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问题

除了嫦娥五号，还有哪些探测器从太空带回过「土特产」？

回答
嫦娥五号从月球带回的月壤，无疑是近年来最令人瞩目的太空“土特产”之一。但实际上，人类在探索宇宙的征程中，不止一次地实现了从天体表面采集样本并成功带回地球的壮举。这些来自遥远星球的“土特产”，每一份都承载着无尽的科学价值和人类的好奇心。

在嫦娥五号之前，我们对月球岩石的了解，很大程度上依赖于美国的阿波罗计划。从1969年到1972年，阿波罗计划共有六次载人登月任务，宇航员们在月球上进行了大量的科学探测活动，其中一项至关重要的任务就是采集月球岩石和土壤样本。尼尔·阿姆斯特朗在“宁静海”踏出的那一小步，不仅仅是人类的一大步，也标志着我们首次亲手触摸到月球的“皮肤”。随后的宇航员们，如奥尔德林、希尔、斯科特、沃登、杨、杜克，以及塞农、格纹、施密特，他们如同最精密的“地质勘探队”，利用特殊的工具，将重达数百公斤的月球样本，小心翼翼地带回了地球。这些宝贵的样本，涵盖了月球不同区域的岩石、土壤、月尘，甚至还包括了月球的“空气”——月球稀薄的大气层样本。它们为科学家们研究月球的起源、演化、地质构造提供了第一手资料，彻底改写了我们对月球的认识。

月球并非唯一被我们“光顾”过的天体。苏联的月球计划同样在采集月球样本方面取得了辉煌的成就。虽然没有载人登月，但其无人探测器却展现出了惊人的“抓取”能力。特别是“月球”系列探测器，它们通过精准的着陆和采样，将月球的“土特产”送回了地球。例如，“月球16号”于1970年成功从月球雨海地区采集了约101克的月壤样本，并安全返回。“月球20号”在1972年从月球阿波罗尼亚斯高地获得了约55克的月壤。“月球24号”更是于1976年从月球宁静海地区钻取了近170克的月壤样本，并且这批样本的钻取深度达到了惊人的1.6米，为研究月球下部结构提供了重要信息。这些苏联探测器带回的样本，虽然数量不及阿波罗计划，但它们证明了无人采样返回技术的可能性，为后来的探测器设计积累了宝贵的经验。

除了月球，我们还将目光投向了更遥远的星球。小行星，作为太阳系早期的“遗迹”，蕴藏着关于太阳系形成和演化的重要线索。日本的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器，堪称一次史诗般的壮举。它于2003年发射，历经多次技术挑战，于2005年登陆了小行星“糸川”。虽然首次尝试采样时遇到了技术问题，但“隼鸟号”不屈不挠，最终在2005年11月成功采集了小行星“糸川”的表面物质，并在2010年将这批珍贵的样本带回了地球。这些样本量虽然微乎其微，仅有零点零零几克，但它们却是人类首次从遥远的小行星上采集到的样本，让我们得以窥探小行星的成分和结构，以及它们在早期太阳系中的形成过程。

紧随其后，日本的“隼鸟2号”（Hayabusa2）探测器，更是将小行星采样的技术推向了新的高度。它于2014年发射，任务目标是探测和采集小行星“龙宫”（Ryugu）的样本。与“隼鸟号”不同，“隼鸟2号”进行了更精密的采样，它不仅采集了表层土壤，还通过撞击装置制造了人造陨石坑，并从坑底采集了“深层”样本。在2020年，它成功将这些来自“龙宫”的样本带回了地球。这些样本量虽然不大，但它们包含着来自小行星内部的物质，为科学家研究小行星的形成、成分，以及生命起源的关键有机物提供了前所未有的机会。

无独有偶，美国的“OSIRISREx”探测器也在同期执行着一项类似的任务，目标是小行星“贝努”（Bennu）。该探测器于2016年发射，并在2020年成功从小行星“贝努”的表面采集了大量样本。这些样本同样被小心地封装在返回舱内，并于2023年成功带回了地球。对“贝努”样本的研究，有望揭示更多关于太阳系早期历史以及有机物在行星形成过程中的作用。

每一次从太空带回“土特产”的行动，都是人类智慧和勇气的结晶。从月球的尘埃到小行星的岩石，这些来自宇宙深处的礼物，不仅是科学研究的宝贵资源，更是激励我们不断探索未知、挑战极限的强大动力。它们让我们更深刻地理解我们所处的宇宙，也让我们更清楚地认识到，我们在这浩瀚星辰中的位置。

网友意见

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北京时间2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五号历时23天，顺利从月球挖土而归。

而就在11天前的12月6日清晨，日本JAXA的隼鸟2号探测器历经6年的跋涉，将来自小行星“龙宫”的样品送回了地球。

主动前往太空采回样品，在人类历史上还不多见。短短半个月里两份来自太空的“土特产”，这无疑是2020这个坎坷之年回馈人类智慧和坚韧的一份大礼。

除了带回星际尘埃和太阳风粒子，在人类短短六十多年的深空探测史上，迄今为止只完成过9次月球采样返回，1次彗星采样返回和2次小行星采样返回。每一次，都伴随着未知、艰险和挑战，每一次，都是载入史册的壮举。


先驱者阿波罗和月球号

1969年7月20日，NASA阿波罗11号登月舱带着两名宇航员——尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林——成功踏上月球正面的静海基地。（详情：50年前的今天，月球上的24个小时）

这不仅是人类首次载人登陆月球，也让月球成为了人类目前为止唯一亲身探测过的地外天体。

在总计2.5个小时的月面出舱活动时间里，两位宇航员完成了三次月面采样，共采集了21.6公斤月球岩石和土壤样本并带回地球。

如今的我们依然会惊叹，人类的第一次太空采样居然就有如此“高规格”，不仅真人出马，而且几十公斤地往回带货——直叫后来只采了几十克甚至几毫克的无人采样任务哭晕在厕所。

阿波罗11号第一次月球样本采集（Contingency Sample）▼

阿波罗11号第二次样本采集（Bulk sample）▼

阿波罗11号第三次样本采集（Documented Sample）▼


此后的阿波罗12、14、15、16、17号均成功实现了载人登月、月球岩石和土壤采样和返回，而且一次比一次采得多。


到了1972年的阿波罗17号就更加彪悍了，这次任务的宇航员们不仅在月面舱外活动了22个小时，采回了110.5公斤月球样品（均为史上之最），更夸张的是，这次任务是直接把活的地质学家送上了月球。

阿波罗17号的登月宇航员之一，哈里森·施密特，在成为NASA宇航员之前是根正苗红的地质学家，有地质学本硕博学位。地质学家的实地考察和采样，让阿波罗任务真正实现了哪里有科学价值挖哪里，把专业挖土做到了极致。事实上，哈里森·施密特也是登上月球的12名宇航员中唯一一名科学家。


除了采集样品，阿波罗载人任务还充分利用真人优势，在月球表面完成了包括地震实验、热流探测、重力仪和激光反射阵列安装等一系列直到今天都无法超越的月球实地探测。这个和本篇关系不大，就不多说了。

阿波罗11号登月一年后，姗姗来迟的苏联月球16号才于1970年9月20日着陆在月球正面的丰富海，并采集了101克月球样品带回。苏联的三次月球采样任务：月球16号、月球20号、月球24号均为无人采样返回，这也是嫦娥五号之前人类唯三的无人月球采样任务。

受限于火箭运力和返回方式（阿波罗返回时采用交会对接，而月球号则是上升器从月面起飞后直接返回），三次月球号任务采回的样品都只有几十到一百多克，相比于阿波罗任务实在不算多。

阿波罗和月球任务采回的样品被接下来四十多年里的行星科学家们孜孜不倦地钻研至今，帮助人们揭开了诸多月球谜题。但遗憾的是，随着阿波罗载人登月的成功，美苏太空竞赛迅速进入了尾声，月球采样热潮在鼎盛时期戛然而止——1976年苏联的月球24号任务之后，月球采样沉寂了整整44年。


重启月球采样的嫦娥五号

四十年后，让人类探测器重返月球的，是不断崛起的中国力量。

2013年，嫦娥三号成功着陆月球正面的雨海西北部，并释放月球车玉兔号。这是继美国的阿波罗号和苏联的月球号任务的37年之后，人类探测器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年，嫦娥四号更是实现了人类探测器首次踏上月球背面的壮举。

仅仅一年之后，破茧重生的长征五号火箭带着嫦娥五号挑战了更高难度——月球采样返回。

2020年11月24日凌晨出发，2020年12月17日凌晨返回，中国迄今为止最复杂的探月任务嫦娥五号，满分完成了前往月球-月面采样-月面起飞-月轨对接-返回地球等一系列复杂操作，实现了诸多中国深空探测史上的“第一次”。（详见：发射成功！时隔44年，嫦娥五号将为人类再次带回月球样品！和 嫦娥五号采回的“土特产”，可以用来研究些什么？）


嫦娥五号顺利着陆在月球正面风暴洋北部的吕姆克山（Mons Rümker）一带，采集到了至少2公斤月球样品。这是迄今为止的月球无人采样返回任务里采回的最多样品量，把第二名远远甩在了身后。

而在嫦娥五号之后，中国的嫦娥六号还会前往月球南极采样，抵达更多前辈探测器未曾到达过的月面，完成更多前辈探测器不曾完成过的壮举。


“捕捉”彗星的星尘号

相比于“近在咫尺”的月球，前往彗星和小行星的采样之路注定更加充满意外和艰险。但人类不曾停下探索未知的脚步。

1999年2月7日，NASA的星尘号探测器发射升空，它的目标之一，是采集彗星维尔德2号（81P/Wild）彗发中的尘埃以及星际尘埃样品并带回地球。

这是一颗公里级大小的彗星，每6.4年环绕太阳一周。相比于之后人类试图采样的几颗小天体，彗星维尔德2号算得上是庞然大物了。

尘埃那么小的东西要如何采集，更何况还是彗星的尘埃？尚无任何前辈经验可以照搬的星尘号只能极尽巧思，自力更生。

星尘号使用二氧化硅气凝胶（aerogel）材质制作了一个网球拍大小的收集装置，这种材质质地像海绵那样疏松多孔，99.8%的空间都被空气填充，因此密度极低，虽然是固体，却极其轻盈。当探测器从彗星彗发飞过时，星尘号就迎面展开这个收集装置，温柔无损地把被气凝胶拦住的尘埃收集起来。这种用气凝胶收集粒子的方式曾于1996-1997年间在和平号空间站上试验过，后来NASA的起源号探测器也用类似的方式（但不是用的气凝胶这种材质）收集过太阳风粒子。

2003年12月31日，星尘号进入彗星维尔德2号的彗发，成功“截胡”下了一点尘埃。

2006年1月15日，星尘号的返回舱回到地球。

星尘号共带回了约100万颗尘埃颗粒，总计质量约1毫克 [4]。

尽管带回的“土特产”不多，但星尘号为人类首次带回了彗星尘埃的样品，直到今天依然是独一份。


历经坎坷的隼鸟号

2003年，JAXA的隼鸟号探测器发射升空，目标是前往近地小行星丝川（Itokawa）展开探测并带回样品。


小行星丝川是一颗阿波罗型近地小行星，光谱成分分类属于S型（岩质），大小约535 米 × 294米 × 209米，每1.5年环绕太阳一周。


隼鸟号的旅程并不顺利，还没飞到目标就已经故障不断，抵达小行星丝川后释放着陆器和着陆采样也没能按预期进行，燃料泄露、满身伤病，甚至长期陷入失联和濒死状态…但它还是顽强克服了种种艰难和困境，在2010年6月奇迹般地将来自丝川的样品送回了地球。（详见：不死鸟传奇——“隼鸟”家族的小行星之旅（上））


对于这类直径不足1公里的小型小行星，采集样品又有新的难题。绝大多数小行星自己不会喷发“土特产”，不允许探测器像星尘号那样不接触表面就能完成采样；小天体自身的引力也太小，探测器很难稳稳当当地安全着陆而不反复弹跳；另一方面，前往小行星的探测器相比于月球和火星探测器也通常轻小得多，不具备在小行星上着陆再起飞的条件。

隼鸟号首次尝试了“接触即离开”（Touch and Go）的方式：探测器受控降落直到采样杆触碰到小天体表面，在接触的几秒钟里完成采样，然后蜻蜓点水一般点火起飞离开。

一旦探测器检测到底部长长的采样杆接触到了小行星表面，就即刻从采样杆中以300米/秒的速度发射出一枚钽质子弹，子弹撞出的碎屑被弹射入采样杆中，经过多次反射探测器所收集。


尽管隼鸟号的采样工作没能顺利开展，但这种“接触即离开”的采样方式本身还是得到了认可，被后来的JAXA隼鸟2号和NASA的冥王号探测器所沿用。而且幸运的是，隼鸟号返回舱里还是带回了一些采样过程中飞入的小行星尘埃颗粒。

隼鸟号共采回约1500颗尘埃样品，总质量不到1毫克。虽然重量不多，部分样品也存在被污染的可能性[5]，但依然为行星科学家们提供了许多来自小行星丝川的“一手”信息。（量多量少，都有科学价值！）

更重要的是，作为人类首次小行星采样的尝试，隼鸟号的“不死鸟”精神，至今仍在鼓舞着后人继续探索宇宙。


隼鸟2号和冥王号

而在星尘号和隼鸟号这两次小天体采样的经验之下，JAXA和NASA在十多年后相继再次开始了前往小天体采样的尝试，隼鸟2号和冥王号（奥斯里斯号，OSIRIS-REx）横空出世。

这一次，它们都瞄准了近地小行星小行星——同为C类（碳质）小行星的“龙宫”和“贝努”。

更令人欣慰的是，这一次，两个探测器都非常顺利，也都采回了远多于上一次的样品。

沿用了隼鸟号的钽质子弹采样法，隼鸟2号在2019年里完成了两次采样，分别采集了来自小行星龙宫表面和地下两种样品。（详见：隼鸟2号的2019年：大展身手，满载而归）

隼鸟2号计划采回100毫克小行星龙宫样品，但按目前的“开箱”情况来看，实际采回的样品远超这个量级，而且可能采集到了小行星龙宫的气体物质。


另一边，NASA的冥王号也已在2020年10月顺利完成了样品采集和封装。在接触采样阶段，冥王号选择发射压缩氮气来激起小行星表面物质，相比于“弹射子弹式”，这种“尘吸式”采样或可采集到更多样品。（详见：冥王大战不死鸟：NASA OSIRIS-REx完成首次小行星贝努采样！）

冥王号计划采集60克-2公斤小行星贝努的样品，如果一切顺利的话，它将于2021年3月启程，2023年9月24日将样品送回地球。（详见：样品泄漏？称重取消？冥王号还真是，计划赶不上变化呢…）


更多太空采样，未来可期

我国的首个小行星采样和彗星探测任务也在紧密筹划之中。它计划2024年发射，环绕探测近地小行星2016HO3并采集样品，然后送回地球。这颗小行星据估计直径只有40-100米，这将是人类探测的个头最小的小行星。（详见：我国的第一个小行星/彗星任务，已经给安排上了！）

作为我国首个小天体探测任务，这次任务绝对可以算得上是目标远大。在完成对小行星2016HO3的近距离探测和采样，把“土特产”快递送回地球之后，它还会继续前行，前往主带彗星133P/Elst-Pizarro进行近距离探测。

除了小行星采样，火星采样返回也在我国的深空探测规划之中。另一边，即将抵达火星的NASA的毅力号火星车，将在接下来的几年里开始火星采样和封装工作。只不过，这些样品在短期内还无法回到地球——要等到将来的火星返回任务来回收和带回。（详见：NASA毅力号启程奔赴火星，本届火星季圆满落幕）

在隼鸟2号的巨大成功之后，JAXA则打算继续发挥小天体探测的经验和优势，正在规划中的火卫一采样返回任务MMX（火星卫星探测任务），有望在2025年左右发射。

随着科技的发展，或许我们有生之年还能看到人类的探测器前往更遥远的地方，带回更远星球的样品也说不定呢。让我们拭目以待吧~

参考资料

[1] Image of the re-entry capsule fireball | hayabusa2.jaxa.jp/en/to

[2] curator.jsc.nasa.gov/lu

[3] iap.fr/vie_scientifique

[4] 星尘号 jpl.nasa.gov/news/press

curator.jsc.nasa.gov/st

sciencedirect.com/topic

stardust.jpl.nasa.gov/p

[5] 隼鸟号 curator.jsc.nasa.gov/ha

curator.jsc.nasa.gov/ha

[6] Hsieh, H. H., Jewitt, D. C., & Fernández, Y. R. (2004). The strange case of 133P/Elst-Pizarro: A comet among the asteroids. The Astronomical Journal, 127(5), 2997.


致谢：

本文感谢澳门科技发展基金（FDCT 0042/2018/A2）的支持


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