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林杨挺等-SSR:小天体采样返回任务的科学目标:太阳系诞生的最初1000万年
2020-04-30 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  小行星和彗星等小天体的轨道易于改变,常撞击地球。小的(直径小于10-20 m)小行星进入地球大气,即为常见的火流星,其残留的石块被发现后即是陨石;如果小行星的直径超过百米,其撞击将会造成区域性破坏,乃至全球性的大灾难。恐龙灭绝很可能就是源于一次大的小行星撞击事件。小天体撞击地球是一种低概率但可导致灾难性后果的事件,因此小行星的监测、预警和防御关系到人类的共同命运。另一方面,进入21世纪,太空资源逐渐成为一个重要议题,关系到人类社会的可持续发展战略。所有这些重大需求的满足,都将建立在长期的小天体探测和研究基础之上 

  小天体是太阳系形成过程残留下的化石,是构建地球等行星的砖瓦。小天体探测是揭示太阳系形成过程的主要途径。但是,小天体的特点是数量巨大(登记在案近一百万颗,并且总数还在不断增长)、空间分布广(从靠近太阳,到火星与木星之间的小行星带,到海王星以远的柯伊伯带)、组成多样(除彗星主要成分为冰外,小行星可由金属和各种岩石组成),因此选择重要目标和规划探测路线对于小天体的探测至关重要。 

  中国科学院空间科学先导专项设立小天体采样返回背景型号课题,拟通过对太阳系形成和演化的关键科学问题进行深入研究,凝炼小天体探测的科学目标,确定系统探测小天体的路线和重要目标,并研发低成本小天体探测的关键技术。该课题由中科院地质与地球物理所林杨挺研究员任负责人,参与单位包括中科院地质与地球物理所、国家天文台、紫金山天文台、地球化学所、上海微小卫星创新研究院、空间应用工程与技术中心、国家空间科学中心、沈阳自动化所、上海技物所、西安光机所等单位。20204月国际权威学术期刊Space Science Reviews发表了林杨挺等人撰写的题为小天体采样返回任务概念:太阳系的第一个1000万年演化的研究成果。 

  太阳系的形成按时间顺序划分为星云凝聚、星子生长、行星胚胎形成、原始行星形成等不同阶段,其中最初的1000万年(包括星云凝聚和星子生长阶段)至关重要,奠定了太阳系物质在空间上的分布。林杨挺等提出这一过程最重要的7大科学问题: 

  1)太阳星云的初始状态;

  2)不同氧化-还原条件下的星云凝聚;

  3)星云中的加热事件; 

  4)星云盘的物质迁移和分异; 

  5)星子吸积及后期变质; 

  6)内-外太阳系的分离; 

  7)星云盘中有机质的分布与演化。 

  小天体的探测任务要围绕这些重大问题进行设计,其中目标小天体的选择要求满足2个重要原则: 

  1)选择最原始的小行星,以避免小行星形成之后的加热和水蚀变等事件抹除了星云过程的记录。碳质小行星富含水和有机质,通常是小行星探测的首选目标。但是,这类小行星往往经历了强烈的岩石与水的反应,将大部分星云阶段的产物破坏殆尽; 

  2)选择不同光谱类型的小行星,代表太阳星云盘不同位置的样本,这样才能构建太阳星云盘的三维模型,得到一幅由均匀的星云逐渐演变成为高度分异的太阳系的图像。 

  但是,国际上倾向于选择碳质小行星,而它们全部形成于木星以远的外太阳系区域。地球和类地行星均属于内太阳系,它们与外太阳系天体具有完全不同的同位素组成。为了描绘太阳系第一个1000万年的形成过程,林杨挺等提出选择4大类型原始的小天体作为探测目标,分别代表太阳星云盘的关键位置(图1 

  1)可能最靠近太阳的E-型小行星(也被划分为Xe-型)

  2)可能靠近木星内侧的L-型小行星

  3)木星外侧的C-\P-\D-型小行星

  4)最远的彗星 

  其中,L-型小行星的光谱特征与太阳系最古老的集合体(代表了太阳系形成的起点)相似,很可能是一种非常富集这些最古老样本的特殊小行星。在设计小天体采样任务路线图的基础上,提出先期任务将E-型小行星作为首选目标,将L-型小行星作为备选目标的策略,不仅技术上可行,任务周期短,并且在科学目标上与日本和美国正在进行的碳质小行星采样任务有最大的互补性。在探测技术上,提出多点触碰采样方案,降低任务的风险,并且采集小行星不同区域的样品,借助高精度的同位素分析技术,示踪小行星的生长过程和物质来源。同时,对小天体采样任务的主要风险、小行星样品的保存和处理、超低温彗星采样和保存的技术挑战等进行了分析,并提出相应的解决方案。 

1 小天体采样返回任务概念

  研究成果发表于国际权威学术期刊Space Science ReviewsLin Y*, Zhang Y, Hu S, Xu Y, Zhou W, Li S, Yang W, Gao Y, Li M, Yin Q, Lin D, and Wing I. Concepts of the Small Body Sample Return Missions - the 1st 10 Million Year Evolution of the Solar System[J]. Space Science Reviews, 2020, 216:45.原文链接 

 
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