从“奥陌陌”等星际物体上提取样本？对！技术来啦~
2017年10月19日 ， 天文学家们震惊地得知 ， 一个星际物体（被名为“奥陌陌”）在它飞出太阳系的路上飞过了地球 。 多年以后 ， 天文学家们仍在争论这个物体是什么——彗星碎片 ， 氢冰山 ， 或是地外太阳帆？而且 ， 两年后2I/Borisov的到来展示了星际物体(ISOs)是如何定期进入我们的太阳系的(有些甚至留下来了!)
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如此看来 ， 在合适时间提出与星际物体在其下一次经过时与其会合的任务原因就不足为奇了 。 其中一个任务是由星际研究行动(I4IS)的研究人员提出的Lyra项目 。 最近一支在I4IS主持下的国际团队起草了一份递交给《2023至2032年间行星科学与天体生物学十年调查》的白皮书 。
名为《现在探索星际！从邻近星际物体开始任务并收集样本》白皮书发起团队由I4IS组织的AndreasHein和MarshallEubank以及太空探索有限公司（SpaceInitiativesInc）主持 ， 与巴黎天文台、佛罗里达科技大学(FIT)、哈佛理论与计算学院(ITC)、慕尼黑工业大学(TUM)以及亚琛应用科技大学共同合作 。
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由一颗行星表面产生的射电光束（红色）驱动的光帆的艺术插图
图片来源：M.Weiss/CfAE ， 由NASA授权建立 。
根据2005年和2008年的法令 ， 美国国家科学院开始进行为期十年的调查 ， 目的是审查关于天基任务、地面设施、基础设施的建议 ， 并支持有助于推进未来十年空间探索和行星科学事业的研究 。
这项2023——2032十年勘测计划被期待为重大任务 ， 这项任务的提案有利于人们对于我们在宇宙中所生活的位置有更多的认识 ， 一项在近几年被探索的关于太阳系外行星的研究 ， 在如今成为了热点话题 。 迄今为止 ， 在最近十年探索的大量的行星当中 ， 有4201个已经被证实 ， 还有5481个候选者等待被证实 。
正如Hein和他的同事在他们的论文中指出的那样 ， 未来几年引入的下一代地面和空间望远镜将为天文学家提供机会、以前所未有的方式直接拍摄系外行星的图像并描绘它们的大气特征 。 不幸的是 ， 要想真正深入了解遥远的行星并确定那里是否真的有生命存在 ， 我们需要近距离地研究它们 。
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艺术家对第一个星际小行星/彗星的印象 ， “奥陌陌” 。 这颗独特的天体于2017年10月19日被夏威夷的Pan-STARRS1望远镜发现 。 图片来源:ESO/M 。 KornmesserAlas ， 向其他恒星系统发送任务极其昂贵并且费时 。 正如AndreaHein和他的同事通过电子邮件向Universe-Today解释的那样:
“在地球上观察系外行星肯定会在未来得到改善 ， 我们也许能够确定它们上是否存在某种生命形式 。 ”但这不能代替去系外行星那里、从近距离观察它们 。 主要的限制是系外行星系统非常遥远 。
“下一个恒星系统 ， 半人马座阿尔法星系距离我们4.3光年……现在 ， 人类发射到外太空最远的天体——旅行者号探测器 ， 距离我们只有150m 。 要到达系外行星 ， 我们需要一些新的突破性技术 。 ”
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其中一个想法是“突破摄星”(BreakthroughStarshot) ， 该计划利用一艘光帆和一个强大的激光阵列向半人马座阿尔法星发射一艘小型航天器 。 ManasviLingam教授是香港理工学院（FIT）助理教授、创新科技署（ITC）研究员 ， 亦是论文的合著者 ， 他曾与亚伯拉罕·勒布教授(创新科技署（ITC）创始人和“突破摄星”咨询委员会主席)合作撰写多项有关该课题的研究 。
然而 ， 正如Lingam,Heir和他们的同事解释的那样 ， 根据最近的估计 ， 这些类型的航天器直到本世纪50年代的某个时候才会发射 。 飞行时间约为20年 ， 这意味着要从这些探测器接收的最早的数据要到本世纪70年代才能得到 。 考虑到探测器和承载的仪器的大小 ， 数据可能是有限的 。
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艺术家们对彗星C/2019Q4Borisov的印象 。 图片来源：NRAO/AUI/NSF,.S.Dagnello.但是 ， 这种星际物体在太阳系的亮相 ， 给我们对太阳系外行星以及它们的系统的研究提供了新的思路 ， 一种可以忽视前文提到的挑战和限制的思路 。 在Hein和他同事的文章中 ， 对这种思路进行了一系列的分析——当这些物体从太阳系经过时 ， 使用微型火箭拜访这些物体 。 研究表明 ， 这是十分可行的 。
他们的分析重申了一个观点 ， 这个观点第一次提出是在2017年 ， 奥陌陌经过太阳系之后；第二次是在2I/Borisov2019年的拜访 。 在这些研究中 ， i4is团队也提出了执行一项在概念上与Starshot（Lyra项目）相似的任务 ， 呼吁使用激光推动轻型航天器和广泛 。 正如Heir和他的同事阐述的一样：
“访问一个星际物体的原则是：“唤山不来我就山 。 ”ISO是因为某种原因从一些系外行星系统被发射出来的 ， 然后来到了我们的太阳系 。 它们就像‘上帝的恩赐’ 。 这就像一个行走的动物园 ， 你不用去到发源地 ， 就可以访问和观察到来自不同地方的物体 。 ”
在他们的文章中 ， 探讨了三种在当前技术水平下可行的三种任务 ， 包括飞越 ， 会合和样品返回 。 “飞越”任务类型与“新地平线”飞行器对Pluto和Arrokoth的观测类似 ， 飞行器不用减速 ， 只在它经过ISO时进行相关图像和数据的采集 。
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月球表面的近红外影像 ， 来自NASA的月球矿物学制图仪 ， 印度太空研究组织的Chandrayaan-1任务 。 图片来源：ISRO/NASA/JPL-Caltech/BrownUniv./USGS但是 ， 它们同时也预想了一个撞击器——利用一个子探测器对物体表面进行撞击 ， 产生烟雾 ， 飞行器对这些烟雾进行采集和研究 。 使用光谱仪对撞击产生的物质或光线进行观测 ， 可以得知I物体的组成成分以及其他未知信息 。 这种做法与NASA和印度的LCROSS卫星和Chandrayaan-1探测器类似 。
接下来便是关于会合任务的可能性 。 该团队发言时称 ， 虽然这个任务在技术方面上更加具有挑战性 ， 但它也会给我们带来一系列的科学方面的优势 。
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“会合任务的需求更加严格 ， 因为它需求航天器缓缓减速以降落在ISO地表 ， 或者绕着它转 。 ……会合任务会给我们带来一定的优势 ， 因为这会让我们有更多时间去检验我们的目标天体 。 它可以从目标表面获取样本 ， 还能从多个角度拍摄它的图片 。 ”
最后 ， 还需要考虑到样本返回任务的可行性 ， 而这项任务将需要集合过去二十年来在一系列发射任务中积累下来的科技和专业技巧 。 这其中就包括NASA进行过的“星尘”卫星样本返回任务 ， ——这是人们第一次对一颗彗星（Wild2）进行会合、并于2006年将其样本返回地球——以及更近一些的OSIRIS-REx和Hayabusa/Hayabusa2这两次任务 。
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Hein和他的同事们同时也指出 ， 我们在现有的科技范围内拥有向ISO发出任务的可行性 。 一些特殊的例子包括SpaceX建造的重型猎鹰发射器 ， NASA的ParkerSolarProbe所用的隔热罩 ， 还有标准的化学推进燃料 。 Lingam表示 ， 这些技术只是冰山一角 ， 因为还有很多现在尚未被使用过、但已经可行了的新技术：
“我们的论文中列出了三大类可供选择的科技 。 第一种是老生常谈的化学型火箭 ， 但它们最适合的任务应该是飞越任务 ， 而飞越任务只能为科学研究带来相对来说比较有限的信息 。 另一种是太阳能电力推进器 ， 它能为会合任务提供方便 ， 使得我们能够进行实地的分析 。 第三种还没有完全实现——核热动力推进器 。 虽然我们的科技应该已经可以达到了建造要求了 。 这个科技真正吸引人的地方在于 ， 我们能期待用该技术将样本运回地球 。 ”
然而 ， 困难并不代表着它不可行 ， 这正如研究者们围绕奥陌陌和2I/Borisov所做的一样 。 在对两颗ISO共同的观测的基础上 ， 研究者们成功地做出了许多关于他们可能的形成环境的推断（虽然他们仍然没办法确定他们来自哪个系统） 。
虽然有很多限制和挑战 ， 发送飞行任务来检查这些彗星（如果可能的话带点样本回来）会为我们揭示非常丰富的关于ISO的讯息 。 正如Hein和他的同事们总结的一样：
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“从天体物理和天体化学的角度来看 ， 它们将使我们了解这些天体形成和喷射的各种机制 ， 其他行星系统的化学组成以及它们与我们的不同之处 ， ISO形成的星系历史 ， 以及ISOs与星际介质的相互作用银河宇宙射线在它们的旅程中 。 它们还将揭示这些物体中固有的益生元分子的数量和丰度 。 在高度乐观的情况下 ， 它们甚至可能以分子生物信号的形式揭示出灭绝（或现存）生命的痕迹 。 ”
在他们的评估中 ， 并非只有海因和他的同事 ， 这就是为什么多个太空机构都在寻找低成本、快速部署的航天器概念 ， 这些概念可以与ISOs会合 。 其中一个概念就是欧空局的彗星拦截器（CometInterceptor） ， 这是一个“快速级”任务 ， 它可以被送入太空 ， 一旦进入我们的系统 ， 就可以随时拦截它 。
今年早些时候 ， 有消息称 ， 美国宇航局创新先进概念（NIAC）计划已经向麻省理工学院的一个研究动态轨道弹弓的团队提供了第一阶段的资助 。 这个想法是麻省理工学院航空航天系（AeroAstro）助理教授理查德·利纳雷斯（RichardLinares）的创意 ， 他提出这种弹弓是让航天器赶上ISO的一种方式 ， 以便他们能够近距离研究 。
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艺术家构想的轨道弹弓将允许宇宙飞船和ISO会合 。 图片来源：理查德?利纳雷斯 ， 麻省理工学院 。 类似的任务也可以安装在我们系统内的物体上 ， 因为之前的研究表明 ， 随着时间的推移 ， 我们的太阳系已经捕获了数千个仍然存在的ISO 。 也有人提出 ， 一旦维拉·鲁宾天文台(以前被称为大型天气巡天望远镜(LSST))上线 ， 目前在我们宇宙后院的ISO就可以被识别和研究 。
这项研究的回报不仅仅是了解其他星系的情况 。 如果通过星际物体产生的星系有生源说的理论是正确的 ， 我们可能会发现生命(或生命起源的必要成分)是如何在整个星系中传播的 。 如果我们发现的物体被证明是星际探测器 ， 那么ISOs的任务将最终解决这个古老而迫切的问题:“我们在宇宙中是孤独的吗?”
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展望未来十年 ， 很明显 ， 我们将对太阳系、系外行星、银河系以及整个宇宙有更多的了解 。 多亏了下一代的天文台、机器人宇宙飞船以及人类期待已久的重返月球之旅 ， 我们不缺乏增长对宇宙以及我们在其中的位置的认识的机会 。
作者：MATTWILLIAMS
FY：Astronomicalvolunteerteam
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