追蹤彗星

吳青

彗星攔截器及其釋放的兩顆人造衛(wèi)星探測彗星（藝術(shù)效果圖）。

人們曾經(jīng)以為，彗星是天空中的幽靈或掃帚星，它們預(yù)示著災(zāi)難或疾病。而今天，科學(xué)家已經(jīng)知道，彗星這種神秘天體是太陽系早期歷史的記錄者，能告訴我們行星形成時期的情況。彗星還能揭示早期地球上存在的一些化學(xué)成分，因而有助于我們探索地球生命的起源。

因此，全球多家太空機構(gòu)熱衷于用飛船（探測器）探測彗星。一項名為“彗星攔截器”的飛船任務(wù)正在籌劃中，定于2028年發(fā)射的這艘飛船將近觀彗星這種含冰天體。但彗星攔截器并非是造訪彗星的第一艘飛行器。

1986年，歐洲、蘇聯(lián)和日本都向經(jīng)過地球的哈雷彗星發(fā)射了探測器。其中，飛得最靠近哈雷彗星的是歐洲空間局（簡稱“歐空局”）的“喬托號”探測器。它拍攝的有史以來第一幅彗核照片顯示，彗星表面的射流把氣體噴射到太空。

歐空局最近的一艘彗星飛行器是“羅塞塔號”，它與67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（以下簡稱“67P彗星”）會合，并在2014～2016年追蹤該彗星達兩年之久?！傲_塞塔號”首次揭示了彗星在飛近太陽，然后又跳進深空期間的變化情況。有一點因此變得很明確：彗星表面各層發(fā)生著許多演化過程。實際上，在“羅塞塔號”觀測67P彗星期間，這顆彗星的表面一直在變化：一些區(qū)域被侵蝕掉，另一些區(qū)域被墜回彗星表面的物質(zhì)掩埋。雖然科學(xué)家一直知道彗星會遭侵蝕，但通過“羅塞塔號”的探測，他們才明白了彗星在靠近太陽期間被侵蝕的程度如此之大。

空前任務(wù)

在探測目標(biāo)都沒有的情況下設(shè)計探測任務(wù)，這是第一次。

上述認(rèn)識對科學(xué)家來說既是好事也是壞事。一方面，“羅塞塔號”的發(fā)現(xiàn)讓我們對彗星運行機制的認(rèn)識比之前都多。另一方面，我們也知道了彗星表面并非是對行星初始構(gòu)建材料的純凈記錄。迄今為止，人類探測器造訪過的所有彗星都是短周期彗星。它們是形成于太陽系外圍比巨行星（木星、土星、海王星和天王星）所在地更遠(yuǎn)的地方，然后落入距離太陽更近軌道的古老天體。在這樣的軌道中，彗星被太陽周期性地炙烤、修改，因此今天它們的樣子可能已經(jīng)與當(dāng)初完全不同。

幸好，還有另一類彗星——長周期彗星有助于我們理解行星怎樣形成。這類彗星的軌道極其巨大。1997年，海爾-波普彗星出現(xiàn)在地球天空中，連續(xù)18個月肉眼可見?；谒壳八幍能壍?，科學(xué)家推測它在大約4000年前更接近地球。1996年，百武彗星經(jīng)過地球附近。這顆彗星所處的軌道意味著它要花大約7萬年才能在軌道中轉(zhuǎn)完一圈。科學(xué)家推測，正因為長周期彗星的軌道如此巨大，它們距離太陽比短周期彗星遠(yuǎn)得多，受太陽影響小，所以所有長周期彗星現(xiàn)在的表面都很可能很接近原始狀態(tài)。

偶爾還有彗星首次墜向太陽。為了破譯早期太陽系之謎，科學(xué)家需要調(diào)查的正是這種彗星。科學(xué)家認(rèn)為，這種彗星不僅原始，而且當(dāng)初形成于巨行星之間，因而它們在最初的行星構(gòu)建材料方面非常具有代表性。它們與新形成的行星之間的引力相互作用導(dǎo)致它們被甩到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的距離外，這些地方的極寒讓它們的原始狀態(tài)得以保留至今。

如果我們能近距離探測一顆這樣的彗星，那么就有機會檢驗早期太陽系一個至今尚未被探測過的新區(qū)域。但科學(xué)家并不知道這樣的彗星何時會出現(xiàn)在地球天空中，而探測器的設(shè)計和建造一般要花10年時間，因此，就算這樣的彗星出現(xiàn)了，如果我們沒有做好準(zhǔn)備，那么等我們造好探測器時它們早就消失無蹤了。如此一來，怎樣才能近觀這樣一顆彗星呢？

這就是彗星攔截器的研發(fā)目的。歐空局已經(jīng)為該任務(wù)劃撥了專項資金。如果彗星攔截器在2028年按時發(fā)射，那么之后它將在太空中待一段時間，等待目標(biāo)彗星被發(fā)現(xiàn)。該任務(wù)的設(shè)計和實施都很另類，因為在科學(xué)家心目中尚無任何目標(biāo)彗星。迄今為止，沒有任何人在探測目標(biāo)都沒有的情況下設(shè)計過任何探測任務(wù)。所以說彗星攔截器的設(shè)計開辟了一片新天地。

太空任務(wù)通常都有一個具體目標(biāo)，這樣一來，工程師才能算出探測器的最佳軌道，由此決定需要多少燃料和燃料箱大小，也就能算出探測器能搭載的科學(xué)儀器質(zhì)量。換句話說，探測目標(biāo)決定探測器。

與目標(biāo)天體會合的計劃，決定著展開太陽能電池板和打開儀器的最佳位置。而這些因素對彗星攔截器任務(wù)設(shè)計團隊來說皆未知。他們不知道該讓彗星攔截器從哪個方向、在什么地方——在距離太陽多遠(yuǎn)處或在接近地球多遠(yuǎn)處接近目標(biāo)。因此，他們要設(shè)計的是一項極度靈活的任務(wù)。

系外客人

彗星攔截器的潛在探測目標(biāo)中，也許有太陽系之外的彗星。

彗星攔截器要拍攝的彗星照片的質(zhì)量必須與“羅塞塔號”拍攝的67P彗星照片的質(zhì)量相當(dāng)，前者還要調(diào)查這兩顆彗星之間的不同之處。科學(xué)家推測，這兩類彗星的化學(xué)組成會有很大差異。這是因為67P彗星之類的彗星形成于距離太陽近得多的地方，彗星表面的有機分子類別和數(shù)量無疑會因此大受影響。

長周期彗星不僅能揭示與短周期彗星不同的化學(xué)組成，而且能揭示行星的形成過程很暴烈還是很溫和?！傲_塞塔號”探測67P彗星的五大結(jié)果之一是彗星的形狀。分析表明，67P彗星的啞鈴形態(tài)是兩顆獨立彗星融合形成的。這之所以是一大結(jié)果，是因為它表明多顆完全成型的彗星會以溫和的方式合并，其碰撞速度和走路一樣慢。與之對比，科學(xué)家認(rèn)為行星的形成過程要狂亂得多。如果行星形成過程與長周期彗星的一樣溫和，那就意味著科學(xué)家有關(guān)行星形成過程的理論必須重寫。

對彗星攔截器探測目標(biāo)的找尋將始于2022年。屆時，一部大型望遠(yuǎn)鏡——大型巡天望遠(yuǎn)鏡將正式運作。這部望遠(yuǎn)鏡2020年在智利基本建成。鏡面直徑達8.4米的大型巡天望遠(yuǎn)鏡，將能僅花幾個夜晚就掃描完整個天空。預(yù)計它能發(fā)現(xiàn)比目前已知數(shù)量多上千甚至上萬顆的太陽系彗星和小行星。甚至，在彗星攔截器2028年升空之前，大型巡天望遠(yuǎn)鏡就能為它找到一個探測目標(biāo)。

科學(xué)家不期望彗星攔截器的可選探測目標(biāo)太多，這是因為彗星攔截器的設(shè)計、建造和運行時間都不長，所以只需為數(shù)不多的可選目標(biāo)供考察就夠了。就算是在這不多的潛在目標(biāo)里，依然可能存在一個罕見目標(biāo)——來自另一個恒星系統(tǒng)的一顆彗星（星際彗星）?？茖W(xué)家已經(jīng)識別了兩顆星際彗星——2017年的奧陌陌彗星和2018年的鮑里索夫彗星。這兩顆彗星的軌道都表明，它們不受太陽的引力束縛，它們只不過是在經(jīng)過太陽系途中被太陽引力扭偏了方向。

67P彗星的啞鈴形態(tài)是兩顆彗星合并的結(jié)果。圖為“羅塞塔號”2015年拍攝的67P彗星。

雖然幾乎不可能確定星際彗星形成時環(huán)繞的是哪顆恒星，但通過近觀星際彗星，可能會揭示其他恒星周圍的天體形成過程是否與太陽系中的這些過程相似?？茖W(xué)家認(rèn)為，如果真的能看見來自太陽系以外的天體，看到它與太陽系以內(nèi)的天體不同或者相似，那將多么有趣。如果其中有一個天體我們能夠前去拜會，科學(xué)家就絕對不會放過這個機會。

星際訪客

兩年內(nèi)就辨識了兩顆星際彗星，但這是常態(tài)嗎？

2017年，科學(xué)家識別了一顆來自另一個恒星系統(tǒng)、經(jīng)過太陽系的彗星。該彗星是通過位于美國夏威夷哈萊阿卡拉天文臺的泛斯塔爾斯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，科學(xué)家依據(jù)當(dāng)?shù)赝琳Z“偵察者”的發(fā)音把它稱為奧陌陌。開始時，這顆彗星看上去就像是小行星，這是因為它沒有彗尾，也沒有彗發(fā)——環(huán)繞彗核的氣體。

但后來，奧陌陌開始以無法由太陽或行星引力解釋的方式加速。因此，奧陌陌當(dāng)時被一些喜歡聳人聽聞的西方媒體說成是外星飛船。而實際上，奧陌陌的“反?！毙袨榍∏【褪清缧堑男袨椤獊碜蕴柕臒崃繉?dǎo)致彗星表面下的冰釋放氣體，而逃逸的氣體就像是一部火箭發(fā)動機。

2018年，另一顆經(jīng)過太陽系的星際彗星——鮑里索夫彗星被發(fā)現(xiàn)。據(jù)估計，2019年12月它在最接近太陽時，每秒丟失2千克塵埃和60千克水。

很明顯，對科學(xué)家來說，運用彗星攔截器近觀太陽系外的彗星的想法很誘人。但另一方面，科學(xué)家對實現(xiàn)這個想法的難度之大也很清楚。有科學(xué)家說，這種可能性很低，因為我們對星際彗星經(jīng)過太陽系的頻率多高根本無法確定。兩年內(nèi)能辨識兩顆星際彗星也許純屬幸運，以后多年完全有可能碰不到任何星際彗星。不過，當(dāng)大型巡天望遠(yuǎn)鏡2022年升空后，科學(xué)家將了解到這方面的更多信息。

彗星取樣

把彗星材料送回地球，是科學(xué)家夢寐以求的大事之一。

不管彗星攔截器將前往哪顆目標(biāo)彗星，科學(xué)家都已開始籌劃在那以后要回答的問題了。其中最重要的問題之一是：彗星在地球生命起源中起了什么作用？要想回答這個問題，就必須查明彗星表面的化學(xué)組成?？茖W(xué)家將重點調(diào)查含碳分子。它們也被稱為“有機分子”，原因是它們對地球上的生命來說很重要。正因為有機材料的成分很重要，所以需要查明彗星表面的有機化合物有哪些。要想查明這一點，唯一辦法就是把彗星樣本帶回地球，運用現(xiàn)有的實驗室設(shè)備進行全方位檢驗。

正是出于這個目的，一些科學(xué)家希望把“雄心”任務(wù)納入歐空局2050年長期計劃。如果被選中，“雄心號”探測器將登陸一顆彗星，提取彗星表面含冰物質(zhì)，裝進液氮囊中送回地球。實際上，把彗星物質(zhì)送回地球是科學(xué)家夢寐以求的大事之一。

但就目前來看，彗星攔截器風(fēng)頭正勁。畢竟，該任務(wù)一旦實施，就意味著我們首次近觀真正第一次進入太陽系的彗星，它的表面將和幾十億年前的一樣。但要實現(xiàn)這個目標(biāo)，需要改寫現(xiàn)有的太空任務(wù)設(shè)計和執(zhí)行方式。雖然這樣做的難度很大，但科學(xué)家相信，他們對這一任務(wù)前景的期望將激勵他們?nèi)タ朔щy。

毆空局2050航天計劃海報。

系外彗星奧陌陌的太陽系之旅

一項新的彗星任務(wù)

1? 發(fā)射

2028年，彗星攔截器升空。這是歐空局阿里爾望遠(yuǎn)鏡的次級負(fù)載。

2? 等待

彗星攔截器進入引力穩(wěn)定點L1周圍的一條停泊軌道。

3? 巡航

一旦一顆合適的彗星被辨識，攔截器就提速，進入攔截軌道。

4? 釋放立方衛(wèi)星

兩顆小型立方衛(wèi)星（微型衛(wèi)星）被釋放。其中一顆由歐空局制造，另一顆由其他機構(gòu)制造。兩顆衛(wèi)星所搭載的儀器互補。

5? 最近距離

攔截器以10～80千米/秒的速度和大約1000千米的距離經(jīng)過彗星。立方衛(wèi)星前往、靠近彗星，并且傳輸數(shù)據(jù)給攔截器。

6? 數(shù)據(jù)傳輸

與彗星相遇后，攔截器把數(shù)據(jù)傳回地球。