彗星探测与生命起源之谜

□ 国家天文台 郑永春

彗星探测与生命起源之谜

□ 国家天文台 郑永春

彗星一般主要由碳、氢、氧、氮、硫化合物构成，成分包括水冰、氨、甲烷、一氧化碳和少量的复杂有机物。最新的探测结果显示，彗星中含有硫化氢和氨，这会让它闻起来有点像臭鸡蛋和尿液的气味。当远离太阳时，彗星是黑暗的冰球，直径只有数千米，当接近太阳时则开始“熔化”，展示出彗发和彗尾，彗发甚至可以延伸到距彗核10万千米以远。

在望远镜发明以前，对彗星只能进行裸眼观测，古人将之视为不祥天象；在牛顿力学出现后的200年，人们开始研究彗星的轨道和周期，并成功预测了哈雷彗星（1P/Halley，编号中的P表示周期彗星）。1985年，乔托行星际探测器（Giotto）飞掠哈雷彗星，首次拍到彗核照片，而我们下一次再见到哈雷彗星则要等到2061年了。

2014年8月，罗塞塔探测器抵达67P/楚留莫夫－格拉希门克彗星（简称楚－格彗星）；11月13日，其携带的菲莱着陆器成功着陆，成为人类历史上首次登陆彗星表面的航天器。这次彗星探测任务成功吸引了全世界数十亿公众的眼球和长时间的关注，集中展示了欧洲的航天能力和未来雄心。

楚－格彗星的直径为4千米左右，引力只有地球的万分之一，飞行速度达每小时13.5万千米，菲莱要在距离地球5亿千米的太阳系一角跟上并登陆彗星表面，技术难度几乎不可思议。罗塞塔彗星探测任务开始于1993年，2004年3月发射，2014年11月登陆，历时21年；探测器在太空中飞行10年8个月，其中3次飞越地球，1次飞越火星，太空飞行距离超过60亿千米；整个任务设计探测寿命为4个月，耗资13亿欧元，几乎耗费了数千名精英科学家和工程师的心血。付出如此巨大的代价去探测彗星，究竟意义何在？

表 人类探测彗星的历史

罗塞塔轨道器上的科学仪器1.ALICE：紫外成像光谱仪；2. CONSERT：彗核雷达探测器；3. COSIMA：二次离子质谱仪；4. GIADA：颗粒撞击分析和集尘器；5. MIDAS：显微成像分析系统；6.MIRO：微波探测器；7.OSIRIS：轨道器成像系统；8. ROSINA：质谱仪；9. RPC：等离子分析设备；10. RSI：无线电探测器；11. VIRTIS：可见和红外成像光谱仪；12.Philae：菲莱着陆器。

首先，彗星探测对研究太阳系的物质组成和起源至关重要。彗星是太阳星云凝聚形成太阳和行星之后的残留物，彗星上没有地震、火山等地质活动，且远离太阳照射，长期被保存在又冷又暗的“冷库”中，几乎完美地保存了太阳系最初形成时的信息。彗星来自寒冷、黑暗的太阳系边缘，其中短周期彗星可能来自距离太阳40~50个天文单位以外的柯伊伯带，长周期彗星多来自距离太阳约5万~10万个天文单位的奥尔特云。奥尔特云被称为彗星的老家，那里聚集着数万亿颗彗星。

其次，彗星探测有望回答地球上的水是否来自彗星、为什么地球上的氨基酸都是左旋形式、彗星是否为地球开启了生命之门等关键问题，从而揭开地球生命起源之谜。自人类开始探索世界以来，始终被一个基本问题困扰着：我们来自哪里？即生命是如何起源的。根据现有认识和大量证据，生命的产生需要水和有机物。目前，地质学家倾向于认为地球上的水是原始地球岩浆分异产生的，而天文学家则倾向于认为地球上的水体是彗星撞击地球带来的。彗星是由水冰和石块组成的“脏雪球”。在地球早期历史中，大量彗星撞击地球表面，不仅带来了丰富的水源，形成了原始海洋，而且彗星携带的各类烷烃、氨基酸、脂肪酸、多环芳烃和卟啉等有机化合物也一起在海洋中熬成一锅有机“浓汤”。“浓汤”在适宜的地球环境条件下孕育了最初级的生命。

最后，从地球生物演化历史看，彗星等小天体的撞击多次导致地球气候环境灾变和生物灭绝事件，如6500万年前的恐龙大灭绝、100多年前的通古斯大爆炸等。1994年舒梅克-列维9号彗星连串撞击木星，带去了巨量的含硫、含氮物质及其他金属元素，释放的能量大约相当于20亿颗原子弹爆炸的能量；而2013年2月15日撞击俄罗斯车里雅宾斯克并导致人员受伤和大量建筑物受损的小天体直径还不到20米。可以预料彗星撞击地球的灾难性事件未来必然会再次发生。因此有必要通过彗星探测，了解彗核的结构和物质组成，精确掌握轨道运动规律。如果今后观测到可能撞击地球的彗星，我们就可以运用航天器引导改变彗星运行轨道，防止其撞击地球和危害人类安全。

左下图 菲莱着陆器着陆彗星表面示意图

右下图 菲莱着陆器上的科学仪器

我们在探索彗星时，也听到了反对的声音，有人认为我们还有人连温饱都没解决，为什么要去做这些没有经济回报、无助改善民生的事情呢？然而，作为一个负责任的大国，中国人应该对全人类的知识增长和安全福祉有所贡献。随着探月工程的成功实施，我国未来将开展火星、木星等行星探测任务，直接威胁人类生存繁衍的彗星和小行星也将成为中国未来深空探测的重要目标，目的是回答太阳系的起源、生命起源等基本科学问题，并保护地球和人类的安全。这些深空探测任务的数据传输、测控精度、航天器设计以及任务实施的时间跨度都将不断触及我国航天技术能力的极限。对太空探索的好奇心和冒险精神将激励我们的雄心和信心，通过实施科学牵引的太阳系探测，突破和掌握长寿命航天器设计、核同位素电源、长期行星际飞行、行星借力飞行、穿越小行星带、远距离测控等关键技术，中国航天必将实现新的跨越。

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长周期彗星的发源地

奥尔特云（Oort cloud）是一个理论上假设的、包围着太阳系的球状星云团。奥尔特云与太阳的距离约为5万～10万个天文单位，几乎等于1光年，相当于太阳与比邻星距离的四分之一。

短周期彗星的发源地

柯伊伯带（Kuiper belt）位于距离太阳约40～50个天文单位的黄道面附近（海王星位于距离太阳约30个天文单位的轨道上），是一个小天体密集的圆盘状中空区域。冥王星则是柯伊伯带中最大的天体。

小行星的发源地

小行星带是位于火星与木星轨道之间的小行星密集区域。在已发现的约12万颗小行星中，98.5%位于小行星带。小行星由岩石或金属组成，也有一些小行星可能是从彗星演化而来的，是彗核中的挥发性物质丢失后的残留物。