天文史上的今天 | 人类首次太阳风采样返回计划

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2001年8月8日，人类首个太阳风采样返回探测器“起源”号发射升空。

太阳，我们能对太阳的物质成分进行取样返回吗？

这周六，美国宇航局号称“Touch the Sun”（“触摸太阳”）的“帕克”太阳探测器就将升空了。关于太阳探测，能够像“帕克”探测器这么任性，直接飞到太阳日冕里去的，确实是前无古人，这也体现了探测器热控制方面以及材料学方面的技术进步。

“帕克”探测器要“触摸”太阳，那你有没有想过，我们能不能对太阳的物质进行直接取样？拿一点组成太阳的物质回来，然后在实验室进行研究？听上去天方夜谭？不，这件事17年前的今天就已经做过了。这就是“起源”（Genesis）探测计划，当然不是冲进太阳里去，而是对太阳风进行取样。”起源号“是人类首次对太阳风粒子的取样返回计划。

8月11日（周六）即将发射升空的“帕克”太阳探测器

来源：NASA

“起源号”任务徽标

来源：NASA

“起源号”是美国宇航局的一个取样返回探测器，但其取样的目标有些特殊：太阳风粒子。“太阳风”是太阳外层大气粒子向外抛射的一种形式，而这艘飞船将把采集到的这些”太阳粒子“带回地球进行研究。严格来说，这是美国宇航局自从“阿波罗”项目之后的第一个取样返回计划，也是首次从月球轨道之外进行取样。

“起源号”是由美国加州理工学院主导的一项探测计划，项目耗资大约2.64亿美金，于2001年8月8日从卡纳维拉尔角发射升空。其主要任务包括通过太阳风取样，精准测定太阳同位素组成，并大幅度提升对组成太阳各元素成分含量的测定；以及，就像当年阿波罗计划中保存了大量月球岩石样本供未来研究之用，这次任务希望能够获得一些太阳的样本，供未来研究之用。

太阳每时每刻都在向外抛射大量的粒子流，我们称之为“太阳风”

来源：NASA

2001年8月8日，“起源号”探测器发射升空

来源：NASA

科学家们非常渴望能够获得一些太阳的样本，因为有证据显示太阳外部大气的成分可能与早期太阳星云的成分之间存在某种联系。因此，如果能够弄清太阳外部大气的元素与同位素组成情况，将有助于我们了解太阳星云的相应情况。这些数据对于模拟早期太阳系以及行星体的形成将具有参考意义。

在升空之后，“起源号”最终会抵达地球-太阳之间的第一拉格朗日点（L1点）。当年12月3日开始，“起源号”打开采集器，开始收集太阳风粒子。整个收集过程持续850天，直到2004年4月1日才结束。随后飞船开始返回地球。

"起源号"探测器展开采集板的状态，可以看到小方格状的采集器，一共三块，返回舱的盖子处于打开状态

来源：NASA

NASA科学家展示太阳风粒子采集板

来源：NASA

在进行采集时，“起源号”搭载了几组不同的采集器，所有采集器均采用被动采集方式，即张开采集板并面朝太阳，拦截那些以超过200公里/秒的高速冲来的太阳风粒子，并使其嵌入采集板内被收集起来。在完成采集任务之后，采集板会被叠放进返回舱内密封起来，随后，飞船开始返回地球。整个样本采集和返回飞行都按计划进行。

由于这次任务采集的样本非常精细，因此返回舱使用降落伞降落到地面上的方式仍然可能导致样本损坏，于是科学家们设计了一种大胆的方案，那就是利用直升机和挂钩，在半空中实现拦截。

“起源号”探测器定点的日地第一拉格朗日点（L1），很多研究日地关系的探测器都会在这里定点

来源：NASA

“起源号”探测器飞行轨道示意图，可见它围绕L1点运行

来源：NASA

按照计划，当返回舱进入地球大气层之后，在距离地面大约33公里的高度上，减速伞将会自动开启，随后到距离地面6.7公里的高度时，主伞将打开，进一步降低下降速度。此时两架直升机将携带一个长达5米的绳索挂钩尝试在半空中勾住降落伞。

但实际情况还是出了一些偏差：2004年9月8日国际协调时16：55左右，“起源号”的返回舱在美国俄勒冈州上空冲入地球大气层，速度高达每秒11.04公里。由于减速检测仪的设计缺陷，返回舱的降落伞根本就没有打开！整个返回舱完全就是靠自身的空气摩擦力在减速。既然降落伞都没打开，空中直升机回收自然也就无法进行，整个返回舱重重地摔在了美国西部犹他州的荒原里，坠毁时速度高达每秒86米左右。

升空之前，研究组对降落伞空中回收方案进行了大量演练，但最后还是出了差错，没想到降落伞竟然就没打开，空中回收根本无法进行

来源：NASA

“起源号”返回舱坠毁前的一瞬间

来源：NASA

坠毁的返回舱，样本部分暴露

来源：NASA

剧烈的撞击让返回舱整个破碎开，部分样本采集器也出现了破损。好在，可能由于地面是一片泥地，具有一定弹性，否则样本损坏会更严重。

初步分析显示，一部分采集器受到了损坏，但大部分仍然保持完好。有沙粒和尘埃进入返回舱，但太阳风粒子会在高速冲击下嵌入采集材料内部，而尘埃沙粒一般更多附着在表面，因而可以将地球物质和样本颗粒区分开来。因此，即便发生了如此研制的额意外，项目组仍然达到了大部分的科学目标。

“起源号”项目首席科学家唐纳德·巴内特（Donald Burnett）正在分拣有用的样本颗粒

来源：NASA

除了一部分拿出来进行分析之外，“起源号”采集的另外一部分太阳风粒子样本现在和阿波罗计划期间带回的月球岩石样本一样，被存放在美国宇航局约翰逊航天中心的样本库内，等待未来分析技术的进一步发展。

编者按：

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