“罗塞塔”近探彗星奥秘

□ 编译 / 谢 懿

“罗塞塔”近探彗星奥秘

□ 编译 / 谢 懿

罗塞塔探测器。版权：ESA/J. Huart。

关于“罗塞塔”

来自地球的一个使者已进入了环绕67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的轨道，在那里它将对彗星进行有史以来最详细的勘查。

2013年，天文学家和天文爱好者都热切期待着国际光学监测网彗星（又称艾森彗星、C/2012 S1）的表演。这颗来自遥远奥尔特云的彗星在该年11月末从太阳附近经过，理应绽放出肉眼可见的耀眼光芒。然而，在距离太阳186万千米时，它却发生了瓦解。这引发了人们的失望情绪，同时也彰显了科学家其实对这些太阳系中的流浪者仍所知甚少。

不过，这一切行将发生改变。2014年8月6日，欧洲空间局（ESA）的罗塞塔探测器进入绕67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（以下简称“67P”）的预定轨道。虽然“罗塞塔”并非是第一个造访彗星的探测器——在过去30年里欧洲、美国、日本和苏联的探测器已访问了7颗不同的彗星， 但它却是所有探测器中第一个环绕彗星的。以前的任务都是在与目标交会的几天里拍摄彗星的快照。相比之下，在“罗塞塔”对67P为期17个月的轨道任务中，它将向我们呈现的则是一部令人惊叹的全长高清电影。

在“罗塞塔”开始环绕67P之前，对它的认识很有限。早期的观测显示它具有奇特的哑铃形，布满了陨石坑和巨石。它的最大长度为4千米，但在如此小的天体之上却具有复杂多变的地貌。

探测67P的不只是“罗塞塔”。在它的一侧还搭载着一个着陆器，被称为“菲莱”，它会下降到该彗星的表面。2014年11月12日，经过7个小时的下降，它成功软着陆到了该彗星的表面，成为了第一个登陆彗星的人造探测器。通过轨道器和着陆器，科学家将勘测该彗星的整个核心，研究它的化学成分和矿物特性（包括“菲莱”从其表面和地下所采集的样本），并分析从其表面所喷出的气体和尘埃颗粒。由于“罗塞塔”将和67P一起从小行星带运动到其近日点（最接近太阳的地方）及后续轨道位置，天文学家将能够探测随着太阳光照射的增强和减弱所造成的彗星变化。

但彗星并不是科学家心目中唯一关心的东西。这些原始的天体也是一个个的时间胶囊，因为它们携带了大约46亿年前太阳和行星形成时所遗留下来的物质。对67P的观测将有助于更好地了解太阳系的起源和演化以及彗星在向地球播种水和复杂有机分子中所扮演的角色。

为什么是67P？

当然，几乎所有的周期彗星都能满足这些要求。那么是什么让欧洲的科学家选择67P作为“罗塞塔”的目标呢？它最初甚至都不是ESA的首选目标。一开始的设想是访问一颗相对活跃的周期彗星，而且它的轨道要靠近地球绕太阳的公转平面。后者更有利于探测器做轨道机动、长时间环绕并释放着陆器。于是，这就需要在“罗塞塔”发射的轨道上寻找到一颗符合这些条件的彗星。

随着2003年1月升空日子的逐渐临近，ESA将目光集中到了46P/维尔塔宁彗星（以下简称“46P”）身上。然而，在发射前一个月，一枚阿丽亚娜5型火箭发射失败，这枚火箭与将要发射“罗塞塔”的火箭类似。ESA停飞了这一型号的火箭，直到工程师们查出了原因——主助推器存在冷却剂泄漏，但这也关闭了飞往46P的发射窗口。

到“罗塞塔”准备于2004年3月2日发射时，67P进入了人们的视野。1969年9月，使用位于哈萨克斯坦阿拉木图天体物理研究所的50厘米望远镜所拍摄的照相底片，天文学家克林姆·丘留莫夫（Klim Churyumov）和斯维特拉娜·格拉西缅科（Svetlana Gerasimenko）发现了这颗彗星。奇怪的是，即使在当时这颗彗星仍屈居次席——丘留莫夫是在格拉西缅科拍摄32P/科马斯索拉彗星的底片上偶然发现它的。

67P属于木星族彗星。天文学家认为这些天体起源于海王星之外的大型冰质天体带——被称为柯伊伯带。在那里所发生的碰撞会产生较小的碎块，而海王星的引力则会把它们中的一些送入内太阳系。最终，木星的强大引力会将它们俘获进入短周期轨道。尽管过程曲折跌宕，但木星族彗星的内部很可能保留有太阳系诞生时的原始材料。

对67P路径的计算显示，它曾经和木星发生过数次交会。在过去的200年中，最近的一次交会出现在1959年2月4日，当时两者距离只有780万千米。这次交会改变了67P的轨道并将其近日点距离削减了一半以上，到了约1.86亿千米——进入了“罗塞塔”可及的范围之内。

“罗塞塔”拍摄了67P的图像并对其大小进行了测量。版权：ESA/Rosetta/NAVCAM; Dimensions: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA。

罗塞塔探测器造访彗星之旅的轨迹图和时间线（底部）。版权：ESA。

漫长而曲折的道路

虽然67P进入了“罗塞塔”可及的范围之内，但是，“罗塞塔”仍需要帮助才能抵达这颗彗星。发射时重约3,000千克，其中有超过一半的燃料，阿丽亚娜5型火箭无法直接把它送往目的地。为此，它迂回64亿千米，飞掠行星4次来获得加速。

2005年3月4日、2007年11月13日和2009年11月13日，在从1,955千米到5,301千米的距离上，地球分别3次对其进行了引力助推。2007年2月25日，“罗塞塔”从火星表面上方250千米处飞过，再次获得助推。上述每一次的飞掠都给了任务科学家以机会来测试搭载的仪器设备，确保一切工作正常。

此外，它还飞掠了第2867号小行星施泰因斯和第21号小行星司琴星。飞掠施泰因斯的时间是2008年9月5日，两者距离803千米，观测显示这颗主带小行星的大小为6.7×5.8×4.5千米。它拥有许多大型的环形山，但小型的则相对较少，这可能是因为山体滑坡填补所致。

2010年7月10日“罗塞塔”访问了司琴星。这颗主带小行星的大小是施泰因斯的近20倍，为121×101×75千米。从3,162千米远的距离上，“罗塞塔”拍摄的图像显示司琴星由年龄差异巨大的部分组成。其最古老的地区看上去至少有35亿年，而最年轻的则可能只有几百万年的历史。

在飞掠司琴星大约一年后，“罗塞塔”任务主管于2011年6月8日将其切换成了休眠状态。“罗塞塔”靠太阳能电池板来产生其所需的所有电力；在这漫长休眠期中，它运动的范围远超出了此前任何由太阳能供电的探测器。在其轨道的最远端，“罗塞塔”飞到了木星之外，那里的太阳光强度下降到了不足地球轨道上的4%。

在31个月的时间里，“罗塞塔”把所需的功耗控制在了尽可能小的程度上。它中断了与地球的所有通讯，只产生足够的热量来防止自身和仪器设备“冻僵”。它还为搭载的一个“闹钟”供给了少量电力，后者在2014年1月20日如期将这个彗星探险家从沉睡中唤醒。

对准彗星

然而，“罗塞塔”仍有很长的路要走。在“闹钟”响起时，它距离67P约900万千米。到2014年5月，这个数值已减小到了100万千米，此时它开始了一系列的轨道机动，以期更加靠近目标。7月，67P开始逐渐在“罗塞塔”的相机中显现出形状，在其光学、分光和红外远距离成像系统（OSIRIS）中其核心的宽度已经超过了几个像素。

67P与此前看到的任何彗星都不一样，乍看之下它就像一只橡皮鸭子。虽然类似67P这样的哑铃形状在彗星和小行星中似乎并不罕见，但这是天文学家第一次有机会如此近距离地来研究它。没有人知道这些天体是如何形成的。一些科学家怀疑，它是由两颗彗星——甚至具有明显不同的成分——在低速碰撞中融合而成的。在太阳系形成时这些事件可能会经常发生，所以67P为我们打开一扇进入了那个时代的窗户。

或者，这一奇形怪状可能是破坏而非融合的标志。即便不是绝大多数，许多彗星似乎只是由弱引力所维系在一起的“碎石堆”。也许在与气态巨行星的密近交会中，彗星会被拉伸成两瓣，呈哑铃形。第三个假说认为，这样的彗星可能一开始是球形的，但在多次过近日点的过程中随着冰的升华逐渐变形。科学家希望“罗塞塔”能为67P形状的起源提供坚实的线索。

2014年10月28日“罗塞塔”的导航相机所拍摄的67P表面图像。版权：ESA/Rosetta/NavCam。

十年辉煌

“菲莱”与“罗塞塔”分离。版权：ESA/ATG medialab。

从2014年5月开始，任务控制人员进行了一系列共9次的推进器点火，在8月6日把“罗塞塔”送到了67P的近旁 。在约100千米的距离上，“罗塞塔”推进器再次点火，进入了环绕轨道。不过，这一轨道并非呈通常的圆形或椭圆形，而是一个三角形。该彗星微小的质量意味着它无法施加太大的引力，所以它需要进行一系列的点火操作才能维持在轨道上。

在8月间，“罗塞塔”完成了两条三角形轨道，前者的高度约100千米，后者的则为50千米。9月初，“罗塞塔”进一步下降到了其勘测轨道并在那里运转4周。科学家们预计，在29千米的高度上67P才能俘获住“罗塞塔”，此时它的轨道才会变成圆形。不过控制人员会把它的轨道放得更低，最终会定在距其表面19千米的地方。

在此期间，“罗塞塔”上的12台精密仪器会对67P进行详细的探测。除了OSIRIS的广角和窄角相机之外，分光仪、分析仪和其他设备还将探测该彗星的成分、温度、气体和灰尘的输出以及它的内部结构。

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“罗塞塔”和“菲莱”的由来

当欧洲空间局（ESA）在给将造访67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的2个探测器起名的时候，他们把目光转向了历史。“罗塞塔”指的是罗塞塔石碑。它是古代埃及时期的一大块火山玄武岩，目前陈列在伦敦大英博物馆。在这块石碑上用3种文字刻着公元前二世纪的法令，即古埃及象形文字、通俗体文字和古希腊文。

“菲莱”是尼罗河中的一个小岛，在那里发现了含有希腊和象形文字铭文的方尖碑。19世纪20年代，该方尖碑被运到了英国并保存至今。

这一方尖碑为破译罗塞塔石碑的象形文字提供了最后的线索，后者则成为了了解古埃及文明的关键。以类似的方式，ESA希望“罗塞塔”和“菲莱”可以成为破解彗星之谜并更好认识太阳系诞生的钥匙。

着陆67P

“菲莱”下降到67P表面过程的示意图。版权：ESA/ATG medialab。

前面所提及的这些任务只是“罗塞塔”从8月末到10月工作的一部分。在此期间同样重要的是要为“菲莱”寻找5个潜在的着陆地点。自发射起，这个100千克的有效载荷就连接在“罗塞塔”的身边，等待着机会的出现。如果一切顺利，在ESA和着陆器科学团队选定了科学上有趣且又安全的地点之后，它就会出动。

“罗塞塔”会以每秒1米的速度将“菲莱”下放到彗核上。当它触地时，着陆器将发射2枚鱼叉，以固定自身的位置。但在实际的着陆过程中鱼叉并没有如期被射出。于是，在第一次触地后，“菲莱”从67P的表面被反弹了起来，滞空近2小时。期间，以每秒38厘米的速度，运动了近1千米。之后，它又经历了一次小弹跳，以每秒3厘米的速度运动了近7分钟。

在“菲莱”成功触地67P后，其搭载的10台仪器将会开始工作。两个照相系统会拍摄其表面的全景和高分辨率图像。（它们在“菲莱”下降的过程中也会不断地抓拍图像。）其他的仪器将研究其表面和内部的组成和性质，另有一个钻机会对其表面之下的物质进行采样和分析。

科学家们预计“菲莱”在这一恶劣表面环境下至少可以生存几个月。如果确实如此的话，它就可以从距离太阳4.5亿千米到3亿千米的地方一直追踪该彗星的活动。但“罗塞塔”的工作还远远没有完成。它会跟随67P一起在2015年8月过近日点，那时太阳辐射会达到峰值，该彗星会喷射出大量的气体和尘埃。如果一切按计划进行，“罗塞塔”将继续工作到2015年底。

“罗塞塔”的项目科学家曾说，当2014年8月6日它开始环绕彗星时，你可以把科学家们已经完成的工作比作是在一个大城市中寻找一粒尘埃。然而，在不到一个月的时间，这粒尘埃已变成了一个独立的世界。到明年的这个时候，67P应该会成为整个太阳系中被研究得最深入的彗星。

“菲莱”着陆到67P表面。版权：ESA/ ATG medialab。

（责任编辑 张长喜）