“天问二号”飞天，奔赴隐秘小世界

在太阳系中，除了太阳、八大行星和以冥王星为代表的矮行星外，还有大量的小行星和彗星。这些小天体虽然看起来微不足道，但在它们身上却可能隐藏着能够揭开太阳系形成、行星演化和生命起源等一系列重大谜团的关键线索。国际天文学界已经对小行星和彗星开展了长期、深入的研究，近年来我国也开始把这一领域作为空间科学的重点研究方向。

“天问二号”探测器艺术想象图。（图片来源：国家航天局）

2025年5月29日1时31分，“天问二号”探测器在西昌卫星发射中心顺利发射升空，开启一场为期十年的“追星之旅”。它的目标是通过一次发射，实施小行星2016HO3伴飞、取样、返回和主带彗星311P伴飞探测等多项任务。这些任务具有重大的开创性意义，迈出了我国空间科学的历史性一步。

精心选择探测目标

截至目前，天文学家已经发现了超过100万颗小行星和为数众多的彗星。作为我国首次小行星探测任务，“天问二号”从节约成本、提高效率的角度出发，计划用一次任务对两个目标进行探测，而这两个目标的选择都经过了精心考量。

在大量的小行星中，有一类被称作近地小行星，这是一类轨道近日点距离在1.3AU（1AU=1.496×108千米，即日地平均距离，称为1个天文单位）以内的小行星。这类小行星距离地球较近，可能对地球构成潜在的威胁。天文学家已经发现了超过3万颗近地小行星，它们处于不同的演化阶段，具有不同的科学研究价值。

大部分近地小行星的轨道呈椭圆形，只有很小的一部分处于与地球共轨的状态。这些地球共轨小行星又包括地球准卫星、特洛伊小行星与马蹄形轨道小行星三类，其中地球准卫星的数量最为稀少，它们因为能稳定地运行于地球轨道附近而得名。地球准卫星是研究太阳系早期物质组成、形成过程和演化历史的“活化石”，被认为具有极高的科研价值，但目前研究人员对它们的了解还十分有限。例如，他们还不确定这类小天体是地球或者月球遭到撞击形成的碎块还是后期被地球捕获的小天体。研究人员希望能够通过环绕器对这类天体进行热辐射测量、表面测绘、成分分析和内部结构探测，并通过采样返回对样品进行进一步分析，从而对这类小天体的热辐射状态、表面特征、成分、密度等信息获得更加全面的了解，借此回答它们的起源和轨道演化等关键问题。

地球与小行星2016HO3环绕太阳的轨道示意图。（图片来源：NASA）

截至2023年12月，天文学家一共只发现了5颗地球准卫星。“天问二号”此次探测的目标小行星2016HO3，就是第5颗被发现的地球准卫星，也是其中最特别的一颗。这颗直径为40-100米的小行星的轨道半长轴为1.001AU，因此它绕太阳公转的周期为365.4天，与地球的公转周期365.25天几乎完全一致。经过计算机模拟，天文学家发现在过去的100年里，这颗小行星与地球始终保持着轨道共振，而这种状态还将持续约300年。轨道共振使它与地球“若即若离”：它同地球的最远距离为4000万千米，不会脱离地球的引力影响；但同地球的最近距离也有1400万千米，所以不会像月球一样真正成为地球的卫星。

2016年4月27日，美国全景巡天望远镜和快速反应系统（Pan-STARRS，又称为“泛星计划”）位于美国夏威夷哈雷阿卡拉山上的望远镜发现了这颗小行星。它在被发现后获得临时编号2016HO3，还被命名为Kamo’oalewa，这个词在夏威夷当地语言中的意思是“振荡的天体”，暗示了它特别的轨道性质。后来，这颗小行星获得国际天文学联合会认证的永久编号469219。它同地球的距离较近，对地面测控的要求较低，同时转移轨道需要的能量也较小，适于进行就位探测和采样返回，因此被选为“天问二号”的探测目标。

虽然同为太阳系中的小天体，但传统上小行星和彗星被认为具有明显的不同，二者的动力学特性、观测特性和成分特性都具有自身鲜明的特点。此外，这两类天体的主要分布区域也不同：除了近地小行星外，太阳系内超过90%的小行星都位于火星和木星轨道之间的小行星带中，这些小行星也被称为主带小行星；而彗星则主要存在于遥远的太阳系边缘，包括柯伊伯带和奥尔特云中。

不过，随着研究的深入，研究人员发现小行星和彗星并非截然不同的两类天体，一类被称作主带彗星（或称冰质小行星、活跃小行星）的天体就是二者之间的过渡形式。这类天体兼具二者的特征，即具有小行星的轨道特征和彗星的物理特征。截至2023年12月，天文学家发现的主带彗星仅有15颗，他们对这类天体的研究还处于起步阶段，主带彗星的起源和形成、主带彗星的挥发成分等一系列问题都有待进一步的研究。

“天问二号”将要探测的主带彗星311P是由“泛星计划”望远镜于2013年8月发现的，它是天文学家确认的第7颗主带彗星。这颗主带彗星的直径为320-585米，轨道位于小行星带内侧，环绕太阳的公转周期为3.23年，最近距离太阳1.94AU，最远距离太阳2.44AU。天文学家在发现311P时观察到它具有与彗星相似的多条尘埃喷发尾迹，但拥有小行星的稳定轨道。2013年的观测显示，它喷发的尘埃在太阳风的作用下，展开成6条螺旋状尾迹。

“天问二号”对311P开展绕飞探测，将有助于天文学家探究主带彗星这类小天体的物质组成、结构以及演化机制等问题，填补太阳系小天体研究领域的空白。其中一类关键问题是，主带彗星的尘埃中是否含有水分子以及这类小天体是否普遍存在？如果在小行星带中存在大量富含水冰的主带彗星，则很有可能改变我们对地球海洋起源的现有认识。

紧跟世界研究前沿

小行星撞击对地球环境和生命演化产生过巨大的影响。现有研究认为，大约6600万年前一颗小行星撞击地球可能是导致恐龙灭绝的主要原因。而1908年的通古斯大爆炸和2013年发生在俄罗斯车里雅宾斯克州的小行星撞击事件，则使人类切身感受到小行星的威力。随着观测能力的不断提高，天文学家发现了越来越多对地球构成潜在威胁的小行星，因此小行星研究在科学目标之外还增加了应对撞击威胁的现实需要。

自20世纪90年代以来，国际天文学界对小行星和彗星的关注度逐渐增加，小行星探测经历了近距离飞越、绕飞、附着就位探测和表面采样返回等阶段，其中以美国、日本和欧洲开展的多项探测任务为代表。例如，欧洲空间局（ESA）的“罗塞塔-菲莱号”（Rosetta-Philae）对楚留莫夫-格拉希门克彗星（67P）进行了就位探测，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟号”（Hayabusa）和“隼鸟2号”（Hayabusa 2）以及美国国家航空航天局（NASA）的“欧西里斯号”（OSIRIS-REx）执行了小行星表面采样返回任务。我国的“嫦娥二号”在完成既定工程目标与科学任务后，完成了对小行星图塔蒂斯（4179 Toutatis）的飞越，第一次对这颗小行星进行了近距离光学观测，实现了我国小行星探测的初步尝试。

中国小行星探测任务虽然起步晚但是起点高，制定了丰富的科学目标。“天问二号”任务包括认识小天体、解密小天体，追溯小天体的前世和今生，探索生命和地球水的起源，揭示太阳对小天体的影响，探究小天体对地球的危害等5大类科学目标，含有共计29项科学研究内容。为实现这些科学目标，“天问二号”配备了可见红外成像光谱仪、多光谱相机、探测雷达、磁强计等10种探测仪器。

“天问二号”任务在推进过程中也在不断进行调整：任务立项初期曾被提议以“郑和”命名；2019年时，探测器计划是在2022年发射升空。同时，任务立项时计划探测的地球准卫星就是2016HO3，但当时计划探测的主带彗星是另一颗主带彗星133P，后被调整为现在的311P。

两个探测目标将“天问二号”任务划分为两个阶段，第一个阶段是计划用2年半左右的时间完成对2016HO3采样返回的任务。虽然“嫦娥五号”和“嫦娥六号”已经分别成功实施月球正面和月球背面采样返回，但此次小行星采样返回任务将面临前所未有的挑战。由于小行星表面的引力比月球表面小得多，所以无法沿用“嫦娥五号”和“嫦娥六号”的采样方法。在“天问二号”采样任务中，将会用到两种方法：第一种被称作“触摸式”（touch-and-go），这是“欧西里斯号”和“隼鸟2号”使用过的小行星采样技术；而第二种方法被称作“锚定式”（anchor-and-attach），这将是首次在小行星采样任务中使用的技术。“锚定式”需要使用非常精确的探测器导航和控制系统才能完成，例如，探测器的锚定系统需要对小行星表面风化层反应极其灵敏才能实现附着，继而完成精准受控的采样操作。

另一个挑战是如果由地面人员控制探测器降落并附着在小行星表面，那么由此造成的时间延迟将会使这项对时间精度要求极高的任务无法完成，因此探测器需要自主完成降落、附着等一系列操作。如果采样工作顺利完成的话，样品将会由一个返回舱带回地球。返回舱到达地球的速度将达到约每秒12.1千米，相比之下月球采样返回舱的速度为约每秒10.7千米，因此研究人员需要对已有的返回舱进行升级改造，使它能够承受重返地球大气层时因与地球大气层更剧烈的摩擦而产生的更高温度。

在将返回舱送回地球后，“天问二号”将进入一个转移轨道，开启任务的第二个阶段，此后它将花费大约7年的时间于2030年代中期到达311P，然后对这颗主带彗星进行遥感探测。

行星探测稳步推进

“天问二号”的成功发射，令人们再次把关注的目光投向“天问”任务。2020年4月24日是第五个中国航天日，国家航天局在这一天宣布将我国的行星探测任务正式命名为“天问”，并把我国首次火星探测任务命名为“天问一号”。

2020年7月23日，“天问一号”火星探测器从海南文昌航天发射场成功发射升空。2021年5月15日，“天问一号”着陆巡视组合体顺利在火星表面着陆，中国成为继苏联和美国之后世界上第三个探测器成功在火星着陆的国家。2021年6月11日，国家航天局发布了“天问一号”探测器着陆火星后的首批科学影像图，标志着一次完成环绕、着陆、巡视三个目标的中国首次火星探测任务取得圆满成功。

目前，我国火星探测任务正在按照“一步实现绕着巡，二步完成取样回”的路线稳步推进。在实现第一阶段目标后，我国计划在2028年前后实施“天问三号”任务，将通过两次发射实现火星采样返回的目标。此外，我国计划在2030年前后发射“天问四号”，开展木星系探测任务，对木星和木星的卫星进行研究。

“天问”取自中国古代伟大诗人屈原的《天问》，他在这部不朽诗篇中展现了中国人对求索苍穹的渴望。“天问二号”为中国的行星探测任务翻开了新的篇章，有望成为解开太阳系众多谜团的一把钥匙。随着后续任务的陆续展开，“天问”系列探测器将会在更加广阔的太阳系空间内留下中国人的印记，把两千多年前的浪漫变为现实。

南方周末特约撰稿 鞠强

责编 朱力远