天问一号“拓展业务”揭秘珍稀“星际来客”

国际科学期刊《天体物理杂志快报》近日发表了中国火星探测器天问一号的最新研究成果：天问一号利用携带的高分辨率相机，成功对人类已知第三颗星际天体3I/ATLAS进行了多次成像，从火星轨道视角获取了星际彗星尘埃活动的独特信息。作为中国首次火星探测的成功范例，天问一号任务有哪些进展？“星际来客”3I/ATLAS又有何特别？研究星际天体将给未来深空探测任务找到什么关键线索？

3I是颗可能比太阳系还老的“脏雪球”

2025年7月1日，小行星撞地预警系统（ATLAS）智利站发现，在巨蛇座与人马座边界有一个暗淡光点正在穿行璀璨的银河。后续观测确认，这个光点是一颗小行星或彗星之类的小天体，它已越过木星轨道，朝着火星轨道内的太阳系中心区域飞来。其速度十分惊人，高达每秒61公里，甚至一度超过了每秒68公里。在与之相当的太阳距离上对比一下，火星的公转速度也只有每秒24公里左右。太阳引力无法束缚这颗小天体，这意味着它的速度不是太阳给的，其“故乡”一定在太阳系以外的星际空间。因此，这颗小天体被命名为3I/ATLAS，ATLAS指发现它的小行星撞地预警系统，I代表星际空间，3则表示这是目前已确认进入太阳系的第三颗星际天体。为了便于表述，下文中将其简称为3I。

随着天文观测的持续深入，3I显示出较为模糊的轮廓以及类似彗尾的结构，表明它是一颗彗星。彗星是含有冰、二氧化碳等挥发性物质的天体，就像“脏雪球”。当它接近太阳时，会受热挥发，把原本冻结的固体尘埃颗粒抛向空中，气体和尘埃围着彗星主体（彗核）形成烟雾状的彗发，并在太阳风的吹拂下产生背向太阳的彗尾。彗尾通常有两条：一条直而明亮，由电离的气体构成；另一条弯曲、发散而暗淡，由其抛撒出来的尘埃构成。

通过追溯3I的飞行轨迹，科学家认为，它很可能形成于银河系中心的古老恒星周围，年龄30亿年至110亿年，甚至可能比太阳系更古老。它是探索系外行星成分、演化及恒星历史的稀有样本，具有重要科学意义。

尽管3I是被小行星撞地预警系统发现的，但它并没有撞击地球的风险。据国际天文学联合会（IAU）公布的数据，2025年10月29日，3I离太阳最近时，仍比地球距离太阳要远36%，与地球隔着太阳遥遥相望。也就是说，它始终运行在地球轨道之外，没有撞击地球的风险。

也正因如此，3I的观测难度增加了。从地球上看，3I与太阳几乎同方向，白天无法观测。于是，科学家换了一个思路：3I抵达近日点之前会掠过火星，为何不让布置在火星周围的航天器试试呢？2025年10月初，3I近距离飞掠火星，对于天问一号来说，这无疑是一份额外奖励，同时也是对其深空探测能力的重大考验。中国科学家迅速制定观测计划，反复仿真推演，精心设计了关键成像策略。在3I飞掠火星期间，天问一号抓住机会，从绕火星轨道成功对其进行了3次成像观测。美国航空航天局的火星勘测轨道飞行器（MRO）、欧洲空间局的痕量气体轨道器（TGO）及前往木星途中的冰质木卫探测器（JUICE）也进行了观测，共同丰富了人类对这颗“星际来客”的认识。

在火星轨道上对彗星“立体透视”

此次天问一号关于3I的最新研究成果，由中国科学院国家天文台联合天问一号任务团队、中山大学、澳门科技大学、上海天文台、智利迭戈波塔莱斯大学等多家机构共同完成。那么，这一备受瞩目的发现到底有什么价值呢？

3I的运行轨迹与太阳系行星的轨道面有个明显的夹角。假如把太阳系比作大海，各大行星都在海面游动，那么3I就像跃出海面的一头鲸，在空中画条弧线后又潜入了水下。在远处看鲸，只能看到侧面剪影；而在鲸的下方抬头看，则能看到鲸的另一面。地球和火星的配合，正好帮人类完成了这次“立体透视”。

2025年9月30日至10月3日，天问一号利用高分辨率相机，从与3I轨道面呈35度至45度的视角，对它完成了3次高精度成像观测，共拍摄57幅照片。这些观测间隔紧凑，捕捉到了3I在不同方位的形态变化，从火星轨道视角获取了星际天体尘埃活动的独特信息，为全球科学家提供了宝贵的第一手观测数据。

第一次观测时，3I的彗尾呈较为宽阔的扇形结构；随着观测时间的推移和相对位置的变化，到第三次观测时，彗尾逐渐收拢，演变为弯曲而狭窄的形态。研究团队分析认为，这种显著的形态差异并非源于彗星自身的活动，而是由观测视角的变化引起。也就是说，从各视角看到的形态差异，能够构建彗星的三维轮廓与物质流动。进一步的图像分析显示，3I的彗发尘埃主要受太阳辐射压的支配，其尘埃颗粒的典型尺寸在数百微米量级（大约是头发丝粗细的几倍），远大于普通彗星常见的微米级尘埃颗粒。较大的颗粒意味着它们更难被光压加速，因此观测到的尘埃喷射速度相对温和，在每秒3米至10米之间，印证了较大颗粒难以加速的物理预期。

值得注意的是，此前国际上已有一些研究基于其他观测数据，在3I的彗发中探测到多条尘埃喷流结构，但天问一号的观测图像中并未发现任何喷流特征。这一结果提示：那些被认为是“喷流”的结构，可能是特定视角下的投影效应（好比从特定角度拍照，会让路灯看起来像是长在头顶一样）或图像处理过程中的人为增强。天问一号的观测结果提醒人们，对于形态复杂且快速变化的天体，单一视角的数据可能存在局限性，多视角交叉验证至关重要。

基于图像中的亮度信息，研究团队估算出3I的尘埃喷发速率平均约每秒1吨，在星际彗星中属于较高水平。与史上第二颗已知星际天体2I/Borisov（鲍里索夫彗星）相比，3I的彗核半径约1.3公里，是其3倍以上，尘埃喷发速率也高出鲍里索夫彗星3倍左右。彗核越大，可供物质升华的表面积越多，释放的尘埃也越多。这两颗星际彗星在尘埃粒径分布和喷射速度上的相似性，暗示着驱动尘埃活动的气体成分相近，很可能以水冰为主。这些发现不仅量化了3I的物理特性，也为理解星际彗星的形成环境和演化历史提供了重要线索。

大国重器的深空续航超预期

天问一号自发射至今已近6年。“天问”是中国行星探测任务的系列名称：天问一号探测火星，天问二号探测小行星与彗星，天问三号将开展火星取样返回，天问四号计划奔赴木星及天王星。

天问一号于2020年7月23日从文昌航天发射场升空，经过近5亿公里的漫长航行，于2021年2月10日成功实施火星捕获制动，成为我国第一颗人造火星卫星。同年5月15日，其携带的着陆巡视器在火星乌托邦平原南部预选着陆区平稳着陆；5月22日，祝融号火星车驶上火星表面，开启巡视探测。中国由此成为世界上第二个同时实现火星环绕、着陆和表面巡视的国家。

天问一号由环绕器、进入舱与祝融号火星车组成。其中，进入舱负责保护火星车穿越稀薄大气并实现软着陆，科学探测任务则由围绕火星飞行的环绕器与在火星表面漫游的祝融号火星车承担。祝融号身手灵活，在火星上走走停停，获得了不少现场勘测成果，是人气最高的“明星”；环绕器看似日复一日地绕着火星兜圈子，实则承担着最繁重、最多样化的任务：不仅要全程护送着陆巡视器抵达火星，还负责中继通信、全球遥感探测，并在完成核心任务后继续长期在轨运行。

环绕器搭载了7种科学载荷，包括中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪等。这些仪器共同构成了一套功能强大的火星探测平台，能够全方位扫描分析火星的地形地貌、土壤结构、矿物成分、大气电离层和空间环境。

其中，高分辨率相机是环绕器的关键载荷，也是此次执行3I观测任务的核心设备。它采用先进的离轴三反光学系统，在约265公里轨道高度上，全色模式分辨率可达0.5米，彩色分辨率约2米，能够清晰捕捉火星表面的细微地质构造和地貌变化。这台相机不仅为着陆区选址提供了关键高精度影像，还持续产出大量高质量数据，为火星科学研究与后续深空探测任务输送第一手资料。

进入火星轨道多年的天问一号状态良好，尽职地监测着火星的季节变化、沙尘活动和空间环境，为未来火星取样返回及载人探测等任务积累数据与经验。它还参与了国际合作，祝融号与欧洲空间局火星快车轨道器开展在轨中继通信试验，并利用高分辨率相机对火卫一成像，获得了这颗火星“月亮”的高清图像。作为中国目前唯一的在轨火星环绕平台，天问一号的价值远远超出预期。这一深空探测的大国重器，为后续更复杂的行星际任务奠定了坚实基础。

研究星际天体助力深空探测

从3I的命名可知，截至目前，人类真正确认的“星际来客”仅有3位。它们像偶尔敲响太阳系家门的稀客，每次出现都弥足珍贵。为什么研究它们如此重要？因为这些星际天体是来自其他恒星系统的“天然样本”，携带着母恒星系统形成时的原始信息，是任何天文望远镜都无法直接触及的遥远世界。

从第一位“星际来客”1I（奥陌陌）、2I（鲍里索夫）和如今的3I，科学家得以直接对比太阳系内天体与太阳系外天体的差异，探索其他行星系统的诞生过程、星际介质中的挥发物和有机成分，甚至能反推太阳系早期是否经历过类似的物质交换。这些罕见的“星际来客”如同漂流瓶，为人类打开了窥探行星系统多样性的窗口，也在为回答“我们在宇宙中是否孤独”的终极问题积累线索。

天问一号对3I的观测，是我国首次基于深空的星际天体成像研究，展现了中国深空探测器在行星际目标观测上的能力。它克服了目标小、亮度低、速度快等极端挑战，以高分辨率、独特视角填补了地面和近地观测的空白，为星际天体研究贡献了中国数据和中国方案。这些发现不仅丰富了对3I的认识，更为后续研究星际天体的起源、成分和动力学过程奠定了坚实基础。

作为天问一号的拓展任务，这次观测充分证明了环绕器的稳定性和灵活性，为即将抵达首站的天问二号小行星探测任务提供了宝贵的借鉴价值。天问一号与3I的邂逅，实现了科学和工程技术的双重收获，为中国深空探测的下一阶段注入了更强的信心。

（作者为中国科普作家协会会员）