嫦娥六号只是“新手村”？天问二号开启太空采样“地狱模式”
嫦娥六号可被视为太空探索的“新手村”阶段，它在月球探测等领域积累了宝贵经验。而天问二号则开启了太空采样的“地狱模式”。天问二号面临着更为复杂和艰巨的任务，需穿越漫长星际距离，应对极端太空环境，在目标天体上精准采样并安全带回。这就如同从简单的基础训练迈向高难度的实战考验，其难度系数大幅提升。天问二号的使命彰显了人类对宇宙的不懈探索精神，也标志着太空探索进入了一个全新的、更为艰难但极具意义的阶段。
北京时间今天（5月29日）凌晨1时31分，西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭喷薄出炽热的火焰，载着万众瞩目的天问二号探测器拔地而起，精准地奔赴那片广袤无垠的太空。
天问二号发射升空瞬间 | 逆飞流星-Alight
这不仅仅是一次成功的发射，更是一场史诗级星际“大冒险”的启程 —— 一场预计长达10年的深空探索之旅，已经正式拉开序幕 ！
长三乙火箭整流罩上印着天问系列工程官方标识 | CALT
“天问”，这个充满诗意与探索精神的名字，是中国行星探测系列任务的名称。在天问一号成功抵达火星，完成环绕、着陆和巡视探测之后，“天问”系列的第二位成员——天问二号，将目光投向了太阳系里的小天体。
天问二号发射任务徽章 | CALT
它将首先飞向近地小行星2016 HO3，不是简单的“路过”，而是要绕着它飞、近距离观察，并挑战一项高难度动作——采集它的表面样本，并把这些珍贵的“宇宙快递”送回地球。
而在完成小行星采样后，天问二号将继续长途跋涉，去探访一颗名为 311P 的主带彗星。这颗彗星以其奇特的形态吸引着科学家的目光，我们将有机会近距离一睹它的真容。
天问二号发射海报 | 天问二吃小行星探测器官博
地球的“影子舞伴”
天问二号要拜访的这位 2016 HO3，究竟是何方神圣呢？
它是个颇为特殊的小行星。2016年4月27日，位于美国夏威夷的泛星计划（PanSTARRS）望远镜发现了它。根据亮度估计，它的直径为40-100米，自转周期只有约28分钟，跻身太阳系自转最快的十大天体行列。
小行星2016 HO3示意图 | Mark A. Garlick, Space-art.co.uk / University of Warwick / University of Cambridge
但比起快速转圈圈，这块“大石头”的轨道更令人印象深刻。
它像其他小行星一样，也环绕太阳运行，而轨道半长径为1.00天文单位，公转周期为365.77 天。有没有觉得很眼熟？怎么跟咱们地球差不多呀？没错，乍一看会以为它在和地球“抢跑道”。
但它的“跑道”和地球的又不完全一样。2016 HO3的轨道略扁一些，偏心率为 0.10，还“歪”了一点，相对于黄道存在8° 左右的倾角。正是这一点点的不同，造就了一个奇妙的现象：它虽然绕着太阳跑，但始终和地球若即若离，从来不曾远离我们，好像是地球的伴侣。
2016 HO3 轨道示意图 | NASA
从地球上看出去，它好像在围绕地球转圈圈，但是与地球的卫星月球又不同。月球围绕地球的“腰”转圈圈，而2016 HO3是绕着地球上下转圈圈，约45年完成“一圈”。因此，天文学家称它地球的“准卫星”（quasi-satellite）。
由于发现它的泛星计划设在夏威夷，天文学家用一个夏威夷土著语Kamoʻoalewa 给它命名。Kamoʻo 指“碎片”，lewa意思是“震荡”，含义是“绕着地球震荡的小碎片”。有人暂时把它译作“震荡天星”，因为还没有官方标准译名。
说起来，地球的准卫星不止2016 HO3一个。20年前发现的2003 YN107 轨道也很特别，公转周期也是一年左右，在 1997 年至 2006 年期间，它与地球保持在 0.1 天文单位（1500万公里）范围内，并且一度看上去似乎在缓慢地绕地球运行。然而它并未被地球引力牵绊，最后还是离开了地球。
1600年-2500年小行星2016 HO3 相对于太阳与地球运动轨道的模拟动画 | Wikipedia
2016 HO3 的情况就完全不同了，计算机模拟显示，它陪伴地球已经至少一个世纪了，和地球的距离始终保持在30~100倍地月距离（约1400万公里~4000万公里），最近的时候发生在1923年12月27日，距离为 1244万公里。这种情况将持续到24世纪，随后切换到一条马鞍形轨道，过一阵子又将切换到“准卫星”轨道。
这就是所谓的“轨道共振”，是太阳和地球引力共同作用的结果，这让2016 HO3 成为迄今为止发现的最稳定的地球准卫星——既无法完全摆脱地球引力的影响，又无法真正成为地球的卫星。
月球碎片？
地球的这个神秘的“舞伴”， 究竟是从哪里来的呢？这是个有意思的话题。
在太阳系中，有一条“小行星高速公路” ——位于火星与木星之间，那里运行在着数百万颗小行星，我们称之为小行星主带，与太阳的平均距离约 2.8 天文单位。
太阳系的大多数小行星都运行在火星轨道和木星轨道之间的小行星主带中 | NASA/McREL
然而有些小行星“并不安分”，近日点位于地球轨道附近，甚至跑到地球轨道内侧。我们把近日点小于1.3 天文单位的小行星称为近地小行星。
研究认为，它们大多是受到大行星的引力干扰，在漫长的演化过程中轨道发生了变化，从小行星主带迁移到地球附近。截至2024年底，人类已经发现37000多颗近地小行星。
2016 HO3是否也是这种小行星“移民”中的一员呢？
四类近地小行星轨道 | Wikipedia
比较常见的近地小行星有四类。不过我们发现 2016 HO3 的轨道与它们都有不小的差异。于是天文学家有了另一个大胆的猜测——2016 HO3是从月球身上撞出来的！
天文学家利用它靠近地球的机会对它进行了光谱分析，惊奇地发现它的成分与阿波罗登月样本很相似。
小行星本身不发光，只能反射太阳光，而小行星上尘埃颗粒的大小分布会影响阳光反射率，小行星物质的不同化学成分会吸收特定波长的阳光，因此对小行星的反射光谱进行分析就可以间接地知道其表面物质组成与结构特征。
天文学家利用地面大型望远镜对 2016 HO3可见光波段和红外波段的光谱做了细致分析，发现它主要由硅酸盐组成，属于石质小行星（S型）。更进一步，在红外波段的光谱特征显示，它与阿波罗月球岩石样品高度相似。
因此，有人猜测它可能来自月球，在很久很久以前的一次撞击事件中，从月球上分离出来，成为一颗环绕太阳运行的小行星，并在长期的演化过程中，被地球引力约束，最终达到现在的共振状态。
2016 HO3 小行星光谱与阿波罗月球样本相符 | Benjamin N. L. Sharkey et al. (2021)
清华大学航天航空学院教授宝音课题组结合撞击动力学结论和月表撞击坑数据，建立了月球撞击产生的高速逃逸碎片和撞击坑尺寸间的定量关系，认为2016 HO3 的故乡是位于月球背面直径为 22 公里的一座年轻的环形山——焦尔达诺·布鲁诺环形山（Giordano Bruno crater）。
2016 HO3 究竟是不是月球失散多年的“兄弟”呢？毫无疑问，最好的办法就是取一些样品回来分析分析。
焦尔达诺·布鲁诺环形山 | NASA
首次挑战小行星软着陆
截至目前，人类总共有过三次小行星的采样返回任务，分别是日本的隼鸟号（Hayabusa）和隼鸟2号（Hayabusa2），以及美国的奥西里斯王号（OSIRIS-REx）。
2003年升空的隼鸟号，开了小行星采样的先河，但是该任务总体上却由于种种原因并不成功，最终只收集到探测器触碰到25143号小行星糸川表面时扬起的1500个“微粒”。
2014年的隼鸟2号更为成熟。它向小行星龙宫释放了一颗金属子弹，撞击小行星表面形成直径约10米的弹坑，通过机械臂上的采集器，获得了5.4克小行星样品。2022年6月，日本文部科学省称，科学家在其样本中检测到20多种氨基酸，这对理解生命在宇宙中的起源与演化有着重要意义。
日本隼鸟二号探测器效果图
2016年升空的NASA奥西里斯王号探测器取得了空前的成功。原计划获取60克样品，最终获得了121.6克，远超预期。它通过3.35米长的采样机械臂，在触碰小行星贝努表面的一刹那，向小行星表面吹出氮气，将尘埃和碎屑吹到两侧容器中。
它们都有一个共同点：采用的都是“蜻蜓点水”的采样方式——探测器像一只勇敢的鸟儿，小心翼翼地触碰一下小行星表面，迅速抓一把（或吹一把）就走，全程只有几秒钟。
奥西里斯王号探测器触碰式采样 | 图源：NASA
为什么这么“匆忙”？因为小行星采样，实在是太难了！
首先，小行星的个头比较小，引力极其微弱，但又不能完全忽略。
前面所提到的几个小行星，糸川的平均半径约313米，龙宫的平均半径约448米，贝努的平均半径约245米，质量最大的龙宫也不过是4.5×1011kg，是月球的1600亿分之一，是太阳系最大小行星灶神星的5.7亿分之一。
相比之下，2016 HO3 的直径估计只有40多米，质量还要小很多。据推测，2016 HO3 的重力加速度仅为地球百万分之一的水平。
因此，探测这种小行星，根本无法做到引力俘获，只能是先伴飞，然后缓慢降低高度，小心翼翼地触碰。一旦速度控制不好，探测器会立刻被弹飞出去。
隼鸟号采样的小行星糸川（左）和隼鸟2号采样的小行星龙宫（右），天问二号要去的2016 HO3 比它们都小 | JAXA
第二，对目标天体的具体情况知之甚少。
绝大多数小行星都太小太暗，在多数情况下无法直接观测到。即便能拍到照片，它们也只是一个很不起眼的小点。
到目前为止，我们对2016 HO3 大小、形状、密度、质量、结构等一概不知。就连对它的尺寸的估计，也只是来自亮度的测定，再假定一个反照率得出的推测。在相同亮度情况下，如果小行星的金属含量高一点，反照率就会高，那么相应的尺寸就小一些。如果它含碳量大一些，反照率就偏低，如果要有相同的亮度，自然就需要有更大的尺寸。
在这种未知因素较多的情况下，空间探测风险是很大的。
天问二号任务流程示意图，图中小行星的模样完全是猜测，具体情况我们暂时还一无所知 | 中国国家航天局探月与航天工程中心
第三，不知道小行星表面合适采样点在哪里。
因为小行星质量很小，而且有可能本身就是天体撞击出来的碎片，它并没有经历过地质演化过程，看上去不过是由许许多多碎石捏在一起的大石堆，其表面可能非常粗糙，到处都是碎石沟壑，很难找到一块平坦的着陆区。在隼鸟号探访糸川的时候，就遭遇了这种情况。
嫦娥五号和嫦娥六号在月球采样前，我们已经有了几个候选着陆区和着陆点，并提前掌握了高精度三维地形，足以确保着陆器安全落月。然而小行星2016 HO3 给我们出的难题是，直到现在我们都没有它的影像，也没有地图，更没有所谓候选着陆点了。一切都只能“到那儿再说”。
隼鸟2号在小行星龙宫上采样的过程 | JAXA
第四，距离远，测控精度要求高。
虽说是近地小行星，但2016 HO3与地球的距离也在1200万公里以上，小行星的个头也小，探测器的信号也弱，要对它进行测定轨是极为困难的。
遥远的距离还增加了通信的延时，完全依赖于地面的遥控是不现实的，因此必须提高探测器本身的智能化水平。
2016 HO3尚且如此，主带彗星311P 就更为遥远了，需要追求更高的测控精度。
面对这些挑战，天问二号准备了一套“组合拳” 。
发射后用1年时间飞抵目标小行星附近，随后遵循“边飞行、边探测、边制订”的策略，再花1年左右的时间对其进行近距探测，获得高分辨率的探测数据，包括建立小行星的高精度三维模型（至少是米级）、热模型等。然后通过层层筛选确定采样区，并制定相应的采样策略。就像一些选拔活动，15进8，8进3，最后3选1。
天问二号飞行过程示意图 | 余后满等.（2021）
除了国际上已经被证明切实可行的触碰采样方式外，天问二号还开创性地设计了悬停采样模式和附着采样模式，计划采集超过100克的小行星样品。
触碰采样和悬停采样都属于短时采样，主要针对“砂石堆”型松散结构。
触碰采样对采样区域面积要求较小，相对安全性也高。天问二号携带一个激励采样与送样一体化机构，通过毛刷挂扫方式和气吹方式，将不大于20mm的样品送入容器进行收纳密封。
悬停采样可以有效处理坚硬表面的风化层颗粒，令探测器下降到距小行星表面约1米高度时悬停，伸出机械臂，将端头插入小行星表面，采集表层风化物颗粒。
附着采样也被称为锚定采样，是天问二号的亮点之一，这也将成为国际上首次在小行星上实施附着采样。全过程将通过附着装置、采样装置、送样装置等共同实现。