“羅塞塔”近探彗星奧秘

□ 編譯 / 謝 懿

“羅塞塔”近探彗星奧秘

□ 編譯 / 謝 懿

羅塞塔探測(cè)器。版權(quán)：ESA/J. Huart。

關(guān)于“羅塞塔”

來自地球的一個(gè)使者已進(jìn)入了環(huán)繞67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星的軌道，在那里它將對(duì)彗星進(jìn)行有史以來最詳細(xì)的勘查。

2013年，天文學(xué)家和天文愛好者都熱切期待著國(guó)際光學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)彗星（又稱艾森彗星、C/2012 S1）的表演。這顆來自遙遠(yuǎn)奧爾特云的彗星在該年11月末從太陽附近經(jīng)過，理應(yīng)綻放出肉眼可見的耀眼光芒。然而，在距離太陽186萬千米時(shí)，它卻發(fā)生了瓦解。這引發(fā)了人們的失望情緒，同時(shí)也彰顯了科學(xué)家其實(shí)對(duì)這些太陽系中的流浪者仍所知甚少。

不過，這一切行將發(fā)生改變。2014年8月6日，歐洲空間局（ESA）的羅塞塔探測(cè)器進(jìn)入繞67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（以下簡(jiǎn)稱“67P”）的預(yù)定軌道。雖然“羅塞塔”并非是第一個(gè)造訪彗星的探測(cè)器——在過去30年里歐洲、美國(guó)、日本和蘇聯(lián)的探測(cè)器已訪問了7顆不同的彗星， 但它卻是所有探測(cè)器中第一個(gè)環(huán)繞彗星的。以前的任務(wù)都是在與目標(biāo)交會(huì)的幾天里拍攝彗星的快照。相比之下，在“羅塞塔”對(duì)67P為期17個(gè)月的軌道任務(wù)中，它將向我們呈現(xiàn)的則是一部令人驚嘆的全長(zhǎng)高清電影。

在“羅塞塔”開始環(huán)繞67P之前，對(duì)它的認(rèn)識(shí)很有限。早期的觀測(cè)顯示它具有奇特的啞鈴形，布滿了隕石坑和巨石。它的最大長(zhǎng)度為4千米，但在如此小的天體之上卻具有復(fù)雜多變的地貌。

探測(cè)67P的不只是“羅塞塔”。在它的一側(cè)還搭載著一個(gè)著陸器，被稱為“菲萊”，它會(huì)下降到該彗星的表面。2014年11月12日，經(jīng)過7個(gè)小時(shí)的下降，它成功軟著陸到了該彗星的表面，成為了第一個(gè)登陸彗星的人造探測(cè)器。通過軌道器和著陸器，科學(xué)家將勘測(cè)該彗星的整個(gè)核心，研究它的化學(xué)成分和礦物特性（包括“菲萊”從其表面和地下所采集的樣本），并分析從其表面所噴出的氣體和塵埃顆粒。由于“羅塞塔”將和67P一起從小行星帶運(yùn)動(dòng)到其近日點(diǎn)（最接近太陽的地方）及后續(xù)軌道位置，天文學(xué)家將能夠探測(cè)隨著太陽光照射的增強(qiáng)和減弱所造成的彗星變化。

但彗星并不是科學(xué)家心目中唯一關(guān)心的東西。這些原始的天體也是一個(gè)個(gè)的時(shí)間膠囊，因?yàn)樗鼈償y帶了大約46億年前太陽和行星形成時(shí)所遺留下來的物質(zhì)。對(duì)67P的觀測(cè)將有助于更好地了解太陽系的起源和演化以及彗星在向地球播種水和復(fù)雜有機(jī)分子中所扮演的角色。

為什么是67P？

當(dāng)然，幾乎所有的周期彗星都能滿足這些要求。那么是什么讓歐洲的科學(xué)家選擇67P作為“羅塞塔”的目標(biāo)呢？它最初甚至都不是ESA的首選目標(biāo)。一開始的設(shè)想是訪問一顆相對(duì)活躍的周期彗星，而且它的軌道要靠近地球繞太陽的公轉(zhuǎn)平面。后者更有利于探測(cè)器做軌道機(jī)動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間環(huán)繞并釋放著陸器。于是，這就需要在“羅塞塔”發(fā)射的軌道上尋找到一顆符合這些條件的彗星。

隨著2003年1月升空日子的逐漸臨近，ESA將目光集中到了46P/維爾塔寧彗星（以下簡(jiǎn)稱“46P”）身上。然而，在發(fā)射前一個(gè)月，一枚阿麗亞娜5型火箭發(fā)射失敗，這枚火箭與將要發(fā)射“羅塞塔”的火箭類似。ESA停飛了這一型號(hào)的火箭，直到工程師們查出了原因——主助推器存在冷卻劑泄漏，但這也關(guān)閉了飛往46P的發(fā)射窗口。

到“羅塞塔”準(zhǔn)備于2004年3月2日發(fā)射時(shí)，67P進(jìn)入了人們的視野。1969年9月，使用位于哈薩克斯坦阿拉木圖天體物理研究所的50厘米望遠(yuǎn)鏡所拍攝的照相底片，天文學(xué)家克林姆·丘留莫夫（Klim Churyumov）和斯維特拉娜·格拉西緬科（Svetlana Gerasimenko）發(fā)現(xiàn)了這顆彗星。奇怪的是，即使在當(dāng)時(shí)這顆彗星仍屈居次席——丘留莫夫是在格拉西緬科拍攝32P/科馬斯索拉彗星的底片上偶然發(fā)現(xiàn)它的。

67P屬于木星族彗星。天文學(xué)家認(rèn)為這些天體起源于海王星之外的大型冰質(zhì)天體帶——被稱為柯伊伯帶。在那里所發(fā)生的碰撞會(huì)產(chǎn)生較小的碎塊，而海王星的引力則會(huì)把它們中的一些送入內(nèi)太陽系。最終，木星的強(qiáng)大引力會(huì)將它們俘獲進(jìn)入短周期軌道。盡管過程曲折跌宕，但木星族彗星的內(nèi)部很可能保留有太陽系誕生時(shí)的原始材料。

對(duì)67P路徑的計(jì)算顯示，它曾經(jīng)和木星發(fā)生過數(shù)次交會(huì)。在過去的200年中，最近的一次交會(huì)出現(xiàn)在1959年2月4日，當(dāng)時(shí)兩者距離只有780萬千米。這次交會(huì)改變了67P的軌道并將其近日點(diǎn)距離削減了一半以上，到了約1.86億千米——進(jìn)入了“羅塞塔”可及的范圍之內(nèi)。

“羅塞塔”拍攝了67P的圖像并對(duì)其大小進(jìn)行了測(cè)量。版權(quán)：ESA/Rosetta/NAVCAM; Dimensions: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA。

羅塞塔探測(cè)器造訪彗星之旅的軌跡圖和時(shí)間線（底部）。版權(quán)：ESA。

漫長(zhǎng)而曲折的道路

雖然67P進(jìn)入了“羅塞塔”可及的范圍之內(nèi)，但是，“羅塞塔”仍需要幫助才能抵達(dá)這顆彗星。發(fā)射時(shí)重約3,000千克，其中有超過一半的燃料，阿麗亞娜5型火箭無法直接把它送往目的地。為此，它迂回64億千米，飛掠行星4次來獲得加速。

2005年3月4日、2007年11月13日和2009年11月13日，在從1,955千米到5,301千米的距離上，地球分別3次對(duì)其進(jìn)行了引力助推。2007年2月25日，“羅塞塔”從火星表面上方250千米處飛過，再次獲得助推。上述每一次的飛掠都給了任務(wù)科學(xué)家以機(jī)會(huì)來測(cè)試搭載的儀器設(shè)備，確保一切工作正常。

此外，它還飛掠了第2867號(hào)小行星施泰因斯和第21號(hào)小行星司琴星。飛掠施泰因斯的時(shí)間是2008年9月5日，兩者距離803千米，觀測(cè)顯示這顆主帶小行星的大小為6.7×5.8×4.5千米。它擁有許多大型的環(huán)形山，但小型的則相對(duì)較少，這可能是因?yàn)樯襟w滑坡填補(bǔ)所致。

2010年7月10日“羅塞塔”訪問了司琴星。這顆主帶小行星的大小是施泰因斯的近20倍，為121×101×75千米。從3,162千米遠(yuǎn)的距離上，“羅塞塔”拍攝的圖像顯示司琴星由年齡差異巨大的部分組成。其最古老的地區(qū)看上去至少有35億年，而最年輕的則可能只有幾百萬年的歷史。

在飛掠司琴星大約一年后，“羅塞塔”任務(wù)主管于2011年6月8日將其切換成了休眠狀態(tài)。“羅塞塔”靠太陽能電池板來產(chǎn)生其所需的所有電力；在這漫長(zhǎng)休眠期中，它運(yùn)動(dòng)的范圍遠(yuǎn)超出了此前任何由太陽能供電的探測(cè)器。在其軌道的最遠(yuǎn)端，“羅塞塔”飛到了木星之外，那里的太陽光強(qiáng)度下降到了不足地球軌道上的4%。

在31個(gè)月的時(shí)間里，“羅塞塔”把所需的功耗控制在了盡可能小的程度上。它中斷了與地球的所有通訊，只產(chǎn)生足夠的熱量來防止自身和儀器設(shè)備“凍僵”。它還為搭載的一個(gè)“鬧鐘”供給了少量電力，后者在2014年1月20日如期將這個(gè)彗星探險(xiǎn)家從沉睡中喚醒。

對(duì)準(zhǔn)彗星

然而，“羅塞塔”仍有很長(zhǎng)的路要走。在“鬧鐘”響起時(shí)，它距離67P約900萬千米。到2014年5月，這個(gè)數(shù)值已減小到了100萬千米，此時(shí)它開始了一系列的軌道機(jī)動(dòng)，以期更加靠近目標(biāo)。7月，67P開始逐漸在“羅塞塔”的相機(jī)中顯現(xiàn)出形狀，在其光學(xué)、分光和紅外遠(yuǎn)距離成像系統(tǒng)（OSIRIS）中其核心的寬度已經(jīng)超過了幾個(gè)像素。

67P與此前看到的任何彗星都不一樣，乍看之下它就像一只橡皮鴨子。雖然類似67P這樣的啞鈴形狀在彗星和小行星中似乎并不罕見，但這是天文學(xué)家第一次有機(jī)會(huì)如此近距離地來研究它。沒有人知道這些天體是如何形成的。一些科學(xué)家懷疑，它是由兩顆彗星——甚至具有明顯不同的成分——在低速碰撞中融合而成的。在太陽系形成時(shí)這些事件可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生，所以67P為我們打開一扇進(jìn)入了那個(gè)時(shí)代的窗戶。

或者，這一奇形怪狀可能是破壞而非融合的標(biāo)志。即便不是絕大多數(shù)，許多彗星似乎只是由弱引力所維系在一起的“碎石堆”。也許在與氣態(tài)巨行星的密近交會(huì)中，彗星會(huì)被拉伸成兩瓣，呈啞鈴形。第三個(gè)假說認(rèn)為，這樣的彗星可能一開始是球形的，但在多次過近日點(diǎn)的過程中隨著冰的升華逐漸變形。科學(xué)家希望“羅塞塔”能為67P形狀的起源提供堅(jiān)實(shí)的線索。

2014年10月28日“羅塞塔”的導(dǎo)航相機(jī)所拍攝的67P表面圖像。版權(quán)：ESA/Rosetta/NavCam。

十年輝煌

“菲萊”與“羅塞塔”分離。版權(quán)：ESA/ATG medialab。

從2014年5月開始，任務(wù)控制人員進(jìn)行了一系列共9次的推進(jìn)器點(diǎn)火，在8月6日把“羅塞塔”送到了67P的近旁 。在約100千米的距離上，“羅塞塔”推進(jìn)器再次點(diǎn)火，進(jìn)入了環(huán)繞軌道。不過，這一軌道并非呈通常的圓形或橢圓形，而是一個(gè)三角形。該彗星微小的質(zhì)量意味著它無法施加太大的引力，所以它需要進(jìn)行一系列的點(diǎn)火操作才能維持在軌道上。

在8月間，“羅塞塔”完成了兩條三角形軌道，前者的高度約100千米，后者的則為50千米。9月初，“羅塞塔”進(jìn)一步下降到了其勘測(cè)軌道并在那里運(yùn)轉(zhuǎn)4周。科學(xué)家們預(yù)計(jì)，在29千米的高度上67P才能俘獲住“羅塞塔”，此時(shí)它的軌道才會(huì)變成圓形。不過控制人員會(huì)把它的軌道放得更低，最終會(huì)定在距其表面19千米的地方。

在此期間，“羅塞塔”上的12臺(tái)精密儀器會(huì)對(duì)67P進(jìn)行詳細(xì)的探測(cè)。除了OSIRIS的廣角和窄角相機(jī)之外，分光儀、分析儀和其他設(shè)備還將探測(cè)該彗星的成分、溫度、氣體和灰塵的輸出以及它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

超鏈接：

“羅塞塔”和“菲萊”的由來

當(dāng)歐洲空間局（ESA）在給將造訪67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星的2個(gè)探測(cè)器起名的時(shí)候，他們把目光轉(zhuǎn)向了歷史。“羅塞塔”指的是羅塞塔石碑。它是古代埃及時(shí)期的一大塊火山玄武巖，目前陳列在倫敦大英博物館。在這塊石碑上用3種文字刻著公元前二世紀(jì)的法令，即古埃及象形文字、通俗體文字和古希臘文。

“菲萊”是尼羅河中的一個(gè)小島，在那里發(fā)現(xiàn)了含有希臘和象形文字銘文的方尖碑。19世紀(jì)20年代，該方尖碑被運(yùn)到了英國(guó)并保存至今。

這一方尖碑為破譯羅塞塔石碑的象形文字提供了最后的線索，后者則成為了了解古埃及文明的關(guān)鍵。以類似的方式，ESA希望“羅塞塔”和“菲萊”可以成為破解彗星之謎并更好認(rèn)識(shí)太陽系誕生的鑰匙。

著陸67P

“菲萊”下降到67P表面過程的示意圖。版權(quán)：ESA/ATG medialab。

前面所提及的這些任務(wù)只是“羅塞塔”從8月末到10月工作的一部分。在此期間同樣重要的是要為“菲萊”尋找5個(gè)潛在的著陸地點(diǎn)。自發(fā)射起，這個(gè)100千克的有效載荷就連接在“羅塞塔”的身邊，等待著機(jī)會(huì)的出現(xiàn)。如果一切順利，在ESA和著陸器科學(xué)團(tuán)隊(duì)選定了科學(xué)上有趣且又安全的地點(diǎn)之后，它就會(huì)出動(dòng)。

“羅塞塔”會(huì)以每秒1米的速度將“菲萊”下放到彗核上。當(dāng)它觸地時(shí)，著陸器將發(fā)射2枚魚叉，以固定自身的位置。但在實(shí)際的著陸過程中魚叉并沒有如期被射出。于是，在第一次觸地后，“菲萊”從67P的表面被反彈了起來，滯空近2小時(shí)。期間，以每秒38厘米的速度，運(yùn)動(dòng)了近1千米。之后，它又經(jīng)歷了一次小彈跳，以每秒3厘米的速度運(yùn)動(dòng)了近7分鐘。

在“菲萊”成功觸地67P后，其搭載的10臺(tái)儀器將會(huì)開始工作。兩個(gè)照相系統(tǒng)會(huì)拍攝其表面的全景和高分辨率圖像。（它們?cè)凇胺迫R”下降的過程中也會(huì)不斷地抓拍圖像。）其他的儀器將研究其表面和內(nèi)部的組成和性質(zhì)，另有一個(gè)鉆機(jī)會(huì)對(duì)其表面之下的物質(zhì)進(jìn)行采樣和分析。

科學(xué)家們預(yù)計(jì)“菲萊”在這一惡劣表面環(huán)境下至少可以生存幾個(gè)月。如果確實(shí)如此的話，它就可以從距離太陽4.5億千米到3億千米的地方一直追蹤該彗星的活動(dòng)。但“羅塞塔”的工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成。它會(huì)跟隨67P一起在2015年8月過近日點(diǎn)，那時(shí)太陽輻射會(huì)達(dá)到峰值，該彗星會(huì)噴射出大量的氣體和塵埃。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，“羅塞塔”將繼續(xù)工作到2015年底。

“羅塞塔”的項(xiàng)目科學(xué)家曾說，當(dāng)2014年8月6日它開始環(huán)繞彗星時(shí)，你可以把科學(xué)家們已經(jīng)完成的工作比作是在一個(gè)大城市中尋找一粒塵埃。然而，在不到一個(gè)月的時(shí)間，這粒塵埃已變成了一個(gè)獨(dú)立的世界。到明年的這個(gè)時(shí)候，67P應(yīng)該會(huì)成為整個(gè)太陽系中被研究得最深入的彗星。

“菲萊”著陸到67P表面。版權(quán)：ESA/ ATG medialab。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）