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2016-09-12 OSIRIS-REx成功發射,前往貝努小行星採樣,七年後再見!

 
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跟著OSIRIS-Rex展開一場長達七年的冒險!

  臺灣時間9月9日早上7:05,歐西里斯號(OSIRIS-Rex)從美國佛羅里達州卡拉維爾角(Cape Canaveral)由擎天神五號411火箭發射升空,接下來會先繞行太陽一年,2017年9月將接近地球,藉由地球的重力協助前往貝努 (Bennu)小行星。歐西里斯號會在發射兩年後,也就是2018年8月接近貝努,以小型火箭推進器減速,進行會合。

  減速會合後兩個月,歐西里斯號會以超過一年的時間仔細測繪這顆小行星,並選出幾個可能的採樣地點。2020年7月,歐西里斯號將用一種很特別的方式進行採樣,「一觸即走採樣裝置」(Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism,簡稱TAGSAM)將在短短的五秒鐘內,碰觸小行星表面,噴出一陣氮氣,使得鬆散的岩石和土壤,隨氣流流進採集器內。太空船所攜帶的氮氣能夠進行三次採樣,收集60克至2000克的樣本。

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  2021年3月,歐西里斯號將動身返回地球,在兩年半後,也就是2023年9月返回地球。樣本艙將與太空船脫離,重返大氣,降落在猶他州的沙漠。接下來的兩年(2023年底至2025年),科學家將分析這些樣本,美國航太總署(NASA)也會保留75%的樣本供全世界和下一代的科學家進行研究。你可以前往歐西里斯號的官方網站,跟著太空船一起旅行!http://www.asteroidmission.org/mission/

 

  • 歐西里斯任務簡介(右下角可設定中文字幕,由臺北天文館天文影片頻道翻譯)

 


我們從何處來?又會往哪裡去?

  這樣的大哉問在人類歷史上未曾消失,在太陽系形成初期所留下的小行星,可能就能回答這些問題,還能告訴我們有關太陽和行星的歷史。

  這項耗資8億美元的歐西里斯任務,現在就要帶著我們的疑問,展開一場長達七年的冒險。它將前往101955貝努小行星進行採樣後返回,這些樣本裡或許就藏著關於生命和地球海洋起源的解答。另一個選擇這顆小行星的理由,是因為貝努對我們有相當大的潛在威脅性,在2135年經過地球附近時,距離會比月球更近,這次飛掠有可能使軌道偏移,使小行星在22世紀末有1/2700的機率撞上地球。

  歐西里斯號會仔細研究貝努的物理和化學性質,這對避免貝努未來可能的撞擊來說非常重要。另外,像貝努這樣的小行星還可能蘊藏豐富的天然資源,像是水、有機物,以及大家覬覦的貴重金屬,或許未來的太陽系探測任務補給就要靠這些小行星了呢!

  歐西里斯號最重要的任務目標是要在貝努小行星表面採樣並送回地球。在這之前當然要先對小行星進行詳細的測繪,以決定採樣地點。另一項很重要的科學目標,是要測量太陽光對這顆小行星的軌道所產生的影響,也就是所謂的雅科夫斯基效應(Yarkovsky effect),並與地面觀測的結果相比較。

  • 何謂雅科夫斯基效應?


歐西里斯與貝努

  OSIRIS-Rex這麼拗口的名字其實和這個任務的概念和目標有關,2004年這個計畫還在發想階段時,天文學家勞瑞塔(Dante S. Laretta)有天晚上在家草擬此計畫的科學目標時,寫下了幾個詞:起源、光譜學、資源、安全,於是──OSIRIS(歐西里斯)這位埃及神祇就這麼出現了!

  • O–起源(Origins)

這個探測器的主要目標就是要從原始的富碳小行星採樣並送回地球,研究礦物和有機物的特性、歷史和分布狀況,以對太陽系起源有更一步的了解。

  • SI –光譜解讀(Spectral Interpretation)

將以光譜儀對原始的富碳小行星進行全面分析,並與目前地面望遠鏡對小行星的觀測結果比較。

  • RI –資源發掘(Resource Identification)

測繪原始富碳小行星的表面性質、化學、礦物學特性,以對採回樣本的地質歷史有更深入的了解。

  • S –安全(Security)

測量雅科夫斯基效應(註)如何改變有潛在威脅性的小行星軌道,並研究小行星特性對此效應的影響。
註:陽光照射正在自轉的小行星,小行星所釋放出的熱輻射會對軌道有些微的影響。

  • REx –表土探測器(Regolith Explorer)

對採樣地點表層土壤的性質、外觀、地質化學和光譜特性進行分析。

  在埃及神話中的歐西里斯神(OSIRIS)和這項OSIRIS-Rex任務有許多相似之處。埃及人相信歐西里斯在尼羅河三角洲散布農業知識,因此為古老的世界帶來了生命。OSIRIS-Rex任務所帶回的小行星樣本,可能就含有帶來地球生命起源的有機物。另外歐西里斯也是埃及神話中的冥神,這和劇烈的小行星撞擊事件所可能帶來的毀滅也有關聯。

  至於目標小行星「貝努」(Bennu)的名稱,來自北卡羅萊納州的一位9歲的小男孩Michael Puzio。他參加亞利桑那大學(University of Arizona)、行星學會(The Planetary Society)和林肯近地小行星(LINEAR)計畫於2013年6月舉辦的「為小行星命名活動」,從全球各地數十個國家,八千多位參與者中脫穎而出。貝努是埃及神話的不死鳥,也被認為是歐西里斯的靈魂,Puzio覺得這艘太空船的「一觸即走採樣裝置」探測臂,很像貝努鳥長長的脖子,另外它的兩片太陽能板很像貝努鳥的雙翼。貝努也有「上昇者」、「閃耀」的意思,Puzio說:「2023年 OSIRIS-Rex任務返回地球時,這顆近地小行星也會在天空中閃耀。」

OSIRIS-crop2 Bennu_bird OSIRIS-REx_spacecraft

上圖由左至右分別為:埃及神祇歐西里斯、貝努鳥、歐西里斯號太空船,歐西里斯號太空船是不是真的與貝努鳥有幾分神似呢?

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為貝努小行星命名的小男孩Michael Puzio。


五十萬中選一的貝努小行星

  太陽系有超過五十萬顆已知的小行星,為何貝努會雀屏中選呢?這是由於它與地球的近距離、大小、成分原始的關係。

  • 近距離

近地小行星(Near-Earth Objects,簡稱NEOs)是指軌道距離在1.3天文單位內的小行星,對歐西里斯號來說,目標天體最適合的軌道距離是1.6到0.8天文單位,有著與地球類似的低離心率和傾角軌道,在2008年選擇任務目標時,雖然有超過7000顆已知的近地小行星,但符合這樣的軌道條件者只有192顆。

  • 大小

另一個選擇的條件是大小,越小的小行星自轉越快,直徑小於200公尺的小行星自轉速度會快到把表土甩出,因此對此任務來說,直徑大於200公尺的小行星較適合安全接近並進行採樣,這樣一來,選擇的範圍又從192顆減少到26顆了。

  • 成分原始

根據化學組成可以將小行星分為許多不同種類。其中最原始的就是富碳小行星,在約40億年前形成後,幾乎未曾改變。這種小行星所含有的有機分子、易揮發物和胺基酸可能為地球生命帶來起源。在剩下的26顆小行星中,我們只知道12顆的化學組成,其中只有5顆是屬於原始的富碳小行星。

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  在最後的5顆小行星中,1999年發現的貝努雀屏中選。這顆小行星是在1999年被發現,原本的名稱為1999 RQ36,是一顆直徑約500公尺的原始富碳B型小行星,可能富含有機物和像是黏土這樣的含水礦物。軌道傾角6度,自轉週期約4.3小時,軌道週期436.604天(約1.2年),每6年就會以0.002天文單位的近距離接近地球,在22世紀末,貝努小行星有相當高的機會撞上地球。

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貝努小行星和台北101差不多高


歐西里斯號探測器

  歐西里斯號太空船的本體長寬約2.4米、高3.2米,大概和一輛休旅車差不多大,若加上兩片太陽能板,長度有6.2公尺,TAGSAM採樣臂長達3.4米,重約880公斤,若加上燃料則有2110公斤重。能量來源為兩片8.5平方米的太陽能板,功率視與太陽的距離而定,約1226至3000瓦。探測器搭載有五項科學儀器、TAGSAM採樣臂和樣本返回艙。這五項科學儀器主要是用來遙測和掃描小行星表面,以了解其組成和元素、礦物和有機物的分布。

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  • 相機組(OSIRIS-REx Camera Suite,簡稱OCAMS):

包含三台相機PolyCam、MapCam和SamCam,會在接近貝努時就開始拍攝,之後會提供整個小行星的影像測繪、選擇合適採樣點,並拍攝採樣過程。

  • 雷射測高計(OSIRIS-REx Laser Altimeter,簡稱OLA):

將以掃描光達(LIDAR,與雷達類似,但是以光而非電波測量距離)測量歐西里斯號和貝努表面的距離,提供高解析的地形資訊。

  • 熱輻射光譜儀(OSIRIS-REx Thermal Emission Spectromete,簡稱OTES):

提供5至50微米(micron)的紅外線光譜資料,研究礦物和溫度分布。不同的礦物在紅外波段會有不同的光譜特徵,溫度則能提供有關平均粒子大小的資訊。

  • 可見光和紅外光譜儀(OSIRIS-REx Visible and Infrared Spectrometer,簡稱OVIRS):

提供0.4至4.3微米,約相當於藍光到近紅外的光譜資料,研究礦物質和有機物組成。

  • 表土X射線成像光譜儀(Regolith X-ray Imaging Spectrometer,簡稱REXIS):

觀測X射線光譜,研究貝努表面化學成分及豐度。來自太陽的X射線和太陽風會與貝努表土作用,表面的元素會吸收X射線,變得不穩定後發出X射線,不同的原子會發出不同波長的X光,這也就是螢光的原理。REXIS能夠觀測X射線的螢光發射線。這項儀器是由麻省理工(MIT)和哈佛大學(Harvard University)的師生共同設計。

  除了這5台探測設備,還有洛克希德.馬丁(Lockheed Martin)公司提供的「一觸即走採樣裝置」(TAGSAM)及樣品返回艙,前者用來收集「貝努」表面樣本,後者擁有隔熱設備和降落傘,能將樣品送回地球。


參考資料:OSIRIS-Rex任務官網 http://www.asteroidmission.org/

2016.09.09, 胡佳伶編譯

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