图解深空探测史

文/ 叶楠

彗星探测

彗星是太阳系里的“流浪者”，它们的轨道大都非常扁平，其中大多数只会经过太阳附近一次而后飘然远去。彗星以其独具特色的彗尾而闻名，我国古代就有许多关于哈雷彗星的记载。近代研究表明，某些彗星拥有水冰，甚至还发现了某些氨基酸的踪迹。彗星的研究对于生命起源、行星诞生、太阳系演化等课题都有着极为重要的意义。但要想在茫茫太阳系中追上一颗彗星并不是一件容易的事，所以我们都是在地球轨道附近等待彗星的来临。

国际彗星探险者号：首探彗星

美国的国际彗星探险者号探测器于1978年8月12日发射升空，是第一个运行在日地L1点晕轨道的探测器，它最初的任务是研究太阳风与地磁场的相互作用，后改道探测彗星。1982年6月开始，“国际彗星探险者号”进行了一系列变轨操作，从环绕L1点的晕轨道移出，进入日心轨道；1985年9月11日，它穿过了21P/贾科比尼-津纳彗星的离子彗尾，距离彗核7800公里，成为人类历史上第一个对彗星进行探测的探测器。次年3月下旬，“国际彗星探险者号”正好运行到哈雷彗星和太阳之间，距离哈雷彗星彗核2800万公里。直到1997年，“国际彗星探险者号”才正式结束它的工作。但到了2014年7月，工程师们竟然还可以联系上这个探测器。

“哈雷舰队”探“哈雷”

当“国际彗星探险者号”从哈雷彗星与太阳之间飞过的时候，还有5个来自于苏联、欧洲及日本的探测器在更近的距离对哈雷彗星进行探测。这是人类有史以来对一颗天体进行的最为集中的探测，这些探测器也被统称为“哈雷舰队”（左图为邮票上的哈雷舰队）。其中，苏联实施的“韦加计划”于1984年底发射了两个金星-哈雷彗星探测器 —— 韦加1号、2号，它们分别于1986年3月6日和9日飞掠哈雷彗星，最近距离分别为8890公里和8030公里，在接近彗核的3小时内对其进行了密集探测，包括其体积、形状、温度、气体成分、尘埃组成等，共计传回约1500张哈雷彗星照片（右图是其中之一）。

先驱号与彗星号：日本首个深空探测器

日本的空间探索之路相较美国和苏联起步要晚一些，他们对太阳系小天体的兴趣显得更为浓厚。1985年1月7日，日本发射了他们的第一个行星际探测器 —— “先驱号”（左图），这使得日本成为了第三个成功发射深空探测器的国家。与“哈雷舰队”的其他探测器不同，“先驱号”并未携带任何的摄影设备，它更多的任务是要为后续发射的“彗星号”做好准备。

“彗星号”是日本发射的以探测哈雷彗星为主要目的的探测器，于1985年8月18日发射。1986年3月8日，“彗星号”从距离哈雷彗星彗核14.5万公里处飞过，拍摄了哈雷彗星彗核的紫外照片，并通过紫外光谱计算出彗核的自转周期约为2.2天。右图为印在邮票上的“彗星号”“乔托号”“韦加号”和挑战者号航天飞机。

乔托号：近距离飞掠哈雷彗星彗核

“乔托号”（上图）是欧空局于1985年7月2日发射的探测器，首要任务是探测哈雷彗星，也是“哈雷舰队”成员之一。得益于韦加1号、2号的数据，“乔托号”于1986年3月14日以596公里的距离飞掠哈雷彗星彗核，并拍摄到了彗核的照片。在探测完哈雷彗星后，“乔托号”上的仪器于3月15日暂时关闭，直到1990年7月2日再次启动。借助地球引力的加速，“乔托号”于1992年7月10日接近格里格-斯基勒鲁普彗星，这次飞掠距离仅有200公里。

通过“乔托号”的照片及其他探测数据我们终于可以看到哈雷彗星的真面目（下图）：彗核的颜色非常深，甚至比煤还黑，据推测应该是被一层厚实的尘埃所覆盖；彗核的形状类似花生，长15公里、宽7～10公里；彗核只有10%左右表面有地质活动，有数个喷射孔正在喷发物质，其中包含80%的水、10%的一氧化碳、2.5%的甲烷与氨的混合物，以及其他烃类、铁和钠元素；彗星的元素构成与太阳基本相同，这意味着组成哈雷彗星的成分与太阳系的原始成分相同。

深空1号：首次使用离子推进器

“深空1号”（左图）是美国宇航局新千年计划的一部分，旨在对一些新技术的应用进行测试。“深空1号”是历史上首个使用离子推进器的探测器，于1998年10月24日发射。它的首个探测目标是小行星9969，之后的拓展任务将它导向了19P/博雷利彗星。2001年9月22日，“深空1号”从距离博雷利彗星2171公里处飞掠，拍摄到清晰的彗星表面照片（右图）。之后，“深空1号”还对火星进行了远距离拍摄，其离子发动机于2001年12月18日关闭，任务结束。

星尘号：采样并返回

美国的星尘号探测器（左图）于1999年2月7日发射，其首要目标是对怀尔德2号彗星进行采样并返回。2004年1月2日，在围绕太阳公转两圈之后，“星尘号”与怀尔德2号彗星相会并拍摄到照片（右图）。由于怀尔德2号彗星的速度更快，此次相会实际上是彗星从后面追上并超越了“星尘号”，速度差达每秒6.1公里，最近距离237公里。在此期间，“星尘号”的气凝胶收集器顺利启动，收集彗星尘埃和星际尘埃。2006年1月15日，当“星尘号”再次回到地球附近时，样品返回舱与“星尘号”分离，以每秒12.9公里的速度进入大气层，成为进入大气层时速度最快的人造天体，最终通过降落伞在犹他州的沙漠中成功着陆。科学家们通过对彗星样本的分析发现存在液态水的证据，以及组成生命基本化学物质之一的甘氨酸。

深度撞击号：以撞击方式探测彗星

美国的深度撞击号彗星探测器（左图）于2005年1月12日发射升空，经过174天、4.29亿公里的飞行，于2005年7月3日抵达坦普尔1号彗星附近并释放撞击器。约24小时以后，重达370千克的铜制撞击器以每秒10.3公里的相对速度撞击彗星，撞击能量相当于4.7吨TNT炸药。撞击后10分钟，“深度撞击号”飞越距离彗核500公里处对撞击位置的物理特征进行了探测。基于对彗星内部化学组成的分析，天文学家推测坦普尔1号彗星可能形成于奥尔特云。右图是撞击后不久“深度撞击号”拍摄到的照片。

飞越哈特利2号彗星

“深度撞击号”在2005年完成对坦普尔1号彗星的探测后，开始一系列新的扩展任务。首先是计划在2008年12月从700公里处飞越85P/波辛彗星，但由于波辛彗星过于暗淡，天文学家们无法确定它的位置，不得不放弃了此次飞越。又经过了2年的飞行，抵达下一个任务目标—— 哈特利2号彗星，2010年5月28日“深度撞击号”进行了一次11.3秒的点火，于11月4日成功飞越哈特利2号彗星并传回了清晰的彗核照片（左图），可以清晰看到花生状的彗核及喷发。后续“深度撞击号”还完成了对彗星C/2009 P1、小行星（163249）2002GT的观测，并在2013年2月首次观测到C/2012 S1这颗被人们寄予厚望却又快速消失的彗星（右图）。

星尘号再访坦普尔1号彗星

“深度撞击号”在成功撞击坦普尔1号彗星后，由于撞击尘埃的遮挡当时并没有拍到撞击后的清晰图像。2007年7月，“星尘号”飞向坦普尔1号彗星，开启新的扩展任务，经过三年半的飞行，2011年2月15日，“星尘号”在181公里处飞越坦普尔1号彗星并拍摄了照片（上图）。3月24日，“星尘号”耗尽了它最后的燃料，从3.12亿公里处发回了最后的确认信号后便消失在茫茫宇宙中。下图为“深度撞击号”和“星尘号”拍摄的照片对比，后者可以看到撞击产生的坑洞。

罗塞塔号：首次登陆彗星

由欧空局研制的罗塞塔号彗星探测器（左图）于2004年3月2日发射，目标是67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星。由于67P彗星轨道周期为6.44年，需要经历两次回归才能和“罗塞塔号”相遇，因此“罗塞塔号”飞行了10年，于2014年5月开始降低自己的速度，9月10日进入预定轨道，距离彗核只有30公里。

“罗塞塔号”的10年旅程并不只是为了近距离看一眼67P（右图），它还携带了一个名叫菲莱的登陆器。“菲莱”总重100千克，三维尺寸为1米×1米×0.8米。2014年11月12日，“菲莱”与“罗塞塔号”分离，登陆过程持续约7个小时。与彗星最亲密的接触为科研人员提供了非常宝贵的数据，通过对67P水蒸汽同位素的测定发现与地球水截然不同，67P水中氘和氢的比例大约是地球水的3倍，这说明地球水不太可能来自于67P或与之类似的彗星。随着67P彗星距离太阳越来越远，“罗塞塔号”及“菲莱”的太阳能电池板无法提供足够的能量，2016年9月整个任务结束。