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造访危险邻居：欧西里斯的贝努采样返回任务

2016 年 9 月 8 日，欧西里斯探测器（OSIRIS-REx）由擎天神五号火箭发射升空，追随着前辈们 ── 隼鸟号与隼鸟二号 ── 的脚步，前往近地小行星贝努（101955 Bennu），执行人类史上第三次的小行星取样任务。

经过两年多的飞行，欧西里斯号于 2018 年底成功抵达贝努，并在几个月后成功采集样本，预计在今年 9 月 24 号返回地球。透过采集小行星上的原始样本，科学家将能够推论 46 亿年来太阳系的演变历史，但除此之外，欧西里斯探测器也在环绕贝努的过程中进行了众多观测，也为小行星研究贡献许多，现在就让我们回顾欧西里斯号的浩瀚之旅!

欧西里斯基本介绍

欧西里斯想象图。图/NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

要了解欧西里斯号的观测目标，我们只需要把他的英文全名摊开来看：

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻译作太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者。其缩写欧西里斯，是埃及神话中的冥神。尽管你可能无法了解各个专有名词，但在看过那么长的名字后，应该也能知道欧西里斯探测器的任务可不仅是采集样本而已。

欧西里斯号的目标是小行星 101955 号“贝努”。

这是一颗于 1999 年由林肯近地小行星研究小组（LINEAR）发现的近地小行星。之所以选择贝努作为观测目标，是因为贝努的轨道与地球十分接近，有撞击地球的潜在风险，另一方面距离近，也可以让探测器在较短的时间内抵达。

值得一提的是，“贝努”这个名字源自古埃及神话的神鸟，同时也是引领前往冥界的诸神之向导。同时，贝努小行星上的各式地形或是地点，也都是以不同神话中的鸟类来命名。

贝努的表面地图，图中的地名皆与鸟类神话有关。如 Strix 来自罗马神话中的条纹鸟、Simurgh 则来自波斯神话中的西摩格鸟。图/NASA/Goddard/University of Arizona

在发射后过了两年，2018 年，欧西里斯号逐渐接近贝努，并以相机模组中的 8 寸望远镜（Polycam）不断进行观测，直至十二月成功抵达贝努。

而抵达后的第一项任务，就是详细绘制全小行星的地图，过去科学家曾经透过金石太阳系雷达来（GSSR）来探测贝努的模样，但地面上的雷达虽然可以看到贝努的大致形状，解析度却仍不足以窥见小行星上详细的地形起伏，也就无法事先决定采集样本的地点但藉由探测器上携带的雷射测高仪（OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA），欧西里斯号得以透过发射雷射讯号与接收的时间差， 像是测量海底深度的声纳一样，绘制全小行星的地形高度图。另外其配载的高解析度相机（MapCam），也可以让科学家一览高解析度的贝努影像。

雷射测高仪测量过程示意图。图/NASA/Goddard/University of Arizona

除了解地形以外，决定采样地点时，另一项重要的考量是采样地矿物或化学组成。正如同地球上各处的岩石化学组成不尽相同，不论是含水量、颗粒粗细程度以及有机物的有无，皆是采样任务执行时需要考量的情况。于是，欧西里斯号使用了三种方法来探测小行星表面上的矿物。

第一种方法是透过风化层 X 射线成像光谱仪（Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS）来观测 X 射线光谱。读者或许会想，X 射线多用来观测高能天体的辐射，像是黑洞、超新星爆发等事件，并且小行星本身也不会发出 X 射线，为何要携带这样的探测仪器?

事实上，当元素吸收到宇宙射线或太阳所发出的 X 射线时，内层的电子会吸收能量并游离，而外层的电子便会向下跃迁，补上原本内层电子的位置，更外层电子又再补上外层电子的位置。在这一连串的过程中，便会发出 X 射线。而由于每个元素的能阶都是独一无二的，藉由观测X射线的光谱，我们便能了解小行星上各处的元素丰度。

这样的分析方式被称作 X 射线萤光分析（X-ray fluorescence, XRF），是一种非破坏性的元素鉴定方式，地质考察、考古甚至是博物馆文物鉴定都常利用此方式进行探测。

REXIS 仪器。图/REXIS Team / The planetary society

另外，欧西里斯号上还配戴可见光与红外线分光仪（OVIRS），也能够获取小行星可见光与红外线波段的光谱来辨别来辨别矿物或是有机物的种类。并且由于不同矿物的热导率差异，欧西里斯还可以藉由热辐射光谱仪（OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES）扫描全小行星的热辐射地图来了解矿物与化学丰度。

热辐射仪也可以更进一步用于研究小行星上的热量传输问题。当小行星吸收太阳光后将以辐射的方式将能量释放时，其光压会给予小行星一个微小的作用力。在经年累月的作用下，便会对其轨道产生改变，此现象称之为亚尔科夫斯基效应（Yarkovsky effect）。

由于亚尔科夫斯基效应的强弱会受到小行星的反照率、表面材质甚至是地形而影响，如果对小行星不够了解，那预测小行星轨道的难度将大幅提升。因此欧西里斯号的近距离探测，对精准预测贝努的轨道非常重要。

样本采集：欧西里斯与贝努的零距离接触

在近两年的搜集数据后，欧西里斯号便开始执行此次任务的最终目标：采集样本。

一开始，科学家们有四个候选地点：夜鹭（Nightingale），此处位于年轻的陨石坑上，且具有最细颗粒的矿物;翠鸟（Kingfisher）为新的陨石坑并具有丰富的含水量;鱼鹰（Osprey）具有较低反照率的岩石样本;鹬（Sandpiper）位于两个陨石坑之间，可能含有水合矿物。

在科学家挣扎的选择后，最终决定在名为“夜鹭”的地点进行采样。因为此处较年轻的地质特性，能够让我们采集到贝努更原始的样本，以此探讨贝努在太阳系闯荡时所遗留的痕迹，再加上较细的矿物也能让执行任务时能有较高的成功率。至于其他候选地点，只能说后会有期了。

NASA所选定的四个样本采集地点之照片。图/NASA/Goddard/University of Arizona

2020年10月20号，欧西里斯号伸出他的机器手臂，名为 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism（TAGSAM），顾名思义便是碰一下小行星表面后便离开。其运作原理，是在碰触到小行星表面时释放加压氮气产生爆炸，再搜集飞散出来的碎屑样本。

说起来虽然简单，但降落在微小重力的且未知内部构造的小行星上其实非常困难，科学家们需要考量到所有可能影响的作用力，甚至是太阳光所造成的辐射压都必须考虑进去。

现在，想象你是个科学家，坐在任务的控制室中，透过相机模组中的 SamCam，望着欧西里斯号逐渐靠近小行星，3，2，1⋯⋯，碰!（状声词，事实上，太空中是没有声音的。）

Touch-And-Go任务的执行过程。图/NASA/Goddard/University of Arizona

采集任务看似十分成功，欧西里斯号将 TAGSAM 的顶端放入样品返回舱（Sample Return Capsule, SRC）中，SRC 也使用了众多隔板将散落在太空中的碎屑放入其中，两天后，欧西里斯号回传了样本采集舱的影像，确认欧西里斯号已搜集足够的样本，但此时却发现了些意外，由于采集的样本太大颗，舱门无法完全紧闭，导致有部分样本散逸至太空中，还好这不影响任务的完成，算是有惊无险。

小行星的样本从样品返回舱中散逸。图/NASA/Goddard/University of Arizona

2021 年 4 月 7 日，欧西里斯号展开他的最后一次飞越任务，此次他以超近距离（约 3.5 公里）观测“夜鹭”在采集后的模样，可以清楚看见采样任务前后的区别，中心区域产生了一个深度超过45厘米的凹痕! 周围的岩石也因此错位。

过去天文学家们透过众多观测数据推论，大多数的小行星比起坚硬的石头，更像是散乱的碎石堆。后来科学家们也透过此次采样任务确认贝努表面并非像是地壳般的坚硬固体，而比较像是流体般，才产生如此大的凹痕。

“夜鹭”在采样任务前后的差异。图/NASA/Goddard/University of Arizona

在做完惜别任务后，2021 年 5 月 10 号，欧西里斯号启动了他的主引擎，开始返回地球的旅程。预计在今（2023）年 9 月 24 号，装载着贝努样本的样本返回舱将与欧西里斯号脱离，并以秒速 12 公里的高速冲入地球大气层，并着陆于犹他州的沙漠中，由研究人员回收后取出样本进行更近一步的分析。

然而欧西里斯号的旅程仍尚未结束。

接下来它将在 2029 年对另一个有潜在撞击地球风险的小行星 99942 阿波菲斯（APophis）进行观测。就让我们欢迎冥神与他所携带的样本归来，以及期待未来科学上的重大发现吧!