叮咚!太空岩石歡樂送!

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研究外太空天體的岩石最簡單、粗暴的方法,就是去到外太空,將天體上的岩石「外帶」回來地球上分析,這類型的任務稱為「採樣返回 (Sample-return)」。人類目前已經成功從月球、小行星上外帶回岩石樣本,甚至還從太空環境中裝了看不見的粒子回來分析。這些樣本除了讓科學家得以直接瞭解天體的組成,還有機會讓人類更加接近生命起源之謎。

撰文|許世穎

月球「採樣返回」任務:真人與機器

要怎麼研究外太空天體的岩石成分呢?最簡單、粗暴的方法,就是去外太空,並將天體上的岩石外帶回來地球上分析,這類型的任務稱為「採樣返回 (Sample-return)」。

1969年的阿波羅11號是首次人類登陸月球的任務,也是史上第一次成功從太空中外帶岩石樣本的任務。出國玩總是要帶點紀念品回來,更何況是人類首次登陸月球呢?

由於太空衣的限制,太空人並不好活動(想像一下米其林彎腰撿東西就懂啦~),因此出現了許多不同的採集工具(圖1)。比方說,太空人會用長夾子,像夾垃圾一樣地採集小石頭。還會用刮勺、釘耙等工具,像拿著一隻超長的冰淇淋勺一樣,將月表泥土刮起來採集。遇到比較大顆的石頭,還會用錘子打碎再帶回。

圖1:各式各樣在阿波羅登月任務中用來採集月球岩石的工具|來源:NASA

如果想要知道比較深層的成分,太空人會拿一個中空的管子插入月球表面,並用錘子把管子敲進土裡。就好像我們拿吸管插入冰沙裡面再抽出來一樣,當這根管子拔起來以後,裡面就會裝入滿滿的月球土壤。

阿波羅11號總計帶了22公斤的樣本回到地球,包含了數十顆小石頭、一些泥土碎屑,以及插入地面蒐集底下岩土的管子。美國後續的載人登月任務又帶回了許多的岩石樣本,最後一共帶回了約382公斤的月球岩石(圖2)。

圖2:阿波羅15號帶回來的月球岩石樣本之一|來源:NASA

除了派真人去太空外帶岩石回來以外,另一種方法就是派遣太空船、探測車、登陸艇等採集器,並在完成後把太空岩石運回地球。這種方法總體說來風險更小、成本也更低。最早的一次成功案例,是1970年蘇聯的「月球16號(Luna 16,圖3)」。月球16號就像一隻蚊子,飛到月球上以後,伸出一支像釣竿一樣的鑽頭,鑽入月球表面並採集岩石,最後再回到地球。蘇聯在1970至1976年間的三次任務中,總共帶回了約300多公克的岩石樣本。

圖3:蘇聯的「月球16號」。帶有一支像釣竿的鑽頭|來源:NASA

隨著冷戰及太空競賽的落幕,人類採樣月球岩石的活動暫時停歇。直到2000年,中國的「嫦娥5號 (Chang'e 5)」也成功從月球上採集了1700多公克的月岩樣本回到地球。目前也就只有美國、蘇聯、中國成功從月球上帶回岩石樣本。

 

輪到小行星了!

月球不是唯一一個人類採集岩石的對象,日本在2003年時發射了「隼鳥號(はやぶさ)」,目標是採集「小行星25143」的岩石樣本帶回來研究。這顆小行星後來以日本火箭科學之父「絲川英夫(日:糸川英夫)」命名為「絲川(日:糸川;英:Itokawa)」。「小行星絲川」外型像一顆花生(圖4),被認為是一顆有可能撞擊地球的「潛在威脅天體 (Potentially hazardous object)」。

圖4:小行星絲川,有人覺得像花生,但筆者覺得像菱角……。由隼鳥號所拍攝|來源:JAXA

「隼鳥號」的目標是朝向小行星發射高速子彈,並在收集彈出來的碎岩後回到地球。雖然由於故障,任務並沒有完美執行,不過「隼鳥號」仍然收集到小行星表面的一些粉塵(少於1公克),達成了人類史上第一次從小行星上採集到樣本的紀錄。

後來的「隼鳥2號(はやぶさ-2,圖5)」改以另一顆小行星為目標:「小行星162173」,後來這顆被命名為「龍宮 (Ryugu)」的小行星,同樣也是一顆「潛在威脅天體」。

「隼鳥2號」在2014年發射升空,先是繞行小行星龍宮進行初步的研究,接著丟下一個像盒子一樣的探測器到小行星上表面,像盒子一樣的探測器甚至還能自己移動到不同位置探測。在瞭解了表面的環境以後,「隼鳥2號」就朝向小行星發射子彈,並且成功降落採集。最後在2020年如同前輩一樣,在重返地球大氣層時回收艙分離。載有樣本的回收艙落在地球上,而「隼鳥2號」太空船本體則如計畫燒毀在大氣層中。

圖5:隼鳥2號想像圖|來源:JAXA

「隼鳥2號」帶回了5.4公克的小行星岩石樣本,後來科學家從這些樣本中發現了胺基酸。胺基酸是蛋白質的成分之一,這項發現讓人類對於太空中是否能誕生生命有了更多想像空間。

 

採集「看不見的粒子」

能從太空中帶回來的樣本並不只有岩石,還有那些「看不到的小粒子」。就好像到工業區旁邊,打開罐子裝空氣回到研究室分析一樣。雖然眼睛看不見,但科學家卻可以從中獲得許多資訊。

1996年,蘇聯為了建造國際太空站,因此針對太空環境進行了一系列的調查,其中一項,就是採集太空中的粒子。日本的「蒲公英計畫 (Tanpopo)」藉由採集太空中的粒子,來調查生命起源。美國的「起源號 (Genesis)」則飛到太陽與地球之間,收集太陽放射出來的粒子(太陽風)。

除了上述這些以外,美國的「星塵號 (Stardust)」則帶回了彗星「維爾特二號 (Wild 2、81P/Wild)」周圍的粒子樣本,能幫助我們直接分析彗星成分。

 

剛回來的「歐西里斯號」

美國的「歐西里斯號(OSIRIS-REx,圖6)」在2016年升空,它的目標是採集「小行星101955」的樣本。這顆小行星後來被以埃及的不死鳥「貝努 (Bennu)」命名。「小行星貝努」同樣也是「潛在威脅天體」,甚至是風險指數最高的等級。

圖6:歐西里斯號想像圖|來源:NASA

「歐西里斯號」會像一個高腳杯一樣降落在小行星的表面,這個「杯底」會對著蓋起來的地方噴氮氣,將小行星表面的岩石像「洗牙」一樣吹起來,同時收集這些吹起來的岩石。

「歐西里斯號」在今 (2023) 年9月底經過地球旁,將返回艙丟向地球後,繼續前往下一顆小行星進行其他觀測。而科學家前些日子已經發表了樣本的初步分析結果,看起來這些小行星岩石中帶有大量的碳與水,或許也有機會讓我們更加理解生命起源之謎!

圖7:回到地球上的「歐西里斯號」返回艙|來源:NASA Headquarters / NASA / Keegan Barber

未來數年還有許多的採樣返回任務規劃,包含了月球、小行星、甚至火星!就讓我們對這些未來的太空岩石歡樂送拭目以待!

 


參考文獻

  1. Lunar and Planetary Institute / Apollo Missions
  2. NASA / Astromaterials Acquisition & Curation Office
  3. NASA
  4. Youtube / JAXA | 宇宙航空研究開発機構
  5. Youtube / DLR

 


📖 延伸閱讀:《外星生命跡象?JWST(應該)能找得到

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