攀登国际行星科学的“高峰”

——记中科院行星科学重点实验室

实验室设备 行星科学重点实验室供图

　　无论是勾起我们回忆的天文馆穹幕电影院，还是地理课本上的天王星、海王星、冥王星与神秘的“火星人”，都是人们对天文学的最初认识和向往，也成为了许多人童年时代的励志来源。天文学，神秘而新奇，它仿佛离我们如此之远，又好像近在咫尺……

　　潜在的危险

　　今年6月，一名自称是未来预言家的“先知”埃弗拉因·罗德里格斯发表声明称：2015年9月人类将面临末日袭击，一颗小行星将撞击波多黎各，地球上的生命也将面临末日。虽然美国宇航局已出来澄清此声明并无根据，但他们也指出小行星撞击地球的确是人类面临的最大威胁之一。

　　“小行星绝大多数分布于火星和木星轨道之间的主带区域，其可能蕴涵地球生命和水体起源的重要线索，同时也蕴藏着太阳系形成初期的原始信息，因而具有十分重要的科学研究价值。另外，一些小行星（近地天体）轨道与地球轨道很接近或相交，存在与地球相撞的可能，因此对地球与人类的安全构成了潜在的危险。”中科院行星科学重点实验室副主任季江徽研究员告诉《中国科学报》记者。

　　正是由于近地天体对地球与人类的生存构成了重大威胁，因此国际上知名航天大国也纷纷掀起了将近地小行星作为深空探测目标的科学热潮，期望通过近距离空间探测来细致了解其物理特性、内部结构与组成成分，以便未来当人类面临危险时，能采取更为合理的减缓措施。为此，季江徽也表示，如果人类能更好地研究小行星表面的热物理性质，从而深入揭示小行星表面热惯量与表壤颗粒尺寸等重要物理信息，对人类进一步了解近地小行星轨道漂移与起源演化均具有重要意义。

　　让“嫦娥”飞越

　　深空，像深海一样浩瀚杳渺、神秘叵测。对于这样一支现代版的“伽利略”团队来说，研究深空、驾驭深空、利用深空，成为了他们的行动指南。

　　2012年，由院行星科学实验室科研人员精准确定的图塔蒂斯小行星轨道，使嫦娥二号实现了千米级飞越探测。也正是基于嫦娥二号飞越得到的探测数据，研究人员成功揭示了图塔蒂斯小行星的物理特性、表面特征、内部结构与形成机理等。此项任务中，实验室通过利用嫦娥二号探测器对飞越探测图塔蒂斯小行星获取的光学图像，发现了图塔蒂斯拥有不规则形状和不平坦表面，并通过分析获得了图塔蒂斯表面的一些新特征：在图塔蒂斯“身体”端部，科研人员发现了一个直径大约 800米的巨型盆地，在小行星的表面还找到了超过50处较为明显的、大小不一的陨石坑，其中包括两个先后产生在同一位置上，附近且相互有部分遮盖的陨坑。研究人员发现小行星的“颈部”以近乎垂直的角度连接着“头部”和“身体”，其表面存在超过30个有巨石特征的区域。

　　从这些行星表面特征中，科研人员推断图塔蒂斯很可能是一颗具有碎石堆结构的密近双小行星，可能由两个独立小天体缓慢靠近形成，也可能是约普（YORP）效应作用的结果，还可能由于大规模的撞击造成。这些研究对今后科学界认识太阳系中小行星的形成与演化以及近地天体的空间防护等都具有十分重要的意义。

　　季江徽表示，这是探月工程（二期）的一项重要成果，也是我国首次行星际探测活动中，在多目标新模式探测、小行星新领域开拓的成功尝试，是工程实践与科学研究相融合的成功范例。据悉，该研究成果目前已在线发表在Scientific Reports（《科学报告》）上。2013年12月13日，Nature英文网站也作为首页头条推介了这项成果，全球多个知名媒体进行了报道，该项成果还入围了2013年度“十大天文科技进展”。

　　不仅如此，研究人员还于近期利用嫦娥二号数据，深入开展了图塔蒂斯小行星自转动力学的研究。结合地基雷达形状模型，他们首次利用空间光学图像数据较精确地给出了图塔蒂斯自转轴在空间的指向，并融合雷达数据通过建立合理的动力学模型研究了其自转动力学演化，给出了图塔蒂斯的自转状态，计算得到其绕长轴的自转周期、长轴绕角动量轴进动周期，揭示了该小行星在空间中“翻跟头”的原因。该成果也同时为研究小行星的形成演化机制提供了重要依据。

　　支持NASA任务采样机制的可行性

　　目前，实验室季江徽课题组基于国际上先进的小行星热物理模型和Bennu最新的三维形状模型，利用空间望远镜和地面望远镜的多组热红外观测数据，首次限定出小行星Bennu的表面热惯量、粗糙度等表面物理性质的1σ范围以及其热惯量、粗糙度和几何反照率等参数。这些重要的研究结果为更准确地研究小行星 Bennu的轨道漂移提供了科学依据。

　　研究人员根据推算的表面热惯量值与其表面温度分布，进一步估计了小行星Bennu表面物质颗粒尺寸的范围。这些研究成果很大程度上支持了NASA OSIRIS-REx任务Touch-And-Go采样机制的可行性。“研究方法将来可应用于我国未来的小行星深空探测任务，能提供探测目标小行星的表面反照率、粗糙度及热惯量等关键科学参数，为科学载荷的设计与研制等提供重要的工程应用价值。”季江徽说。

　　在行星陨石化学方面，实验室徐伟彪研究员课题组成功申报了我国新发现的4个陨石富集区：Xingdi，Argan，Loulan Yizhi 和Lop Nur。它们位于新疆塔克拉玛干沙漠以东的罗布泊地区。新富集区的地质、地形条件非常有利于陨石的野外搜寻工作。他们发现并确认了13块平衡型普通球粒陨石。与南极陨石相比, 在国内沙漠富集区回收陨石具有诸多优势。新富集区的确立为国内沙漠陨石的回收工作提供了理论依据和前提保障, 而我国的沙漠陨石回收工作亟待进行。

　　“目前实验室的突出特色是在基础研究方面以攀登国际行星科学‘高峰’为目标，同时在应用研究方面积极为国家深空探测战略需求提供科学的技术支持。”中科院行星科学重点实验室主任廖新浩研究员介绍说。

　　链接

　　作为我国研究行星科学最为顶尖的科研机构之一，中科院行星科学重点实验室由上海天文台和紫金山天文台于2013年联合组建。实验室目前有针对性地聚焦在7 个研究单元上：行星动力学研究、行星地球空间监测资料分析研究、太阳系行星际空间环境、VLBI测量技术在深空探测中的应用研究、近地天体探测和太阳系天体研究、天体化学研究以及行星科学与深空探测。近年来，实验室培养出了多名博士后及博（硕）士研究生。目前实验室拥有国家杰出青年基金获得者2 人、中科院 “百人计划”入选者5 人。