相撞使恐龙灭绝;九年前的彗木相撞,人们更是记忆犹新。彗星还可能会为人类征服太阳系的旅途中提供能源,因为彗星中50%是水,水可以分解为氧气和氢气,这两种物质都是火箭最佳的燃料。因此,彗星有可能在不久的将来成为人类征服太空的加油站,并为深空探测提供能源。

 

深空探测的科学意义

1)    研究行星和太阳系的形成过程和演化历史;

2)    研究小行星轨道演化的机制,以及近地小行星撞击地球的潜在危险;

3)    小行星碰撞地球的动力学机制,以及对地球生命的影响;

4)    建立小行星与陨石之间的直接关系;

5)    寻找地外原始有机分子(如:氨基酸)对地球生命起源的意义;

6)    研究地球生命以前的物理化学过程;

7)    研发新的太空技术,促进高技术和新材料的开发;

8)    研究太阳高能粒子的作用和影响;

9)    寻找可开发利用的空间自然资源;

10)普及科学文化知识,提高全民科技素质。

 

 
美国宇航局深空探测计划
火星探测中心
NEAR小行星探测计划
MUSES-C小行星样品回收计划
Dawn小行星探测计划
Hera小行星探测计划
彗星探测计划
探月计划报告
拉曼光谱探测器
 

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网页更新日期:2004年8月