北京时间2020年12月17日凌晨,去去就回的嫦娥五号历时23天,顺利从月球挖土而归。2020年12月17日在内蒙古四子王旗成功回收的嫦娥五号样品舱 | CSNA。而就在11天前的12月6日清晨,日本JAXA的隼鸟2号探测器历经6年的跋涉,将来自小行星“龙宫”的样品送回了地球。隼鸟2号返回舱再入地球大气层形成的“火流星” | JAXA [1]。主动前往太空采回样品,在人类历史上还不多见。
短短半个月里两份来自太空的“土特产”,这无疑是2020这个坎坷之年回馈人类智慧和坚韧的一份大礼。除了带回星际尘埃和太阳风粒子,在人类短短六十多年的深空探测史上,迄今为止只完成过9次月球采样返回,1次彗星采样返回和2次小行星采样返回。每一次,都伴随着未知、艰险和挑战,每一次,都是载入史册的壮举。
1969年7月20日,NASA阿波罗11号登月舱带着两名宇航员——尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林——成功踏上月球正面的静海基地。这不仅是人类首次载人登陆月球,也让月球成为了人类目前为止唯一亲身探测过的地外天体。在总计2.5个小时的月面出舱活动时间里,两位宇航员完成了三次月面采样,共采集了21.6公斤月球岩石和土壤样本并带回地球。
此后的阿波罗12、14、15、16、17号均成功实现了载人登月、月球岩石和土壤采样和返回,而且一次比一次采得多。到了1972年的阿波罗17号就更加彪悍了,这次任务的宇航员们不仅在月面舱外活动了22个小时,采回了110.5公斤月球样品(均为史上之最),更夸张的是,这次任务是直接把活的地质学家送上了月球。
1970年9月20日,姗姗来迟的苏联月球16号才于1970年9月20日着陆在月球正面的丰富海,并采集了101克月球样品带回。苏联的三次月球采样任务:月球16号、月球20号、月球24号均为无人采样返回,这也是嫦娥五号之前人类唯三的无人月球采样任务。受限于火箭运力和返回方式,三次月球号任务采回的样品都只有几十到一百多克,相比于阿波罗任务实在不算多。
2013年,嫦娥三号成功着陆月球正面的雨海西北部,并释放月球车玉兔号。这是继美国的阿波罗号和苏联的月球号任务的37年之后,人类探测器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年,嫦娥四号更是实现了人类探测器首次踏上月球背面的壮举。仅仅一年之后,破茧重生的长征五号火箭带着嫦娥五号挑战了更高难度——月球采样返回。
2020年11月24日凌晨出发,2020年12月17日凌晨返回,中国迄今为止最复杂的探月任务嫦娥五号,满分完成了前往月球-月面采样-月面起飞-月轨对接-返回地球等一系列复杂操作,实现了诸多中国深空探测史上的“第一次”。
1999年2月7日,NASA的星尘号探测器发射升空,它的目标之一,是采集彗星维尔德2号(81P/Wild)彗发中的尘埃以及星际尘埃样品并带回地球。
星尘号使用二氧化硅气凝胶(aerogel)材质制作了一个网球拍大小的收集装置,这种材质质地像海绵那样疏松多孔,99.8%的空间都被空气填充,因此密度极低,虽然是固体,却极其轻盈。当探测器从彗星彗发飞过时,星尘号就迎面展开这个收集装置,温柔无损地把被气凝胶拦住的尘埃收集起来。2003年12月31日,星尘号进入彗星维尔德2号的彗发,成功“截胡”下了一点尘埃。
2006年1月15日,星尘号的返回舱回到地球。星尘号共带回了约100万颗尘埃颗粒,总计质量约1毫克 [4]。尽管带回的“土特产”不多,但星尘号为人类首次带回了彗星尘埃的样品,直到今天依然是独一份。
2003年,JAXA的隼鸟号探测器发射升空,目标是前往近地小行星丝川(Itokawa)展开探测并带回样品。
隼鸟号的旅程并不顺利,还没飞到目标就已经故障不断,抵达小行星丝川后释放着陆器和着陆采样也没能按预期进行,燃料泄露、满身伤病,甚至长期陷入失联和濒死状态…但它还是顽强克服了种种艰难和困境,在2010年6月奇迹般地将来自丝川的样品送回了地球。
隼鸟号首次尝试了“接触即离开”(Touch and Go)的方式:探测器受控降落直到采样杆触碰到小天体表面,在接触的几秒钟里完成采样,然后蜻蜓点水一般点火起飞离开。尽管隼鸟号的采样工作没能顺利开展,但这种“接触即离开”的采样方式本身还是得到了认可,被后来的JAXA隼鸟2号和NASA的冥王号探测器所沿用。
而在星尘号和隼鸟号这两次小天体采样的经验之下,JAXA和NASA在十多年后相继再次开始了前往小天体采样的尝试,隼鸟2号和冥王号(奥斯里斯号,OSIRIS-REx)横空出世。这一次,它们都瞄准了近地小行星小行星——同为C类(碳质)小行星的“龙宫”和“贝努”。更令人欣慰的是,这一次,两个探测器都非常顺利,也都采回了远多于上一次的样品。
隼鸟2号计划采回100毫克小行星龙宫样品,但实际“开箱”称重结果显示共采回了5.4克,是计划采样量的50多倍,而且可能采集到了小行星龙宫的气体物质。另一边,NASA的冥王号也已在2020年10月顺利完成了样品采集和封装。冥王号计划采集60克-2公斤小行星贝努的样品,如果一切顺利的话,它将于2021年3月启程,2023年9月24日将样品送回地球。
我国的首个小行星采样和彗星探测任务也在紧密筹划之中。
它计划2024年发射,环绕探测近地小行星2016HO3并采集样品,然后送回地球。这颗小行星据估计直径只有40-100米,这将是人类探测的个头最小的小行星。作为我国首个小天体探测任务,这次任务绝对可以算得上是目标远大。在完成对小行星2016HO3的近距离探测和采样,把“土特产”快递送回地球之后,它还会继续前行,前往主带彗星133P/Elst-Pizarro进行近距离探测。
除了小行星采样,火星采样返回也在我国的深空探测规划之中。另一边,即将抵达火星的NASA的毅力号火星车,将在接下来的几年里开始火星采样和封装工作。只不过,这些样品在短期内还无法回到地球——要等到将来的火星返回任务来回收和带回。在隼鸟2号的巨大成功之后,JAXA则打算继续发挥小天体探测的经验和优势,正在规划中的火卫一采样返回任务MMX(火星卫星探测任务),有望在2025年左右发射。
随着科技的发展,或许我们有生之年还能看到人类的探测器前往更遥远的地方,带回更远星球的样品也说不定呢。让我们拭目以待吧~