北京时间今天早晨，美国宇航局的小行星采样探测器OSRIS-REx自肯尼迪航天中心升空，目标是小行星“贝努”，探测期间还将采集该小行星的样本送回地球。OSIRIS-REx对小行星贝努的探索既可以解答有关我们遥远过去的问题，也可以为保卫我们的将来提供重要信息。
已知对人类最具威胁的小行星是在1999年发现的。它在太空中沿着一条不稳定的轨道翻滚前进，其轨道与地球绕日公转轨道周期性地交会。
天文学家将这个直径0.5千米的天体命名为贝努（Bennu），这是埃及神话中一位创世之神的名字。这也算名副其实：贝努富含有机物和富水矿物，如果它落到一个贫瘠的行星上，就可能撒播下生命的种子。反过来，它也可能引发巨大的灾难。天文学家估计，在2135年，贝努会再一次掠过地球，那时它会比月球更接近地球。这次飞掠可能改变此小行星的轨道，使它在22世纪末期撞上地球。
没人能预测贝努会落到地球上的什么地方，但一些基本的计算表明，这次撞击释放的能量大概相当于30亿吨TNT炸药。如果贝努在2135年飞掠地球时，将是“小行星撞地球”事件的开端，那么全球领导人大致有两种选择来避免灾难：在全世界范围内大面积疏散民众，或者发射飞行器，设法让小行星转向。
而要弄清楚得疏散多少人，或者执行多大规模的航天任务，100多年后的决策者们在某种程度上得依赖今天的数据——由美国航空航天局（NASA）于今年9月发射的探测器所收集到的数据。这个名为OSIRIS-REx的探测器将肩负这样的重要使命探测贝努，并携带贝努的样本返回地球。
OSIRIS-REx前往贝努的旅程将在2016年9月开始，在此之前，这个项目已经筹划了12年。探测器首先装配完成，然后在洛克希德·马丁公司设在科罗拉多州利特尔顿的真空室和声学实验室中进行测试。
作为太阳系形成过程的残余物，小行星是来自遥远过去的使者。它们携带着独一无二的信息，记录着比地球的地质记录还早数亿年的事件。来自小行星的物质样本可能解答一些长期以来悬而未决的问题，例如太阳的诞生、行星的形成甚至地球生命的起源。除此之外，科学家对小行星感兴趣还有一个原因：人类需要保护地球，使其免遭灾难性的小行星撞击。
不过，我们为什么要发送一个能获取样本的返回式探测器，很多人可能并不知道其中的原因。
不管怎么说，小行星碎片时常会落到地球上——我们把它们叫做陨石。问题在于，没有陨石能保持原状。所有陨石在进入地球大气层时都会经历一个炽热的、导致表面融化的过程，其中大部分还会在野外暴露长达数年、数百年甚至数千年才能被人们发现。陨石携带的原始信息经过长年风吹雨打会慢慢消失。与此相反，大部分小行星在干扰很少的外太空游荡数十亿年，它们的时间如同停滞了一样。
使用探测器观测小行星，是获取小行星上的信息的唯一方法。另外，在小行星当中，贝努也是个特例。与博物馆中陈列的陨石碎片不同（陨石碎片常由岩石和金属组成，因为这些物质很坚韧，落向地球时才不会损毁），贝努是一个黑如煤炭、由复杂的有机化合物组成的小天体。这类含碳化合物可能是地球的碳基生物化学过程的基础。即使贝努不会给地球带来威胁，科学家也会去研究它。
不过，它带来的威胁确实很大，也正是因为贝努会非常接近地球，取样返回任务才是可行的。
贝努的历史至少可以追溯到10亿年前。那时，在木星与火星之间有一颗原行星因撞击而粉碎，抛射出很多碎片，而贝努就诞生于其中的一团砾石。OSIRIS-REx的故事则始于2004年2月，那是我在亚利桑那大学月球与行星实验室作为助理教授工作的第三年。洛克希德·马丁公司邀请了我的老板迈克尔·J·德雷克担任NASA一个筹划中的小行星取样返回任务的首席科学家，而德雷克任命我做他的副手。
在这个项目中，我的早期工作是确定项目的科学价值。我研究陨石已逾十载，知道它们有很多未解之谜，而这只有从小行星取回数量可观的原始样本才能够解答。当时，只有一项任务能与我们的项目相提并论：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟号”探测器，该探测器在2005年与“糸川”（Itokawa）小行星交会并收集了样本。“隼鸟号”的任务只能算是部分成功。
这个探测器收集了1500个微小的矿物颗粒样本，比预期的少得多（从小行星上采集样本是很困难的！）。此外，糸川是一个明亮的石质天体，其演化历史和科研潜力都与深色的碳质小行星（比如贝努）迥然不同。我们正在进入一个崭新的领域。
有一天晚上在家的时候，我决定为此次探测任务的主要科学目标起草一份大纲，于是我写下了四个词：起源、光谱、资源、安全。
从贝努这类小行星上取回的原始样本可以告诉我们关于行星和生命起源的更多信息，对其成分进行研究可以得出它是否含有可供未来开采的珍贵资源。从其表面取得样本需要对这颗小行星的土壤，即风化层有相当的了解。而我们对贝努的轨道、组分和其他性质了解得越多，我们就越有可能确定它是否会威胁到地球，以及我们怎样才能让它转向。
进一步说，利用探测器，从贝努获得高保真的“实况”数据，可以帮助我们确定并修正望远镜观测和理论研究中的不足之处，推进对太阳系中更多小行星的研究。
这份大纲确定了这项任务的目标，并提供了一个出色的任务名称缩写：OSIRIS-REx，代表Origins（起源）、Spectral Interpretation（光谱分析）、Resource Identification（资源识别），以及Security（安全）和Regolith Explorer（风化层探测器）。
2011年5月25日，NASA批准了OSIRIS-REx的探测计划，我们团队也聚在一起庆祝成功。不幸的是，在那之后不久，2011年9月德雷克去世了。所以我被任命为这项任务的首席科学家，来替代他的工作。整个OSIRIS-REx团队夜以继日地工作着，这是我们对德雷克的纪念，我们知道他会为我们感到骄傲，因为我们正准备开拓新的科学前沿领域。
OSIRIS-REx的太空之旅将从今年9月开始，它将搭载在Atlas V型火箭上，从佛罗里达州卡纳维拉尔角（Canaverel）发射升空。探测器将在历时两年的航程后，于2018年8月抵达贝努。然后，它会环绕贝努飞行3年多，对小行星表面进行全面的测绘，最后收集数百克小行星样本。
OSIRIS-REx带回的样本将是漫长岁月的载体——从太阳系形成之前直到今天，很多事件都在样本里留下了痕迹。贝努上最古老的矿物应该是微小的“前太阳”颗粒，它们是从临死恒星散发出的星风中形成的。这些颗粒最后成为了太阳和其行星的组成部分。贝努上最新鲜的成分是由于受到微陨石撞击，并在宇宙射线和太阳风的作用下发生变化的矿物质和化合物。OSIRIS-REx对碳质小行星表面“太空风化”过程的研究是前所未有的。
与其他碳质小行星类似，贝努的主体部分由有机分子和富水黏土矿物组成，而这些也是形成DNA、RNA、蛋白质等地球生命物质的原材料。贝努上有一部分水曾经是液态的，保存在这颗小行星的核心，靠短半衰期同位素（如Al 26和Fe 60）放射性衰变释放的热量维持温度。在生命诞生之前，肯定曾有大量的碳质小行星落到早期地球上。
但很难判断这些小行星是否孕育了地球生命——地球上没有足够古老而又未发生变化的岩石来记录这段历史。
OSIRIS-REx不仅仅是个探索太阳系遥远历史的任务，它收集的信息对我们的未来也很重要。有几个公司和国家已经在认真探讨开采小行星矿藏的可能性，来解决地球及地球以外地区的资源问题。他们考虑的方案包括提取贵金属供人类在地球上使用，或是使用水冰在太空生产火箭燃料等。OSIRIS-REx能对小行星进行精确测绘，还能进行轨道机动（主动改变绕小行星运行的轨道），可以为未来的小行星采矿任务试水。
对于从小行星取样并返回的任务来说，贝努的体积和它原始的组成成分，以及与地球交错，可能带来危害的轨道，都使它成为一个颇具吸引力且可以抵达的目标。OSIRIS-REx任务可能仅仅是一个开始。
尽管改进小行星撞击的预警和防范方法不是OSIRIS-REx项目的唯一目标，但项目在这方面的价值确实是无可估量的。判断一颗小行星是否会撞击地球需要对它的轨道进行非常精确的测量。为了理解这项任务的难度，我们来思考一下与任务相关的距离和作用力。贝努每1.2年绕太阳一周，轨道速度大于28千米/秒，每6年靠近地球一次。在轨道上绕行一周，这颗小行星运动距离超过10亿千米；在最远处，它离地球超过3.4亿千米。
因为贝努会周期性地接近地球，天文学家可以在足够近的距离上研究它的轨道，这使得贝努的轨道数据是记录在案的小行星中最精确的一个。贝努的轨道半长轴为168 505 699.049千米（轨道上相隔最远的两点间距离的一半），不确定度仅有6米，这相当于测量纽约到洛杉矶之间的距离，误差只有三分之一毫米。但只有精确的轨道数据还不够，因为很多外力可以改变小行星的轨道。
为了设计一条前往贝努的太空航线，OSIRIS-REx团队使用高精度模型来计算所有外力对这颗小行星轨道的影响。这个模型考虑了许多天体的引力作用——包括太阳、月球、八大行星，还有较大的小行星和矮行星冥王星。在模型中，甚至连地球的扁率也被考虑在内，因为它会使近距离飞掠地球的小行星的轨道发生明显变化。这个模型预言，贝努将在2135年从距离地球不到300000千米的地方擦肩而过。在这之后的情况难以估计。
不过有一点是确定的：如果贝努在2135年的飞掠中穿过了地球附近的若干“钥匙孔”区域之一，累积的引力作用就会让它进入撞击轨道，从而在22世纪末撞上地球。
我们对贝努的了解还不够多，不足以预言它是否会通过某个“钥匙孔”。目前我们计算得出贝努在2196年撞上地球的概率约为万分之一；如果将它撞击地球的各种可能情况罗列出来，它在2175年到2196年间撞上地球的概率约为2700分之一。
不过贝努被彻底散射出内太阳系的概率跟它撞上地球的概率是一样的。如果它避开了这些结局，它还有几乎相等的概率会坠入太阳，而它撞上金星的概率要稍稍小一些。除此之外——尽管这样的可能性要小很多——它也可能会撞上水星、火星或木星。关于贝努内部、表面以及轨道相互作用的更精确模型（就是OSIRIS-REx计划可以提供的模型）能够让我们提高预报的准确程度。
不过，就小行星预报而言，OSIRIS-REx最大的贡献还是对雅尔可夫斯基效应（Yarkovsky effect）的探测。雅尔可夫斯基效应是近年来发现的一种非引力作用，描述了形状不规则的小行星因为吸收太阳光并向外辐射热量而受到的作用力。当热辐射在整个小行星表面不均匀分布时，其作用相当于微小的推进器，促使小行星随时间漂移并改变轨道。
顺向自转（从西向东自转，像地球一样）的小行星在这种推进力的作用下会发生漂移并远离太阳。而逆向自转的小行星，比如贝努，会向太阳方向漂移。
我们已经使用地基和空间望远镜测量了贝努的雅尔可夫斯基效应，结果表明，从1999年被发现时起，贝努的轨道已经漂移了160多千米。测量结果显示，贝努可能是在更远的小行星带形成的，在火星和木星之间的某处，后来才迁移到现在的位
置。不均匀的太阳光照和热辐射也会影响小行星的自转状态，这可以很方便地解释贝努的陀螺形状。太阳光对贝努表面的不均匀照射，使这颗小行星的自转速度发生长周期变化，并缓慢推动两极的物质向赤道移动，从而让贝努变成了这种形状。这种大规模的表面重塑作用可能会将未风化的物质带到贝努的表面——正好让我们从表面获得原始样本。
通过对贝努的自转、表面积和热辐射的测量，OSIRIS-REx会对雅尔可夫斯基效应展开详细研究。在探测器与小行星的交会过程中，我们也会直接测量雅尔可夫斯基效应产生的加速度。这项研究有助于改进我们的雅尔可夫斯基效应理论，并让我
们在估算所有近地小行星的撞击危险时，可以把这种效应纳入考虑。另外，深入了解雅尔可夫斯基效应对未来的小行星偏转任务可能也是至关重要的，我们或许需要利用这种效应，把一颗危险的太空巨石推入一条不同的、相对安全的轨道。
从始至终——从2004年启动，到2020左右结束，并为未来数代人留下遗产——OSIRIS-REx凝聚了数十年的工作，花费了数亿美元的资金。所有这些努力和花费仅仅为了5秒钟的动作：接触即脱离，探测器必须用这套动作从小行星表面获得样本。
OSIRIS-REx用来采集样本的设备名为TAGSAM（接触即脱离样本采集装置，Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism）。
TAGSAM主要由两部分组成，采样头和关节定位臂。采样头能够喷出一股氮气，吹起表面浮土层并推动尘土进入收集腔。关节臂首先把采样头送到收集样本的位置，然后收回采样头供视频记录，最后将采样头放入返回舱回到地球。作为备用方案，TAGSAM底部平面的24个表面接触垫也会在碰触小行星表面时获得细颗粒物质。
OSIRIS-REx环绕贝努的3年时间大都会用来准备它的最后一次行动。
探测器将使用成像仪、激光仪、无线电天线和光谱仪来对整个小行星的表面进行多种方式的高精度测量。根据这些测量结果，我们会构建一张“藏宝图”，确认一个主要的和一个备选的采样地点。采样地点的选择标准包括安全性、采样难易程度和样本的科学价值。最安全的降落地点应该是赤道附近，在那里探测器更易于达到与小行星自转相同的速度进而着陆。
最有科研价值的区域应该包含不同种类的有机化合物、富水矿物等物质，可以帮助我们了解小行星是否为地球生命起源贡献了力量。
在OSIRIS-REx团队选好主采样点并进行全方面演练之后，正式的采样就会开始。在那时，贝努可能在它轨道的远端，离地球超过18光分。发送采样任务开始的命令之后，我们就只能坐下等待采样过程自动进行。
OSIRIS-REx会在数小时内经历三次点火助推，离开轨道对准着陆地点，然后缓慢降落到小行星表面。它的最大着陆速度为10厘米/秒。TAGSAM有5秒钟的时间用于采样，接着探测器会从贝努表面点火升空，到达大约10千米的高度。在那里它会进行一系列测试以判断采样是否成功。TAGSAM携带了足够三次采样尝试的氮——如果三次都不成功，这次任务就算是失败了。
如若一切顺利，在2021年探测器主发动机点火，将珍贵的样本带回地球。2023年9月24日，OSIRIS-REx会向地球大气层投下样本返回舱。然后，它会再次启动发动机前往一个安全、稳定的环绕太阳轨道，从此长眠。返回舱进入大气层顶部的速度将超过45 000千米/秒，但热防护层会通过熔化带走这一过程中产生的99%的热量。
在3000米的高度，返回舱会打开降落伞，经减速后在美国犹他州西部的沙漠地区实现软着陆——这已经是它的旅程开始7年之后的事了。一个专家团队会回收样本并将其送往NASA的约翰逊太空中心，供长期保存和分发。这样，在未来的几十年，全世界的学术团体都可以研究这些样本。