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我們的征途是星辰大海:回顧隼鳥二號的億里長征

EASY天文地科小站_96
・2021/01/22 ・4050字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

  • 文/林彥興(EASY 天文地科團隊總編輯,現就讀清大理學院學士班)、黃子權(EASY 天文地科團隊成員,現就讀台大地質系)

日本的小行星探測船「隼鳥二號 Hayabusa 2」於 2014 年搭乘 H-IIA 火箭升空後,經過四年的飛行與重力助推,在 2018 年抵達目的地「龍宮」小行星採集樣本。最終在 2020 年底帶著珍貴的樣本重返地球,完成它長達六年,橫跨數十億公里的星際旅程。

隼鳥二號想像圖。圖/Wikipedia

前輩「隼鳥號」的旅途

在細談隼鳥二號之前,讓我們先來簡單複習一下它的前輩「隼鳥號」的故事。隼鳥號是日本「宇宙航空研究開發機構 JAXA」旗下的無人小行星探測船,於 2003 年發射升空,目標是前往近地小行星「糸川 (25143 Itokawa)」採集樣本並返回地球。

然而,隼鳥號的旅途並不順利,路程中各種差錯與搶救有如電影般曲折離奇……噢不,是真的精采到有被改編成電影,片名就叫做《隼鳥號(はやぶさ/HAYABUSA)》。這些故事也可以在往期的 Pansci 文章中找到。

但無論過程如何,最後隼鳥號仍然排除萬難、成功在 2010 年返回地球。而隼鳥號的勵志故事,對日本各界產生了相當重大的影響,使原本默默無名的隼鳥二號計畫獲得了廣大的支持[註1, 1]。最終,隼鳥二號於 2014 年由 H-IIA 火箭發射升空,展開它前往小行星「龍宮(162173 Ryugu)」的旅程。

隼鳥二號的設計與隼鳥號大同小異。其中最明顯的就是隼鳥二號將隼鳥一號上的碟型通訊天線,換成兩片盤狀的天線。此外,太陽能板、離子引擎與反應輪的設計也經過更新。
圖/DLR German Aerospace Center/JPL

飛向宇宙浩瀚無垠:隼鳥二號的精彩旅途

隼鳥二號任務的簡單回顧。影/DLR Youtube

相較於它命途多舛的前輩,隼鳥二號的旅程幾乎是一帆風順。發射升空四年後,隼鳥二號成功在 2018 年夏天抵達龍宮小行星,展開探測任務。龍宮小行星(162173 Ryugu)是一顆運行軌道與地球十分接近的阿波羅型近地小行星。也就是說,這顆小行星不只離地球近,而且軌道還與地球相交,有可能在遙遠的未來與地球相撞。這樣的危險鄰居,當然值得我們好好了解。

隼鳥二號首先從距離龍宮 20 公里處用它的相機與光達觀察小行星的表面,了解龍宮的大致性質與地形,為接下來的任務打下基礎。經過大半個月的觀察後,隼鳥二號進一步往龍宮靠近,直到距離僅剩 60 公尺處,像運輸機空投傘兵一樣釋放它第一項法寶:四輛「探測車 (Rover)」,分別是日本研發的「Rover 1A (HIBOU)」、「Rover 1B (OWL)」、「MINERVA-II-2」,以及德國航太中心開發的「MASCOT」。

很可惜,MINERVA-II-2 在隼鳥二號前往龍宮的半路就已經故障,因此沒有一起被投放。不過,其他三輛探測車都在投放之後順利降落在小行星表面,進行拍攝照片、分析表面物質組成等工作,讓科學家能夠近距離的觀察小行星的地表組成。

它們名為雖然被稱作是「探測車」,卻不像大家印象中的火星探測車一樣有一排輪子。相反的,HIBOU 和 OWL看起來就像兩個扁扁的圓柱體,MASCOT 更是一個徹底的方盒子。這樣要怎麼在小行星上移動?沒有辦法移動,又怎麼能叫做「探測車」呢?

原來,龍宮表面的重力非常微弱,如果像火星探測車一樣採用輪子的設計,當輪子轉動時,由於缺乏足夠的重力將探測車牢牢抓在地上,整輛探測車很容易因為反作用力而漂浮起來,無法好好的移動。因此科學家們在設計這幾個探測車時,選擇不採用輪子,而是以類似「跳躍」的方式讓它們在衛星的表面移動。這些小探測車為我們帶來數以百計的近距離小行星影像,以及地表溫度、磁場強度等珍貴數據。

開炮!暴力的樣本採集!

釋放了小探測車之後,重頭戲才正要開始。

小行星就像是活化石一般,保留著太陽系形成初期的狀態。因此科學家多年來前仆後繼地派出先進的探測船(比如隼鳥號、OSIRIS-REx 等等),希望帶回小行星的樣本仔細分析,了解太陽系的形成與演化。尤其位於小行星內部,不受太空惡劣環境所影響的樣本更是珍貴。而這,正是隼鳥二號最重要的任務。

隼鳥二號首先在 2019 年 2 月 22 日 第一次下降到小行星表面,像前輩隼鳥號一樣,用它的樣本採集器採集龍宮的表面樣本。但是,該怎麼讓探測器拿到小行星內部的樣本呢?

科學家想出了一個簡單暴力的方法:要不我們朝小行星開一砲,把內部物質炸出來再去採集呢?

恩,他們確實這樣做了。

2019 年 4 月 5 日,隼鳥二號利用其搭載的「Small Carry-on Impactor (SCI)」向龍宮發射了一枚 2.5 公斤的銅製砲彈,在小行星的表面砸出了一個直徑十公尺的隕石坑。經過三個月分析後,選擇了最適合的降落地點,在 7 月 11日下降進行採集,珍貴的小行星內部樣本就這樣到手啦!

隼鳥二號投放 SCI (左圖圓柱狀物體) 以及用於拍攝的攝影機 (右圖圓柱狀物體) 之後,即飛到龍宮的另一側避難。當 SCI 發射結束,準鳥二號才會從安全區探出頭來,回去看看這一炮究竟對小行星造成了怎樣的影響。圖/JAXA
投放-躲避-撞擊-採集的示意動畫。GIF/DLR – German Aerospace Center

最後,在 2019 年 11月,隼鳥二號結束了它的科學觀測任務,帶著它採集的樣本,踏上了返回地球的旅途。經過一年的飛行,隼鳥二號於 2020 年 12 月 5 日,在距離地球 22 萬公里處將裝著珍貴樣本的返回艙往地球釋放,降落在澳大利亞。橫跨數億公里的樣本返回任務,圓滿成功。

成功降落在澳大利亞的樣本返回艙。圖/JAXA

拿了石頭回來要幹嘛?
小行星樣本的科學意義

不過,科學家千辛萬苦的花上好幾年的時光和數千萬美金的預算,從太空帶回這麼多俗投,到底有甚麼用呢?

幾個世紀以來,人類對這些遙遠小行星的研究都仰賴遙測:

利用接收分析天體的電磁波了解天體的各式資訊。但遙測能取得的資訊有限,尤其在研究太陽系演化時,物體形成的時間是一個非常重要的資訊。現行的定年法中,幾乎沒有只透過遙測便能進行絕對定年的手段。想知道岩石的精確年齡,唯一的方法,是將樣本送進實驗室,利用各種儀器進行分析。此外,在能夠精確控制環境的實驗室中分析樣本,往往能得到比遙測更好的精確度。

為什麼要從太空帶石頭回來?圖/Dcard 梗圖

最具代表性的例子,當數 1970 年代的阿波羅系列登月任務。在阿波羅計畫六次成功的登月任務中,太空人除了留下腳印、插上國旗之外,還帶回了一共 381 公斤的月球樣本。利用這些樣本,科學家得以精確的定出月球表面的年代。有了月球表面的精確年代後,物理與地質學家喬治·韋瑟里爾在 1975 年以此為基礎,藉由比較月球與水星的隕石坑大小以及隕石坑密度分佈,推測出在太陽系形成一段時間之後,發生過一段隕石撞擊特別密集的時段,稱為「後期重轟炸期 Late Heavy Bombardment」,對太陽系的形成與演化理論是一大突破。

除了月球之外,1999 年發射的「星塵號探測器 Stardust」採集了 81P/Wild 彗星彗尾的塵埃樣本,讓我們知道這顆彗星中含有大量不同種類的有機物。兩年後,「起源號探測器 Genesis」則採集了太陽風粒子,可惜最後在重返大氣時故障,以失敗收場。

最近幾年,除了本次介紹的隼鳥二號(2014 年發射)以外,還有 OSIRIS-REx(2016 年發射)、嫦娥五號(2020 年發射-成功),以及毅力號(2020 年發射)等瞄準小行星、月球與火星的樣本採集任務。即使上太空如此昂貴,世界各國卻仍前仆後繼的送出探測器,可見樣本採集有多麼重要的科學價值啊!

故事尚未落幕:隼鳥二號的未來

從 2014 年升空開始,隼鳥二號走過了數十億公里的星際旅程,經過看小行星、炸小行星、挖小行星的一系列過程,最終將珍貴的樣本平安送回地球。

於是,隼鳥二號的任務也就此畫下了完美的句點……嗎?

不不不,下一段精彩的故事才正要開始呢!

完成了龍宮小行星採樣任務之後的隼鳥二號,將會繼續它的星際之旅。預計在 2026 年飛掠它的下一個觀測目標「小行星 2001 CC21」,並最終在 2031 年抵達最終目標「小行星 1998 KY26」。沿路上,隼鳥二號還會藉由觀測黃道光,來了解太陽系中的塵埃分佈,並利用凌日法觀測系外行星。究竟展開事業第二春的隼鳥二號會再為我們帶來哪些驚人的科學發現呢?就讓我們繼續看下去吧!

銘謝

感謝國家太空中心歐予恩協助校稿。

註解

  1. Preparing for HAYABUSA’s Successor

參考資料與延伸閱讀

  1. 台北星空 隼鳥二號的龍宮任務
  2. What Happens When You Shoot An Asteroid With An ‘Anti-Tank Weapon’
  3. The Power of Sample Return Missions – Stardust and Hayabusa

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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小行星「龍宮」如何撞碎又重生,與隼鳥2號相遇?
果殼網_96
・2019/05/16 ・4165字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

小行星,是我們追溯太陽系歷史的「時光膠囊」。它們大多是太陽系行星形成時期的留下的碎片,很可能還保留著原始太陽系的成分和資訊。

但是,小行星的個頭太小了,自身又不發光,肉眼幾乎不可能看見(除了灶神星),即使在天文望遠鏡裡,也頂多不過是一個小亮點。想要瞭解小行星的秘密,人們就需要派出使者——探測器,去一探究竟了。

來自日本 JAXA 的隼鳥 2 號探測器,就擔負了這樣一個艱鉅的任務:探訪碳質小行星(C型小行星)——「龍宮」。

C 型小行星是小行星中數目最多,也最為原始的一類。它們被認為是落入地球上的碳質球粒隕石的母體,其中一些可能富含水和有機物。探測這樣的小行星,不但可以幫助我們瞭解太陽系早期的歷史和演化,沒准也能我們尋找地球生命起源提供線索。

2018 年 6 月,隼鳥 2 號抵達龍宮。經過了幾個月的探測之後,隼鳥 2 號團隊迎來了第一個收穫的季節——就在昨天(2019-03-20),《科學》雜誌一口氣刊登了三篇論文,介紹隼鳥 2 號團隊對小行星龍宮的初步探測成果[1-3]。

從一個小亮點,到一整個世界

隼鳥 2 號在距離龍宮 133 萬公里處,首次拍到了它的身影——此時的龍宮還依然只是一個小亮點[4]。然而,隨著隼鳥 2 號一點一點飛近龍宮,隼鳥 2 號攜帶的「十八般兵器」漸漸為我們揭開龍宮的面紗。

隼鳥 2 號 2018 年 2 月 26 日首次拍到的小行星龍宮。來源:JAXA[4]
 

首先是出場的是相機。隼鳥 2 號攜帶了 3 個相機:1 個遠望相機 ONC-T 和兩個寬角相機 ONC-W1 和 ONC-W2,最高可以拍攝毫米級解析度的龍宮表面照片。

隼鳥2號的三個導航相機。來源:JAXA[5]
ONC相機告訴我們,這個直徑約 900 米的小傢伙形狀略扁(赤道半徑 502 米,兩極半徑只有 438 米),長得像個粽子陀螺,赤道有一圈明顯的隆起,這個環繞赤道一圈的隆起後來被命名為「龍王山脊」。龍宮的自轉週期約 7.6 小時,轉軸傾角 171.64°,幾乎就是逆行自轉(轉軸傾角 180°)。

龍宮的東半球和西半球。來源:JAXA

又一個疏鬆的「亂石堆」

通過測量品質和體積,可以計算出龍宮的密度只有 1.19 克/立方釐米(實在是有點低),這並不是因為組成龍宮的石塊本身密度太低,而是因為這些石塊都是「松松」地靠在一起的,彼此之間有很大空隙。

當年,隼鳥 2 號的前輩隼鳥號探測的小行星「系川」就是這樣一顆典型的「亂石堆」(rubble pile)。這種由眾多大大小小的石塊通過自身引力聚集在一起形成的小行星,彼此之間的「粘合力」很弱,質地鬆散,孔隙率自然也很高。

龍宮上的坍塌和物質流動痕跡。(左)浦島坑中的坍塌,(右)黃色箭頭指示重力位從高到低的方向,與龍宮目前的物質流動方向一致。來源:參考文獻[3]
而如果我們假設組成龍宮的顆粒物質密度和碳質球粒隕石差不多的話(其中目前已知密度最低的是 Orgueil CI 隕石,密度 2.42±0.06 克/立方釐米[6]),那麼整個龍宮的平均孔隙率將大於 50%,比小行星系川孔隙率(44%)還要高。也就是說,龍宮也是一顆亂石堆型小行星。

亂石堆型小行星系川和龍宮。來源:JAXA

另一個支持這個觀點的證據是:龍宮表面有許多大石塊。雖然撞擊作用也會產生石塊,但龍宮上的這些石塊不可能是撞擊濺射物,因為長於 20 米的石塊實在太多了(最大的一塊長度約 160 米),龍宮上最大的撞擊坑(直徑約 290 米的浦島坑)也不可能產生這麼大的石塊。

因此,龍宮很可能是一顆直徑約 100 公里的母天體被完全撞碎之後,碎片重新聚集形成的,而龍宮上的這些大石塊也不是龍宮形成之後才產生的,更可能是組成龍宮的原始碎片。

「陀螺」是怎麼形成的?

其實,陀螺狀的近地小行星倒也談不上罕見,天文學家們已經通過地基雷達發現過一些。畢竟,自轉引起的離心作用可以讓赤道區域產生一定的隆起,這也不奇怪(咱們的地球不也是「兩極稍扁,赤道略鼓」麼)。

自轉週期短達 3.9 個小時的妊神星,就因為巨大的離心作用被整個「拉」扁了…快速旋轉的妊神星的假想圖,看得我都暈……來源:Wikimedia Commons

但是,相比於目前已知的其他陀螺狀的小行星,龍宮的自轉速度似乎太低了(7.63 小時),按理說,這樣的自轉速度似乎並不足以引起這麼明顯的赤道隆起。

JAXA 隼鳥 2 號探訪的龍宮,NASA冥王號探訪的貝努,以及歐空局曾經的小行星採樣返回計畫 MarcoPolo-R 想要造訪的小行星 2008 EV5 的大小、形狀和自轉週期,相比之下龍宮實在是轉得太慢了。圖片來源:JAXA、NASA

那麼,一個很自然的猜測就是:龍宮過去一定轉得很快,是後來減速到現在的自轉狀態的。

為了證實這一點,隼鳥2號團隊分析了不同自轉速率下龍宮表面坡度(表面法線和重力等位面的夾角)的分佈。來源:參考文獻[1]
結果反映出,當龍宮的自轉速率是現在的兩倍多的時候,龍宮上會發生大規模「坍塌」,大量物質「流」向赤道區域,形成現在環繞赤道一圈的龍王山脊。然後,隨著自轉的減慢,如今的龍宮赤道上的物質也正重新「流」向中高緯區域。

有點「乾旱」的「龍宮」

「龍宮」這個名字來源於日本民間故事《浦島太郎》(うらしまたろう),故事裡的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮,在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待,回到人間的時候帶回了一個寶盒——寓意採樣返回的隼鳥 2 號也能從小行星帶回珍貴的信息。這個名字的另一個意義在於,C型(碳質)小行星中有幾個亞類可能含富含水,這也非常符合「海底龍宮」的意味。

ポプラ出版社(2018/3/6)童書《浦島太郎》的封面

那龍宮到底是不是這樣呢?隼鳥 2 號的另一件寶貝——近紅外光譜儀(NIRS3)告訴我們好像並不是。

近紅外光譜儀的內部結構。來源:JAXA[5]
如果某個區域含有某種物質成分,那麼這個區域的反射光被光譜儀「分解」之後,就可能顯示出這種成分對應的 V型的特徵吸收。也就是說,光譜儀可以識別許多物質的「指紋」。

龍宮攜帶的近紅外光譜儀 NIRS3 覆蓋了 1.8-3.2 微米的波段範圍,在這個範圍裡,三種不同形式的水:羥基(OH)、液態水和水冰會體現出不同的吸收特徵——如果龍宮含水,就應該會被檢測到。

(左)羥基(OH)、水和水冰在3μm(3000 nm)附近有不同波段有不同的吸收特徵示例。來源:參考文獻[7](右)龍宮的近紅外波段光譜特徵。來源:參考文獻[2]
 

NIRS3 的結果顯示,龍宮只在 2.72 微米處探測到了很窄的 V型吸收,而且遍佈全球——這是羥基(OH)的吸收特徵。也就是說,含羥基的礦物(水合礦物)在龍宮表面普遍存在[2]。然而,龍宮上羥基的特徵吸收很微弱,說明整個龍宮表面的羥基都不多——龍宮上雖然有水(羥基可以認為是結構水,但不同于液態水和水冰),但也沒有多少水。

為什麼會有這麼少的水呢?可能的原因有很多。

  • 一種可能性是,龍宮本身作為一顆重組的亂石堆,很可能經歷過一些熱變質或者衝擊變質過程,類似於經歷過這些的碳質球粒隕石,那麼自然地,龍宮在這個過程中被加熱脫水了。
  • 另一種可能是,龍宮曾經的軌道近日點比現在離太陽更近,會受到更強的來自太陽的熱輻射,也會因為更強的太陽風作用而導致羥基的分崩離析。

總之,就是龍宮可能曾經有過很多水,然後水沒了。

另一種可能是,龍宮可能原本就沒有很多水:龍宮的母體小行星上就(因為種種原因)沒有很多水,所以龍宮先天缺水。隼鳥 2 號專案組更傾向於這種情況。

鄉關何處?

至於龍宮原本來自哪裡?它的母體小行星是什麼樣的?我們依然可以通過光譜特徵這把「指紋鑰匙」來推測,或者簡單來說,尋找什麼樣的小天體和龍宮更像。

以目前龍宮的光譜形態來看,和龍宮光譜特徵最相似的小行星是兩顆主帶小行星:波蘭星(Polana)和歐拉莉婭(Eulalia),從軌道特徵來看,龍宮也很可能是這兩顆小行星之一的碎片。

龍宮和波蘭星(Polana)、歐拉莉婭(Eulalia)的反射光譜。來源:參考文獻[3]
事實上,這兩顆小行星並不是「單打獨鬥」的,它們各自有一個龐大的家族——也就是說一系列軌道特徵相似,可能來自同一顆小行星母體的族群——波蘭星族(Polana family)和歐拉莉婭星族(Eulalia family)(歐拉莉婭星族本身也是波蘭星族的一個分支)。

也就是說,龍宮可能並不直接來源於這兩顆小行星之一的碎片,而可能是它們的二代、三代甚至 n 代碎片。

龍宮的坎坷一生

在隼鳥 2 號抽絲剝繭地偵查之下,龍宮歷經坎坷的一生逐漸浮出水面。

龍宮的母體小行星或許原本是有水的,但後來因為自身內部的放射性物質衰減加熱,或者因為隕石撞擊加熱,讓很大一部分水散失了。也或許是因為母體小行星的水蝕過程才剛剛開始,還沒有形成很多水。

總之,這顆略有點「乾旱」的母體小行星被另一顆飛來的撞擊體完全撞碎,這是太陽系中稀鬆平常的「慘劇」之一。

在這毀滅之中,也孕育著新生──那些撞擊產生的碎片,又聚集成了一個個新的小行星族群。因為碎片在這個撞擊和重組過程中,除了因為撞擊產生的有限的熱變質之外,並沒有發生很大的化學變化,所以它們幾乎還保留著來自母代小行星的「指紋」。

龍宮或許就是這樣的一顆小行星。又或許,那些子代小行星族群中的一顆,又再次被一顆飛來的撞擊體完全擊碎,這些碎片再次重組,成為了龍宮。

龍宮可能的形成過程。來源:參考文獻[3]
我們並不知道龍宮的一生,經歷了多少次俄羅斯套娃式的毀滅和重生。龍宮的這段歷史,也是建立在無數「可能」之上的推測——隨著隼鳥 2 號的進一步探索,我們一定會得到一段更加清晰的歷史,或許和現在的猜測非常不同。

但龍宮這樣的小行星,一定經歷過毀滅和新生交織的「坎坷人生」,或許也註定在某一次撞擊中被完全毀滅。

只是剛剛好在這樣一個時刻,龍宮也在,我們也在,然後我們看到了龍宮。

參考文獻:

  1. S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019).
  2. K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019).
  3. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019).
  4. Hayabusa2 has detected Ryugu
  5. Hayabusa2 Science Data Archives
  6. P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
  7. C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

 

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果殼傳媒是一家致力於面向公眾倡導科技理念、傳播科技內容的企業。2010年11月,公司推出果殼網(Guokr.com) 。在創始人兼CEO姬十三帶領的專業團隊努力下,果殼傳媒已成為中國領先的科技傳媒機構,還致力於為企業量身打造面向公眾的科技品牌傳播方案。

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日本的小行星探測船「隼鳥二號 Hayabusa 2」於 2014 年搭乘 H-IIA 火箭升空後,經過四年的飛行與重力助推,在 2018 年抵達目的地「龍宮」小行星採集樣本。最終在 2020 年底帶著珍貴的樣本重返地球,完成它長達六年,橫跨數十億公里的星際旅程。

隼鳥二號想像圖。圖/Wikipedia

前輩「隼鳥號」的旅途

在細談隼鳥二號之前,讓我們先來簡單複習一下它的前輩「隼鳥號」的故事。隼鳥號是日本「宇宙航空研究開發機構 JAXA」旗下的無人小行星探測船,於 2003 年發射升空,目標是前往近地小行星「糸川 (25143 Itokawa)」採集樣本並返回地球。

然而,隼鳥號的旅途並不順利,路程中各種差錯與搶救有如電影般曲折離奇……噢不,是真的精采到有被改編成電影,片名就叫做《隼鳥號(はやぶさ/HAYABUSA)》。這些故事也可以在往期的 Pansci 文章中找到。

但無論過程如何,最後隼鳥號仍然排除萬難、成功在 2010 年返回地球。而隼鳥號的勵志故事,對日本各界產生了相當重大的影響,使原本默默無名的隼鳥二號計畫獲得了廣大的支持[註1, 1]。最終,隼鳥二號於 2014 年由 H-IIA 火箭發射升空,展開它前往小行星「龍宮(162173 Ryugu)」的旅程。

隼鳥二號的設計與隼鳥號大同小異。其中最明顯的就是隼鳥二號將隼鳥一號上的碟型通訊天線,換成兩片盤狀的天線。此外,太陽能板、離子引擎與反應輪的設計也經過更新。
圖/DLR German Aerospace Center/JPL

飛向宇宙浩瀚無垠:隼鳥二號的精彩旅途

隼鳥二號任務的簡單回顧。影/DLR Youtube

相較於它命途多舛的前輩,隼鳥二號的旅程幾乎是一帆風順。發射升空四年後,隼鳥二號成功在 2018 年夏天抵達龍宮小行星,展開探測任務。龍宮小行星(162173 Ryugu)是一顆運行軌道與地球十分接近的阿波羅型近地小行星。也就是說,這顆小行星不只離地球近,而且軌道還與地球相交,有可能在遙遠的未來與地球相撞。這樣的危險鄰居,當然值得我們好好了解。

隼鳥二號首先從距離龍宮 20 公里處用它的相機與光達觀察小行星的表面,了解龍宮的大致性質與地形,為接下來的任務打下基礎。經過大半個月的觀察後,隼鳥二號進一步往龍宮靠近,直到距離僅剩 60 公尺處,像運輸機空投傘兵一樣釋放它第一項法寶:四輛「探測車 (Rover)」,分別是日本研發的「Rover 1A (HIBOU)」、「Rover 1B (OWL)」、「MINERVA-II-2」,以及德國航太中心開發的「MASCOT」。

很可惜,MINERVA-II-2 在隼鳥二號前往龍宮的半路就已經故障,因此沒有一起被投放。不過,其他三輛探測車都在投放之後順利降落在小行星表面,進行拍攝照片、分析表面物質組成等工作,讓科學家能夠近距離的觀察小行星的地表組成。

它們名為雖然被稱作是「探測車」,卻不像大家印象中的火星探測車一樣有一排輪子。相反的,HIBOU 和 OWL看起來就像兩個扁扁的圓柱體,MASCOT 更是一個徹底的方盒子。這樣要怎麼在小行星上移動?沒有辦法移動,又怎麼能叫做「探測車」呢?

原來,龍宮表面的重力非常微弱,如果像火星探測車一樣採用輪子的設計,當輪子轉動時,由於缺乏足夠的重力將探測車牢牢抓在地上,整輛探測車很容易因為反作用力而漂浮起來,無法好好的移動。因此科學家們在設計這幾個探測車時,選擇不採用輪子,而是以類似「跳躍」的方式讓它們在衛星的表面移動。這些小探測車為我們帶來數以百計的近距離小行星影像,以及地表溫度、磁場強度等珍貴數據。

開炮!暴力的樣本採集!

釋放了小探測車之後,重頭戲才正要開始。

小行星就像是活化石一般,保留著太陽系形成初期的狀態。因此科學家多年來前仆後繼地派出先進的探測船(比如隼鳥號、OSIRIS-REx 等等),希望帶回小行星的樣本仔細分析,了解太陽系的形成與演化。尤其位於小行星內部,不受太空惡劣環境所影響的樣本更是珍貴。而這,正是隼鳥二號最重要的任務。

隼鳥二號首先在 2019 年 2 月 22 日 第一次下降到小行星表面,像前輩隼鳥號一樣,用它的樣本採集器採集龍宮的表面樣本。但是,該怎麼讓探測器拿到小行星內部的樣本呢?

科學家想出了一個簡單暴力的方法:要不我們朝小行星開一砲,把內部物質炸出來再去採集呢?

恩,他們確實這樣做了。

2019 年 4 月 5 日,隼鳥二號利用其搭載的「Small Carry-on Impactor (SCI)」向龍宮發射了一枚 2.5 公斤的銅製砲彈,在小行星的表面砸出了一個直徑十公尺的隕石坑。經過三個月分析後,選擇了最適合的降落地點,在 7 月 11日下降進行採集,珍貴的小行星內部樣本就這樣到手啦!

隼鳥二號投放 SCI (左圖圓柱狀物體) 以及用於拍攝的攝影機 (右圖圓柱狀物體) 之後,即飛到龍宮的另一側避難。當 SCI 發射結束,準鳥二號才會從安全區探出頭來,回去看看這一炮究竟對小行星造成了怎樣的影響。圖/JAXA
投放-躲避-撞擊-採集的示意動畫。GIF/DLR – German Aerospace Center

最後,在 2019 年 11月,隼鳥二號結束了它的科學觀測任務,帶著它採集的樣本,踏上了返回地球的旅途。經過一年的飛行,隼鳥二號於 2020 年 12 月 5 日,在距離地球 22 萬公里處將裝著珍貴樣本的返回艙往地球釋放,降落在澳大利亞。橫跨數億公里的樣本返回任務,圓滿成功。

成功降落在澳大利亞的樣本返回艙。圖/JAXA

拿了石頭回來要幹嘛?
小行星樣本的科學意義

不過,科學家千辛萬苦的花上好幾年的時光和數千萬美金的預算,從太空帶回這麼多俗投,到底有甚麼用呢?

幾個世紀以來,人類對這些遙遠小行星的研究都仰賴遙測:

利用接收分析天體的電磁波了解天體的各式資訊。但遙測能取得的資訊有限,尤其在研究太陽系演化時,物體形成的時間是一個非常重要的資訊。現行的定年法中,幾乎沒有只透過遙測便能進行絕對定年的手段。想知道岩石的精確年齡,唯一的方法,是將樣本送進實驗室,利用各種儀器進行分析。此外,在能夠精確控制環境的實驗室中分析樣本,往往能得到比遙測更好的精確度。

為什麼要從太空帶石頭回來?圖/Dcard 梗圖

最具代表性的例子,當數 1970 年代的阿波羅系列登月任務。在阿波羅計畫六次成功的登月任務中,太空人除了留下腳印、插上國旗之外,還帶回了一共 381 公斤的月球樣本。利用這些樣本,科學家得以精確的定出月球表面的年代。有了月球表面的精確年代後,物理與地質學家喬治·韋瑟里爾在 1975 年以此為基礎,藉由比較月球與水星的隕石坑大小以及隕石坑密度分佈,推測出在太陽系形成一段時間之後,發生過一段隕石撞擊特別密集的時段,稱為「後期重轟炸期 Late Heavy Bombardment」,對太陽系的形成與演化理論是一大突破。

除了月球之外,1999 年發射的「星塵號探測器 Stardust」採集了 81P/Wild 彗星彗尾的塵埃樣本,讓我們知道這顆彗星中含有大量不同種類的有機物。兩年後,「起源號探測器 Genesis」則採集了太陽風粒子,可惜最後在重返大氣時故障,以失敗收場。

最近幾年,除了本次介紹的隼鳥二號(2014 年發射)以外,還有 OSIRIS-REx(2016 年發射)、嫦娥五號(2020 年發射-成功),以及毅力號(2020 年發射)等瞄準小行星、月球與火星的樣本採集任務。即使上太空如此昂貴,世界各國卻仍前仆後繼的送出探測器,可見樣本採集有多麼重要的科學價值啊!

故事尚未落幕:隼鳥二號的未來

從 2014 年升空開始,隼鳥二號走過了數十億公里的星際旅程,經過看小行星、炸小行星、挖小行星的一系列過程,最終將珍貴的樣本平安送回地球。

於是,隼鳥二號的任務也就此畫下了完美的句點……嗎?

不不不,下一段精彩的故事才正要開始呢!

完成了龍宮小行星採樣任務之後的隼鳥二號,將會繼續它的星際之旅。預計在 2026 年飛掠它的下一個觀測目標「小行星 2001 CC21」,並最終在 2031 年抵達最終目標「小行星 1998 KY26」。沿路上,隼鳥二號還會藉由觀測黃道光,來了解太陽系中的塵埃分佈,並利用凌日法觀測系外行星。究竟展開事業第二春的隼鳥二號會再為我們帶來哪些驚人的科學發現呢?就讓我們繼續看下去吧!

銘謝

感謝國家太空中心歐予恩協助校稿。

註解

  1. Preparing for HAYABUSA’s Successor

參考資料與延伸閱讀

  1. 台北星空 隼鳥二號的龍宮任務
  2. What Happens When You Shoot An Asteroid With An ‘Anti-Tank Weapon’
  3. The Power of Sample Return Missions – Stardust and Hayabusa

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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日本隼鳥2號成功登陸「龍宮」小行星!預計 2020 年返回地球
活躍星系核_96
・2019/02/26 ・1525字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/邱彥綸

日本隼鳥2號任務的目的是採集小行星岩石樣本,希望能夠揭開地球上的生命起源奧秘。預計 2020 年返抵地球!

在這張於 2018 年 10 月底所拍攝的影像中,可以看到隼鳥2號的影子投射在龍宮小行星地表的樣子。Credit: JAXA

隼鳥2號的登陸過程

日本的隼鳥2號太空船於日本當地時間 2 月 22 日早上7點49分,由龍宮小行星上方 20 公里的高度成功著陸,由於龍宮小行星目前與地球的距離有 3 億 1000 萬公里遠,下降過程採全自動控制,耗時 23 個小時。隼鳥2號輕緩著陸,接近速度僅每秒七公分左右。如果一切照原定計畫進行,一公尺長的採樣手臂會發射子彈射擊地表,揚起不到 0.1 克重的塵埃,並收集在太空船的樣本艙中,預定於2020 年 12 月返回地球!

太空船會在採樣過程前後拍攝影像,這是確定採樣是否成功的唯一方式。採樣結束後,隼鳥2號會花大約半天的時間返回原本的位置。

為什麼要研究「龍宮小行星」?

圖/jaxa

隼鳥2號是由日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)在 2014 年 12 月發射,並在 2018 年 6 月抵達僅一公里寬的龍宮小行星。之所以會選擇龍宮小行星作為隼鳥2號的採樣目標,是因為它是一顆碳質小行星,這種小行星就像是時光膠囊一樣,保留了太陽系在 46 億年前形成之初的原始物質──甚至比眾行星凝聚而成的時間還要更早!

為了研究這顆極富科學價值的小行星,隼鳥2號在軌道上就已經對整顆小行星進行測繪工作,也在 2018 年底送了三輛小型探測車到龍宮小行星上,今年也還會再送出第四輛探測車。

有隼鳥2號,那1號呢?

由畫家J.R.C. Garry繪製的隼鳥1號及其儀器。圖/wikipedia

其實隼鳥2號最重要的任務並不是登陸小行星本身,而是要從小行星上採集岩石樣本返回地球,它所使用的儀器與前輩──隼鳥1號類似。隼鳥1號是史上第一個小行星採樣返回任務,在 2010 年 6 月帶著糸川小行星的岩石樣本戲劇性地返回地球

只是它的目標糸川小行星是顆岩質小行星,這種小行星的歷史就沒有碳質小行星那麼古老了!先前隼鳥1號採樣過程並不如預期的順利,返回地球的旅途也充滿意外和艱辛。研究人員在隼鳥1號送回地球的微量樣本中,並沒有找到任何有機物的蹤跡。但這回科學家對碳質的龍宮小行星充滿信心,認為有相當大的機會能找到有機物這兩樣對生命至關重要的物質。

隼鳥2號接下來的計畫?

隼鳥2號原先的計畫,是要在龍宮小行星上三個不同的地點登陸並進行採樣,但由於小行星的地形比想像中更為崎嶇不平,科學家或許只會再進行另一地點的登陸和採樣工作。太空船預定在四月之後,往小行星表面以每秒兩公里的速度射出重達一公斤的撞擊器,造成寬度兩到三公尺的撞擊坑,接下來研究團隊將會決定是否要在此登陸,並採集撞擊坑內──也就是小行星內部物質的樣本!隼鳥2號將在 2019 年底離開龍宮小行星,並在 2020 年底返回地球,帶回珍貴的時空膠囊,交給科學家進行研究。

為什麼要研究小行星?

科學家希望能夠藉由這樣的直接採樣,研究小行星或是彗星是否為早期的地球帶來了水和其他與生命有關的重要物質,像是胺基酸等有機物,或許就能解答地球生命的起源之謎。此外,我們還能對小行星樣本進行同位素成分的分析,以更確定太陽系的形成時間和歷史!

參考資料:

延伸閱讀:

活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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為愛與夢想燃燒的はやぶさ-隼鳥號(下篇)
活躍星系核_96
・2012/10/12 ・1772字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

文 / 台南隊長

很多人一定都很想知道,在隼鳥號犧牲自己前所投射的密封艙內究竟有沒有「糸川」行星上的樣本。

在隼鳥號變成火焰消失在地球大氣層的第二天6月14日16:38,科學家們在澳洲的沙漠找到了俗稱為「卵」的密封艙,並且立即將它帶回日本相模原進行開封檢查作業。

10天後答案揭曉,在「卵」的A室中有不屬於地球物質的行星樣本!!!!!

2010年 06月18日 科學家們取出樣品艙內的容器,進行電腦斷層掃描(CT)。由於容器為密閉狀態,僅能確認沒有大於1mm的樣本存在(此時不確定內部是否有其他樣本)。

06月24日 JAXA會同美國太空總署(NASA)的研究人員對樣本容器(A室)進行開封,此時正式確認內部有微小行星樣本。

07月06日 嘗試從樣本容器中取出微小樣本。

11月16日 確認採取的樣本為非地球物質,並且發表小行星25143「糸川」形成的方式。同時也公布在隼鳥帶回地球的容器中發現了1500顆從小行星帶回的微粒。這些是人類首次從除月球之外的宇宙天體取回樣本。

12月07日 對樣本容器(B室)進行開封,以肉眼確認內部無樣本。

2011年 01月17日 發表日後對樣本分析的初步計畫。1月22日起在日本兵庫縣的「SPring-8」研究中心進行初步分析。

3月10日 日本宇宙航空研究開發機構的研究小組在美國德克薩斯州的『月球與行星科學大會』上,首次對外公布隼鳥號帶回的微粒的初步分析結果。研究人員發現微粒中存在橄欖石、斜長石等岩石的大型結晶;研究人員認為,這些岩石可能曾經歷高溫。同時,他們還發現,微粒與地球上發現的一種隕石特徵一致,而且微粒受熱後產生的氣體不具備地球物質特徵。此外,在對岩石的檢測中未檢出有機物、碳元素等與生命有關的物質。

隼鳥號返回地球之前,日本政府對於其科學計畫評鑑抱持懷疑的態度,故JAXA等科學界預算遭到大量刪減,令隼鳥號的後繼機隼鳥2號因預算嚴重不足而導致計畫停擺,在隼鳥號回歸之後,民間開始出現「希望隼鳥號後繼機的預算能夠被保留」的聲音,也在日本政界掀起一波重新檢驗研究評鑑成果的聲音。

はやぶさ2予算増額の嘆願署名

初號機:隼鳥號太空研究計畫團隊主持人:川口淳一郎
後繼機:隼鳥2號太空研究計畫團隊主持人:吉川真

川口博士舉行隼鳥號返回地球記者會

http://www.youtube.com/watch?v=9OoMEPArIQY

隼鳥號與M-V火箭發射畫面 1:06

後記:

文章寫完坐在桌前,突然覺得有一種旅行突然結束才會有的惆悵…似乎我已經跟著はやぶさ去了一趟宇宙…
像這樣的文章在台灣是不吃香的話題,沒有人會討論;也不太有人在意…但是還是很想寫。
在不知不覺竟然寫了五天的過程中,最讓我在意的是有沒有人看得懂?
如果可以,我很希望這是一篇連小學生都看得懂的專題。
因為再冷的科學知識都有傳遞下去的必要,如此這個國家才會有競爭力!
如果有一天有個小孩子可以在自然課上大聲告訴其他小朋友隼鳥號的故事,那麼我一定會感動到流下眼淚。

註、本文主體引用下列網站資料:

  1. 「はやぶさ」サンプルコンテナ開封作業を開始
  2. JAXA、はやぶさカプセルのB室を開封 – 肉眼で確認できるサイズの粒子は無し
  3. 「はやぶさ」地球帰還 微粒子は小惑星「イトカワ」のものと確認
  4. 小惑星探査機「はやぶさ」(MUSES-C)
  5. 隼鳥號-維基百科

為愛與夢想燃燒的はやぶさ-隼鳥號(上篇)

轉自《台南海軍航空隊》,作者台南隊長授權刊載。

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