太阳系至今仍有许多未解之谜，比如行星等天体是如何诞生的、又是如何形成现在的状模样，地球上的生命是如何起源等等。研究人员认为，解开这些谜团的关键就在于那些相比太阳和行星不那么显眼的天体——小行星，因而备受关注。日本曾2次通过探测器从小行星上成功采集样本（Sample Return），并与美国开展了研究合作。在保护人类免受天体撞击地球的“防御”领域，对小行星的研究正在全面展开。同时，多项新的探测计划也在推进，日本也积极参与其中。本文对2024年与小行星有关的重要进展进行了总结。
日美通过交换样本 “相互提高能力”
2024年8月，又称 “美国版隼鸟” 的 “OSIRIS-REx”（Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer 的首字母）探测器从小行星采集的部分样本运抵至日本国立研究开发法人宇宙航空研究开发机构（JAXA）。作为与美国航空航天局（NASA）合作的一项内容，日本将JAXA此前由 “隼鸟2号” 采集的样本与美国进行了交换，这些样本在JAXA的专用设施内被分类和测量。
2010年，“隼鸟1号” 首次将小行星样本带回地球。随后，“隼鸟2号” 探测了小行星 “龙宫”， “OSIRIS-REx” 探测了 “贝努”，并分别于2020年12月和2023年9月将采集到的石头和沙子样本带回了地球。“隼鸟2号” 带回的样本远高于预期最低目标的100毫克，达到了5.4克，而 “OSIRIS-REx” 原计划带回60克，实际带回了121.6克，双方都取得了超出预期的成果。
（左）采集小行星样本的“隼鸟2号”（供图：池下章裕）；（右）“OSIRIS-REx”（供图：NASA（均为设想图））
根据研究和探索相互支援的备忘录，JAXA已于2021年11月向NASA交付了10%（约0.5克）的 “龙宫” 样本。2024年8月21日，NASA的3名代表到访位于相模原市的JAXA宇宙科学研究所，赠送了0.5%（约0.66克）“贝努” 样本。据悉，双方交换的样本必须能完整捕捉到颜色、形状和大小等特征，并且没有损坏或被污染。
（左）在“贝努”样本交付仪式上签字的日美双方人员；（右）确认样本显微图像的研究人员（供图：JAXA）（照片于2024年8月22日拍摄相模原市中央区的JAXA宇宙科学研究所）
向JAXA宇宙科学研究所运送样本的NASA总部科学任务理事会天体材料管理首席科学家Kathleen Vander Kaaden在新闻发布会上表示：“非常高兴能成功交付样本。JAXA首次从小行星采集样本的经验，对于 ‘OSIRIS-REx’ 任务的顺利实施助益良多。JAXA具备将样本提供给全球利用，并以此提升科学水平的能力。日本是我们的重要合作伙伴，我期待未来双方继续提升能力，探索太阳系。”
火星卫星、月球探测——面向未来开发技术
“贝努” 样本被存放在JAXA的 “地外样本保管中心”。该中心之前曾成功处理过 “龙宫” 样本。所谓 “保管” 是指从特定角度对资料与信息进行收集、分类与价值鉴别等。
该中心配备了无尘室，通过控制粉尘、温度、湿度及气压确保环境的洁净度。无尘室内配备了用于无污染处理样本的密封容器、通过红外线照射样本以识别物质成分及测量含量的设备等。其中还包括法国某研究机构开发的仪器设备。
接受“贝努”样本的“地外样本保管中心”（摄于相模原市中央区）
在这里，研究人员将首先对贝努样本进行基本信息的 “初步记录工作”。然后再进行样本筛选，并于2024年年末向日本国内和国际研究团队分发样本。分发样本的原则主要有两类：（1）以 “龙宫” 样本为基准进行对比研究及提高分析技术为目标的 “战略性优先分配”；（2）支持自由探索研究的 “公开征集”。
臼井宽裕教授
2024年6月，JAXA宇宙科学研究所地球外物质研究团队负责人臼井宽裕教授对媒体表示：“研究不仅限于 ‘龙宫’ 与 ‘贝努’ 的对比分析。未来，JAXA还计划通过 ‘MMX’ 项目回收火星卫星福波斯的样本，在 ‘阿尔忒弥斯计划’（国际月球探测）框架下也将从月球采集样本。因此，提前掌握这些面向2030～2040年代的样品整理与管理技术也非常重要。”
记录着历史的超级样本
“隼鸟2号” 曾探访的 “龙宫” 是一颗富含碳、有机物和水的 “C型小行星”，被认为是很好地保留了太阳系早期的状态。有人推测，这类天体在远古时期撞击地球，为地球生命和海水提供了原材料。验证这一点并探索生命起源，是 “隼鸟2号” 的一大核心任务。“贝努” 同样属于C型小行星的一种，详细归类为 “B型”。
（左）“隼鸟2号”探索的“龙宫”（供图：JAXA、东京大学等）；（右）“OSIRIS-REx”探索的“贝努”（供图：NASA、美国亚利桑那大学）。怎么看二者的相似程度都非常惊人
“隼鸟2号” 曾两次降落至 “龙宫”，并从表面和地下采集样本后成功带回地球。这些成就曾被广泛报道。另一方面，数据观测和理论分析还需要长期对样本进行详细调查加以积累，因而在社会上没有那么轰动。继初步分析后，“龙宫” 样本根据科学家的提案被分发至日本国内外团队。截至目前取得的成果主要包括如下（1）～（3）几点。
（1）龙宫的元素组成和同位素比率与保留了太阳系形成时状态的伊武纳（Ivuna）型（CI群碳质球粒陨石）陨石极为相似。研究人员之间的共识是，认为这种陨石是可为了解太阳系历史提供线索的标准样本。也就是说，通过“隼鸟2号” 人类成功采集了与早期太阳系中存在的行星物质类似的样本。地球上的陨石因环境作用已发生了改变，而这些未经地球环境发生改变的小行星样本则能为研究提供重要依据。
（2）发现了许多以水为必要条件的 “含水矿物”。它们似乎是冰融化后形成水，水又与矿物质发生反应而形成的。研究还发现，硫化铁晶体中含有微量液态水。但 “龙宫” 体积过小，不可能自行生成液态水，说明它最初应该是一个大型天体（母天体）。此外，虽然水中含有二氧化碳，但要使二氧化碳融入水中，水应该是在低温下呈固体状态。一些样本中氢和氮的同位素组成等也表明，“龙宫”起源于太阳系遥远且寒冷的区域。通过分析放射性同位素，含水矿物形成于46亿年前，即太阳系诞生500万年之后。
（左）“隼鸟2号”第2次采集样本，着陆4秒后的情形。取样装置的尖端触及表面时扬起了石块和沙子（2019年7月）；（右）带回地球的第2次采集的样本（供图：JAXA）
“隼鸟2号” 探测器从上空观测时，“龙宫”被认为是由脱水岩石组成的。然而，带回的样本却显示，岩石中含有丰富的含水矿物。也就是说，岩石只有表面部分发生了脱水。这一发现进一步凸显了采集真实样本进行探测的重要意义。
氨基酸的立体结构与地球生物不同
“龙宫”样本中发现的一种氨基酸——“丙氨酸”结构示意图。分为左旋和右旋光学异构体(optical isomer)（供图：日本国立天文台）
（3）在样本中发现了丰富的有机物，其中含有生命所必需的氨基酸。然而，它们看起来与地球上的生物不同。尽管氨基酸具有相同的原子构型，但分子的立体结构却像左右手一样，存在镜像差异。这便是我们在高中化学中学到的光学（镜像）异构体。地球生物体中的氨基酸大多都是 “左手型” 的。而 “龙宫” 的样本中，左右手型的氨基酸数量是均等的。如果小行星上的氨基酸也是 “左手型” 占多数，那么支持生命的原材料由天体带到地球上的可能性假说就能成立。然而，目前看来，这个问题仍有待进一步研究。
迄今为止的各种研究成果显示，“龙宫” 的历史描绘出了太阳系的发展轨迹。首先，在早期太阳系的边缘，形成了大量微小行星——也就是行星的组成部分。其中一个微小行星成为 “龙宫” 的母天体，直径约几十公里。这个母天体之后与其他天体发生了碰撞，解体成碎片。一部分碎片重新聚集，形成了现今直径约900米的 “龙宫”，并移动到地球附近的轨道，成为探测器能够抵达的目标。
“龙宫”可能的演变史。从漂浮在宇宙中的颗粒形成微小行星，其中一个是“龙宫”的母天体。因撞击产生的碎片再次聚集形成了“龙宫”，然后从小行星带迁移到接近地球的轨道（供图：橘省吾）
2024年11月21日，京都大学等研究团队宣布，他们在 “龙宫” 的样本中发现了盐晶体。这被认为是母天体中的盐水在蒸发或冻结后析出的结果。该发现揭示了 “龙宫” 液态水消失的过程，对于理解太阳系水的历史具有重要意义。
“龙宫” 或许只是一个充满太阳系历史的 “时光胶囊” 天体中的冰山一角。从这些天体运输各种物质的过程可以一窥究竟。那么，地球生命所需的有机物与水的起源究竟是什么？让我们期待未来更多的科学发现。
2组样本——关注异同点
橘省吾教授
另一方面，关于 “贝努” 小行星样本，已发表的论文中显示其与 “龙宫” 样本有相似之处。东京大学研究生院理学系研究科的橘省吾教授（宇宙研特任教授）解释说：“两者的元素组成非常相似，并呈现出了地球上的陨石所没有的特殊模式。两者都发现了一些有机分子。同时，也存在很多差异，例如，贝努的碳和氮含量略高等。”
样本的共通点反映了太阳系中普遍发生的现象，而相异之处则体现了各天体独有的历史。橘教授表示：“通过元素、同位素、矿物、有机物等多方面的比较非常重要，期待解明太阳系的起源以及地球接收有机物与水的过程。”
“隼鸟2号” 还将观测彗星
“隼鸟2号”于2024年9月初拍摄的紫金山-阿特拉斯彗星（供图：JAXA）
“隼鸟2号” 自2014年12月发射以来，历经约3600天，目前正前往第二个目标小行星 “1998KY26”，目前正航行于距离地球2.57亿公里的太空中。2024年夏天，它通过搭载的相机观测到接近太阳的 “紫金山-阿特拉斯彗星”。人们期待能够从地面上用肉眼看到这颗彗星，但美国研究人员悲观地预测它将在此之前解体，从而引起了人们的注意。最终，它未被解体，所以有不少人用肉眼看到它了。笔者曾在东京勉强拍摄到了 “紫金山-阿特拉斯彗星” 朦胧的身影，你是否看到过呢？
“隼鸟2号” 预计将于2026年7月接近小行星 “Triphune”，并对其进行观测。利用引力加速后将于2027年12月和2028年6月再次接近地球，最终在2031年7月抵达1998KY26。同时，“OSIRIS-REx” 也已更名为 “Osiris-Apex”， 正在向下一目标小行星 “Apophis” 航行，预计于2029年到达。可惜这两个航天器都是单程，将再也不会回到地球。
保卫地球的研究同样受到瞩目
小行星也是旨在保护生活在地球上的人类免受天体撞击的 “行星防御（Planetary Defense）” 研究中关注的一个焦点。众所周知，在6600万年前的白垩纪末期，一个直径10公里的天体撞击地球，成为恐龙灭绝的主要原因。然而，撞击并未停止，地球始终面临大小不一的天体威胁。未来，当天体对人类造成威胁时，人类将不得不采取措施。
白垩纪末期撞击地球的小行星，成为恐龙灭绝的主要原因（供图：池下章裕，设想图）
因此，美国和欧洲已着手进行全面研究。探讨通过让探测器撞击天体使其偏离轨道的可行性。其目标天体是一颗由小行星 “Didymos”（直径780米）及其卫星 “Dimorphos”（160米）组成的双子星。首先，2022年9月，NASA的 “DART” 探测器以每秒约6公里的速度撞击了 Dimorphos。成功让Dimorphos 的公转周期缩短了32分钟，远远超出了原本约10分钟的预期，其成果令研究人员感到兴奋。不过，这对双小行星并未对地球构成实际威胁。
（左）“DART”探测器撞向Dimorphos的构想图（供图：NASA、美国约翰霍普金斯大学的史提夫·格里本）；（右）撞击后不久，与“DART”分离的意大利小型飞行器拍摄的图片。在右下角可以看到Dimorphos喷出的物质（供图：意大利宇宙机构、NASA）
2024年10月7日，欧洲航天局（ESA）的 “赫拉号（Hera）” 探测器从美国发射升空，开启了对双子星的探索。它预计将于2026年抵达，将详细研究 “DART” 撞击造成的轨道和自转变化，以及撞击造成的陨石坑等。
“赫拉号”在检测“DART”在Dimorphos撞击造成陨石坑（供图：ESA，设想图）
日本也为 “赫拉号” 上安装了热红外相机，并将其用于科学研究。宇宙研 “赫拉号” 项目组负责人冈田达明副教授表示 “要准确掌握撞击效果，就必须详细调查小行星的重量和硬度等属性，这正是 ‘赫拉号’ 的任务所在。考虑到飞散的物质，该研究并不容易。”
据JAXA “行星防御” 研究团队的负责人吉川真副教授介绍，该领域的研究始于1990年代，近年来在联合国和各国宇宙机构等的讨论尤为活跃。到目前为止，太阳系中已发现140万颗小行星。其中类似 “龙宫” 和 “贝努” 等距离地球很近的小行星约有3万6000颗，但预计在未来100年内没有与地球相撞的风险。据悉，直径10公里以上的小行星已基本全部发现，因此类似导致恐龙灭绝的大规模撞击不太可能发生。然而，直径在1公里以下的小行星数量仍在快速增加，这意味着未被发现的天体数量仍然庞大。
（左）冈田副教授；（右）吉川副教授
2013年，一颗直径为17米的陨石坠落在俄罗斯车里雅宾斯克州，给当地带来了破坏。为避免类似情况的发生，重要的是要在这些天体与地球相撞之前探测到它们，通过疏散居民等手段来减少损失，或开发像 “DART” 那样通过用飞行器撞击直径数十至数百米的天体来改变其飞行轨道的技术。行星防御可以说是灾害预防的一个领域，需要社会科学的参与以及超越学科界限的综合知识。
小行星探测器或由日本火箭发射
Osiris-Apex 探测目标的小行星 “Apophis” 将在2029年4月接近地球，距离地球只有3.2万公里。该天体直径为340米。曾一度被认为可能会与地球相撞，但后来这一风险被否认。所谓3.2万公里的距离，比静止轨道卫星的高度（3.6万公里）还要更接近地表。ESA表示，“像这样大的天体接近地球至如此距离，是5000至1万年才会出现一次的事件”， 因此作为一次宝贵的观测机会备受关注。为此，联合国将2029年指定为“国际小行星意识与行星防御年”。
2024年7月，ESA公布了关于探索小行星 “Apophis” 的航天器 “Ramses” 的计划。该计划能否实施，将由ESA的部长理事会在2025年11月做出正式决定。如果实现，它将于2028年4月发射，并于2029年2月，即在 “Apophis” 最接近地球的两个月前到达。JAXA和ESA于2024年11月20日发表了一份在该计划中开展合作的联合声明。具体内容包括，除日本提供的热红外摄像机和太阳能电池板外，还将考虑提供给日本“发射机会”。日本大型 “H3” 火箭有可能成为 “Ramses” 离开地球的发射工具。
探索“Apophis”的“Ramses”的构想图（供图：ESA）
2024年，日本在小行星研究方面还取得了其他进展。JAXA计划利用深空探测技术验证机 “Destiny+” 探测活跃释放物质的活跃小行星 “Phaethon”。该探测器原计划在2024年度用正在研发的小型火箭 “Epsilon S” 发射，但由于2023年7月在 Epsilon S 的测试过程中发生爆炸，因此决定在2028年用其他火箭发射。2024年10月9日，JAXA宇宙科学研究所向日本政府宇宙政策委员会小委员会提交了报告。根据2024年12月24日修订的宇宙基本计划进度表，火箭将改为使用H3，相关调整将于今后逐步进行。
阿拉伯联合酋长国（UAE）航天局和三菱重工业于2024年10月11日宣布，UAE航天局的 “MBR Explorer” 小行星探测器将由H3发射。根据双方的资料等信息，发射时间定于2028年3月。该探测器将在依次飞越位于火星与木星之间的小行星带中的6个小行星并进行观测后，最终着陆在第7个小行星 “Justitia” 上。这是一个极为宏伟的计划。
请允许我借此机会分享一个私人的事情，小行星带中的小行星 “KUSAKA（1992HL）” 是以笔者的一位亲戚（已故）的名字命名的。如果有任何国家的探测器经过附近，请务必造访一下。
说到太阳系，我们首先会想到在中间闪耀着灿烂光芒的太阳，以及水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等各具独特面貌的行星。然而，从2020年代后半期开始，对小行星、彗星、海王星以外的“太阳系外缘天体”，以及各行星的卫星等这些 “配角” 天体的探测和研究，必将愈发有趣。它们在历史上影响了主角行星的存在，甚至可能解开生命存在的奥秘。我们甚至还有可能在木星等行星的卫星上发现地外生命存在的证据。期待能看到这些配角成为焦点的新闻，那将是令人振奋的事情。
宇宙中不仅有太阳、水星、金星、地球、火星、木星、土星……等行星，还有小行星等小型天体也将越来越受到关注（供图：NASA、美国加州理工学院）
原文：草下健夫/JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
