“菲萊”首次登陸彗星

□ 諸葛杭仁

2014年11月12日，歐洲“羅塞塔”探測器向距離地球5.14億千米的67P/丘尤穆夫-杰拉西門克彗星（簡稱67P彗星）的彗核投放了所攜帶的著陸器“菲萊”，使它成為世界首個在彗星著陸的探測器。這是人類歷史上第一次登陸彗星“近距離”開展研究，它將開啟人們對彗星和宇宙的新認(rèn)知。

盡管“菲萊”著陸不十分完美，因而目前面臨著一些困難，但從總體講是基本成功的，并已獲得一些重要科學(xué)數(shù)據(jù)，所以其前景還是十分令人期待。如果著陸后的“菲萊”能夠解決電源問題，它可以深入探測67P彗星表面和表層以下的物質(zhì)成分、硬度和密度并拍照，對該彗星核以及彗星射出的氣體、塵埃進(jìn)行詳細(xì)研究，以幫助弄清與太陽系形成和生命起源相關(guān)的奧秘。其所獲信息通過“羅塞塔”軌道器傳回地球。與此同時，“羅塞塔”軌道器繼續(xù)圍繞彗星飛行，收集彗核的有關(guān)數(shù)據(jù)，從而幫助科學(xué)家們進(jìn)一步了解彗星的性質(zhì)和組成。預(yù)計，這項探測任務(wù)將于2015年12月結(jié)束。任務(wù)結(jié)束后，“羅塞塔”軌道器還將繼續(xù)繞彗星飛行，直到2016年底。屆時它因離太陽太遠(yuǎn)而無法產(chǎn)生足夠的能量繼續(xù)飛行。歐空局正在考慮在任務(wù)終結(jié)時，把“羅塞塔”“?！痹阱缧巧?，讓它和“菲萊”重聚。

驚心動魄的著陸

“羅塞塔”由14個歐洲國家及美國的50余家公司參與，項目主承包商為歐洲阿斯特留姆公司。它的起飛質(zhì)量3噸，由“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器組成。 由于動力系統(tǒng)不足以將“羅塞塔”直接送往目標(biāo)彗星，所以在其漫漫的10年追星路上一共借助了地球的3次引力助推和火星的1次引力助推，最終迂回抵達(dá)目標(biāo)彗星。

2014年11月12日，“羅塞塔”從22千米高向彗星表面投放了100千克重的“菲萊”著陸器，用于在彗星冰蓋上進(jìn)行化學(xué)檢測。這是一次從沒嘗試過的危險實踐。

一是人類探測器首次在彗星著陸，沒有任何經(jīng)驗，距離又很遠(yuǎn)，達(dá)5億千米，通信延時長達(dá)28分20秒；探測器距離彗星表面22千米，相當(dāng)于商業(yè)航班飛行高度的2倍左右，然后在某一時刻向自轉(zhuǎn)周期為12.4小時的67P彗星表面丟下一個冰箱大小的盒子，然后希望它在7小時后能準(zhǔn)確的落在一座山上的某一個位置上，誤差不能超過1平方千米，所以具有很大風(fēng)險。另外，彗星很不穩(wěn)定，它不斷放出的塵埃和氣體會傷害探測器。由于距離地球很遠(yuǎn)，所以“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器都被設(shè)計為自動執(zhí)行任務(wù)，一旦它們接到前進(jìn)命令，控制中心的科學(xué)家就不能再調(diào)整著陸器軌跡了?！胺迫R”與“羅塞塔”分離必須極為精確，一英寸的誤差就可能讓著陸器偏離目標(biāo)250米。

二是 67P彗星的彗核直徑只有大約4千米，形狀非常不規(guī)則，給著陸器登陸造成困難。為此，歐洲“羅塞塔”在進(jìn)入67P彗星軌道后就開始尋找合適的著陸點。它先是在100千米軌道為“菲 萊”挑選了5個候選著陸地點。后來又在30千米高的軌道上對候選著陸點進(jìn)行了更為詳細(xì)的科學(xué)測量，深入分析，最終選定了J點。這個著陸點相比其他候選著陸點來說風(fēng)險是最小的，它位于67P彗星的“頭部”，斜坡較少，但其地形對彗星活動勘探來說仍意味著不少挑戰(zhàn)。備選著陸點為C點，它位于彗星的“身體”上。

三是由于該彗星的引力很小，只有地球的10萬分之一，這意味著100千克的“菲萊”到彗星上僅重1克，著陸器落下時比羽毛飄落地面還要慢，所以當(dāng)著陸器在彗星表面著陸時要防止被彈出去?！胺迫R”著陸時采用腿式緩沖機(jī)構(gòu)。它以3.5千米/小時、幾乎等同于步行的速度緩慢自然降落，“走”完最后的22千米路程。7個小時后它才抵達(dá)彗核。在與彗核接觸的瞬間，“菲萊”伸出三條著陸腿，著陸腿底部旋出冰螺栓鉆入彗星的表面之下以便固定，不過在實際著陸時冰螺栓失效了。另外，在同彗核接觸時，它本應(yīng)射出2個類似“魚叉”的叉鉤把自己固定在彗核表面，防止飄走，但也因故障沒有射出。其上的一個冷氣推進(jìn)器還失靈了，它本應(yīng)在著陸后噴射氮氣氣流，把“菲萊”壓在彗星表面上，以便消除“菲萊”彈離彗星表面的可能性，并且抵消魚叉發(fā)射時的上推力，但多次嘗試都沒有成功。結(jié)果“菲萊”著陸時曾2次彈跳，彈跳高度一次為1千米，另一次為20米，最終落在彗星上一處峭壁的陰影之中。其3次著陸的時間分別為北京時間11月12日23：34、13 日 01：25 和 01：32。由此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)彗星表面并不是非常堅硬的，而是軟質(zhì)表面，更像是一個蹦床。這也意味著“菲萊”無法從備用的太陽能電池獲取足夠能量，而其自帶電池只能夠維持64小時的運轉(zhuǎn)。

由于電力不足，“菲萊”著陸后不久就進(jìn)入“休眠”狀態(tài)。在“休眠”前與地面控制人員進(jìn)行了近2小時通信，把登陸彗星后開展的所有科學(xué)數(shù)據(jù)傳回了地球。

2014年11月14日，“菲萊”在推特網(wǎng)站的官方賬戶發(fā)布一則消息說：“我已成功轉(zhuǎn)身（35°）。從這個角度看彗星可是一幅全新景象呀。”這標(biāo)志著“菲萊”完成了2個復(fù)雜動作：鉆探堅硬的彗星表面并轉(zhuǎn)身捕捉更多陽光?！胺迫R”成功升高4厘米并轉(zhuǎn)動太陽能電池板以盡量吸收光能，為以后可能完成蘇醒儲備了能量。

2014年北京時間11月15日08：36，“菲萊”與地面失去聯(lián)系。在“休眠”狀態(tài)下，“菲萊”的所有實驗設(shè)備和大部分系統(tǒng)會關(guān)閉。歐空局表示，除非“菲萊”的太陽能電池板獲取足夠光照并轉(zhuǎn)化成足夠電力使“菲萊”蘇醒，否則地面控制人員不可能再與“菲萊”建立聯(lián)系。不過，隨著彗星與太陽的距離越來越近，光照條件也會有所改善。如果受到充足日光照射的話，“菲萊”的太陽電池板可以額外提供每天1小時的電量，并持續(xù)5個月之久。

微型機(jī)器人實驗室

“菲萊”著陸器的名字是由一個15歲的意大利女孩提出的，這個女孩在歐洲年輕人命名探測器的競爭活動中勝出。

“菲萊”大小如同一個電冰箱，在飛往67P彗星途中裝在“羅塞塔”軌道器側(cè)面。它由1塊基板、1個儀器平臺和1個多面體夾層組成，所有結(jié)構(gòu)采用碳纖維。實際上，“菲萊”就像一個微型機(jī)器人實驗室，裝備了10種總質(zhì)量為26千克探測設(shè)備，它們分別為：①用于探測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，它用6臺同樣的微型相機(jī)來拍攝表面的全景照片，另用一臺光譜儀來研究從表面采集的樣品的成分、構(gòu)造和反射率；③用于探測彗核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的射電波發(fā)射彗核探測實驗件（來自軌道器上同名儀器發(fā)射的射電波將穿過彗核，由著陸器上的一臺應(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和確定有機(jī)分子絡(luò)合物的彗星采樣與成分實驗件；⑤用于對氫元素的同位素比率進(jìn)行精確測定的穩(wěn)態(tài)同位素中氫元素/托勒密實驗件；⑥用位于著陸器錨定裝置上、探頭上和外部的遙感器來測量彗表的密度及熱力學(xué)和力學(xué)特性的表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器；⑦用于在下降過程中獲取高分辨率圖像，并獲取其它儀器采樣區(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)卮艌龊湾缧桥c太陽風(fēng)間的相互作用的“羅塞塔”著陸器磁強(qiáng)計與等離子體監(jiān)測儀；⑨用于鉆探到表面以下20厘米以上，采集樣品，并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；⑩用于測定彗星外層特性的表面電、震動與聲學(xué)監(jiān)測實驗件，它由3臺小儀器組成，其中彗星聲探測表面實驗件測定聲音通過彗表的傳播方式，介電常數(shù)探測儀研究其電特性，塵?；芈浔O(jiān)測儀測量回落到表面上的塵埃。

它們將用于對彗核表層以下的物質(zhì)取樣，就地研究分析彗核表面和表面下層物質(zhì)的成分，重點是調(diào)查有否存在有機(jī)物質(zhì)；同時也研究彗核表面的強(qiáng)度、密度、致密性、疏松性、冰塊和熱特性等物理特性，并把拍到的照片通過“羅塞塔”傳回地面控制中心。這些設(shè)備標(biāo)志著歐洲對太空研究的全新戰(zhàn)略思路和設(shè)計理念。

取得初步成果

目前“菲萊”著陸器的狀況不那么樂觀。 從它2014年11月13日晨傳回地球的全景照片看，“菲萊”處于一處懸崖的底部，幾乎與彗星表面垂直，3條著陸腿中的1條可能懸空。雖然 “菲萊”著陸器在工作約64小時后，因電力耗盡進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，但它在“休眠”前傳回的數(shù)據(jù)仍然帶給科學(xué)家驚喜。

負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)的德國科學(xué)家在2014年11月19日透露，“菲萊”上的氣體分析儀器在彗星的大氣中“嗅”到了含碳有機(jī)分子。含碳有機(jī)分子是構(gòu)成地球生命的基礎(chǔ)物質(zhì)之一，這一發(fā)現(xiàn)有助于解地球生命的最初來源?？茖W(xué)家將進(jìn)一步分析“菲萊”探測到的物質(zhì)是否包含構(gòu)成蛋白質(zhì)的復(fù)雜化合物。而且，“菲萊”已對67P彗星表面進(jìn)行了鉆探，以尋找表層以下的有機(jī)分子，不過目前還不知道“菲萊”是否能將采集的樣品轉(zhuǎn)到彗星采樣與成分實驗件上進(jìn)行分析。

目前的結(jié)果顯示，彗星表面并非如之前預(yù)計的那么柔軟。因為“菲萊”上表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器中的一個溫度傳感器擬插入彗星表面40厘米深處，但并沒有成功?？茖W(xué)家推測，傳感器在進(jìn)入表面10～20厘米處時可能碰到了堅硬如冰的物質(zhì)層?，F(xiàn)在，科學(xué)家寄希望于彗星在靠近太陽的時候能重新“喚醒”該著陸器。大約等到2015年春季的時候，“菲萊”著陸器會與“羅塞塔”軌道器取得聯(lián)系；到2015年夏季，彗星上的溫度將可以滿足‘菲萊’太陽能電池的充電需求。到時候，一直保持在軌飛行的“羅塞塔”軌道器會接收從休眠狀態(tài)蘇醒的“菲萊”發(fā)出的所有信號。

來自彗星上的錄音

2014年11月20日，德國航空航天中心公布了“菲萊”2014年11月12日登陸彗星時一段來自彗星的珍貴錄音，它包含了探測器著陸時的2秒撞擊聲。這段簡短的錄音由“菲萊”著陸腿底部的表面電、震動與聲學(xué)監(jiān)測實驗件錄制。這段聲音顯示，“菲萊”著陸器先是接觸到了一個幾厘米厚的軟質(zhì)層，但就在幾毫秒之后，它的支腳似乎碰到了67P彗星彗核堅硬的部分，可能是冰層。另外，錄音還證實了“菲萊”著陸器確實在彗星上發(fā)生了2次彈跳。

科學(xué)家還解釋了他們是如何“聆聽”“菲萊”飛向彗星以及著陸的過程。在“菲萊”的下降階段，其表面電、震動與聲學(xué)監(jiān)測實驗件中的彗星聲探測表面實驗件先是感知用來保持穩(wěn)定飛行的飛輪的振動，但接下來卻沒有記錄到用來錨固的推進(jìn)器和魚叉被觸發(fā)的聲音。由于二者的失靈使得“菲萊”在第1次與地面接觸后被彈開。“羅塞塔”上的磁強(qiáng)計與等離子體監(jiān)測儀獲得的數(shù)據(jù)也可以證實“菲萊”第1次觸地之后沒有立即下沉回到彗星地面上。此后，彗星聲探測表面實驗件還“聽”到了著陸器所攜帶的表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器的錘擊，也許錘擊輕微地?fù)u擺了著陸器，使得不同的著陸腿底部接觸地面，因為3條著陸腿底部的表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器錘擊聲沒有同時被彗星聲探測表面實驗件錄制到。

“羅塞塔”項目耗資約13億歐元。歐空局專家們認(rèn)為花這么多錢絕對值，因為它刷新了人們對彗星的認(rèn)識，并正試圖解答關(guān)于太陽系歷史的一些宏大問題。嬰兒時期的太陽系是什么樣？它是如何演變的？在此過程中，彗星扮演著怎樣的角色？彗星是如何運行的？當(dāng)“菲萊”著陸的信號到達(dá)地球后，歐空局局長多爾丹說，這是人類文明的一大步。它不僅第一次成功進(jìn)入彗星軌道，而且第一次在彗星表面投放了著陸器。