小行星环境特性分析与研究现状

王 兴，刘建军

（1.中国科学院 国家天文台；2.中国科学院 月球与深空探测重点实验室：北京100101；3.中国科学院大学，北京100049）

0 引言

自20世纪中叶至今，人类发射的航天器已经对太阳系内的月球、火星、金星、木星等许多行星及卫星进行了丰富的探测，获得了大量科学与工程成果，也使得人类对太阳系的形成与演化以及生命信息探寻等问题有了更深刻的认识。近年来，对太阳系中小天体的探测也逐渐成为热潮。作为小天体中的重要成员，小行星被认为保存着太阳系形成与演化的关键信息，故对其探索具有重大的科学意义[1]。到目前为止，人类共执行了12次小行星探测任务（见表1）。早期探测主要以飞掠探测为主，而随着科技的发展，对小行星的采样探测也逐步展开。2010年，日本的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器成功从小行星（25143）Itokawa 上带回了约1500颗微粒。目前，日本的“隼鸟2号”（Hayabusa-2）与美国的“冥王号”（OSIRIS-REx）探测器正在开展对小行星（162173）“龙宫”（Ryugu）和（101955）“贝努”（Bennu）的采样探测任务，并分别计划于2020年和2023年将样品送回地球。与此同时，中国的小行星探测计划正在稳步推进。2019年4月，国家航天局正式对外宣布了中国的首次小行星探测与采样任务。

表1 已经执行的小行星探测任务Table1 Asteroid exploration missions that have been implemented

小行星（minor planet,asteroid）是指围绕太阳运行，体积和质量比行星和矮行星小，且不易释放出气体和尘埃的天体[2]。实际上，除了行星、彗星、天然卫星以及被国际天文学联合会（International Astronomical Union,IAU）认定为矮行星的天体之外，太阳系中其他绕太阳公转的天体都可被称为小行星。在对小行星进行探测之前，首先需要了解小行星周围的环境特性，因为其不仅是了解小行星基本性质、对小行星开展科学研究的基础，也是对探测器采取有效且有针对性防护的前提，是设计探测任务有效载荷的重要参考依据。

近年来研究发现，炎症反应作为上游胰岛素抵抗/脂肪变性和下游细胞损伤的中心环节，在NAFLD疾病进展中起到至关重要的作用[23]，特别是NLRPs作为重要的参与者，在NAFLD的疾病进展当中起到至关重要的作用[51]。

小行星在太阳系中分布广泛，位于太阳系各处的小行星附近的环境特性不尽相同。本文主要是对小行星的共性环境特征进行综合分析，从空间环境、表面环境及内部环境3个方面对现有研究成果进行总结。最后对我国小行星探测与采样任务的两个探测目标——近地小行星（469219）2016HO3和主带彗星133P/Elst-Pizarro的特点及环境特性进行分析，旨在为任务设计和实施提供帮助。

1 空间环境

1.1 辐射环境

由于没有大气和自身强磁场的保护，小行星的表面直接暴露于周围的辐射环境中。在小行星所处的宇宙空间，其表面受到的辐射按来源可以划分为两类：一类来源于太阳，包括太阳的电磁辐射，以及太阳风和太阳能量粒子等的电离辐射；另一类来源于太阳系之外，即银河宇宙射线等。小行星周围的电离辐射源具体性质如表2所示。

第一类模型是基于级数展开的球谐函数模型及椭球谐函数模型等。这类模型利用无穷级数去逼近任意形状的小行星，且可以根据各阶次球谐系数估算出小行星的非球形引力摄动，进而分析小行星的重力场对探测器轨道的影响。该类模型广泛应用于探测器的轨道设计中[23]，然而其最大的缺点就是很难确定球谐系数，大多要基于现有的轨道探测数据。对还未进行过探测的小行星虽然可以用三轴椭球体模型等方法近似求取球谐系数，但是精度较低。

表2 小行星周围的电离辐射源[3]Table2 Ionizing radiation sources surrounding the asteroids[3]

在工程设计时，小行星附近的空间辐射环境是需要重点考虑的因素之一，其经常会对探测器造成严重的破坏。一方面，来自太阳的紫外辐射会破坏探测器外露材料，特别是打断一些有机聚合材料的化学键，造成其光学、力学等性能的严重退化；另一方面，来自于太阳风和银河宇宙射线等的电离辐射会对航天器上携带的仪器造成不同程度的损伤，也会在航天器的表面和内部引发充电过程。

1.2 （微）流星体环境

流星体（meteoroid）是在行星际空间中运动的，直径在10 μm～1 m 之间的天然固体物质。绝大多数的流星体都是绕日运动且具有较高的速度。大大小小的流星体在行星际空间广泛存在，对航天器而言它们是潜在的撞击风险。而直径在10 μm～2 mm 之间的微流星体（micrometeoroid）更易侵蚀航天器的光学仪器、太阳能电池及热防护层等，造成航天器表面的粗糙化。

除了宇宙空间中已经存在的流星体，最近也发现许多“活动的”小行星本身也会向周围环境中抛射物质，这些物质也相当于流星体。“冥王号”（OSIRIS-REx）在进入小行星Bennu 的轨道后，其上搭载的相机拍到了Bennu 十几次的喷发事件，每次都会喷射出数十甚至上百颗颗粒物，颗粒粒径从mm 级到cm 级，亦可能存在超出仪器探测能力的更小的粒子[4]。而在地基观测中观测到一类被称作主带彗星的小天体在靠近近日点时会像彗星般向外喷射物质，我国小行星探测计划的第二个目标天体133P/Elst-Pizarro就属于这一类小天体，但目前对其喷射出物质的具体属性还不是很了解。因此在设计工程任务时需要充分考虑探测目标向外喷出物质的可能性，避免这些物质对探测器造成不能承受的损害。

1.3 动力学环境

在太阳系中，小行星的数量巨大，分布广泛，处于不同位置的小行星附近的动力学环境有很大差异。但总体来说，小行星附近的动力学环境会受到来自于引力和非引力2类因素的影响。

在锡火法精炼中，采用真空炉部分替代机械结晶机，用于脱除粗锡中的铅和铋，实现四九锡的生产，通过生产实践验证是可行的。

2 表面环境

2.1 地质环境

小行星表面的地质环境与其他无大气保护的天体表面的地质环境类似，存在最广泛的地貌特征就是撞击坑；但由于大多数的小行星都是“碎石堆”（rubble pile）结构，疏松多孔，使得小行星表面的撞击作用有其独特的特点。在高孔隙度的小行星上，小型撞击事件与常见的撞击事件相似，会产生溅射毯；而大型的撞击事件则会以压实作用为主，难以形成溅射毯，且小行星接受这种大型撞击的时间越长，整体密度就会越大[7]。另外，对撞击坑的统计学分析也是获取小行星表面年代信息的重要手段。尽管在小行星表面常用的撞击坑直径-频率分布定年法（Crater Size-Frequency Distribution,CSFD）不能获取到绝对年龄，但可以用于不同地质体的相对年龄的判断比较[8]。除了撞击作用之外，小行星表面还存在着其他各种丰富的地质作用，如在斜坡及撞击坑坑壁上发生的物质坡移（mass wasting）[9-10]、与地堑（graben）有关的大规模的线性构造（linear feature）[11]、尘埃的静电运输（electrostatic transportation）现象[12]等。通过分析小行星表面的各种地质作用，可以了解到其现阶段可能存在的内部活动及一些与外部环境长期作用的关键演化信息，甚至可以判断出其母体来源的某些性质。

许多较大的小行星的表面常覆盖一层厚度未知的土壤层（regolith）。与太阳系中其他无大气的天体（如月球）相比，小行星重力场较弱，对细粒物质的保留能力较差，导致其表面土壤层的粒径要更大一些[13]。土壤层由于直接暴露于周围的空间环境中，势必会遭到强烈的太空风化而改变自身的物理和化学性质。富硅酸盐矿物的土壤层在太空风化过程中，外层的Fe2+会被还原成纳米单质铁（Nanophase Fe,np-Fe0），简称纳米铁，其是太空风化的主要产物[14]。而对于一些小型的小行星来说，由于自身引力作用更弱，其表面裸露的更多是大小不一的石块（boulder），最大直径甚至可达百米量级[15]。这些石块的科学研究价值很高，它们既可能是被撞击作用挖掘出的埋藏较深的物质，也可能是留存下来的小行星母体裂解的碎片。相比于土壤层，石块直接提供了更多关于小行星内部物质及其母体性质的较为原始的信息，不同颜色与形态的石块也展示了小行星表面物质的不同来源或不同的演化过程。

7)注浆材料。采用标号不低于P.O42.5R级硅酸盐水泥，并按8%的比例添加ACZ-1水泥添加剂作为注浆材料。该材料具有良好的流动性、硬化塑形和抗干缩性。

2.2 热环境

对于小行星探测器来说，受到的引力作用主要是小行星自身的引力、太阳及其他天体的引力摄动，非引力作用则主要为太阳光压摄动。为了讨论小行星自身引力作用半径与其他摄动之间的量级关系，常用公式R=(Ma/M⊙)aD来进行估计[5-6]。其中：Ma是小天体的质量；M⊙是太阳的质量；D是小天体到太阳之间的平均距离。当参数a取1/3时，R为小行星的Hill半径（当探测器进入小行星的Hill半径内，小行星自身的引力影响会占主导地位，其他周围大天体的引力摄动可以忽略不计，但是来自于太阳的引力摄动和光压摄动不可忽略）；当参数a取2/5时，R为小行星的作用半径（在作用半径上，太阳的光压摄动是除小行星引力外其他摄动的主导，太阳的引力摄动则可忽略）；当参数a取1/2时，R为小行星的引力半径（在引力半径内，相较于小行星自身引力其他摄动都可忽略不计）。

表3 部分小行星的热惯量[18]Table3 Thermal inertia of some asteroids[18]

表3 续

表4 小行星的热惯量与表面物理状况之间的关系[19]Table4 The relation between the thermal inertia and the physical conditions on the surface of some asteroids[19]

2.3 光学环境

通常在小行星的一个旋转周期中，由于形状不规则和物质组分分布不均，小行星的反照率会出现微小的变化。这种微小变化会体现在小行星光变曲线的周期性变化上，可通过地基设备观测到，从而获得小行星的星等、自转周期、自转轴指向、形状、反照率分布以及散射性质等基本信息。一般来说小行星反照率通常较低，整体统计上呈双峰分布，分别对应C型（平均为0.035）和S型（平均为0.15）小行星[20]。而在小行星探测任务中，测取小行星表面反照率及颜色变化也是直接获知小行星表面物质成分差异的最基本手段。

系统开发严格按照软件工程的方法进行组织，将用户权限分为三类：普通用户、经销商、生产厂商，分别对应不同的权限解决方案。并根据系统功能划分各个模块，参照需求说明书，实现各个模块，最终实现整个系统。

2012年12月，“嫦娥二号”飞越小行星Toutatis，在工程技术与科学研究上都取得了大量的成果。2019年4月，国家航天局正式对外宣布了中国的小行星探测计划。这项计划是一次多任务探测计划，共有2个探测目标：小行星（469219）2016HO3和主带彗星133P/Elst-Pizarro。

2)耕地变化的各驱动因子之间存在着复杂的耦合关系。通径模型显示：教育投入、渔业总产值、林业总产值、固定资产总投资以及水果总产量对耕地变化的直接驱动作用较为显著；而城市化率和GDP则对耕地变化产生直接和间接的双重影响。

表5 由不同物质组成的小行星的光学特征[22]Table 5 Optical characteristics of asteroids composed of different materials[22]

表5 续

3 内部环境

3.1 重力环境

小行星的重力场不仅反映了小行星内部的物质分布与结构特征，也是探测器轨道设计所需要考虑的重要因素之一。与一般的行星或天然卫星不同，小行星的质量一般要小得多，形状极不规则，其自转也比较复杂，这些特点导致了小行星的重力环境与其他天体相比有很大差异。

对于小行星本身来说，受到的引力作用主要来自于大天体（如太阳、木星、土星或地球等）的引力摄动，其会影响小行星轨道的长期演化。而非引力作用对小行星动力学环境的影响也不可忽视，比如太阳光压、Yarkovsky 效应及YORP（Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack）效应等。在小行星轨道的演化中，这些非引力因素的长期作用也会造成小行星轨道性质的改变。

小行星的重力场本身是其引力场的一个分量，两者建模方法基本相同，目前对小行星重力场或引力场的建模可以分为两大类。

7.2 虫害防治：虫害种类有红蜘蛛、茶黄螨、蚜虫三种。防治方法：红蜘蛛用灭螨灵、克螨净等药物。茶黄螨用克螨特乳油等药物。蚜虫用一遍净、一扫光、天王星等防治，也可用黄板诱杀。

第二类模型是用多面体去逼近小行星的形状，即多面体模型。这类模型用一系列由三角形组成的表面去近似模拟小行星的不规则形状，可以非常精确地描述小行星不规则的重力场，因此成为小行星重力场精确建模的主要方法之一[24]。但是该类模型给出的重力场不能很好地与探测器的轨道根数之间建立起联系，不便于探测器的轨道设计。

1934年，美国著名学者杜威在《我们如何思维》中创造性提出了“反思性教学”理念，随后便引起了学术界的广泛重视。唐纳德·舍恩在《反思性实践者》中首次进行了反思性教学实践，并引发了世界各国的教学改革热潮。上世纪80年代，美国、澳大利亚、加拿大等发达国家先后进行了大量反思性教学实践活动，各国学术界也对反思性教学理论进行了深入研究。上世纪90年代，我国正式引入了反思性教学理论，并将其作为教学改革的重要指导。沃丽思（1991）在《反思性教学理念在外语教师培训中的运用》中详细剖析了教育专业化反思模式，为外语教师专业化发展中反思性教育理念的运用提供了重要指导。

3.2 磁环境

3）对于2016HO3来说，尽管其自转较快，但有研究推测其表面仍可能像小行星Itokawa 一样保留部分土壤层[34]。而133P的自转周期和有效半径则说明了它与其他尺寸在几km 左右的小行星一样是松散的“碎石堆”结构，而不是一整块岩石或冰。

4 中国的小行星探测计划

4.1 探测目标

小行星表面的光谱特征是由小行星表面的物质组分直接决定的，根据小行星的光谱类型可以对小行星进行分类（见表5）。小行星表面的矿物组成与大多数的陨石相类似，光谱特征也可以相互匹配。然而S型小行星和与其组分相类似的普通球粒陨石的光谱特征却不匹配。目前一般认为这是由于硅酸盐的太空风化过程改变了其表面物质原有的光谱特征——太空风化过程产生的纳米铁使光谱变红变暗，甚至令许多典型矿物的吸收特征变弱乃至消失[21]。实际上，上述的光谱变化几乎在所有富硅酸盐的天体上都有观察到，对返回的月壤样品的研究也加深了研究人员对于硅酸盐太空风化过程的认识。但相对地，对于碳质（即C 型）小行星的太空风化过程的认识要少得多。“隼鸟2号”在C型小行星“龙宫”上的撞击实验发现撞击挖掘出的新鲜物质的光谱要更暗一些。这点比较意外，也许说明碳质物质的太空风化过程与硅酸盐物质的太空风化过程完全不同。

小行星2016HO3，又名Kamo‘oalewa（夏威夷语，意为“不停振荡的天体”），是在2016年发现的一颗近地小行星，它是目前已知的地球的5颗“准卫星（quasi-satellite）”中最小、最接近地球的，也是轨道最稳定的一颗，比较适合就位探测和采样返回探测。其绝对星等为24.1，反照率估算为0.6～0.03，直径在26～115 m 之间[31]。文献[32]给出的较新的测量结果是绝对星等约为24.3，反照率约为0.25，直径约为36 m，推测是一颗S型小行星。2016HO3自转速度很快，由光变曲线推测，其自转周期可能为(28.02±0.48)min[33]。2016HO3最独特的特征是它的轨道（轨道根数如表6所示[34]），其与地球共轨，同时还环绕着地球运转，与地球的距离保持在0.10～0.26 AU 之间[35]，其轨道会在准卫星轨道和马蹄形轨道之间反复切换（见图1[36]）。

表6 近地小行星2016HO3 的轨 道根数（来源：JPL小天体数据库[34]）Table6 Orbital elements of near-earth asteroid 2016HO3（source:JPL Small-Body Database[34]）

图1 近地小行星2016HO3的轨道示意[36]Fig.1 The orbit of near-Earth asteroid 2016HO3[36]

133P/Elst-Pizarro 则是一颗位于小行星主带的独特小天体，它于1979年被首次发现，其轨道在火星和木星之间的小行星带内，在动力学上无法与主带小行星区分开。最初133P被认为是一颗小行星，也有一个小行星名称（7968）Elst-Pizarro。133P的几何反照率为(0.05±0.02)，有效半径为(1.9±0.3) km（半长轴约为2.3 km，半短轴约为1.6 km），属于司里星族（Themis famliy）[37]，其轨道根数如表7[34]所示。133P的自转也很快，自转周期约为3.47 h[38]。133P最大的特点在于它的活动性，它是一颗“活跃的小行星”（active asteroid），即存在质量损失的小行星，也被称为主带彗星（main-belt comet,MBC）。在1996年、2001年、2007和2013年4次靠近近日点时，133P均表现出了类似彗星的活动[39-41]，这种现象目前被解释为在热驱动下靠近于表面的水冰的升华过程[42]。对于其起源问题，研究者认为像133P这类主带彗星不太可能来源于柯伊伯带或奥尔特云，而是在主带原位形成的冰质天体[43]。

表7 主带彗星133P的轨道根数（来源：JPL小天体数据库[34]）Table7 Orbital elements of main-belt comet 133P（source:JPL Small-Body Database[34]）

4.2 环境特性

以上2个探测目标的环境特性主要包括以下几个方面：

1）除了太阳电磁辐射和太阳风、太阳能量粒子、高能宇宙射线等辐射外，还可能存在由探测目标活动抛射到周围的物质，特别是已经确定有活动性的主带彗星133P。

2）2个目标天体的尺寸都很小，特别是小行星2016HO3尺寸仅几十米量级，它们的引力场非常弱，需要考虑如何实现探测器在弱引力场下的逼近和绕飞探测。

通常在行星内部，导电流体的对流会产生大型的强磁场，然而小行星的尺寸一般较小且大多为“碎石堆”结构，其内部基本不会存在“发电机”结构，因而不会产生像地球这样自生的偶极子磁场。但是有一部分小行星的确拥有磁场，这是因为：一方面，有些小行星带有剩磁——如果其母体曾经拥有磁场或其附近的行星体带有强磁场，则母体上的岩石在冷却过程中会被磁化获得剩磁，而由母体裂解形成的小行星仍然会保留剩磁[25]，这种剩磁也可以从来自于小行星的地外陨石中检测到[26]；另一方面，如果小行星是由导电物质组成且其内部电导率与碳质或含铁陨石相似，则小行星与太阳风之间相互作用很有可能发生单极感应（unipolar induction），从而形成小行星的外部磁场[27]。此外，小行星的磁场也并非一成不变，撞击事件、太空风化及热环境的变化等都会改变小行星的现有磁场。目前，对小行星磁场的直接观测并不多，现有的几次小行星探测项目一般都携带有磁力计，有些探测目标如小行星（951）Gaspra[28]、（9969）Braille[29]等被测出附近存在着较强的磁场，而其他一些如小行星（21）Lutetia 等则不存在磁场[30]。

4）目前对二者表面的地质环境了解得很少，如表面风化程度、土壤层性质、石块分布等，还需要借助更多的地基观测和空间探测来开展研究。

一天，“包子西施”的老板来找平老板，说：“生意不好，当时租房订一年合同，现在才三个月，还没到期，你家生意好，把门面房转租给你，请平老板帮忙。”

5 总结与展望

本文从空间环境、表面环境和内部环境3个方面对小行星的环境特性进行了综合分析。

在空间环境方面：1）小行星附近具有多种辐射源，主要为太阳电磁辐射、太阳风、太阳能量粒子、高能宇宙射线等；2）一些“活动的”小行星会向周围抛射物质；3）小行星附近的动力学环境受到引力（小行星自身引力摄动、太阳及大天体的引力摄动等）和非引力（太阳光压摄动、Yarkovsky 效应和YORP效应等）两类作用的影响。

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在表面环境方面：1）小行星表面表现出丰富的地质作用，其中最常见是撞击作用；2）小行星的矿物组成与大多数的陨石相类似；3）较大的小行星表面常覆盖有一层遭受到强烈太空风化作用的土壤层，较小的小行星表面通常具有大量的石块分布；4）小行星表面热环境取决于多种因素，如太阳的辐射、附近天体的反射辐射、表面地形、表面物质的热物理特性等，常用温度和热惯量来综合衡量表面热环境；5）小行星表面反照率一般较低，且与地形和物质分布有关；6）由于小行星表面通常遭到太空风化，硅酸盐类小行星的表面光谱特征会随时间而变红变暗，一些典型矿物的吸收特征会变弱甚至消失。

在内部环境方面：1）由于小行星通常质量小，形状不规则，自转复杂，导致其重力场一般较弱，且复杂多变；2）小行星内部一般无“发电机”结构，即无自生的强磁场存在，但可能存在剩磁，一些小行星与太阳风的作用也可产生单极感应形成外部磁场。

本文最后也分析了我国首次小行星探测计划的2个目标天体——近地小行星2016HO3和主带慧星133P的特点及环境特性。2016HO3的独特性体现在其与地球共轨的轨道上，对2016HO3的探测可以为地球共轨小行星的轨道演化等科学问题的研究提供有力的数据支撑，对其环绕光谱探测及采集样品分析也有助于进一步从天体化学角度理解其起源问题。133P的独特性则体现在其类似彗星的活动性上，对133P的探测可以获取主带彗星上是否有水冰存在的直接证据，帮助了解主带彗星这类小天体的活动机制，进而深入研究小行星和彗星之间可能的过渡关系。