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隼鸟2号：“龙宫”造访者 | 科学世界·星际征途

2026-02-27 16:55

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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碳质小行星富含太阳系中最原始的碳质矿物和有机物，是研究地球生命起源物质的重要窗口。日本航天局（JAXA）开展的隼鸟2号任务首次从碳质小行星成功采样返回，为揭示生命起源提供了宝贵线索。

本期《星际征途》聚焦隼鸟2号任务，特邀美国行星科学研究所邹小端研究员撰文。邹小端长期从事月球及小天体的研究，曾参与多项美国航天局（NASA）与JAXA的小行星探测任务。

专栏主持人：李荐扬

隼鸟2号是日本JAXA主导的第二次小行星采样任务（图片来源:JAXA）

对太阳系的探索一直致力于回答一些深邃而根本的问题：地球生命究竟源自何处？太阳系是如何诞生和演化的？为了寻找这些答案，人类早已将目光投向了那些保持原始状态的小天体，如彗星和小行星。这些原始天体犹如时间胶囊，保存了太阳系诞生之初的宝贵信息。

而谈到探索小天体的历史，日本航天事业可谓独具特色，并且由来已久。这段故事要从1985年的哈雷彗星回归说起。当时，日本航天局（JAXA）成功发射了两颗行星际探测器——先驱者号（Sakigake）和彗星号（Suisei），成为继欧洲、苏联之后，全球少数成功进行彗星探测的国家之一。这次成功不仅标志着日本在深空探测领域的首次亮相，也开启了日本对小天体长期、深入探索的序幕。

进入21世纪后，JAXA更加专注于小行星的科学探索。2003年，JAXA成功发射了世界上第一个小行星采样返回探测器隼鸟号（Hayabusa），探索了小行星丝川（Itokawa）。隼鸟号的旅程其实并不顺利，途中发生了各种故障，进行了惊险的抢救。虽然困难重重，但最终于2010年成功返回地球，并带回珍贵样品（约1500颗微小尘粒，总量不到1毫克）。这段激励人心的经历，为全球的小行星探测树立了典范，也为隼鸟2号计划赢得了广泛支持，成为后续任务的重要基础。

在隼鸟号任务经验积累的基础上，JAXA进一步启动了隼鸟2号（Hayabusa2）任务，目标是更为神秘的C型小行星龙宫（Ryugu）。这个任务和美国航天局（NASA）的冥王号（OSIRIS-REx）小行星采样任务并驾齐驱并展开合作。后者以小行星贝努（Bennu）为目标。两个任务各具技术特色，都旨在更深入地揭开太阳系和地球生命的起源之谜。

龙宫小行星和丝川小行星的轨道位置对比（图片来源:JAXA）

✦ 揭示太阳系与生命起源之谜 ✦

隼鸟2号任务希望回答一个简单而又深奥的问题：地球上最初的水和生命起源所需的有机物，源自何处？

地球海洋的水以及构建原始生命的有机物，被认为早在约46亿年前太阳系诞生时，就已存在于星际气体中。而小行星龙宫正好是个理想的研究对象，因为它属于C型（碳质）小行星，这个类型的小行星可能很好地保留了太阳系刚形成时的原始状态或形成时期的“记忆”。这意味着龙宫上可能带着太阳系早期的珍贵记录，蕴藏着有机物和含水矿物。科学家期望通过对这颗小行星的科学观测和采样返回，获取关于太阳系、地球与生命起源和演化过程的重要线索。

隼鸟2号拍摄的龙宫小行星

小行星龙宫（162173 Ryugu）直径约900米，形状像个旋转陀螺，表面布满碎石和巨岩。其中一个明显的地貌特征是一块大岩石，名为“乙姬岩”（Otohime Saxum），是一块直径160米的巨石，位于龙宫南极附近。它坐落在一条几乎完全环绕小行星的深沟内。

隼鸟2号的任务不仅包括科学观测和样本采集，还利用撞击装置在小行星表面人工制造撞击坑，从而采集小行星内部样本。这是一次前所未有的挑战，JAXA希望借此建立未来深空探测所需的先进技术。

任务的科学目标

·深入揭示地球、海洋及原始生命前体分子的起源；

·探索太阳系早期物质的演化过程，重点研究水、矿物质与有机物之间的相互作用；

·研究小行星的形成机制，包括材料聚集、内部结构与表面演化过程；

·获取暴露于空间风化与未暴露样本，分析其成分差异，重建C型小行星的演化历程。

·隼鸟2号任务不仅验证了上述先进技术的有效性和可靠性，还显著推动了未来深空探测任务的技术发展，为后续对更遥远小天体的探测任务积累了宝贵经验。

任务的工程目标

·建立稳定可靠的深空样本返回技术。隼鸟2号继承并优化了前一代隼鸟号的采样返回技术，实现了更精准可靠的样本采集。任务期间，探测器在小行星龙宫表面两次成功采集样本，其中包括一次从人工撞击坑内部采集的地下原始物质样本，最终成功将5.4克样本安全返回地球，大幅超出原计划0.1克的目标。这标志着日本在深空采样返回技术上取得了重大进步。

·展示人工撞击装置形成撞击坑的能力。隼鸟2号搭载的“小型携带式撞击装置”（SCI）首次实现了在小行星表面制造人工撞击坑的实验。SCI以高速撞击小行星表面，制造了一个直径约17.6米、深约3米的撞击坑。这次撞击成功暴露了未被太阳风和太空辐射影响的地下物质，为采集更加原始的样本提供了机会，也极大推动了人类对小行星的内部结构和形成机制的理解。

·推进自动化导航、着陆与采样的技术集成。隼鸟2号广泛运用自主导航与控制系统，这些系统能自主分析小行星表面的地貌、自动调整飞行轨迹，选择合适的着陆地点，并安全完成样本采集。探测器依靠光学导航相机（ONC）和激光高度计（LIDAR）精确测量距离与高度，成功实施了多次精确的着陆采样行动。整个过程展现出高度的自动化与精准控制能力，显著降低了地面干预的需求，提高了任务成功率。

·检验太阳能帆板姿态控制与离子推进等先进系统。隼鸟2号使用了高效的离子推进器（μ10离子发动机），在长期飞行过程中产生稳定的微小推力，节省了大量燃料，使探测器得以精确控制轨道，顺利抵达目标小行星。此外，太阳能帆板高效提供能源并支持姿态控制系统运行，确保了整个探测任务期间电力充足、姿态稳定。

小行星主要类型

·C型（碳质，carbonaceous）小行星，是太阳系中最常见的一类小行星，它们的表面覆盖着大量暗色物质，因此反照率很低，外观昏暗。这类小行星主要分布在主小行星带的外部，数量约占已知小行星的四分之三。它们的成分非常原始，富含水合矿物、有机分子和碳，可能保存了太阳系形成初期的物质。由于这些特点，C型小行星被认为是研究太阳系起源、地球上水的来源和生命有机成分来源的重要对象。

·S型（石质，silicaceous）小行星，富含硅酸盐矿物，如橄榄石和辉石，较为明亮，反照率较高。占比大约为17%，主要集中在主小行星带的内侧。代表性小行星：丝川（25143 Itokawa）。

·M型（金属，metallic）小行星，以金属（铁、镍）为主，表面较为光滑，反照率适中。可能来自于古老天体的金属核心，数量较少。代表性小行星：灵神星（16 Psyche）。

·V型（玄武岩质，vestoid）小行星，由火山活动形成的玄武岩为主要构成，具有火成岩特征。源自古代大型碰撞事件，主要聚集在灶神星（4 Vesta）附近的区域。代表性小行星：灶神星。

此外，还有一些较小规模的分类，如D型（黑暗红色小行星，富含有机物）、P型（低反照率的黑暗天体）、E型（高反照率的镁橄榄石类）等。

在以上类型中，C型最为常见，占比约75%；S型次之；其他类型比例较低，但各具特色，有助于科学家理解太阳系多样的形成历史与物质组成。

✦ 兼具冒险和工匠精神的探测器任务 ✦

比起欧洲空间局（ESA）和NASA，日本小行星探测的总经费相对较少，但其航天任务却展现了少而精的极致工匠精神。JAXA成功通过隼鸟2号进一步发展了日本独有的宇宙探测技术。隼鸟号挑战了许多“世界首次”的任务，而隼鸟2号在此基础上，致力于让小行星探测技术更加可靠，同时也挑战了许多新技术，比如人工制造撞击坑、深空高速通信和新型观测设备等。

隼鸟2号继承了前作的基本结构，探测器主体尺寸约1米×1.6米×1.25米，质量约609千克，展开后的太阳能帆板宽达6米。系统由推进系统、采样系统、通信与电源系统、探测仪器等构成，设计引入了众多新技术和改进。

探测器配备了先进的仪器设备

·光学导航相机（ONC-T）：用于精确导航和地表的高分辨率成像，使探测器能够安全靠近并精确降落在小行星表面。

·近红外光谱仪（NIRS3）：通过分析反射太阳光的光谱特征，识别小行星表面的矿物组成及含水矿物分布，帮助判断龙宫是否保存了太阳系早期的水和有机物质。

·热红外相机（TIR）：测量表面温度变化，提供龙宫表面的热特性信息，从而判断小行星物质的物理特征与粒度。

·激光高度计（LIDAR）：发射激光脉冲测距，精确获得小行星表面的地形和高度信息，为安全降落和采样提供支持。

·小型携带式撞击装置（SCI）：首次被用于在小行星表面制造人工撞击坑，暴露地下未受太空风化影响的原始物质，帮助深入研究小行星内部结构和组成。

此外，隼鸟2号还搭载了用于近距离观测的小型探测装置，包括与德国和法国合作开发的着陆器MASCOT（吉祥物号）和日本自主研发的小型漫游器MINERVA-II（密涅瓦2号）。

MASCOT携带红外显微镜、磁力计、辐射计和广角相 MINERVA-II通过独特的蹦跳方式在弱引力环境下进行广泛移动和观测，成功记录了龙宫表面的详细地貌。

这些仪器不仅提升了任务的科学成果，还带来了丰富的任务发现与意外收获。例如，在撞击实验中，SCI装置创造了一个约17.6米宽、3米深的撞击坑，揭示了小行星表面松散的结构特征；两块特殊岩块（一块稳定不动，一块明显移动）更是说明了撞击力和重力对表面物质的主导作用。

隼鸟2号任务不仅延续了前作的成功经验，更在自主导航、精准采样和地下物质采集等技术领域取得了突破性创新，提高了深空探测技术的可靠性和科学探测的精度，成为人类探索太阳系及地球生命起源研究中的重要里程碑。

隼鸟2号任务时间线——52亿千米的往返快递

隼鸟2号于2014年12月3日从种子岛宇宙中心发射，到2020年12月6日样本舱降落在澳大利亚南部沙漠，完成了一场跨越52亿千米的深空旅程，成为世界上首个完成C型小行星地下样本返回的项目。

·2014年12月3日：从种子岛点火发射

·2015年12月：地球引力助推飞行

· 2018年6月：抵达小行星龙宫，在20千米高度测绘

·2018年9月：释放两台MINERVA-II-1漫游器，首次实地成像

·2018年10月：释放MASCOT着陆器

·2019年2月：第一次采样（采集地表物质）

·2019年4月：投放撞击装置（SCI），制造人工撞击坑，暴露出地下物质

·2019年7月：第二次采样（着陆采集暴露出的地下物质）

·2019年10月：释放MINERVA-II-2漫游器

·2019年11月：探测器离开龙宫

·2020年12月6日：隼鸟2号将5.4克珍贵的小行星样本带回地球

目前，探测器正在执行延长任务，飞往目标小行星1998 KY26（这颗小行星正式编号为98943 Torifune“鸟船”）。

SCI撞击试验实拍，静态画面展示了SCI撞击器在龙宫撞击坑中喷出的物质的演变过程。比例尺为25米。

SCI（小型携带式撞击器）是隼鸟2号用于制造人工撞击坑的装置。2019年4月5日，隼鸟2号释放SCI后迅速飞离，以避免碎片冲击。SCI内部的铜弹在太空中击发，产生高动能，撞向龙宫表面，成功形成一个撞击坑。撞击发生时，隼鸟2号也部署了一台小型相机（DCAM3）进行实时拍摄。从拍摄图像中可以看到，撞击瞬间扬起大量尘埃，形成清晰的羽状喷发。这是人类首次在小行星上拍摄到受控撞击的全过程，为研究小行星内部结构和撞击动力学提供了宝贵数据。

隼鸟2号共进行了两次“touchdown”着陆采样，分别在2019年2月和7月，目标是采集表面和地下物质。第一次着陆在表面平坦区域，隼鸟2号利用金属弹击打地面，扬起碎屑，再通过采样口吸入样本。第二次着陆则在SCI撞击坑附近，采集新暴露的地下物质。这是首次在小行星上成功获取地下样本。整个着陆过程由自动导航系统控制，避开障碍物，着陆时间仅几秒钟。左图：一个内部填充炸药的锥形结构。爆炸后，称为“衬块”（liner）的铜质弹丸会被高速推出。右图：衬块以约2千米/秒的速度飞向小行星表面。它重2千克，用纯铜制成，便于与小行星原有物质区分（图片来源:JAXA）

隼鸟2号在小行星龙宫表面投下影子，完成了这张“合影自拍”。这种特殊的合影方式在小行星探测中其实很有科学价值，因为从光度学研究的角度，这种影像数据可以提供宝贵的参数，用来描述天体表面的物理特征。（图片来源:JAXA）

隼鸟2号携带的复杂的漫游器系统 MINERVA-II是隼鸟2号搭载的一组小型漫游器，用于在小行星龙宫表面移动并进行近距离观测。MINERVA-II-1包含两个小型漫游机器人（漫游器1A和1B），于2018年9月成功部署，它们能依靠跳跃在低重力环境中移动，拍摄图像并测量温度。MINERVA-II-2则在2019年释放，任务部分成功。MINERVA-II系统是世界首次实现小行星表面移动观测的机器人，为研究小行星表面物理性质提供了重要数据。（图片来源:JAXA）

漫游器为什么要“跳跃”前进？

小行星引力非常弱，龙宫表面的引力只有地球的十万分之一左右。用轮子或履带行驶时，一加速就可能把整台机器抖进太空，控制难、风险高。于是工程师们选择了弹跳式移动，让漫游器在每次落地后再蓄力起跳，既省能量又安全。

MINERVA-II每台“跳跳机器人”直径18厘米、高7厘米、质量约1.1千克。采用“内飞轮＋刹车＋转台”三合一机构，无需弹簧或火工装置，结构简单、可多次复用。

跳跃时，电动机先把飞轮（力矩器）加速到高转速，然后急停制动（瞬间刹车），反作用力就会把整机“踢”离地面。第二台电机可旋转飞轮组件转台，决定起跳方向，实现“指哪跳哪”。

跳跃方式规避了轮式/履带式在微引力下易失控的问题，同时可轻松跨越岩块和沟槽，提高了科考覆盖率。控制算法确保起跳速度远低于龙宫约0.38米/秒的逃逸速度，既能跳得远，又不会飞走。这套设计为未来在微引力小天体上开展移动探测提供了一个成熟范例，也让隼鸟2号团队首次获得了连续、多点、近距的表面数据。

实验与遥测数据显示，单次可跳跃约15米（水平距离），滞空时间最长可达约15分钟。在小行星的微引力环境下，漫游器“轻功”不凡。

漫游器1A（上）和1B（下）探索龙宫表面的艺术效果图（图片来源:JAXA）

漫游器1A（上）和1B（下）探索龙宫表面的艺术效果图（图片来源:JAXA）

着陆器释放时刻。释放过程需要极高的精准控制，因为龙宫的引力极低。2018年9月21日，MINERVA-II-1的两个小漫游器成功从隼鸟2号低速释放，以跳跃方式在小行星表面移动并拍照。10月3日，隼鸟2号释放由德法合作开发的MASCOT着陆器（照片上部的盒状物体），它自由落体降落后翻转至稳定姿态，展开短时间科学观测。2019年7月，MINERVA-II-2也被释放，尽管运作不如预期，但仍传回部分数据。所有释放都在隼鸟2号悬停于小行星上方数十米时进行，并通过精确的时机与姿态控制，确保着陆器安全接触地面。（图片来源:JAXA）

隼鸟2号部署的MINERVA-II-1漫游器从龙宫表面发回了这张照片（图片来源:JAXA）

隼鸟2号近小行星操作与技术亮点

μ10离子推进器：小推力、长航程的“耐力引擎”。隼鸟2号搭载4台μ10离子发动机，以氙气为工作介质，单台推力仅数毫牛，却能连续运转数万小时，累计提供约2千米/秒的速度增量。正是这股“细水长流”式推力，让探测器从地球飞往龙宫，再安全返航，同时还为后续延长任务预留了燃料富裕度。

SCI撞击装置：“炸”出第一座小行星人造坑。SCI（Small Carry?on Impactor）通过炸药把2千克纯铜衬块以约2千米/秒的速度射向龙宫表面，打出撞击坑。这一大胆实验首度在深空暴露出小行星地下原始物质，并验证了探测器在高危操作中的自动规避与再会合能力。

DCAM3分离相机：飞临“爆心”，“定格”喷发。DCAM3是一颗仅手球大小的独立相机，内置电池与无线链路。它在撞击前被抛出，在数十米外记录了羽流喷发的全过程，为撞击坑尺寸反演和动力学建模提供了珍贵视频，也展示了分布式成像的低成本解决方案。

三室样本容器：把“挥发分”也带回家。返回舱内的3间独立容器对应3次采样（实际完成2次采样），每次采样后即时旋转锁闭并注入氮气，最大限度抑制水和有机挥发物损失。其中一室还设计有气体捕获网，以便在地面分析极微量挥发性成分，实现从固体到气体的全谱样本保存。

Ka波段深空通信：小天体也能“高清直播”。为提高3亿千米外的数据回传效率，隼鸟2号采用32?GHz Ka波段高增益天线，峰值速率达数十kbps，是前代X波段系统的数倍。得益于此，撞击影像等大体量数据得以及时下传，显著提升了任务的数据带宽与实时性。

✦ 任务趣事与意外收获 ✦

隼鸟2号任务过程并非枯燥乏味，而是充满了各种有趣和意外的经历。例如，小型漫游器MINERVA-II在小行星极弱的引力环境下“蹦跳式”移动，每次跳跃都可能悬浮十几分钟，甚至跳出ONC-T相机视野；而MASCOT着陆器在落地后曾因翻滚陷入无法工作的朝向，团队紧急远程指令使其完成了“最后一跳”，成功自救。

此外，在进行SCI撞击实验时，为了保护主探测器免受撞击碎片影响，隼鸟2号甚至巧妙地躲到了小行星背后，这一过程被戏称为太空中的“躲猫猫”。最终，返回地球的样本量也远超预期，更带给科学家们意外之喜，也印证了任务设计和技术实施的高度可靠性。

对隼鸟2号任务带回的样本的初步分析表明，小行星龙宫含有丰富的有机物、氨基酸和含水矿物。这些发现为研究地球生命和水的起源提供了宝贵证据。

此外，科学家发现龙宫的小行星结构松散，属于典型的碎块堆积体，表层由细粒材料组成，且具有很低的热惯量，这些特征对研究小行星的形成和演化过程至关重要。

值得一提的是，JAXA还和NASA进行了龙宫和贝努小行星的样品交换，扩大了研究参与度和样品分析的深度。

近距离的小行星表面构造

龙宫小行星是一颗典型的“碎石堆”（rubble pile）结构小行星，这类小天体结构相对松散，比较“蓬松”。这种结构也增加了任务的风险。

龙宫表面还分布着许多陨击坑，其中最大的一个名为“浦岛坑”（Urashimacrater，右图中间偏上），直径约290米。地形起伏不大，但岩块密集分布，缺乏均匀的沉积层，显示其形成过程经历了剧烈的破碎与再聚集。

近距离的小行星表面构造

龙宫的反照率极低，仅约0.02，说明其物质非常暗（如果把它放在我们眼前，就会像一坨黑煤球），属于C型小行星，富含碳和水合矿物。

龙宫的热惯量很低意味着什么？

热惯量（thermal inertia）描述的是某种材料“抵抗温度变化”的能力。它由热导率k、密度ρ和比热容c决定，常用公式I=√(kρc)来表达。数值越大，说明物体在白天越不容易被晒热、夜晚也越不容易散热；数值越小，则升温和降温都越快。

低热惯量表明热导率小、密度低——龙宫表层多为毫米级甚至更细的松散尘粒，像“太空浮土”。稀疏堆积的碎块内部几乎是真空，加上颗粒接触面小，热量难以在颗粒之间传递。这样的“蓬松沙堆”意味着龙宫可能是一次撞击后碎块重新聚合的产物。

低热惯量也帮助解释了为什么龙宫的整体密度偏低和形状呈“菱形陀螺”——自转与弱引力下，松散物质向赤道迁移。

对探测器来说，低热惯量提示昼夜温差极大，需要在温控、着陆硬度与采样力度上做特殊设计。

2020年12月6日，隼鸟2号的样品返回舱成功在澳大利亚南部的伍默拉沙漠着陆。舱体在再入地球大气层时包裹着防热罩，之后降落伞自动打开，确保安全着陆。JAXA团队迅速在现场定位并回收了返回舱。（图片来源:JAXA）

隼鸟2号带回的样品由JAXA在地球上的“样品分析室”（ISAS内的洁净实验室）中进行开罐和处理。开罐装置在超洁净、充满氮气的环境中操作，以防止地球空气污染样品。样品舱由三个独立的室组成，对应不同采样事件，包括表面和地下物质。科学家利用专用机械臂和分析设备，分批取出样品颗粒，并进行称重、分类和初步成分分析。部分样品留作长期保存，另一些则分发给国际研究团队。这一系统确保了对珍贵龙宫样本的安全、高效和无污染处理。（图片来源:JAXA）

✦ 隼鸟2号的科学发现——为“水与生命”寻找线索 ✦

隼鸟2号带回的5.4克样本经过全球300余位研究者多轮密集研究分析，揭开了龙宫的多重秘密。

水的证据——氘/氢比与“盐水矿物”

水含量：水含量约6%，高于任何已知陨石平均值。

同位素：水的氘/氢（D/H）比与地球海洋几乎一致，支持“部分地球水源自碳质小行星运送”的假说。

碳酸盐：样本中发现钠碳酸盐、氯化物与硫酸盐，提示其母体曾有高盐浓度碱性液态水遍布孔隙，结晶留下“盐霜”痕迹。

有机化学宝库——从氨基酸到RNA核苷碱基

在水热水解物中检测到13种蛋白和非蛋白氨基酸（Gly、Ala、β-Ala等）与多胺、多羧酸等分子，呈外消旋态，说明其并非由生物污染产生。

首次在小行星样本中检出RNA碱基尿嘧啶以及维生素B3（烟酸）和咪唑衍生物，表明构筑遗传分子的前体可在星际冰或小行星内部自然生成。

有机质呈高度原始的状态，芳香/脂肪比例与CI陨石（一种化学成分非常原始的碳质球粒陨石）相近，但保留更多易挥发官能团，为研究星际化学向行星化学的过渡提供了“干净”样本。

母体演化——碎块堆积体的外太阳系来历

矿物组成为蛇纹石+磁铁矿+碳酸盐的水热改性相，结合15%～30%内部孔隙率与约1.19克/厘米3的低密度，说明龙宫是一次碰撞破碎后再聚合的“松沙球”（rubble pile）。

氧同位素与铬同位素含量接近CI型陨石，说明其形成于“雪线”之外遥远而寒冷的区域，后被动力学机制（如某种引力作用等）迁移至近地轨道。

磁学与热释光数据表明母体最高加热温度<300℃，保留了早期太阳系（约45.6亿年前）的原貌。

对生命与行星科学的意义

隼鸟2号样本提供了目前最直接的证据：碳质小行星不仅可携带“地球海水级”（即同位素组成等与地球海水相似）水体，还蕴含生物大分子前体，二者可能在早期地球频繁撞击中共同播撒至地表，为生命萌芽提供原料。其“盐水-氨基酸”组合还暗示了类似过程可能在木星特洛伊小行星、彗星核等更多小天体发生，为广义上的“类地星球化学养分输送网络”提供了新视角。

龙宫的“水与有机宝库”证实，地球的海洋与生命萌芽的部分原料，很可能源自像它这样的C型小行星——隼鸟2号让这条“太空补给线”第一次被实物证据清晰地勾勒出来。

从长远看，隼鸟2号任务不仅成功验证了深空自动导航、精确采样和地下物质采集技术，为未来更复杂、更远距离的太空探索奠定了技术基础。同时，这一任务也推动了国际合作，树立了深空探测领域合作的新典范，为人类未来探索木星特洛伊群等遥远小天体提供了坚实的技术和经验储备。

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