小行星探測(cè)科學(xué)目標(biāo)進(jìn)展與展望

李春來(lái)，劉建軍，嚴(yán) 韋，封劍青，任 鑫，劉 斌

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

引 言

小行星（Minor Planet/Asteroid）指圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，體積和質(zhì)量比行星和矮行星小，且不易釋放出氣體和塵埃的天體[1]。由于大部分小行星的內(nèi)部演化程度較低，較好地保留了太陽(yáng)系早期形成和演化歷史的遺跡，因此它們的化學(xué)成分和礦物組成對(duì)研究太陽(yáng)系的起源有很重要的意義，被稱為研究太陽(yáng)系起源的“活化石”。

人類利用現(xiàn)代科技，通過(guò)地面觀測(cè)、發(fā)射人造探測(cè)器等手段，開(kāi)展小行星探測(cè)活動(dòng)，近距離甚至零距離獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)于研究太陽(yáng)系的起源和演化歷史，探索生命起源的可能途徑，保障地球的安全等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文將首先介紹小行星的定義、分類和主要探測(cè)方式；在此基礎(chǔ)上，總結(jié)目前已實(shí)施和正在實(shí)施的國(guó)際小行星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)、搭載的科學(xué)載荷以及獲取的主要科學(xué)數(shù)據(jù)等內(nèi)容，探討未來(lái)小行星探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和主要科學(xué)問(wèn)題，并展望我國(guó)未來(lái)小行星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)。

1 小行星概述

1.1 小行星的定義

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Astronomical Union，IAU）2006年第26屆大會(huì)對(duì)太陽(yáng)系行星進(jìn)行了新的定義（RESOLUTION 5A[2]），按照該定義，太陽(yáng)系天體被分為行星、矮行星以及太陽(yáng)系小天體（Small Solar System Body，SSSB）三類，即小行星和彗星被重新歸類為矮行星和太陽(yáng)系小天體，如圖1所示?？梢?jiàn)，除了行星、彗星、天然衛(wèi)星，以及被IAU認(rèn)定為矮行星的天體之外，太陽(yáng)系中其它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的天體都被稱為小行星。

圖1 IAU定義中的太陽(yáng)系天體分類［2］Fig.1 The classification of celestial bodies in the solar system by IAU［2］

小行星主要指公轉(zhuǎn)軌道在小行星主帶（Main-Belt，位于火星和木星之間）以內(nèi)的天體，超過(guò)90%的小行星位于小行星主帶附近[3]，其子類還包括特洛伊小行星（Trojans）、半人馬小行星（Centaurs）以及海王星外天體（Trans- Neptunian Objects,TNOs）等等。小行星表面的反照率一般較小，只有灶神星（Vesta）具有較高的表面反照率，能夠通過(guò)肉眼觀測(cè)到[4]。

小行星在特征上有別于彗星和流星體。由于大多數(shù)小行星的形成位置更接近于太陽(yáng)，因此其內(nèi)部已很少保存有與彗星類似的冰質(zhì)結(jié)構(gòu)，而主要由難熔礦物和巖石組成；小行星與流星體的主要區(qū)別在于尺寸，流星體的直徑通常小于1 m，而小行星的直徑則要大于1 m[5]。

關(guān)于小行星的成因，目前天文學(xué)家普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)是小行星是太陽(yáng)系形成過(guò)程中沒(méi)有形成行星的殘留物質(zhì)[6-7]。太陽(yáng)系形成過(guò)程中，木星的質(zhì)量增長(zhǎng)速度最快，當(dāng)木星質(zhì)量增長(zhǎng)到接近目前狀態(tài)時(shí)，其引力擾動(dòng)將抑制軌道范圍內(nèi)另一顆行星的形成。在木星引力擾動(dòng)作用下，小行星主帶內(nèi)的殘余物質(zhì)將不斷碰撞和破碎，無(wú)法聚集形成行星，最終形成小行星主帶中的小行星。其余一些碎片更是被驅(qū)趕出它們的軌道，與其它行星相撞，成為其它行星的一部分，或成為柯伊伯帶小行星等太陽(yáng)系小天體。

1.2 小行星分類

小行星的分類主要依據(jù)兩種參數(shù)，一種基于小行星的軌道位置特征，另一種基于小行星的光譜特性。

1）按軌道位置特征分類的小行星類型

按照小行星軌道與太陽(yáng)之間的位置關(guān)系，可將小行星分為內(nèi)太陽(yáng)系小行星和外太陽(yáng)系小行星。其中，內(nèi)太陽(yáng)系小行星主要包括近地小行星（Near Earth Asteroids,NEAs）、主帶小行星（Main-Belt Asteroids）、以及特洛伊小行星（Trojans）（見(jiàn)圖2，藍(lán)線為行星軌道，紅色為近地小行星（示例），白色為主帶小行星，綠色為木星特洛伊小行星）；外太陽(yáng)系小行星主要包括半人馬小行星（Centaurs）和海王星外小行星（Trans-Neptunian Objects,TNOs）（見(jiàn)圖3，黃色原點(diǎn)表示太陽(yáng)，J、S、U和N分別表示木星、土星、天王星和海王星，灰色表示特洛伊小行星（木星），綠色表示半人馬小行星，藍(lán)色表示柯伊伯帶小行星，橙色表示黃道離散盤天體）。

圖2 內(nèi)太陽(yáng)系小行星分布示意圖（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）Fig.2 Distribution of internal solar system minor planets（from Internet）

圖3 外太陽(yáng)系小行星分布示意圖（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）Fig.3 Distribution of outer solar system minor planets（from Internet）

主帶小行星是數(shù)量最多的小行星，占所有觀測(cè)到的小行星數(shù)量的92.3%[3]；近地小行星又可以細(xì)分為Atira、Aten、Apollo、Amor等類型[8]，近年來(lái)已逐漸成為國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)對(duì)象；特洛伊小行星最初指木星軌道的L4 和L5 點(diǎn)附近存在的小行星[9]，隨著觀測(cè)的深入，在火星、地球、海王星等行星的L4 和L5點(diǎn)附近，也都發(fā)現(xiàn)了此類小行星[10-13]；半人馬小行星的軌道通常是不穩(wěn)定的，因?yàn)樗鼈儗⒋┰揭粋€(gè)或多個(gè)巨行星的公轉(zhuǎn)軌道，受到較強(qiáng)的軌道攝動(dòng)，大多數(shù)半人馬小行星軌道的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定周期都只有百萬(wàn)年量級(jí)[14]；海王星外天體包括除冥王星（已歸于矮行星）外的冥族小行星（Plutoids），以及柯伊伯帶（Kuiper belt）天體、黃道離散盤天體（Scattered Disc Objects）、以及奧爾特云（Oort Cloud）天體3個(gè)擴(kuò)展子類，此外，目前還發(fā)現(xiàn)12顆超遠(yuǎn)海王星外天體（Extreme Trans-Neptunian Objects，ETNOs）[15]。

2）按光譜特性分類的小行星

由于小行星表面物質(zhì)的性質(zhì)（例如成分、顆粒分布等）不同，其反射太陽(yáng)光的性質(zhì)也不同，因此可以根據(jù)小行星在可見(jiàn)光波段、可見(jiàn)近紅外波段等的光譜反射特性，對(duì)小行星進(jìn)行分類。

目前較新的、應(yīng)用較為廣泛的小行星光譜類型分類方法是主帶小行星光譜巡天（Small Main-belt Asteroid Spectroscopic Survey，SMASS）分類法[16-17]，由Schelte J.Bus和Richard P.Binzel于2002年提出。在SMASS分類法的基礎(chǔ)上，F(xiàn)rancesca E.DeMeo等人進(jìn)一步改進(jìn)了小行星光譜分類方法，基本保留了Bus的分類，并對(duì)光譜子類進(jìn)行了刪減、合并和新增，最終將小行星分為三大類共計(jì)24 個(gè)光譜子類[18]，其中三大光譜類型分別為C型小行星（含碳質(zhì)小行星）、S型小行星（含硅質(zhì)，即石質(zhì)為主的小行星），以及X型小行星（金屬小行星）。

基于上述的小行星光譜分類和數(shù)據(jù)，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院（Centre National de la Recherche Scientifique，CNRS）天體力學(xué)與星歷學(xué)院（ Institut de Mécanique Céleste et de Calcul Des éphémérides ）建立了M4AST（Modeling for Asteroid）光譜庫(kù)，用于對(duì)小行星光譜進(jìn)行查詢和分類[19]。

1.3 小行星探測(cè)方式

對(duì)小行星的觀測(cè)已經(jīng)歷了200多年的歷史，觀測(cè)手段也由目視觀測(cè)、照相觀測(cè)、CCD 和大望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)等地面觀測(cè)發(fā)展到空間探測(cè)。

1）地面觀測(cè)

20 世紀(jì)90年代以前，小行星探測(cè)主要通過(guò)地面觀測(cè)完成。隨著新的大尺度、高靈敏CCD 技術(shù)的應(yīng)用，以及大口徑的望遠(yuǎn)鏡的投入，小行星的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越多，觀測(cè)數(shù)據(jù)也更加完備。目前，用于觀測(cè)小行星大小和形狀的地面觀測(cè)主要方法有：望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)、掩星法、地基雷達(dá)觀測(cè)、斑痕干涉法以及輻射法等。然而，即使是目前觀測(cè)精度最高的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡，也僅能觀測(cè)到一些體積較大的小行星的少量表面細(xì)節(jié)，仍有很多模糊的光斑無(wú)法辨認(rèn)[20]，對(duì)小行星的近距離探測(cè)迫在眉睫。

此外，對(duì)小行星的研究工作還可以通過(guò)對(duì)隕落到地面的小行星碎片（即隕石）進(jìn)行研究。在所有目前發(fā)現(xiàn)的隕石中，大約有92.8%是由硅酸鹽石質(zhì)組成的，5.7%是由鐵和鎳組成的，剩余的則是石鐵混合物。

2）空間探測(cè)

空間探測(cè)可以使用相機(jī)、雷達(dá)、多波段光譜探測(cè)等手段對(duì)小行星進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)繪和成分分析，甚至可以直接采樣返回。

目前，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展了多次小行星空間探測(cè)。1991年10月，美國(guó)伽利略木星探測(cè)器（Galileo）成功地飛越了小行星951 Gaspra，是人類第一次近距離、高精度的小行星探測(cè)；1993年8月，Galileo探測(cè)器又飛越了小行星243 Ida；2010年6月，日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)了小行星25143 Itokawa 采樣返回，成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回任務(wù)的探測(cè)器。

小行星空間探測(cè)的另外一個(gè)方向是普查式的探測(cè)，丹麥的Bering 項(xiàng)目[21]和法國(guó)的EUNEOS 項(xiàng)目[22]都計(jì)劃采用發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡的方式來(lái)探測(cè)大量亞千米級(jí)的小行星。未來(lái)甚至可以考慮將空間望遠(yuǎn)鏡直接搭載在近地小行星的表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星帶的巡天觀測(cè)。

2 小行星空間探測(cè)現(xiàn)狀

小行星空間探測(cè)已有30 多年歷史，美、歐、日等國(guó)均先后完成了各自獨(dú)特的標(biāo)志性任務(wù)。目前，成功實(shí)施的小行星探測(cè)任務(wù)共計(jì)6次，實(shí)現(xiàn)了飛越、伴飛、采樣返回等多種方式的探測(cè)，其中，美國(guó)“黎明號(hào)”（Dawn）探測(cè)器仍在圍繞Ceres 飛行，日本“隼鳥(niǎo)2號(hào)”（Hayabusa-2）和美國(guó)“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)”探測(cè)器（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer，OSIRIS-Rex）的采樣返回任務(wù)正在實(shí)施途中。另外，還有其它不是探測(cè)小行星的深空探測(cè)任務(wù)在飛行途中或者完成主任務(wù)之后也飛越并探測(cè)了一些小行星，例如美國(guó)“伽利略號(hào)”（Galileo）探測(cè)器在飛往木星的途中飛越小行星951 Gaspra 和243 Ida，歐洲航天局（European Space Agency,ESA）的“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）探測(cè)器在飛往彗星67P 的途中飛越了小行星2867 Steins 和 21 Lutetia[23-24]，我國(guó)“嫦娥2號(hào)”（Chang’E-2）探測(cè)器在拓展任務(wù)期間成功飛越小行星4179 Toutatis（詳見(jiàn)表1）。

從發(fā)展歷程看，國(guó)際小行星探測(cè)經(jīng)歷了從近距離飛越 （如 Galileo、Deep Space 1 和 Chang’E-2 等任務(wù)，其中Galileo 任務(wù)飛越的小行星243 Ida 是人類第一次發(fā)現(xiàn)擁有天然衛(wèi)星的小行星），到繞飛探測(cè)（如NEAR和Dawn探測(cè)任務(wù)），再到目前的小行星附著就位探測(cè)和表面采樣返回（如Hayabusa、Hayabusa-2和OSIRIS-Rex 等）幾個(gè)階段；從探測(cè)對(duì)象看，近地小行星是小行星探測(cè)任務(wù)的首選目標(biāo)，例如美國(guó)“NEAR-Shoemaker計(jì)劃”（愛(ài)神星（433 Eros））、“日本Hayabusa 計(jì)劃”（25143 Itokawa），以及正在實(shí)施的美國(guó)“OSIRIS-REx 計(jì)劃”（101955 Bennu）和日本“Hayabusa-2 計(jì)劃”（1999 JU3），都選擇了近地小行星進(jìn)行專門探測(cè)。

2.1 Galileo計(jì)劃

美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics Space Administration,NASA）的“Galileo 計(jì)劃”于1989年10月開(kāi)始實(shí)施，歷時(shí)14年?！癎alileo 計(jì)劃”為木星探測(cè)任務(wù)，探測(cè)器飛往木星途中探測(cè)了2顆小行星。

Galileo 探測(cè)器搭載的科學(xué)載荷主要包括：固體成像照相機(jī)（SSI）、近紅外成像光譜儀（NIMS）、紫外線光譜儀（UVS）、光偏振輻射計(jì)（PPR）、磁力計(jì)（MAG）、粉塵探測(cè)器（DDE）、等離子探測(cè)器（PLS）、高能粒子探測(cè)器（EPD）、等離子體波勘測(cè)器（PWS）、以及重離子計(jì)數(shù)器（HIC），共計(jì)10臺(tái)科學(xué)載荷[25]。

1991年 10月 29日，Galileo 探測(cè)器飛越小行星951 Gaspra，這是人造探測(cè)器第一次與小行星相遇，共傳回了 57 張影像[26]；1993年 8月 28日，Galileo 探測(cè)器又飛越小行星243 Ida，固體成像照相機(jī)（SSI）用6個(gè)可見(jiàn)光譜段對(duì)243 Ida進(jìn)行了成像，并驚奇地發(fā)現(xiàn)Ida 小行星擁有衛(wèi)星（該衛(wèi)星被命名為Dactyl，見(jiàn)圖4），這是人類第一次發(fā)現(xiàn)擁有天然衛(wèi)星的小行星。

951 Gaspra于1916年由俄羅斯天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是一顆S 型小行星。通過(guò)分析固體成像照相機(jī)（SSI）獲得的覆蓋Gaspra 表面80%的影像可知，Gaspra 是一個(gè)形狀極不規(guī)則的天體，3 條主半徑長(zhǎng)度分別為18.2 km、10.5 km 和8.9 km。Gaspra 的不規(guī)則形狀表明其可能是由更大的天體經(jīng)過(guò)劇烈碰撞后產(chǎn)生的。Gaspra表面的地形地貌還表明它是一個(gè)單一致密的天體而非一個(gè)碎石堆。對(duì)其表面的撞擊坑年齡進(jìn)行估算認(rèn)為它們形成于2 000 萬(wàn)～3 億年前。光譜數(shù)據(jù)分析表明，Gaspra的光度特性與月球非常相似，平均幾何反照率為0.23[26]。

243 Ida于1884年被發(fā)現(xiàn)，也是一顆S型小行星。從Galileo 的固體成像照相機(jī)（SSI）影像分析可知，Ida 的形狀不規(guī)則，擬合出的最佳三軸橢球體（29.9 km×12.7 km×9.3 km）與其真實(shí)形狀有較大偏差，Ida更接近于一個(gè)半月形星體。

圖4 小行星951Gaspra和243 IdaFig.4 Asteroids 951Gaspra and 243 Ida

2.2 NEAR-Shoemaker計(jì)劃

該計(jì)劃由NASA和約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory,APL）于1996年2月實(shí)施，對(duì)愛(ài)神星（433 Eros）進(jìn)行了繞飛探測(cè)。其科學(xué)目標(biāo)主要包括：確定小行星主要物理參數(shù)——大小、形狀、構(gòu)型、體積、質(zhì)量、密度和自轉(zhuǎn)軸；測(cè)量小行星表面化學(xué)成分和礦物組成；探測(cè)Eros 的表面形貌特征；分析Eros表面風(fēng)化層的特征及其演化機(jī)理；測(cè)量Eros 和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用、尋找可能的內(nèi)部磁場(chǎng)；通過(guò)對(duì)Eros周圍塵埃和氣體的測(cè)量來(lái)尋找其活動(dòng)的證據(jù)；確定Eros的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[27]。

NEAR探測(cè)器搭載科學(xué)載荷主要包括：多光譜成像儀（MSI）、近紅外分光計(jì)（NIS）、X-射線/Gamma射線光譜儀（XGRS）、NEAR 激光高度計(jì)（NLR）、磁力計(jì)（MAG）以及無(wú)線電科學(xué)和重力實(shí)驗(yàn)裝置等。

1997年6月，NEAR探測(cè)器在距離1 200 km處對(duì)小行星253 Mathilde 進(jìn)行了飛越，探測(cè)到Mathilde 的主要組成成分為黑色物質(zhì)，該物質(zhì)在過(guò)去的45 億年間基本沒(méi)有變化；2000年2月14日，探測(cè)器進(jìn)入323 km×370 km 的 Eros 繞飛軌道，從 4月 10日開(kāi)始，軌道從橢圓形變到圓形（100 km高），到12月再次降軌到35 km 高?！敖匦⌒行墙粫?huì)”（Near Earth Asteroid RendezvoHs，NEAR）探測(cè)器NEAR 探測(cè)器在Eros 的軌道上運(yùn)行了超過(guò)12 個(gè)月，期間確定了Eros的物理和地質(zhì)學(xué)特征，測(cè)量了Eros 的元素和礦物分布；2001年 2月 12日，NEAR 探測(cè)器在 Eros 南部的Himeros撞擊坑附近成功實(shí)現(xiàn)了軟著陸。

NEAR探測(cè)器繞Eros軌道工作的一年多時(shí)間中，共傳回了約1.6萬(wàn)張影像，這些影像實(shí)現(xiàn)了對(duì)Eros的全面覆蓋；同時(shí)，獲取了1 100萬(wàn)個(gè)激光測(cè)距數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)提供了Eros表面的地形信息[28]。在著陸前的一段時(shí)間，NEAR探測(cè)器傳回了Eros表面的60張近攝影像，分辨率達(dá)到幾十厘米。由于著陸十分平穩(wěn)，著陸后NEAR探測(cè)器的無(wú)線電設(shè)備仍能夠繼續(xù)傳回信號(hào)[29]。

253 Mathilde是1885年11月12日被發(fā)現(xiàn)的。NEAR探測(cè)器的多光譜成像儀發(fā)現(xiàn)253 Mathilde至少有5個(gè)直徑大于20 km的表面黝黑的隕擊坑分布在其向陽(yáng)面上，該小行星近60%的表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顏色和反照率的變化，應(yīng)該是行星形成過(guò)程中的富碳物質(zhì)，是太陽(yáng)系最原始的物質(zhì)[30]。

Eros是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的近地小行星，也是第二大的近地小行星。Eros的幾何形狀極不規(guī)則，具有馬鈴薯狀的外形。NEAR的探測(cè)數(shù)據(jù)表明，該小行星具有多樣化的表面組成；其大小為33 km×13 km×13 km，沒(méi)有衛(wèi)星，密度是2.7 g/cm3；有20 km長(zhǎng)的山脈狀形態(tài)，密度較高，表明它可能是大天體撞擊碎裂的殘余物；表面有隕擊坑，兩個(gè)最大的隕擊坑直徑分別是8.5 km 和6.5 km，表面隕擊坑數(shù)量少而小，表明比Ida相對(duì)年輕。

2.3 Deep Space 1計(jì)劃

Deep Space 1 是NASA 新千年計(jì)劃（New Millennium Program）的一部分，于1998年實(shí)施。其主要探測(cè)任務(wù)是飛越小行星9969 Braille，同時(shí)，該任務(wù)還將實(shí)現(xiàn)與彗星19P/Borrelly的“相遇”，以驗(yàn)證太陽(yáng)電動(dòng)引擎、自導(dǎo)航系統(tǒng)、高級(jí)微電子和通訊設(shè)備、以及其他的尖端技術(shù)，為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)[31]。

Deep Space 1 搭載的科學(xué)載荷主要包括：相機(jī)-光譜綜合儀（MICAS）、行星探測(cè)等離子實(shí)驗(yàn)設(shè)備（PEPE）以及離子推進(jìn)系統(tǒng)（IPS）等。

“深空1 號(hào)”（Deep Space 1）探測(cè)器于1999年7月29日在26 km 的高度飛越近地小行星9969 Braille，相對(duì)速度為15.5 km/s；2001年9月22日，探測(cè)器飛越彗星19P/Borrelly 并傳回了優(yōu)質(zhì)的彗星照片。該任務(wù)探測(cè)了彗星和小行星的大小、形狀、表面特征、亮度、質(zhì)量、密度、彗星核的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，研究了彗發(fā)的等離子體特征、彗發(fā)和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用、亮度和彗星核噴發(fā)的塵埃和氣體流的特征。

光譜數(shù)據(jù)顯示，Braille中輝石與橄欖石的含量基本相等，這與Q型小行星的光譜非常接近，并與普通球粒狀隕石的光譜接近。Braille 的幾何反照率很高，約為0.34，星體的表面較年輕，可能源于比較新的撞擊活動(dòng)[31]。

2.4 JAXA小行星探測(cè)計(jì)劃

近年來(lái)，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）開(kāi)展了“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）、“隼鳥(niǎo)2 號(hào)”（Hayabusa-2）等小行星采樣返回計(jì)劃。

Hayabusa 是世界上第一個(gè)小行星樣品返回計(jì)劃，其主要的科學(xué)目標(biāo)包括：探測(cè)小行星25143 Itokawa（以日本火箭之父絲川命名）的質(zhì)量、體積、形狀、自轉(zhuǎn)狀態(tài)、物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等；結(jié)合地面觀測(cè)、空間遙感探測(cè)與試驗(yàn)室的隕石分析，研究S 型小行星與隕石的相關(guān)性；理解小行星的熱改變作用與歷史；為研究早期太陽(yáng)系的性質(zhì)提供重要信息[32]。Hayabusa 于 2003年 5月 9日發(fā)射，2005年 9月 12日與小行星25143 Itokawa交會(huì)，2005年11月19日在小行星上登陸并開(kāi)始進(jìn)行樣品采集，2010年6月13日帶著小行星樣品順利返回地面。Hayabusa 還驗(yàn)證了一些新技術(shù)，包括離子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和導(dǎo)航技術(shù)、微重力下的樣品采集技術(shù)、再入艙技術(shù)等。

Hayabusa 搭載的科學(xué)載荷主要包括：光學(xué)導(dǎo)航照相機(jī)（ONC）、光探測(cè)和測(cè)距儀（LIDAR）、激光測(cè)距儀（LRF）、扇形光束傳感器（FBS）以及X 射線/紅外射線分光計(jì)等。

小行星25143 Itokawa是一顆S型小行星，最長(zhǎng)軸僅為500 m。Hayabusa 對(duì)其進(jìn)行了兩個(gè)階段的拍圖，第1 階段是在距離小行星20 km的高度進(jìn)行的，而第2階段將距離小行星的高度降低到了7 km，獲取了更多高相位角的影像。高分辨率的觀測(cè)結(jié)果表明，Itokawa 整體形狀非常接近于一只具有頭部和身體的海獺，與其他S 型小行星相比，Itokawa 的密度明顯偏低，僅為1.95 g/cm3[33]。該小行星的表面可以劃分為兩個(gè)單元，包含大粒卵石的粗糙地形以及包含小顆粒物質(zhì)的平滑地形。以上各種特性都說(shuō)明，Itokawa 不是一個(gè)單一致密的天體，而是碎石的聚集體。對(duì)返回樣品在地面實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了氨基酸、多環(huán)芳香烴等有機(jī)化合物的分析測(cè)試，結(jié)果證明Itokawa 的有機(jī)化合物屬于非生物成因。

圖5 Hayabusa探測(cè)器和小行星25143 ItokawaFig.5 Hayabusa and asteroid 25143 Itokawa

Hayabusa 計(jì)劃成功實(shí)施后，JAXA 于2014年12月3日實(shí)施了另一項(xiàng)小行星采樣返回計(jì)劃：Hayabusa-2，探測(cè)目標(biāo)是一顆原始碳質(zhì)近地小行星（C 型小行星）162173 Ryugu（1999 JU3）。原始碳質(zhì)近地小行星被認(rèn)為保留了太陽(yáng)系形成過(guò)程中最原始的礦物成分、礦物混合物、冰以及由上述物質(zhì)混合而成的各種有機(jī)化合物，對(duì)其的研究有助于人們進(jìn)一步解釋內(nèi)行星的起源和演化問(wèn)題，尤其是地球上水和有機(jī)化合物的起源問(wèn)題[34]。Hayabusa-2 在 Hayabusa 探測(cè)器基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量技術(shù)改進(jìn)，并攜帶了多種科學(xué)載荷用于遙感探測(cè)和樣品采樣，包括光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、近紅外相機(jī)、熱紅外相機(jī)、激光測(cè)距儀以及各種采樣裝置等，同時(shí)，配備了4 臺(tái)小型巡視器（MASCOT、Rover-1A、Rover-1B以及Rover-2），服務(wù)于采樣地區(qū)的環(huán)境和地質(zhì)背景研究。2018年6月27日 ，Hayabusa-2 與162173 Ryugu交會(huì)，在距離小行星約20 km的距離上對(duì)其進(jìn)行拍照等遙感探測(cè)[35]；7月16日，探測(cè)器降低軌道高度，并于9月21日釋放了2 個(gè)巡視器（Rover-1A 和 Rover-1B），用于探測(cè)數(shù)據(jù)傳輸[36]；10月 3日，MASCOT也成功實(shí)現(xiàn)軟著陸并按計(jì)劃工作了16 h[37]。在隨后的約1年半時(shí)間里，Hayabusa-2 將進(jìn)行3 次采樣，采樣對(duì)象分別是具有含水礦物特征的表面風(fēng)化層、具有不可觀察的或較弱蝕變特征的表面風(fēng)化層以及下表層礦物，每種樣品預(yù)計(jì)采樣0.1 g，按目前計(jì)劃[38]，第1 次采樣將在2018年10月底進(jìn)行，第2次采樣計(jì)劃在2019年2月進(jìn)行，第3 次采樣計(jì)劃在2019年4—5月之間進(jìn)行。3 次采樣結(jié)束后，探測(cè)器將于2019年12月離開(kāi)小行星，并于2020年12月返回地球[39]。

圖6 Hayabusa-2探測(cè)器和小行星162173 RyuguFig.6 Hayabusa-2 and asteroid162173 Ryugu

2.5 Rosetta任務(wù)

“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）探測(cè)器由ESA 研發(fā)，是首個(gè)伴飛彗星、首次著陸彗星、首次采用微波輻射計(jì)和紫外光譜儀探測(cè)彗星的探測(cè)器，也是首個(gè)僅以太陽(yáng)能電池為主要能源飛往木星軌道的探測(cè)器。

Rosetta于2004年3月2日發(fā)射，其主要任務(wù)是探測(cè)彗星67P/Churyumov-Gerasimenko，但在其飛行途中分別對(duì)小行星2867 Steins 和21 Lutetia 進(jìn)行了飛越探測(cè)。

2008年 9月 5日，Rosetta 飛越了小行星 2867 Steins，飛越時(shí)距離小行星大約800 km，相對(duì)速度約為8.6 km/s。盡管此次飛越時(shí)間只有大約7 min，Rosetta仍舊獲得了不少數(shù)據(jù)。Steins 是Rosetta計(jì)劃飛越的兩顆小行星中的第一顆，另一顆為小行星21 Lutetia。軌道器成像系統(tǒng)（OSIRIS）的探測(cè)結(jié)果顯示，Steins 形如鉆石，在其表面有一個(gè)直徑約為2.1 km 的撞擊坑，科研人員對(duì)此也感到十分驚奇，Steins 竟能在如此大的撞擊事件后幸存下來(lái)。此次飛越測(cè)定的Steins 小行星大小為 6.67 km × 5.81 km × 4.47 km（見(jiàn)圖7）。

2010年7月10日，Rosetta 探測(cè)器又飛越了小行星21 Lutetia，其飛越距離不到3 200 km，飛越時(shí)相對(duì)速度為15 km/s。此次飛越，Rosetta 拍攝了Lutetia的大量圖像，覆蓋了超過(guò)50%的小行星表面（主要集中在北半球），其分辨率達(dá)到了60 m，波段范圍在0.24～1 μm。通過(guò)此次飛越，Rosetta 探測(cè)器測(cè)定了Lutetia 的質(zhì)量為（1.700±0.017）×1 018 kg，該質(zhì)量比飛越前預(yù)估的質(zhì)量2.57 × 1018kg 要小，其密度為（3.4±0.3）g/cm3，因此Lutetia 的孔隙度可能在10%～15%。探測(cè)結(jié)果顯示Lutetia 的密度超過(guò)了一般的石質(zhì)隕石的密度。

圖7 小行星2867 SteinsFig.7 Asteroids 2867 Steins

2.6 Chang’E-2拓展任務(wù)

我國(guó)“嫦娥2 號(hào)”探測(cè)器于2010年10月1日發(fā)射，歷時(shí)近7 個(gè)月，順利完成了月球探測(cè)任務(wù)，于2011年6月開(kāi)始拓展任務(wù)。2012年12月13日16時(shí)30分 09 秒，Chang’E-2 以 10.73 km/s 的相對(duì)速度，與小行星4179 Toutatis由遠(yuǎn)及近擦身而過(guò)，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)對(duì)小行星的飛越探測(cè)。交會(huì)時(shí)Chang’E-2與小行星最近相對(duì)距離達(dá)到3.2 km，探測(cè)器星載監(jiān)視相機(jī)對(duì)小行星進(jìn)行了光學(xué)成像，這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)該小行星的近距離探測(cè)。

小行星4179 Toutatis 的長(zhǎng)度約4.46 km，寬度約2.4 km，是迄今為止靠近地球的最大的小行星之一。它的形狀看起來(lái)就像一顆多瘤的花生，中間長(zhǎng)而窄，兩側(cè)存在大小不等的突出物，且質(zhì)量分布也呈現(xiàn)出很不均勻的特征。

利用Chang’E-2拓展任務(wù)期間獲得的小行星圖像數(shù)據(jù)，測(cè)算分析了其表面撞擊坑和巖塊的大小和分布特征，建立了該小行星的光學(xué)多面體模型。研究結(jié)果表明，該小行星曾遭受大量小天體撞擊，其中南部地區(qū)直徑近800 m 的大型撞擊坑由直徑約50 m 的撞擊體轟擊形成；提出了Toutatis 很可能是一顆具有碎石堆結(jié)構(gòu)的密近雙小行星的觀點(diǎn)[40]。

圖8 小行星4179 Toutatis研究結(jié)果Fig.8 Research results of asteroid 4179 Toutatis

2.7 Dawn計(jì)劃

Dawn 計(jì)劃是由NASA 實(shí)施的一項(xiàng)主帶小行星探測(cè)任務(wù)，探測(cè)目標(biāo)是小行星4 Vesta和矮行星1 Ceres，主要科學(xué)目標(biāo)是觀察太陽(yáng)系早期行星形成和演化的條件和過(guò)程，通過(guò)測(cè)量小行星的質(zhì)量、形狀、體積、自轉(zhuǎn)軸和重力場(chǎng)，探測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度和地質(zhì)環(huán)境[41]。

Dawn探測(cè)器搭載的科學(xué)載荷包括：可見(jiàn)/紅外光譜儀（VIR）、Gamma 射線/中子探測(cè)儀（GRaND）以及框幅式相機(jī)（FC）。

Dawn 探測(cè)器于 2007年 9月 27日發(fā)射；2011年 7月16日到達(dá)小行星4 Vesta，進(jìn)行了為期14 個(gè)月的探測(cè)任務(wù)；2015年3月6日，探測(cè)器到達(dá)了矮行星1 Ceres。2017年 10月 19日，NASA 宣布 Dawn 探測(cè)器將一直運(yùn)行到燃料耗盡，目前探測(cè)器正在圍繞1 Ceres飛行[42]。

Dawn 關(guān)注的是2 個(gè)太陽(yáng)系最初形成的天體，1 Ceres 和4 Vesta，獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)主要包括：小行星表面圖像數(shù)據(jù)；0.35～0.9 μm，0.8～2.5 μm，2.4～5.0 μm3 個(gè)波段范圍的分光計(jì)表面探測(cè)；Fe、Ti、O、Si、Ca、U、Th、K、H、Al、Mg的豐度；4Vesta和1Ceres重力場(chǎng)。通過(guò)拍攝4Vesta和1Ceres的表面圖像，可以確定它們的撞擊和地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的歷史；通過(guò)對(duì)其表面的化學(xué)元素和礦物成分進(jìn)行分析，能夠決定小行星的熱變質(zhì)歷史，確定其與隕石的聯(lián)系；通過(guò)測(cè)量重力場(chǎng)和自轉(zhuǎn)軸狀態(tài)，可以界定其金屬核的大??；利用紅外和γ射線的光譜數(shù)據(jù)，可以測(cè)定搜索含水礦物質(zhì)的存在。

2.8 OSIRIS-REx計(jì)劃

“OSIRIS-REx”計(jì)劃是美國(guó)首個(gè)小行星采樣返回深空探測(cè)任務(wù)，于2016年9月8日發(fā)射，探測(cè)目標(biāo)為一顆C型小行星101955 Bennu，計(jì)劃于2023年9月將樣品帶回地球[43]。

OSIRIS-REx 的科學(xué)載荷包括： 相機(jī)套件（OCAMS），用來(lái)對(duì)小行星進(jìn)行拍照，對(duì)采樣區(qū)進(jìn)行拍照并記錄整個(gè)采樣返回過(guò)程；激光高度計(jì)（OLA）；熱輻射光譜儀（OTES），用于測(cè)量小行星的礦物和熱輻射能譜以及采集當(dāng)?shù)氐募t外熱輻射數(shù)據(jù)，可采集紅外光譜范圍為（5～50 μm）；可見(jiàn)紅外光譜儀（OVIRS）：用于確定小行星全球礦物和有機(jī)物的分布，并采集候選采樣區(qū)的能譜信息（分辨率0.08～2 m），也可以獲得全球能譜圖（分辨率20 m）；風(fēng)化層、表層X(jué) 射線繪圖光譜儀（REXIS），用于探測(cè)小行星表層的元素及其豐度；采樣返回系統(tǒng)（TAGSAM）。

小行星101955 Bennu直徑大約580 m，繞太陽(yáng)的軌道約8 300萬(wàn)～1.26億英里（約1.3～2.0億km），與地球軌道的擺動(dòng)距離在28 萬(wàn)英里（約45 萬(wàn)km）以內(nèi)，大約比月球遠(yuǎn)4萬(wàn)英里（約6.4萬(wàn)km）。OSIRISREx對(duì)其探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)包括[43]：返回原始C型小行星的樣品并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析；描繪該小行星的全球影像、化學(xué)，以及礦物學(xué)特征，表征其地質(zhì)和歷史動(dòng)態(tài)，并提供采集樣本的背景；測(cè)量采樣區(qū)的光譜特性；測(cè)量該小行星的雅科夫斯基效應(yīng)；與地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3 小行星探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)和主要科學(xué)問(wèn)題

3.1 小行星探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

由國(guó)際小行星探測(cè)任務(wù)的發(fā)展歷程可以看出，隨著探測(cè)能力的不斷提高，小行星探測(cè)已全面進(jìn)入了空間探測(cè)的新時(shí)代，其發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)如下：

1）從早期在探測(cè)大行星的途中順帶探測(cè)小行星，到設(shè)立專門的小行星探測(cè)任務(wù)；

2）從早期飛越探測(cè)，到近期的伴飛和附著探測(cè)，再到采樣返回；

3）從對(duì)表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的照相觀測(cè)，發(fā)展到對(duì)小行星進(jìn)行多波段觀測(cè)；

4）從遠(yuǎn)距離（幾千千米）、低分辨率的探測(cè)小行星的形態(tài)等基本特征，轉(zhuǎn)化成近距離繞飛，甚至著陸探測(cè)小行星的詳細(xì)物理、化學(xué)特征和礦物成分測(cè)量；

5）從探測(cè)小行星的表面的特征，發(fā)展到探測(cè)小天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部物質(zhì)組成；

6）從單個(gè)小行星的探測(cè)，逐漸發(fā)展為多個(gè)小行星的單次任務(wù)探測(cè)；

7）若干個(gè)小行星作為探測(cè)目標(biāo)的詳細(xì)探測(cè)和大量小天體的普查式探測(cè)并行發(fā)展；

8）單純技術(shù)驅(qū)動(dòng)力作用下的科學(xué)探測(cè)和研究已經(jīng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)今小行星探測(cè)活動(dòng)的需要，未來(lái)小行星探測(cè)將逐步過(guò)渡到以科學(xué)引領(lǐng)為主，科學(xué)與技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展、互相促進(jìn)的新階段；

9）通過(guò)對(duì)近地小行星物理化學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部成分構(gòu)成等方面的研究，可以對(duì)該小行星與地球的碰撞情況進(jìn)行模擬，從而為規(guī)避近地天體碰撞提供數(shù)據(jù)支撐；

10）通過(guò)小行星探測(cè)任務(wù)，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，進(jìn)行科學(xué)探測(cè)和新技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，大力發(fā)展先進(jìn)科學(xué)探測(cè)儀器，向輕小型化、低功耗、高性能方向發(fā)展，將進(jìn)一步提升人類對(duì)未知領(lǐng)域的探索能力，獲取新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成果，還能夠牽引衛(wèi)星平臺(tái)、姿控、測(cè)控?cái)?shù)傳、新材料等工程技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)小行星探測(cè)任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)將更為復(fù)雜，探測(cè)目標(biāo)將更加多樣，對(duì)目標(biāo)的科學(xué)探測(cè)也將更為全面和深入。

3.2 小行星探測(cè)主要科學(xué)問(wèn)題

小行星是太陽(yáng)系中形成最早、形成后物理化學(xué)性質(zhì)改變最少的原始天體。從國(guó)際已實(shí)施的小行星探測(cè)任務(wù)關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題和深空探測(cè)的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題，總結(jié)了如下小行星探測(cè)的主要科學(xué)問(wèn)題：

1）小行星軌道演化機(jī)制

小行星的軌道演化受多種因素的影響。研究小行星，特別是近地小行星軌道演化機(jī)制，評(píng)估近地小行星撞擊地球的威脅，是小行星探測(cè)任務(wù)關(guān)注的主要科學(xué)問(wèn)題。受限于地基觀測(cè)能力，對(duì)于直徑小于1 km的小行星，可以通過(guò)近距離探測(cè)，全面準(zhǔn)確地測(cè)量小行星自轉(zhuǎn)、形狀和熱輻射特性，建立小行星三維形狀模型，改進(jìn)熱物理模型（熱慣量測(cè)定、熱傳導(dǎo)過(guò)程），分析約普效應(yīng)（YORP Effect）和亞爾科夫斯基效應(yīng)（Yarkovsky Effect）[44]，揭示目標(biāo)小行星動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。

2）小行星的形成與演化

目前已發(fā)現(xiàn)的小行星中，絕大多數(shù)分布在小行星主帶，距離太陽(yáng)約3 AU 左右。根據(jù)提丟斯—波得定則（Titius-Bode Law），在這個(gè)位置附近應(yīng)該存在一個(gè)大行星，軌道半長(zhǎng)軸a為2.8 AU[45]。為什么沒(méi)有形成一個(gè)大行星？這些數(shù)目眾多的小行星是否由一顆大行星原星子破裂而成的嗎？這也是當(dāng)今行星科學(xué)研究的主要科學(xué)問(wèn)題。

3）太陽(yáng)系起源與演化歷史

在已收集的5 萬(wàn)多塊隕石中[46]，大多可能來(lái)自S型、C 型和X 型小行星。但對(duì)于T型、D型和O型等小行星對(duì)應(yīng)的物質(zhì)卻在這些隕石中未被發(fā)現(xiàn)。對(duì)這類小行星開(kāi)展探測(cè)，有望尋找新的太陽(yáng)系原始物質(zhì)，了解其物質(zhì)的化學(xué)成分和礦物組成，研究其演化歷史。

另外，大約80%的隕石是原始球粒隕石，形成后沒(méi)有受過(guò)變質(zhì)作用，其平均化學(xué)成分代表了太陽(yáng)系最原始的物質(zhì)組成，是原始太陽(yáng)星云分餾凝聚的產(chǎn)物。還有少數(shù)一些鐵隕石和石鐵隕石是小行星內(nèi)部巖漿熔融分異的產(chǎn)物，年齡與球粒隕石相仿，也形成于太陽(yáng)系原始階段。通過(guò)小行星采樣返回探測(cè)，建立隕石與小行星之間的直接聯(lián)系，了解這些隕石的來(lái)源和隕石母體的特性，為研究太陽(yáng)系起源和早期演化歷史提供了可能。

4）探索地球生命起源

小行星含有生命形成以及生命起源需要的碳基分子（有機(jī)分子）、水冰等物質(zhì)和能量，有學(xué)者認(rèn)為地球上組成生命的有機(jī)分子（如：氨基酸）來(lái)源于隕石、彗星和宇宙塵埃。通過(guò)對(duì)這類小行星的探測(cè)，將為研究地球生命起源提供新思路。

5）探索恒星演化及其與行星形成的關(guān)系

通過(guò)隕石的實(shí)驗(yàn)室同位素分析，發(fā)現(xiàn)一些隕石含有26Al、40Ca、53Mn、60Fe 等短壽期放射性同位素，有些含有碳化硅、石墨等前太陽(yáng)恒星塵埃。

通過(guò)采樣返回探測(cè)，有可能獲得小行星蘊(yùn)含的恒星物質(zhì)，研究恒星的形成和演化歷史，以及恒星對(duì)太陽(yáng)系形成所起的作用。

6）小行星表面積聚了太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)高能粒子，為研究太陽(yáng)活動(dòng)提供了記錄

小行星由于沒(méi)有大氣層和磁場(chǎng)，其表面積聚了大量太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)高能粒子。因此，小行星樣品記錄了太陽(yáng)活動(dòng)的歷史和空間分布規(guī)律。

除了傳統(tǒng)意義的小行星，Henry H.Hsieh 和David Jewitt于2006年提出“活躍小行星”（或稱冰質(zhì)小行星，也叫主帶彗星）的概念[47-48]，它指的是軌道位于小行星主帶內(nèi)同時(shí)又具有彗星物理特征的小天體。活躍小行星有類似彗發(fā)、彗尾的結(jié)構(gòu)，以及噴射氣體或塵埃的活動(dòng)。這種新類別是小行星和彗星之間的過(guò)渡形式?；钴S小行星同時(shí)具有小行星的軌道特征和彗星的物理特征，即其軌道離心率和軌道傾角都與主帶內(nèi)的小行星相似，同時(shí)在外形和成分上又很像彗星，因?yàn)樗憩F(xiàn)出彗星活動(dòng)的特征，活躍時(shí)具有彗發(fā)和彗尾。目前已經(jīng)觀測(cè)到的“活躍小行星”有15 顆，這類“活躍小行星”已成為科研人員們非常感興趣的天體目標(biāo)，它們的發(fā)現(xiàn)是小天體動(dòng)力學(xué)、天體化學(xué)和物理學(xué)的新進(jìn)展，為太陽(yáng)系形成提供了新的啟示，存在很多需要研究的科學(xué)問(wèn)題：

1）“活躍小行星”的起源和形成問(wèn)題

一般認(rèn)為，普通彗星起源于柯伊柏帶（海王星軌道外，距離太陽(yáng)約30～50 AU）或者奧爾特云帶（距離太陽(yáng)3 000～5 萬(wàn)AU），而“活躍小行星”存在于小行星主帶內(nèi)，鑒于其較小的軌道離心率和傾角，動(dòng)力學(xué)模型在理論上否定了普通彗星改變軌道進(jìn)入主帶或者與主帶小行星碰撞產(chǎn)生活“躍小行星”的可能性，因此，“活躍小行星”應(yīng)該形成于小行星主帶內(nèi)，但目前為止還缺少一種“活躍小行星”起源的一致性觀點(diǎn)。

2）“活躍小行星”氣體活動(dòng)機(jī)制問(wèn)題

“活躍小行星”的氣體活動(dòng)可能是由撞擊事件誘發(fā)。初始時(shí)“活躍小行星”與小行星同時(shí)形成于主帶內(nèi)，“活躍小行星”含有豐富的冰凍固體揮發(fā)物，表面覆蓋有較薄的風(fēng)化物，本身并無(wú)氣體活動(dòng)。當(dāng)“活躍小行星”遭到其他小行星撞擊時(shí)，其揮發(fā)物或水冰暴露在光照之下，產(chǎn)生升華現(xiàn)象后被觀測(cè)到，從而被認(rèn)定為“活躍小行星”。哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)“活躍小行星”596 Scheila[49]的觀測(cè)結(jié)果充分地支持了撞擊誘因。另一個(gè)確定碰撞誘發(fā)的“活躍小行星”是P/2010 A2，但是哈勃圖像顯示其彗尾是由干燥灰塵和礫石組成的，而不是冰升華后的產(chǎn)物。這些現(xiàn)象說(shuō)明，主帶小行星中可能還有一些處于“休眠”狀態(tài)的“活躍小行星”。

3）其他科學(xué)問(wèn)題

對(duì)于“活躍小行星”，盡管科研人員已經(jīng)取得了一定程度上的認(rèn)知，但對(duì)它們的研究主題還需要繼續(xù)深化，這些研究問(wèn)題包括：

“活躍小行星”的普遍性。需要確定在主帶中，“活躍小行星”存在的普遍性如何，從而得出它們的真實(shí)分布，以及最終的起源和可能的先體天體。綜合全天巡天望遠(yuǎn)鏡的使用能夠解決當(dāng)前的觀測(cè)偏差，對(duì)主帶內(nèi)幾乎所有天體進(jìn)行觀測(cè)，評(píng)估小行星的活躍性，研究“活躍小行星”的光譜和其他辨識(shí)性特征，確定主帶中“活躍小行星”的大致比例和數(shù)量。

非活躍期“活躍小行星”的特性。對(duì)“活躍小行星”處于非活躍期時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和研究，能夠幫助確定彗發(fā)中塵土有多少來(lái)自于內(nèi)核，確定轉(zhuǎn)動(dòng)周期、內(nèi)核大小等。利用軌道不同點(diǎn)處更完整的光變曲線，確定兩極的位置，從而驗(yàn)證季節(jié)性活動(dòng)假說(shuō)。通過(guò)“活躍小行星”的詳細(xì)光譜測(cè)量，研究其光譜特征，為“活躍小行星”的鑒別提供依據(jù)。

“活躍小行星”的揮發(fā)物成分。目前對(duì)于“活躍小行星”的組成成分還沒(méi)有全面的認(rèn)識(shí)。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為，由于地球海洋中氘氫比例遠(yuǎn)小于普通彗星，地球上的水并非來(lái)自普通彗星。而小行星主帶與地球比較接近，地球水有可能來(lái)自于“活躍小行星”。對(duì)“活躍小行星”的揮發(fā)物進(jìn)行測(cè)定或采樣，尤其是對(duì)其氘和氫同位素比例測(cè)定，或許能夠解開(kāi)地球水的來(lái)源之謎。通過(guò)與其他普通彗星的成分比較，將使人們了解太陽(yáng)系形成早期吸積盤揮發(fā)份的分布情況。

“活躍小行星”與其它彗星-小行星過(guò)渡天體之間的關(guān)系需要進(jìn)行更加深入的研究，其中，需要提及的是與流星群有關(guān)的近地小行星之間的關(guān)系。小行星3200 Phaethon 可能是 Geminids 的先體，2001 YB5 在2002年形成了一群較弱的流星雨。這些天體都是“阿波羅小行星”，屬于B型光譜型，位于主帶的中部和外部，在近地行星中擁有較高的數(shù)量百分比。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)活躍小行星133P 與Phaethon 在光譜中表現(xiàn)出很大的相似性。因此，需要有新的、更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)揭示“活躍小行星”與活化的B型近地小行星之間的可能聯(lián)系。

4 對(duì)我國(guó)小行星探測(cè)的啟發(fā)

小行星探測(cè)是一項(xiàng)多學(xué)科綜合、高技術(shù)集成的系統(tǒng)工程，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力。開(kāi)展小行星探測(cè)任務(wù)，對(duì)于我國(guó)的科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)展等方面均有重要的意義。

4.1 科學(xué)研究方面

小行星探測(cè)集中了太陽(yáng)系的起源與演化等眾多的前沿科學(xué)問(wèn)題，最容易產(chǎn)生重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。通過(guò)自主小行星深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，開(kāi)展小行星形成歷程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、自然資源、軌道演化機(jī)制、動(dòng)力學(xué)機(jī)制等內(nèi)容的探測(cè)，建立小行星和隕石之間的聯(lián)系，研究太陽(yáng)系形成和演化、地球生命起源、太陽(yáng)活動(dòng)等關(guān)鍵課題，對(duì)于加速行星科學(xué)的復(fù)興，增加對(duì)行星科學(xué)的研究力度，保證行星科學(xué)的地面觀測(cè)能夠和空間探測(cè)同步發(fā)展等至關(guān)重要。

4.2 技術(shù)發(fā)展方面

小行星探測(cè)高度綜合了現(xiàn)代航天科學(xué)及相關(guān)技術(shù)，包括航天運(yùn)載技術(shù)、航天器技術(shù)、航天測(cè)控技術(shù)和航天應(yīng)用技術(shù)等。實(shí)施小行星探測(cè)可以促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，并牽引一系列的關(guān)鍵技術(shù)的突破，從而推進(jìn)天文、物理、電子信息、材料科學(xué)以及生命科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展。小行星探測(cè)還可以作為深空探測(cè)技術(shù)的演練，為我國(guó)后續(xù)深空探測(cè)計(jì)劃作技術(shù)的儲(chǔ)備。

4.3 我國(guó)未來(lái)自主小行星探測(cè)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)的制定

在30 多年小天體探測(cè)歷程中，美、日等國(guó)均先后完成了各自獨(dú)特的標(biāo)志性任務(wù)，并取得了非常顯著的科學(xué)探測(cè)成果。我國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)應(yīng)高起點(diǎn)起步，實(shí)現(xiàn)我國(guó)深空探測(cè)的跨越式發(fā)展，選取有重大科學(xué)價(jià)值、國(guó)際上尚未進(jìn)行過(guò)探測(cè)的探測(cè)對(duì)象，取得一批原創(chuàng)性的重大科學(xué)成果，使我國(guó)行星科學(xué)研究進(jìn)入世界前列。

小行星的探測(cè)和研究可大體劃分為3個(gè)階段：第1階段是對(duì)小行星進(jìn)行概略式的探測(cè)和研究，主要有地基觀測(cè)和飛越式探測(cè)，把小行星作為一個(gè)“點(diǎn)”來(lái)測(cè)量，研究其運(yùn)動(dòng)參數(shù)和宏觀形貌；第2階段是對(duì)小行星的專門探測(cè)，包括遙感和表面就位探測(cè)，主要是進(jìn)行“面”的探測(cè)；第3個(gè)階段是能夠?qū)π⌒行堑奈镔|(zhì)樣品進(jìn)行高精度（實(shí)驗(yàn)室）分析，是對(duì)小行星進(jìn)行“體”的探測(cè)和研究。從科學(xué)探測(cè)和研究的程度看，對(duì)真實(shí)樣品的研究，科學(xué)上的收益遠(yuǎn)大于遙感和就位探測(cè)。我國(guó)的小行星探測(cè)科學(xué)目標(biāo)應(yīng)定位于小行星樣品的分析和綜合研究為主，遙感和就位探測(cè)為輔，瞄準(zhǔn)小行星采樣返回。

通過(guò)小行星探測(cè)任務(wù)獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)，測(cè)定目標(biāo)小行星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)，分析小行星的物理特性，研究目標(biāo)小行星的軌道動(dòng)力學(xué)演化。

通過(guò)探測(cè)小行星形貌、表面物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間風(fēng)化作用、臨近空間環(huán)境，以及可能的水和有機(jī)物等生命信息，獲取太陽(yáng)系早期演化信息，研究小行星的形成和演化，為太陽(yáng)系起源與演化提供重要線索。

通過(guò)小行星返回樣品，開(kāi)展小行星樣品的深入、系統(tǒng)和綜合分析研究。系統(tǒng)測(cè)定小行星樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，為小行星的起源與演化、早期太陽(yáng)系的形成與演化過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)；系統(tǒng)測(cè)定和研究小行星樣品的年齡，研究小行星的吸積形成、撞擊分裂和行星際空間的運(yùn)行歷史；與隕石進(jìn)行比較研究，建立隕石與小行星、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)與小行星遙感就位分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，拓展、豐富小行星和太陽(yáng)系起源與演化的研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的小行星探測(cè)雖然起步較晚，但憑借探月工程成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，具備高起點(diǎn)進(jìn)入小行星探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，小行星探測(cè)已成為我國(guó)繼探月工程、首次火星探測(cè)工程之后，又一項(xiàng)重點(diǎn)規(guī)劃的深空探測(cè)工程。

通過(guò)未來(lái)小行星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，不但能夠填補(bǔ)我國(guó)在小行星伴飛、附著、采樣返回和相關(guān)科學(xué)研究上的空白，促進(jìn)比較行星學(xué)、空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、空間材料科學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展，使我國(guó)深空探測(cè)的科學(xué)研究水平邁上一個(gè)新的臺(tái)階，而且還能夠帶動(dòng)一系列高技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展，同時(shí)將成為向全社會(huì)宣傳科學(xué)、普及科學(xué)知識(shí)，激勵(lì)青年一代投身科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，具有巨大的社會(huì)效益。