“菲莱”首次登陆彗星

□ 诸葛杭仁

2014年11月12日，欧洲“罗塞塔”探测器向距离地球5.14亿千米的67P/丘尤穆夫-杰拉西门克彗星（简称67P彗星）的彗核投放了所携带的着陆器“菲莱”，使它成为世界首个在彗星着陆的探测器。这是人类历史上第一次登陆彗星“近距离”开展研究，它将开启人们对彗星和宇宙的新认知。

尽管“菲莱”着陆不十分完美，因而目前面临着一些困难，但从总体讲是基本成功的，并已获得一些重要科学数据，所以其前景还是十分令人期待。如果着陆后的“菲莱”能够解决电源问题，它可以深入探测67P彗星表面和表层以下的物质成分、硬度和密度并拍照，对该彗星核以及彗星射出的气体、尘埃进行详细研究，以帮助弄清与太阳系形成和生命起源相关的奥秘。其所获信息通过“罗塞塔”轨道器传回地球。与此同时，“罗塞塔”轨道器继续围绕彗星飞行，收集彗核的有关数据，从而帮助科学家们进一步了解彗星的性质和组成。预计，这项探测任务将于2015年12月结束。任务结束后，“罗塞塔”轨道器还将继续绕彗星飞行，直到2016年底。届时它因离太阳太远而无法产生足够的能量继续飞行。欧空局正在考虑在任务终结时，把“罗塞塔”“停”在彗星上，让它和“菲莱”重聚。

惊心动魄的着陆

“罗塞塔”由14个欧洲国家及美国的50余家公司参与，项目主承包商为欧洲阿斯特留姆公司。它的起飞质量3吨，由“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器组成。 由于动力系统不足以将“罗塞塔”直接送往目标彗星，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，最终迂回抵达目标彗星。

2014年11月12日，“罗塞塔”从22千米高向彗星表面投放了100千克重的“菲莱”着陆器，用于在彗星冰盖上进行化学检测。这是一次从没尝试过的危险实践。

一是人类探测器首次在彗星着陆，没有任何经验，距离又很远，达5亿千米，通信延时长达28分20秒；探测器距离彗星表面22千米，相当于商业航班飞行高度的2倍左右，然后在某一时刻向自转周期为12.4小时的67P彗星表面丢下一个冰箱大小的盒子，然后希望它在7小时后能准确的落在一座山上的某一个位置上，误差不能超过1平方千米，所以具有很大风险。另外，彗星很不稳定，它不断放出的尘埃和气体会伤害探测器。由于距离地球很远，所以“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器都被设计为自动执行任务，一旦它们接到前进命令，控制中心的科学家就不能再调整着陆器轨迹了。“菲莱”与“罗塞塔”分离必须极为精确，一英寸的误差就可能让着陆器偏离目标250米。

二是 67P彗星的彗核直径只有大约4千米，形状非常不规则，给着陆器登陆造成困难。为此，欧洲“罗塞塔”在进入67P彗星轨道后就开始寻找合适的着陆点。它先是在100千米轨道为“菲 莱”挑选了5个候选着陆地点。后来又在30千米高的轨道上对候选着陆点进行了更为详细的科学测量，深入分析，最终选定了J点。这个着陆点相比其他候选着陆点来说风险是最小的，它位于67P彗星的“头部”，斜坡较少，但其地形对彗星活动勘探来说仍意味着不少挑战。备选着陆点为C点，它位于彗星的“身体”上。

三是由于该彗星的引力很小，只有地球的10万分之一，这意味着100千克的“菲莱”到彗星上仅重1克，着陆器落下时比羽毛飘落地面还要慢，所以当着陆器在彗星表面着陆时要防止被弹出去。“菲莱”着陆时采用腿式缓冲机构。它以3.5千米/小时、几乎等同于步行的速度缓慢自然降落，“走”完最后的22千米路程。7个小时后它才抵达彗核。在与彗核接触的瞬间，“菲莱”伸出三条着陆腿，着陆腿底部旋出冰螺栓钻入彗星的表面之下以便固定，不过在实际着陆时冰螺栓失效了。另外，在同彗核接触时，它本应射出2个类似“鱼叉”的叉钩把自己固定在彗核表面，防止飘走，但也因故障没有射出。其上的一个冷气推进器还失灵了，它本应在着陆后喷射氮气气流，把“菲莱”压在彗星表面上，以便消除“菲莱”弹离彗星表面的可能性，并且抵消鱼叉发射时的上推力，但多次尝试都没有成功。结果“菲莱”着陆时曾2次弹跳，弹跳高度一次为1千米，另一次为20米，最终落在彗星上一处峭壁的阴影之中。其3次着陆的时间分别为北京时间11月12日23：34、13 日 01：25 和 01：32。由此，科学家发现彗星表面并不是非常坚硬的，而是软质表面，更像是一个蹦床。这也意味着“菲莱”无法从备用的太阳能电池获取足够能量，而其自带电池只能够维持64小时的运转。

由于电力不足，“菲莱”着陆后不久就进入“休眠”状态。在“休眠”前与地面控制人员进行了近2小时通信，把登陆彗星后开展的所有科学数据传回了地球。

2014年11月14日，“菲莱”在推特网站的官方账户发布一则消息说：“我已成功转身（35°）。从这个角度看彗星可是一幅全新景象呀。”这标志着“菲莱”完成了2个复杂动作：钻探坚硬的彗星表面并转身捕捉更多阳光。“菲莱”成功升高4厘米并转动太阳能电池板以尽量吸收光能，为以后可能完成苏醒储备了能量。

2014年北京时间11月15日08：36，“菲莱”与地面失去联系。在“休眠”状态下，“菲莱”的所有实验设备和大部分系统会关闭。欧空局表示，除非“菲莱”的太阳能电池板获取足够光照并转化成足够电力使“菲莱”苏醒，否则地面控制人员不可能再与“菲莱”建立联系。不过，随着彗星与太阳的距离越来越近，光照条件也会有所改善。如果受到充足日光照射的话，“菲莱”的太阳电池板可以额外提供每天1小时的电量，并持续5个月之久。

微型机器人实验室

“菲莱”着陆器的名字是由一个15岁的意大利女孩提出的，这个女孩在欧洲年轻人命名探测器的竞争活动中胜出。

“菲莱”大小如同一个电冰箱，在飞往67P彗星途中装在“罗塞塔”轨道器侧面。它由1块基板、1个仪器平台和1个多面体夹层组成，所有结构采用碳纤维。实际上，“菲莱”就像一个微型机器人实验室，装备了10种总质量为26千克探测设备，它们分别为：①用于探测α粒子和X射线，从而提供彗表元素成分数据的α粒子与X射线光谱仪；②用于拍摄表面全景照片和研究从表面采集的样品的成分、构造和反射率的彗核红外与可见光分析仪，它用6台同样的微型相机来拍摄表面的全景照片，另用一台光谱仪来研究从表面采集的样品的成分、构造和反射率；③用于探测彗核内部结构的射电波发射彗核探测实验件（来自轨道器上同名仪器发射的射电波将穿过彗核，由着陆器上的一台应答机发送回去）；④用于根据元素和分子组成来探测和确定有机分子络合物的彗星采样与成分实验件；⑤用于对氢元素的同位素比率进行精确测定的稳态同位素中氢元素/托勒密实验件；⑥用位于着陆器锚定装置上、探头上和外部的遥感器来测量彗表的密度及热力学和力学特性的表面与亚表面科学多用途遥感器；⑦用于在下降过程中获取高分辨率图像，并获取其它仪器采样区的立体全景图像的“罗塞塔”着陆器成像系统；⑧用于研究当地磁场和彗星与太阳风间的相互作用的“罗塞塔”着陆器磁强计与等离子体监测仪；⑨用于钻探到表面以下20厘米以上，采集样品，并交给不同的加热炉或用于显微镜观察的样品与分发装置；⑩用于测定彗星外层特性的表面电、震动与声学监测实验件，它由3台小仪器组成，其中彗星声探测表面实验件测定声音通过彗表的传播方式，介电常数探测仪研究其电特性，尘埃回落监测仪测量回落到表面上的尘埃。

它们将用于对彗核表层以下的物质取样，就地研究分析彗核表面和表面下层物质的成分，重点是调查有否存在有机物质；同时也研究彗核表面的强度、密度、致密性、疏松性、冰块和热特性等物理特性，并把拍到的照片通过“罗塞塔”传回地面控制中心。这些设备标志着欧洲对太空研究的全新战略思路和设计理念。

取得初步成果

目前“菲莱”着陆器的状况不那么乐观。 从它2014年11月13日晨传回地球的全景照片看，“菲莱”处于一处悬崖的底部，几乎与彗星表面垂直，3条着陆腿中的1条可能悬空。虽然 “菲莱”着陆器在工作约64小时后，因电力耗尽进入“休眠”状态，但它在“休眠”前传回的数据仍然带给科学家惊喜。

负责分析数据的德国科学家在2014年11月19日透露，“菲莱”上的气体分析仪器在彗星的大气中“嗅”到了含碳有机分子。含碳有机分子是构成地球生命的基础物质之一，这一发现有助于解地球生命的最初来源。科学家将进一步分析“菲莱”探测到的物质是否包含构成蛋白质的复杂化合物。而且，“菲莱”已对67P彗星表面进行了钻探，以寻找表层以下的有机分子，不过目前还不知道“菲莱”是否能将采集的样品转到彗星采样与成分实验件上进行分析。

目前的结果显示，彗星表面并非如之前预计的那么柔软。因为“菲莱”上表面与亚表面科学多用途遥感器中的一个温度传感器拟插入彗星表面40厘米深处，但并没有成功。科学家推测，传感器在进入表面10～20厘米处时可能碰到了坚硬如冰的物质层。现在，科学家寄希望于彗星在靠近太阳的时候能重新“唤醒”该着陆器。大约等到2015年春季的时候，“菲莱”着陆器会与“罗塞塔”轨道器取得联系；到2015年夏季，彗星上的温度将可以满足‘菲莱’太阳能电池的充电需求。到时候，一直保持在轨飞行的“罗塞塔”轨道器会接收从休眠状态苏醒的“菲莱”发出的所有信号。

来自彗星上的录音

2014年11月20日，德国航空航天中心公布了“菲莱”2014年11月12日登陆彗星时一段来自彗星的珍贵录音，它包含了探测器着陆时的2秒撞击声。这段简短的录音由“菲莱”着陆腿底部的表面电、震动与声学监测实验件录制。这段声音显示，“菲莱”着陆器先是接触到了一个几厘米厚的软质层，但就在几毫秒之后，它的支脚似乎碰到了67P彗星彗核坚硬的部分，可能是冰层。另外，录音还证实了“菲莱”着陆器确实在彗星上发生了2次弹跳。

科学家还解释了他们是如何“聆听”“菲莱”飞向彗星以及着陆的过程。在“菲莱”的下降阶段，其表面电、震动与声学监测实验件中的彗星声探测表面实验件先是感知用来保持稳定飞行的飞轮的振动，但接下来却没有记录到用来锚固的推进器和鱼叉被触发的声音。由于二者的失灵使得“菲莱”在第1次与地面接触后被弹开。“罗塞塔”上的磁强计与等离子体监测仪获得的数据也可以证实“菲莱”第1次触地之后没有立即下沉回到彗星地面上。此后，彗星声探测表面实验件还“听”到了着陆器所携带的表面与亚表面科学多用途遥感器的锤击，也许锤击轻微地摇摆了着陆器，使得不同的着陆腿底部接触地面，因为3条着陆腿底部的表面与亚表面科学多用途遥感器锤击声没有同时被彗星声探测表面实验件录制到。

“罗塞塔”项目耗资约13亿欧元。欧空局专家们认为花这么多钱绝对值，因为它刷新了人们对彗星的认识，并正试图解答关于太阳系历史的一些宏大问题。婴儿时期的太阳系是什么样？它是如何演变的？在此过程中，彗星扮演着怎样的角色？彗星是如何运行的？当“菲莱”着陆的信号到达地球后，欧空局局长多尔丹说，这是人类文明的一大步。它不仅第一次成功进入彗星轨道，而且第一次在彗星表面投放了着陆器。