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北京時(shí)間2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五號(hào)歷時(shí)23天，順利從月球挖土而歸。
2020年12月17日在內(nèi)蒙古四子王旗成功回收的嫦娥五號(hào)樣品艙 |?CSNA
而就在11天前的12月6日清晨，日本JAXA的隼鳥2號(hào)探測(cè)器歷經(jīng)6年的跋涉，將來自小行星“龍宮”的樣品送回了地球。
隼鳥2號(hào)返回艙再入地球大氣層形成的“火流星” |?JAXA [1]（動(dòng)圖）
主動(dòng)前往太空采回樣品，在人類歷史上還不多見。短短半個(gè)月里兩份來自太空的“土特產(chǎn)”，這無疑是2020這個(gè)坎坷之年回饋人類智慧和堅(jiān)韌的一份大禮。
除了帶回星際塵埃和太陽風(fēng)粒子，在人類短短六十多年的深空探測(cè)史上，迄今為止只完成過9次月球采樣返回，1次彗星采樣返回和2次小行星采樣返回。每一次，都伴隨著未知、艱險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，每一次，都是載入史冊(cè)的壯舉。
先驅(qū)者阿波羅和月球號(hào)
1969年7月20日，NASA阿波羅11號(hào)登月艙帶著兩名宇航員——尼爾 阿姆斯特朗和巴茲 奧爾德林——成功踏上月球正面的靜?；?。
底圖：LROC，制圖：haibaraemily
這不僅是人類首次載人登陸月球，也讓月球成為了人類目前為止唯一親身探測(cè)過的地外天體。
奧爾德林走下梯子，阿姆斯特朗拍攝 |?AS11-40-5866
在總計(jì)2.5個(gè)小時(shí)的月面出艙活動(dòng)時(shí)間里，兩位宇航員完成了三次月面采樣，共采集了21.6公斤月球巖石和土壤樣本并帶回地球。
阿波羅11號(hào)月球樣品匯總。數(shù)據(jù)來源：NASA，整理：haibaraemily
如今的我們依然會(huì)驚嘆，人類的第一次太空采樣居然就有如此“高規(guī)格”，不僅真人出馬，而且?guī)资锏赝貛ж?/span>——直叫后來只采了幾十克甚至幾毫克的無人采樣任務(wù)哭暈在廁所。
阿波羅11號(hào)第一次月球樣本采集（Contingency Sample）
阿姆斯特朗完成第一次月面采樣 |?阿波羅著陸腿上的相機(jī)拍攝（動(dòng)圖）
阿波羅11號(hào)第二次樣本采集（Bulk sample）
阿姆斯特朗完成第二次采樣所用的鏟子和采回的樣品示例 |?美國(guó)國(guó)家航空航天博物館&NASA
阿波羅11號(hào)第三次樣本采集（Documented Sample）
（左）奧爾德林用直徑2厘米的巖管采集了2管深達(dá)月表以下13厘米的巖芯樣本；（右）阿波羅11號(hào)使用的采樣管長(zhǎng)這樣（紅色箭頭） | NASA
阿姆斯特朗第三次采集的月面樣本示例 | NASA
此后的阿波羅12、14、15、16、17號(hào)均成功實(shí)現(xiàn)了載人登月、月球巖石和土壤采樣和返回，而且一次比一次采得多。
風(fēng)格逐漸大膽.jpg
到了1972年的阿波羅17號(hào)就更加彪悍了，這次任務(wù)的宇航員們不僅在月面艙外活動(dòng)了22個(gè)小時(shí)，采回了110.5公斤月球樣品（均為史上之最），更夸張的是，這次任務(wù)是直接把活的地質(zhì)學(xué)家送上了月球。
阿波羅17號(hào)的登月宇航員之一，哈里森 施密特，在成為NASA宇航員之前是根正苗紅的地質(zhì)學(xué)家，有地質(zhì)學(xué)本碩博學(xué)位。地質(zhì)學(xué)家的實(shí)地考察和采樣，讓阿波羅任務(wù)真正實(shí)現(xiàn)了哪里有科學(xué)價(jià)值挖哪里，把專業(yè)挖土做到了極致。事實(shí)上，哈里森 施密特也是登上月球的12名宇航員中唯一一名科學(xué)家。
正在采集月球巖石樣本的哈里森 施密特 | NASA
除了采集樣品，阿波羅載人任務(wù)還充分利用真人優(yōu)勢(shì)，在月球表面完成了包括地震實(shí)驗(yàn)、熱流探測(cè)、重力儀和激光反射陣列安裝等一系列直到今天都無法超越的月球?qū)嵉靥綔y(cè)。這個(gè)和本篇關(guān)系不大，就不多說了。
六次阿波羅載人登月著陸點(diǎn)和當(dāng)時(shí)著陸留下的各種設(shè)備（地震實(shí)驗(yàn)裝置、上升級(jí)等）在目前最高分辨率的月球影像中的樣子 | NASA / LRO
阿波羅11號(hào)登月一年后，姍姍來遲的蘇聯(lián)月球16號(hào)才于1970年9月20日著陸在月球正面的豐富海，并采集了101克月球樣品帶回。蘇聯(lián)的三次月球采樣任務(wù)：月球16號(hào)、月球20號(hào)、月球24號(hào)均為無人采樣返回，這也是嫦娥五號(hào)之前人類唯三的無人月球采樣任務(wù)。
（左）月球16號(hào)探測(cè)器模型和前端的采樣裝置 | 維基；（右）月球16號(hào)采回的一管鉆取樣品，編號(hào)21000 | NASA/Meyer [2]
受限于火箭運(yùn)力和返回方式（阿波羅返回時(shí)采用交會(huì)對(duì)接，而月球號(hào)則是上升器從月面起飛后直接返回），三次月球號(hào)任務(wù)采回的樣品都只有幾十到一百多克，相比于阿波羅任務(wù)實(shí)在不算多。
月球20號(hào)和24號(hào)鉆取采集的樣品示例。三次采樣分別帶回了101克、55克和170克月球樣品?| NASA/Meyer [3]
阿波羅和月球任務(wù)采回的樣品被接下來四十多年里的行星科學(xué)家們孜孜不倦地鉆研至今，幫助人們揭開了諸多月球謎題。但遺憾的是，隨著阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競(jìng)賽迅速進(jìn)入了尾聲，月球采樣熱潮在鼎盛時(shí)期戛然而止——1976年蘇聯(lián)的月球24號(hào)任務(wù)之后，月球采樣沉寂了整整44年。
重啟月球采樣的嫦娥五號(hào)
四十年后，讓人類探測(cè)器重返月球的，是不斷崛起的中國(guó)力量。
2013年，嫦娥三號(hào)成功著陸月球正面的雨海西北部，并釋放月球車玉兔號(hào)。這是繼美國(guó)的阿波羅號(hào)和蘇聯(lián)的月球號(hào)任務(wù)的37年之后，人類探測(cè)器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年，嫦娥四號(hào)更是實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次踏上月球背面的壯舉。
2013年12月15日，嫦娥三號(hào)著陸器的地形地貌相機(jī)和月球車玉兔的全景相機(jī)完成兩器互拍 |?中國(guó)探月工程
僅僅一年之后，破繭重生的長(zhǎng)征五號(hào)火箭帶著嫦娥五號(hào)挑戰(zhàn)了更高難度——月球采樣返回。
2020年11月24日凌晨出發(fā)，2020年12月17日凌晨返回，中國(guó)迄今為止最復(fù)雜的探月任務(wù)嫦娥五號(hào)，滿分完成了前往月球-月面采樣-月面起飛-月軌對(duì)接-返回地球等一系列復(fù)雜操作，實(shí)現(xiàn)了諸多中國(guó)深空探測(cè)史上的“第一次”。
嫦娥五號(hào)順利著陸在月球正面風(fēng)暴洋北部的呂姆克山（Mons R mker）一帶，采集到了至少2公斤月球樣品。這是迄今為止的月球無人采樣返回任務(wù)里采回的最多樣品量，把第二名遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了身后。
之前那版你們說橙色晃眼，換了個(gè)顏色…
而在嫦娥五號(hào)之后，中國(guó)的嫦娥六號(hào)還會(huì)前往月球南極采樣，抵達(dá)更多前輩探測(cè)器未曾到達(dá)過的月面，完成更多前輩探測(cè)器不曾完成過的壯舉。
“捕捉”彗星的星塵號(hào)
相比于“近在咫尺”的月球，前往彗星和小行星的采樣之路注定更加充滿意外和艱險(xiǎn)。但人類不曾停下探索未知的腳步。
1999年2月7日，NASA的星塵號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空，它的目標(biāo)之一，是采集彗星維爾德2號(hào)（81P/Wild）彗發(fā)中的塵埃以及星際塵埃樣品并帶回地球。
星塵號(hào)。最頂端的盾狀容器就是樣品返回艙?| NASA
這是一顆公里級(jí)大小的彗星，每6.4年環(huán)繞太陽一周。相比于之后人類試圖采樣的幾顆小天體，彗星維爾德2號(hào)算得上是龐然大物了。
彗核大小約5.5 km?? 4.0 km?? 3.3 km，圖為星塵號(hào)拍攝的彗星維爾德2號(hào)彗核 | NASA
塵埃那么小的東西要如何采集，更何況還是彗星的塵埃？尚無任何前輩經(jīng)驗(yàn)可以照搬的星塵號(hào)只能極盡巧思，自力更生。
星塵號(hào)使用二氧化硅氣凝膠（aerogel）材質(zhì)制作了一個(gè)網(wǎng)球拍大小的收集裝置，這種材質(zhì)質(zhì)地像海綿那樣疏松多孔，99.8%的空間都被空氣填充，因此密度極低，雖然是固體，卻極其輕盈。當(dāng)探測(cè)器從彗星彗發(fā)飛過時(shí)，星塵號(hào)就迎面展開這個(gè)收集裝置，溫柔無損地把被氣凝膠攔住的塵埃收集起來。這種用氣凝膠收集粒子的方式曾于1996-1997年間在和平號(hào)空間站上試驗(yàn)過，后來NASA的起源號(hào)探測(cè)器也用類似的方式（但不是用的氣凝膠這種材質(zhì)）收集過太陽風(fēng)粒子。
星塵號(hào)捕獲塵埃的氣凝膠收集裝置 | NASA
2003年12月31日，星塵號(hào)進(jìn)入彗星維爾德2號(hào)的彗發(fā)，成功“截胡”下了一點(diǎn)塵埃。
星塵號(hào)：只要我夠溫柔，塵埃就壓根意識(shí)不到被我截胡了！| NASA
2006年1月15日，星塵號(hào)的返回艙回到地球。
（左）星塵號(hào)返回艙著陸在美國(guó)空軍猶他測(cè)試訓(xùn)練場(chǎng)；（右）星塵號(hào)返回艙在猶他州邁克爾陸軍機(jī)場(chǎng)的臨時(shí)潔凈室中被打開，樣品收集裝置隨后被重新封裝運(yùn)往休斯頓的約翰遜航天中心?| NASA
星塵號(hào)共帶回了約100萬顆塵埃顆粒，總計(jì)質(zhì)量約1毫克?[4]。
星塵號(hào)采集到的彗星塵埃顆粒示例 | NASA [4]
星塵號(hào)收集樣品的氣凝膠切片中采集到的彗星塵埃（箭頭處）| NASA
盡管帶回的“土特產(chǎn)”不多，但星塵號(hào)為人類首次帶回了彗星塵埃的樣品，直到今天依然是獨(dú)一份。
歷經(jīng)坎坷的隼鳥號(hào)
2003年，JAXA的隼鳥號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空，目標(biāo)是前往近地小行星絲川（Itokawa）展開探測(cè)并帶回樣品。
隼鳥號(hào) | JAXA
小行星絲川是一顆阿波羅型近地小行星，光譜成分分類屬于S型（巖質(zhì)），大小約535 米???294米?? 209米，每1.5年環(huán)繞太陽一周。
隼鳥號(hào)拍攝的小行星絲川 | JAXA
隼鳥號(hào)的旅程并不順利，還沒飛到目標(biāo)就已經(jīng)故障不斷，抵達(dá)小行星絲川后釋放著陸器和著陸采樣也沒能按預(yù)期進(jìn)行，燃料泄露、滿身傷病，甚至長(zhǎng)期陷入失聯(lián)和瀕死狀態(tài)…但它還是頑強(qiáng)克服了種種艱難和困境，在2010年6月奇跡般地將來自絲川的樣品送回了地球。
工作人員在澳大利亞伍默拉試驗(yàn)場(chǎng)回收隼鳥號(hào)返回艙 | JAXA
對(duì)于這類直徑不足1公里的小型小行星，采集樣品又有新的難題。絕大多數(shù)小行星自己不會(huì)噴發(fā)“土特產(chǎn)”，不允許探測(cè)器像星塵號(hào)那樣不接觸表面就能完成采樣；小天體自身的引力也太小，探測(cè)器很難穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)匕踩懚环磸?fù)彈跳；另一方面，前往小行星的探測(cè)器相比于月球和火星探測(cè)器也通常輕小得多，不具備在小行星上著陸再起飛的條件。
隼鳥號(hào)首次嘗試了“接觸即離開”（Touch and Go）的方式：探測(cè)器受控降落直到采樣桿觸碰到小天體表面，在接觸的幾秒鐘里完成采樣，然后蜻蜓點(diǎn)水一般點(diǎn)火起飛離開。
一旦探測(cè)器檢測(cè)到底部長(zhǎng)長(zhǎng)的采樣桿接觸到了小行星表面，就即刻從采樣桿中以300米/秒的速度發(fā)射出一枚鉭質(zhì)子彈，子彈撞出的碎屑被彈射入采樣桿中，經(jīng)過多次反射探測(cè)器所收集。
隼鳥號(hào)的采樣桿接觸小行星表面示意和隼鳥號(hào)設(shè)計(jì)的小行星采樣方式 | JAXA [5]
盡管隼鳥號(hào)的采樣工作沒能順利開展，但這種“接觸即離開”的采樣方式本身還是得到了認(rèn)可，被后來的JAXA隼鳥2號(hào)和NASA的冥王號(hào)探測(cè)器所沿用。而且幸運(yùn)的是，隼鳥號(hào)返回艙里還是帶回了一些采樣過程中飛入的小行星塵埃顆粒。
隼鳥號(hào)近乎空空如也的樣品收集裝置內(nèi)部，只能看到零星小顆粒 | JAXA/JSPEC
隼鳥號(hào)共采回約1500顆塵埃樣品，總質(zhì)量不到1毫克。雖然重量不多，部分樣品也存在被污染的可能性[5]，但依然為行星科學(xué)家們提供了許多來自小行星絲川的“一手”信息。（量多量少，都有科學(xué)價(jià)值！）
隼鳥號(hào)帶回的一顆絲川顆粒上，科學(xué)家們用掃描電鏡和透射電鏡發(fā)現(xiàn)了多達(dá)15個(gè)亞微米級(jí)直徑的撞擊坑 |?JAXA
更重要的是，作為人類首次小行星采樣的嘗試，隼鳥號(hào)的“不死鳥”精神，至今仍在鼓舞著后人繼續(xù)探索宇宙。
隼鳥2號(hào)和冥王號(hào)
而在星塵號(hào)和隼鳥號(hào)這兩次小天體采樣的經(jīng)驗(yàn)之下，JAXA和NASA在十多年后相繼再次開始了前往小天體采樣的嘗試，隼鳥2號(hào)和冥王號(hào)（奧斯里斯號(hào)，OSIRIS-REx）橫空出世。
隼鳥2號(hào)（左）和冥王號(hào)（右）藝術(shù)想象 |?JAXA、NASA
這一次，它們都瞄準(zhǔn)了近地小行星小行星——同為C類（碳質(zhì)）小行星的“龍宮”和“貝努”。
更令人欣慰的是，這一次，兩個(gè)探測(cè)器都非常順利，也都采回了遠(yuǎn)多于上一次的樣品。
沿用了隼鳥號(hào)的鉭質(zhì)子彈采樣法，隼鳥2號(hào)在2019年里完成了兩次采樣，分別采集了來自小行星龍宮表面和地下兩種樣品。
工作人員在澳大利亞伍默拉試驗(yàn)場(chǎng)回收隼鳥2號(hào)樣品返回艙 | JAXA
隼鳥2號(hào)計(jì)劃采回100毫克小行星龍宮樣品，但按目前的“開箱”情況來看，實(shí)際采回的樣品遠(yuǎn)超這個(gè)量級(jí)，而且可能采集到了小行星龍宮的氣體物質(zhì)。
隼鳥2號(hào)的兩次采樣樣品被分裝在了兩個(gè)艙室中，截止2020年12月15日，僅打開的A艙室中就已經(jīng)確認(rèn)采到了大量龍宮顆粒物?| JAXA
另一邊，NASA的冥王號(hào)也已在2020年10月順利完成了樣品采集和封裝。在接觸采樣階段，冥王號(hào)選擇發(fā)射壓縮氮?dú)?/span>來激起小行星表面物質(zhì)，相比于“彈射子彈式”，這種“塵吸式”采樣或可采集到更多樣品。
冥王號(hào)采樣時(shí)采樣臂頭部工作示意圖 | NASA(動(dòng)圖)
冥王號(hào)計(jì)劃采集60克-2公斤小行星貝努的樣品，如果一切順利的話，它將于2021年3月啟程，2023年9月24日將樣品送回地球。
冥王號(hào)和隼鳥2號(hào)的探測(cè)日程?|?University of Arizona
更多太空采樣，未來可期
我國(guó)的首個(gè)小行星采樣和彗星探測(cè)任務(wù)也在緊密籌劃之中。它計(jì)劃2024年發(fā)射，環(huán)繞探測(cè)近地小行星2016HO3并采集樣品，然后送回地球。這顆小行星據(jù)估計(jì)直徑只有40-100米，這將是人類探測(cè)的個(gè)頭最小的小行星。
2016 HO3是一顆地球的準(zhǔn)衛(wèi)星，不過它距離地球的平均距離比地月距離遠(yuǎn)得多（始終距地球在地月距離的38-100倍之間），并沒有真的被地球的引力所俘獲成為真正的衛(wèi)星 | DSI
作為我國(guó)首個(gè)小天體探測(cè)任務(wù)，這次任務(wù)絕對(duì)可以算得上是目標(biāo)遠(yuǎn)大。在完成對(duì)小行星2016HO3的近距離探測(cè)和采樣，把“土特產(chǎn)”快遞送回地球之后，它還會(huì)繼續(xù)前行，前往主帶彗星133P/Elst-Pizarro進(jìn)行近距離探測(cè)。
2002年9月7日，位于Mauna Kea的夏威夷大學(xué)2.2米口徑望遠(yuǎn)鏡拍攝的R波段（波長(zhǎng)0.65微米）影像中觀測(cè)到的主帶彗星133P/Elst-Pizarro。圖幅0.5′ 1.5′，總有效曝光時(shí)間1.1小時(shí) | 參考文獻(xiàn)?[6]
除了小行星采樣，火星采樣返回也在我國(guó)的深空探測(cè)規(guī)劃之中。另一邊，即將抵達(dá)火星的NASA的毅力號(hào)火星車，將在接下來的幾年里開始火星采樣和封裝工作。只不過，這些樣品在短期內(nèi)還無法回到地球——要等到將來的火星返回任務(wù)來回收和帶回。
Mars2020（毅力號(hào)）采樣返回的超時(shí)空接力，(2)(3)(4)任務(wù)可以一次完成，也可以分期完成 |?漢化自：Nature News
在隼鳥2號(hào)的巨大成功之后，JAXA則打算繼續(xù)發(fā)揮小天體探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)，正在規(guī)劃中的火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)MMX（火星衛(wèi)星探測(cè)任務(wù)），有望在2025年左右發(fā)射。
JAXA接下來的火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)MMX | JAXA
隨著科技的發(fā)展，或許我們有生之年還能看到人類的探測(cè)器前往更遙遠(yuǎn)的地方，帶回更遠(yuǎn)星球的樣品也說不定呢。讓我們拭目以待吧~
參考資料：
[1] Image of the re-entry capsule fireball
[2] 星塵號(hào)?
[3] 隼鳥號(hào)
[4]?Hsieh, H. H., Jewitt, D. C., & Fern ndez, Y. R. (2004). The strange case of 133P/Elst-Pizarro: A comet among the asteroids.?The Astronomical Journal,?127(5), 2997.