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北京時間2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五號歷時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號探測器歷經(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號返回艙再入地球大氣層形成的“火流星” |?JAXA [1]（動圖）
主動前往太空采回樣品，在人類歷史上還不多見。短短半個月里兩份來自太空的“土特產(chǎn)”，這無疑是2020這個坎坷之年回饋人類智慧和堅韌的一份大禮。
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、艱險和挑戰(zhàn)，每一次，都是載入史冊的壯舉。
先驅(qū)者阿波羅和月球號
1969年7月20日，NASA阿波羅11號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?；亍?/span>
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2.5個小時的月面出艙活動時間里，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號月球樣品匯總。數(shù)據(jù)來源：NASA，整理：haibaraemily
如今的我們依然會驚嘆，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拍攝（動圖）
阿波羅11號第二次樣本采集（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 |?美國國家航空航天博物館&NASA
阿波羅11號第三次樣本采集（Documented Sample）
（左）奧爾德林用直徑2厘米的巖管采集了2管深達月表以下13厘米的巖芯樣本；（右）阿波羅11號使用的采樣管長這樣（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號均成功實現(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了22個小時，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)家的實地考察和采樣，讓阿波羅任務(wù)真正實現(xiàn)了哪里有科學(xué)價值挖哪里，把專業(yè)挖土做到了極致。事實上，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，在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、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。這個和本篇關(guān)系不大，就不多說了。
六次阿波羅載人登月著陸點和當(dāng)時著陸留下的各種設(shè)備（地震實驗裝置、上升級等）在目前最高分辨率的月球影像中的樣子 | NASA / LRO
阿波羅11號登月一年后，姍姍來遲的蘇聯(lián)月球16號才于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、月球20號、月球24號均為無人采樣返回，這也是嫦娥五號之前人類唯三的無人月球采樣任務(wù)。
（左）月球16號探測器模型和前端的采樣裝置 | 維基；（右）月球16號采回的一管鉆取樣品，編號21000 | NASA/Meyer [2]
受限于火箭運力和返回方式（阿波羅返回時采用交會對接，而月球號則是上升器從月面起飛后直接返回），三次月球號任務(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)實在不算多。
月球20號和24號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，美蘇太空競賽迅速進入了尾聲，月球采樣熱潮在鼎盛時期戛然而止——1976年蘇聯(lián)的月球24號任務(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
四十年后，讓人類探測器重返月球的，是不斷崛起的中國力量。
2013年，嫦娥三號成功著陸月球正面的雨海西北部，并釋放月球車玉兔號。這是繼美國的阿波羅號和蘇聯(lián)的月球號任務(wù)的37年之后，人類探測器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年，嫦娥四號更是實現(xiàn)了人類探測器首次踏上月球背面的壯舉。
2013年12月15日，嫦娥三號著陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機完成兩器互拍 |?中國探月工程
僅僅一年之后，破繭重生的長征五號火箭帶著嫦娥五號挑戰(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，中國迄今為止最復(fù)雜的探月任務(wù)嫦娥五號，滿分完成了前往月球-月面采樣-月面起飛-月軌對接-返回地球等一系列復(fù)雜操作，實現(xiàn)了諸多中國深空探測史上的“第一次”。
嫦娥五號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，把第二名遠遠甩在了身后。
之前那版你們說橙色晃眼，換了個顏色…
而在嫦娥五號之后，中國的嫦娥六號還會前往月球南極采樣，抵達更多前輩探測器未曾到達過的月面，完成更多前輩探測器不曾完成過的壯舉。
“捕捉”彗星的星塵號
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。但人類不曾停下探索未知的腳步。
1999年2月7日，NASA的星塵號探測器發(fā)射升空，它的目標(biāo)之一，是采集彗星維爾德2號（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。最頂端的盾狀容器就是樣品返回艙?| NASA
這是一顆公里級大小的彗星，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，圖為星塵號拍攝的彗星維爾德2號彗核 | 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)驗可以照搬的星塵號只能極盡巧思，自力更生。
星塵號使用二氧化硅氣凝膠（aerogel）材質(zhì)制作了一個網(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)探測器從彗星彗發(fā)飛過時，星塵號就迎面展開這個收集裝置，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年間在和平號空間站上試驗過，后來NASA的起源號探測器也用類似的方式（但不是用的氣凝膠這種材質(zhì)）收集過太陽風(fēng)粒子。
星塵號捕獲塵埃的氣凝膠收集裝置 | NASA
2003年12月31日，星塵號進入彗星維爾德2號的彗發(fā)，成功“截胡”下了一點塵埃。
星塵號：只要我夠溫柔，塵埃就壓根意識不到被我截胡了！| NASA
2006年1月15日，星塵號的返回艙回到地球。
（左）星塵號返回艙著陸在美國空軍猶他測試訓(xùn)練場；（右）星塵號返回艙在猶他州邁克爾陸軍機場的臨時潔凈室中被打開，樣品收集裝置隨后被重新封裝運往休斯頓的約翰遜航天中心?| NASA
星塵號共帶回了約100萬顆塵埃顆粒，總計質(zhì)量約1毫克?[4]。
星塵號采集到的彗星塵埃顆粒示例 | NASA [4]
星塵號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，但星塵號為人類首次帶回了彗星塵埃的樣品，直到今天依然是獨一份。
歷經(jīng)坎坷的隼鳥號
2003年，JAXA的隼鳥號探測器發(fā)射升空，目標(biāo)是前往近地小行星絲川（Itokawa）展開探測并帶回樣品。
隼鳥號 | 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。
隼鳥號拍攝的小行星絲川 | JAXA
隼鳥號的旅程并不順利，還沒飛到目標(biāo)就已經(jīng)故障不斷，抵達小行星絲川后釋放著陸器和著陸采樣也沒能按預(yù)期進行，燃料泄露、滿身傷病，甚至長期陷入失聯(lián)和瀕死狀態(tài)…但它還是頑強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場回收隼鳥號返回艙 | JAXA
對于這類直徑不足1公里的小型小行星，采集樣品又有新的難題。絕大多數(shù)小行星自己不會噴發(fā)“土特產(chǎn)”，不允許探測器像星塵號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，前往小行星的探測器相比于月球和火星探測器也通常輕小得多，不具備在小行星上著陸再起飛的條件。
隼鳥號首次嘗試了“接觸即離開”（Touch and Go）的方式：探測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，然后蜻蜓點水一般點火起飛離開。
一旦探測器檢測到底部長長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)過多次反射探測器所收集。
隼鳥號的采樣桿接觸小行星表面示意和隼鳥號設(shè)計的小行星采樣方式 | JAXA [5]
盡管隼鳥號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可，被后來的JAXA隼鳥2號和NASA的冥王號探測器所沿用。而且幸運的是，隼鳥號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)價值?。?/span>
隼鳥號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15個亞微米級直徑的撞擊坑 |?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號和冥王號
而在星塵號和隼鳥號這兩次小天體采樣的經(jīng)驗之下，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號和冥王號（奧斯里斯號，OSIRIS-REx）橫空出世。
隼鳥2號（左）和冥王號（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，兩個探測器都非常順利，也都采回了遠多于上一次的樣品。
沿用了隼鳥號的鉭質(zhì)子彈采樣法，隼鳥2號在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場回收隼鳥2號樣品返回艙 | JAXA
隼鳥2號計劃采回100毫克小行星龍宮樣品，但按目前的“開箱”情況來看，實際采回的樣品遠超這個量級，而且可能采集到了小行星龍宮的氣體物質(zhì)。
隼鳥2號的兩次采樣樣品被分裝在了兩個艙室中，截止2020年12月15日，僅打開的A艙室中就已經(jīng)確認采到了大量龍宮顆粒物?| JAXA
另一邊，NASA的冥王號也已在2020年10月順利完成了樣品采集和封裝。在接觸采樣階段，冥王號選擇發(fā)射壓縮氮氣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。
冥王號采樣時采樣臂頭部工作示意圖 | NASA(動圖)
冥王號計劃采集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。
冥王號和隼鳥2號的探測日程?|?University of Arizona
更多太空采樣，未來可期
我國的首個小行星采樣和彗星探測任務(wù)也在緊密籌劃之中。它計劃2024年發(fā)射，環(huán)繞探測近地小行星2016HO3并采集樣品，然后送回地球。這顆小行星據(jù)估計直徑只有40-100米，這將是人類探測的個頭最小的小行星。
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
作為我國首個小天體探測任務(wù)，這次任務(wù)絕對可以算得上是目標(biāo)遠大。在完成對小行星2016HO3的近距離探測和采樣，把“土特產(chǎn)”快遞送回地球之后，它還會繼續(xù)前行，前往主帶彗星133P/Elst-Pizarro進行近距離探測。
2002年9月7日，位于Mauna Kea的夏威夷大學(xué)2.2米口徑望遠鏡拍攝的R波段（波長0.65微米）影像中觀測到的主帶彗星133P/Elst-Pizarro。圖幅0.5′ 1.5′，總有效曝光時間1.1小時 | 參考文獻?[6]
除了小行星采樣，火星采樣返回也在我國的深空探測規(guī)劃之中。另一邊，即將抵達火星的NASA的毅力號火星車，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）采樣返回的超時空接力，(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號的巨大成功之后，JAXA則打算繼續(xù)發(fā)揮小天體探測的經(jīng)驗和優(yōu)勢，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器前往更遙遠的地方，帶回更遠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?
[3] 隼鳥號
[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.