苦追十年——“羅塞塔”同彗星交會(huì)

□ 易林

編者按：8月6日,飛行了10年的歐洲空間局“羅塞塔”探測(cè)器與“丘留莫夫-格拉西緬科”（67P）彗星相遇，進(jìn)入彗星研究方面最為激動(dòng)人心的階段，期待“羅塞塔”這位率先與彗星“親密接觸”的使者為我們帶來的驚喜。另外，印度首個(gè)火星探測(cè)器“曼加里安”和美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)物演變”探測(cè)器即將進(jìn)入火星軌道，日本 將發(fā)射“隼鳥”-2小行星探測(cè)器。當(dāng)這些人類的使者與星星相遇后，會(huì)發(fā)生什么故事呢？

“經(jīng)過10年5個(gè)月又4天，繞太陽五圈、航行64億千米的長(zhǎng)途旅行，我們終于非常高興地宣布‘我們到了’。”歐空局局長(zhǎng)讓-雅克·多爾丹說。

北京時(shí)間8月6日，歐空局“羅塞塔”號(hào)彗星探測(cè)器抵達(dá)環(huán)繞目標(biāo)彗星——“丘留莫夫-格拉西緬科”（67P）的軌道，同該彗星實(shí)施了交會(huì)，成為首個(gè)繞彗星運(yùn)行的人造探測(cè)器。

作為歐空局的旗艦項(xiàng)目——“羅塞塔”號(hào)彗星探測(cè)器與“菲萊”著陸器，就像一名彗星獵手和它的獵犬，經(jīng)過十年遠(yuǎn)征，等到了它們狩獵生涯的高潮時(shí)刻。

“羅塞塔”到達(dá)了同該彗星相距100千米的位置，隨即開始發(fā)回圖像和數(shù)據(jù)。它將對(duì)該彗星進(jìn)行18個(gè)月的深入研究，還將于11月把“菲萊”著陸器投放到這顆彗星的表面上，這將是人類探測(cè)器第一次登陸彗星。

“羅塞塔”，我們到了

“今天的成就，是延續(xù)數(shù)十年的國(guó)際努力的結(jié)果?！睔W空局科學(xué)和機(jī)器人探索部門主任阿爾瓦羅·吉門內(nèi)茲說，“自從這項(xiàng)任務(wù)最早在上世紀(jì)70年代構(gòu)想、在1993年獲批以來，我們已經(jīng)走過了很長(zhǎng)的路，現(xiàn)在我們已經(jīng)準(zhǔn)備好開啟科學(xué)發(fā)現(xiàn)的寶藏，必將重寫未來幾十年關(guān)于彗星的教科書?！?/p>

據(jù)歐空局官方網(wǎng)站直播，北京時(shí)間8月6日下午，“羅塞塔”號(hào)終于來到與彗星交會(huì)的位置，軌道進(jìn)入的操作也自此開始。17時(shí)，“羅塞塔”上一個(gè)很小但極其關(guān)鍵的推進(jìn)器開始點(diǎn)火，持續(xù)6分26秒后按計(jì)劃結(jié)束，20多分鐘后，信號(hào)成功經(jīng)過地面確認(rèn)，17時(shí)29分，“羅塞塔”進(jìn)入環(huán)繞彗星軌道。

“羅塞塔”號(hào)于2004年3月2日發(fā)射升空。而它的孕育還得追溯到“哈雷”彗星探測(cè)潮?？茖W(xué)家從上世紀(jì) 70年代開始討論彗星探測(cè)項(xiàng)目。在 1986年“哈雷”彗星來臨時(shí)，世界各國(guó)派出了一群探測(cè)器去圍觀“哈雷”彗星，其中最重要的是歐空局非常成功的“喬托”號(hào)。在探測(cè)器傳回大量豐富有價(jià)值的科學(xué)資料后，明顯地需要增加更多探測(cè)器以了解復(fù)雜的彗星成分以及解決新增加的問題。于是，“羅塞塔”項(xiàng)目應(yīng)用而生。

探測(cè)器以羅塞塔石碑為命名，希望此任務(wù)能幫助解開行星形成前的太陽系的謎。登陸器以尼羅河中小島的名字“菲萊”命名，有一塊方尖碑在那里被發(fā)現(xiàn)且協(xié)助解讀羅塞塔石碑。

連同探測(cè)器和著陸器建造、發(fā)射和運(yùn)行在內(nèi)，“羅塞塔”項(xiàng)目耗資13億歐元（詳見本刊今年第6期）。為了與“丘留莫夫-格拉西緬科”會(huì)合，“羅塞塔”在 10 年里5 次飛過太陽附近，3次借助地球引力、1次借助火星引力來提速?；鹦歉浇枇︼w行被昵稱為“十億美元的賭博”。2007 年 2 月 25 日，“羅塞塔”安排了一次低高度通過火星，因?yàn)榈谝淮伟l(fā)射被拖延了一年而必須修正軌道。這并不是沒有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)轱w越高度只有 250 千米。當(dāng)時(shí)探測(cè)器處在火星的遠(yuǎn)端，有 15 分鐘無法接收到任何太陽光，必須靠電池供電，而且探測(cè)器進(jìn)入待命模式，不可能進(jìn)行通訊。

在2008年9月飛越2867號(hào)小行星和2010年7月飛越21號(hào)小行星后，“羅塞塔”于2011年6月進(jìn)入自旋穩(wěn)定的“休眠”模式，即除星上計(jì)算機(jī)和休眠加熱器繼續(xù)工作外，所有電子設(shè)備關(guān)閉。“休眠”可以使“羅塞塔”保存能源，但也是最為冒險(xiǎn)的階段。

“羅塞塔”訪問過的目標(biāo)

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羅塞塔石碑

羅塞塔石碑， 高1.14米，寬0.73米，制作于公元前196年，刻有古埃及國(guó)王托勒密五世登基的詔書。石碑上用希臘文字、古埃及文字和當(dāng)時(shí)的通俗體文字刻了同樣的內(nèi)容，這使得近代的考古學(xué)家得以有機(jī)會(huì)對(duì)照各語言版本的內(nèi)容后，解讀出已經(jīng)失傳千余年的埃及象形

文之意義與結(jié)構(gòu)，而成為今日研究古埃及歷史的重要里程碑。羅塞塔石碑最早是在1799年時(shí)由法軍上尉皮耶-佛罕索瓦·札維耶·布夏賀在一個(gè)埃及港灣城市羅塞塔發(fā)現(xiàn)，但在英法兩國(guó)的戰(zhàn)爭(zhēng)之中輾轉(zhuǎn)到英國(guó)手中，自1802年起保存于大英博物館中并公開展示。經(jīng)過創(chuàng)紀(jì)錄的957天的休眠，今年1月20日，“羅塞塔”被喚醒，為本次交會(huì)做準(zhǔn)備。

與“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星會(huì)合，“羅塞塔”進(jìn)入彗星軌道后圍繞該彗星轉(zhuǎn)動(dòng)，開始為期18個(gè)月的空中環(huán)繞觀測(cè)，繪制彗星地圖，分析懸浮物質(zhì)，記載相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)為“菲萊”選擇合適的著陸點(diǎn)。

長(zhǎng)得像鴨子的“楚留香”

“我們用了10年時(shí)間才到達(dá)這一步。現(xiàn)在我們要學(xué)習(xí)如何與彗星對(duì)接。”“羅塞塔”任務(wù)運(yùn)行主管西爾萬·羅迪歐如是說。在8月6日與彗星會(huì)合之后，“羅塞塔”號(hào)將陪同彗星一起不斷向太陽靠近，隨后推進(jìn)器還會(huì)有數(shù)次點(diǎn)火及熄滅。

被網(wǎng)友們戲稱為“楚留香”的“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星，誕生于約46億年前的太陽系形成初期，其大小為3千米×5千米，約每6.5年繞太陽運(yùn)行一圈，運(yùn)行軌道為橢圓形，遠(yuǎn)日點(diǎn)在木星以外，近日點(diǎn)在火星和地球之間。交會(huì)后，“羅塞塔”將繼續(xù)開展機(jī)動(dòng)，同該彗星的距離將逐漸縮短到只有10千米。其間，探測(cè)器上的11臺(tái)儀器將分析彗尾成分，并測(cè)繪彗星上的地形，為11月份投放的“菲萊”著陸器選定著陸點(diǎn)。

就像一個(gè)飛行著的“冰箱”，彗星儲(chǔ)存著最原始的物質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為，目前從地球能看到的彗星大部分來自太陽系邊緣的奧爾特云。那里的物質(zhì)歷經(jīng)數(shù)十億年未變，保持著太陽系形成初期的原始成分。研究這些彗星，有助于了解太陽系的原始化學(xué)組成與狀態(tài)。

除此之外，對(duì)“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的探測(cè)，還有望揭開地球生命誕生之謎。有科學(xué)家認(rèn)為，彗星中存在生命演化必備的有機(jī)物質(zhì)和水。地球形成之初，大量的彗星撞擊事件將水和有機(jī)物質(zhì)帶到地球，開啟了地球生命的演化之旅。但這些分子的結(jié)構(gòu)、含量仍不確定。登陸彗星有利于獲得進(jìn)一步的數(shù)據(jù)，證實(shí)它們的存在，并研究它們與地球生命的關(guān)系。

“羅塞塔”還在路上時(shí)就已經(jīng)逐漸揭示了“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的特性。今年4－6月，“羅塞塔”的光學(xué)與紅外相機(jī)拍攝的圖片顯示它的活動(dòng)狀況變化不定，它的彗發(fā)在6周的時(shí)間里變得非常明亮，然后又黯淡下去了。

同一時(shí)期內(nèi)，“羅塞塔”上的微波儀器也完成了首次測(cè)量，表明彗星正在以每秒300毫升的速度向太空中蒸發(fā)水分。與此同時(shí)，可見和紅外熱成像儀也測(cè)量了彗星的平均溫度——零下70℃，表明表面主要以暗色灰塵為主，而不是干凈的冰。

然后，“羅塞塔”在距離12000千米時(shí)，拍到了驚人的照片，表明這顆彗星的彗核實(shí)際上由兩部分組成，中間有一個(gè)“脖子”相連，看起來像一只鴨子。后續(xù)圖像給出了越來越多的細(xì)節(jié)——最新的高分辨率圖像不斷傳送回來。

“羅塞塔”取樣分析和測(cè)量“丘留莫夫—格拉西緬科”（67P）彗星成分

“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的彗核竟是由兩個(gè)連接在一起的部分組成

“第一批清晰的彗星圖給我們提出了很多問題。”歐空局“羅塞塔”項(xiàng)目科學(xué)家馬特·泰勒說?！斑@個(gè)兩段結(jié)構(gòu)，是兩顆不同的彗星在太陽系漫長(zhǎng)歷史里融合到一起了嗎？還是一顆彗星經(jīng)歷了戲劇性的不對(duì)稱長(zhǎng)年剝蝕？‘羅塞塔’正處于研究這一獨(dú)特天體的最好位置?！?/p>

8月6日，“羅塞塔”離彗星表面僅有100千米，但它會(huì)逐漸靠得更近。在接下來的6個(gè)星期里，它會(huì)在彗星前面描畫出兩道三角形軌跡，首先是在100千米距離，然后是在50千米距離。與此同時(shí)，更多的儀器將會(huì)更詳細(xì)地研究彗星，仔細(xì)檢查它的表面，尋找適合“菲萊”著陸器的落點(diǎn)。最后，“羅塞塔”將會(huì)選定一個(gè)近圓形的30千米貼近軌道，視彗星活動(dòng)狀況而定，可能還會(huì)靠得更近。

去吧，騎上那顆彗星

“抵達(dá)彗星只是一項(xiàng)更大的冒險(xiǎn)的開端。要了解如何在這種未知環(huán)境中進(jìn)行操作、開始入軌到最后的登陸，我們將面臨更大的挑戰(zhàn)。”歐空局負(fù)責(zé)管理“羅塞塔”操作的席勒維·羅迪歐說。

在8月6日進(jìn)行了最初的交會(huì)動(dòng)作后，“菲萊”著陸器的官方推特一度“賣萌”，發(fā)出“我們到彗星沒有呢”的詢問，隨后得到了“羅塞塔”軌道

“楚留香”彗星特別像一只小鴨子

“羅塞塔”拍攝的高清照片

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有7顆彗星已經(jīng)被探測(cè)器造訪過

人類已經(jīng)向太陽系中的每一顆行星派出了探測(cè)器。但令人驚訝的是，在“羅塞塔”探測(cè)67P彗星之前，被探測(cè)器造訪過的彗星的數(shù)量也不少。他們是：

19P/“博雷利”彗星：“深空”1號(hào)探測(cè)器

81P/“懷爾德”2號(hào)彗星：“星塵”探測(cè)器

“麥克諾特”彗星：“尤利西斯”探測(cè)器

21P/“賈科比尼-青納”彗星：國(guó)際彗星探測(cè)器

26P/“葛里格-斯克杰利厄普”彗星：“喬托”探測(cè)器

“哈雷”彗星：“喬托”探測(cè)器、“維佳”1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器、“先驅(qū)者”探測(cè)器、“翠聲”探測(cè)器

“坦普爾”1號(hào)彗星：“深度撞擊”探測(cè)器

這其中絕大多探測(cè)器都是從彗星附近飛過采集數(shù)據(jù)。但2005年“深度撞擊”探測(cè)器采取了主動(dòng)出擊的策略。它所釋放出的撞擊體以每秒10千米的速度撞上了8千米長(zhǎng)、5千米寬的“坦普爾”1號(hào)彗星，在彗核上留下了一個(gè)直徑100米的環(huán)形山。器十分肯定的回答。到8月底，“羅塞塔”將給出最多5個(gè)登陸位點(diǎn)，首選登陸點(diǎn)將在9月中揭曉。

在11月份到來時(shí)，“羅塞塔”號(hào)必須找出一個(gè)合適的地點(diǎn)投放“菲萊”，讓它的三足固定系統(tǒng)著陸彗星表面，在彗星因接近太陽而變得愈加活躍時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)7月份“羅塞塔”發(fā)回的最新圖像顯示，這顆彗星的彗核竟是由兩個(gè)連接在一起的部分組成?？茖W(xué)家們需要謹(jǐn)慎考慮，在哪里著陸才能讓科學(xué)回報(bào)最大化，但無論選在哪里，在彗星上著陸，都將是一個(gè)前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

“羅塞塔”號(hào)探測(cè)器與它的目標(biāo)彗星

“菲萊”裝在“羅塞塔”軌道器的側(cè)面，著陸時(shí)采用腿式緩沖機(jī)構(gòu)。由于該彗星的引力很小，當(dāng)著陸器在彗星表面著陸時(shí)要防止被彈出去?？茖W(xué)家們將使“菲萊”減速后以每秒1米的速度緩慢自然降落。即使是這樣，仍舊像人在行走時(shí)撞上墻一樣，所以著陸器有3條“腿”，在與彗核接觸瞬間3條腿可以吸收掉大部分撞擊功能，起到緩沖作用。一旦同彗核接觸，立即伸出一個(gè)叉鉤，將自己固定在彗核表面。

這次探測(cè)的關(guān)鍵是“羅塞塔”獲得太陽能的多少。在飛行中，它要展開一對(duì)14米長(zhǎng)的太陽能電池翼，并能夠在極低溫的狀態(tài)下吸收微弱的太陽能。

“菲萊”登陸“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星后，最重要的任務(wù)便是對(duì)彗星的成分進(jìn)行取樣分析。探測(cè)器發(fā)回的初步資料表明，“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星正在以約每秒1/3升的速度噴出水氣，而當(dāng)其靠近太陽時(shí)噴出速度將增加成百上千倍。之前美國(guó)的“星塵”探測(cè)器和“深度撞擊”都對(duì)彗星進(jìn)行了飛掠式探測(cè)，并采集了彗星物質(zhì)，“星塵”號(hào)甚至帶著彗星物質(zhì)返回了地球，但在這么近的距離研究彗星還是第一次，有人用“去吧，騎上那顆彗星”來表達(dá)此刻的心情。希望“羅塞塔” 給彗星拴上了韁繩，一起依次掠過美麗的行星，馳騁在太陽風(fēng)的吹拂之中。

“羅塞塔”釋放“菲萊”著陸器

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“羅塞塔”上的科學(xué)儀器

“羅塞塔”起飛質(zhì)量為3000千克，由“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器組成。“羅塞塔”主體是一個(gè)2.8×2.1×2.0 米的結(jié)構(gòu)體，其頂端安裝11種科學(xué)載荷，而底部則安裝其他輔助分系統(tǒng)。飛船上還安裝有一臺(tái)直徑 2.2 米的高增益通訊天線，而在相反的另一面則搭載著著陸器“菲萊”。

“羅塞塔”軌道器載有11種儀器，用于分析彗星的物理和化學(xué)構(gòu)成及其電磁和引力等特性：①用于拍攝彗核和小行星的高分辨率光學(xué)分光與紅外遙感成像系統(tǒng)；②用于分析彗發(fā)和彗核中的氣體、測(cè)量彗星的水分和CO/CO2的生成速率并提供有關(guān)彗核表面成分?jǐn)?shù)據(jù)的紫外成像光譜儀；③用于測(cè)繪與研究彗核表面的固態(tài)物質(zhì)和表面溫度的可見光與紅外熱成像光譜儀；④用于測(cè)量彗星主要?dú)怏w成分、表面放氣率和彗核溫度的微波儀；⑤用于測(cè)定彗核大氣層和電離層的成分、氣體中帶電粒子的速度和有它們參加的反應(yīng)以及研究小行星可能存在的放氣現(xiàn)象的離子與中子分析光譜儀；⑥用于觀察是否含有有機(jī)物質(zhì)并分析彗星發(fā)射出的塵埃、微粒的成分等特性的彗星次級(jí)離子質(zhì)量分析儀；⑦用于研究小行星和彗星周圍環(huán)境中塵埃、微粒的微型成像塵埃分析系統(tǒng)；⑧用于測(cè)量彗核和來自其他方向（受太陽輻射壓作用）的塵埃微粒數(shù)量、質(zhì)量和動(dòng)量的微粒撞擊分析與塵埃收集器；⑨用于測(cè)量彗核的物理特性、研究?jī)?nèi)彗發(fā)的結(jié)構(gòu)和彗星與太陽的相互作用、監(jiān)測(cè)彗星活動(dòng)的等離子探測(cè)器包；⑩用于研究由彗核反射和散射的射電波，借以探測(cè)彗星內(nèi)部構(gòu)造的射電波發(fā)射彗核探測(cè)實(shí)驗(yàn)件；用于測(cè)量彗核的質(zhì)量、密度和引力，確定彗星的軌道，研究彗發(fā)的內(nèi)部情況等的射電科學(xué)研究?jī)x器。

“菲萊” 上一共安裝了 9 臺(tái)科學(xué)設(shè)備，設(shè)備總重約 21 千克。另外它還攜帶了鉆探設(shè)備，用于鉆探到彗核表面以下20厘米，將采集的樣品交給不同的加熱爐或用于顯微鏡觀察的樣品與分發(fā)裝置。這 9 臺(tái)科學(xué)載荷包括：

“菲萊”在彗星表面進(jìn)行勘探

①用于探測(cè)α粒子和X射線，從而提供彗表元素成分?jǐn)?shù)據(jù)的α粒子與X射線光譜儀；②用于拍攝表面全景照片和研究從表面采集的樣品的成分、構(gòu)造和反射率的彗核紅外與可見光分析儀；③用于探測(cè)彗核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的射電波發(fā)射彗核探測(cè)實(shí)驗(yàn)件（來自軌道器上同名儀器的射電波將穿過彗核，由著陸器上的一臺(tái)應(yīng)答機(jī)發(fā)送回去）；④用于根據(jù)元素和分子組成來探測(cè)和確定有機(jī)分子絡(luò)合物的彗星采樣與成分實(shí)驗(yàn)件；⑤用于對(duì)輕元素的同位素比率進(jìn)行精確測(cè)定的穩(wěn)態(tài)同位素中輕元素/托勒密實(shí)驗(yàn)件；⑥用于測(cè)量彗表的密度及熱力學(xué)和力學(xué)特性的表面與表層科學(xué)多用途遙感器；⑦用于在下降過程中獲取高分辨率圖像，并獲取其他儀器采樣區(qū)的立體全景圖像的“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)；⑧用于研究當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)和彗星與太陽風(fēng)間的相互作用的“羅塞塔”著陸器磁強(qiáng)計(jì)與等離子體監(jiān)測(cè)儀；⑨用于測(cè)定彗星外層特性的表面電、震動(dòng)與聲學(xué)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)件。