苦追十年——“羅塞塔”同彗星交會

□ 易林

編者按：8月6日,飛行了10年的歐洲空間局“羅塞塔”探測器與“丘留莫夫-格拉西緬科”（67P）彗星相遇，進入彗星研究方面最為激動人心的階段，期待“羅塞塔”這位率先與彗星“親密接觸”的使者為我們帶來的驚喜。另外，印度首個火星探測器“曼加里安”和美國“火星大氣與揮發物演變”探測器即將進入火星軌道，日本 將發射“隼鳥”-2小行星探測器。當這些人類的使者與星星相遇后，會發生什么故事呢？

“經過10年5個月又4天，繞太陽五圈、航行64億千米的長途旅行，我們終于非常高興地宣布‘我們到了’。”歐空局局長讓-雅克·多爾丹說。

北京時間8月6日，歐空局“羅塞塔”號彗星探測器抵達環繞目標彗星——“丘留莫夫-格拉西緬科”（67P）的軌道，同該彗星實施了交會，成為首個繞彗星運行的人造探測器。

作為歐空局的旗艦項目——“羅塞塔”號彗星探測器與“菲萊”著陸器，就像一名彗星獵手和它的獵犬，經過十年遠征，等到了它們狩獵生涯的高潮時刻。

“羅塞塔”到達了同該彗星相距100千米的位置，隨即開始發回圖像和數據。它將對該彗星進行18個月的深入研究，還將于11月把“菲萊”著陸器投放到這顆彗星的表面上，這將是人類探測器第一次登陸彗星。

“羅塞塔”，我們到了

“今天的成就，是延續數十年的國際努力的結果。”歐空局科學和機器人探索部門主任阿爾瓦羅·吉門內茲說，“自從這項任務最早在上世紀70年代構想、在1993年獲批以來，我們已經走過了很長的路，現在我們已經準備好開啟科學發現的寶藏，必將重寫未來幾十年關于彗星的教科書。”

據歐空局官方網站直播，北京時間8月6日下午，“羅塞塔”號終于來到與彗星交會的位置，軌道進入的操作也自此開始。17時，“羅塞塔”上一個很小但極其關鍵的推進器開始點火，持續6分26秒后按計劃結束，20多分鐘后，信號成功經過地面確認，17時29分，“羅塞塔”進入環繞彗星軌道。

“羅塞塔”號于2004年3月2日發射升空。而它的孕育還得追溯到“哈雷”彗星探測潮。科學家從上世紀 70年代開始討論彗星探測項目。在 1986年“哈雷”彗星來臨時，世界各國派出了一群探測器去圍觀“哈雷”彗星，其中最重要的是歐空局非常成功的“喬托”號。在探測器傳回大量豐富有價值的科學資料后，明顯地需要增加更多探測器以了解復雜的彗星成分以及解決新增加的問題。于是，“羅塞塔”項目應用而生。

探測器以羅塞塔石碑為命名，希望此任務能幫助解開行星形成前的太陽系的謎。登陸器以尼羅河中小島的名字“菲萊”命名，有一塊方尖碑在那里被發現且協助解讀羅塞塔石碑。

連同探測器和著陸器建造、發射和運行在內，“羅塞塔”項目耗資13億歐元（詳見本刊今年第6期）。為了與“丘留莫夫-格拉西緬科”會合，“羅塞塔”在 10 年里5 次飛過太陽附近，3次借助地球引力、1次借助火星引力來提速。火星附近借力飛行被昵稱為“十億美元的賭博”。2007 年 2 月 25 日，“羅塞塔”安排了一次低高度通過火星，因為第一次發射被拖延了一年而必須修正軌道。這并不是沒有風險的，因為飛越高度只有 250 千米。當時探測器處在火星的遠端，有 15 分鐘無法接收到任何太陽光，必須靠電池供電，而且探測器進入待命模式，不可能進行通訊。

在2008年9月飛越2867號小行星和2010年7月飛越21號小行星后，“羅塞塔”于2011年6月進入自旋穩定的“休眠”模式，即除星上計算機和休眠加熱器繼續工作外，所有電子設備關閉。“休眠”可以使“羅塞塔”保存能源，但也是最為冒險的階段。

“羅塞塔”訪問過的目標

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羅塞塔石碑

羅塞塔石碑， 高1.14米，寬0.73米，制作于公元前196年，刻有古埃及國王托勒密五世登基的詔書。石碑上用希臘文字、古埃及文字和當時的通俗體文字刻了同樣的內容，這使得近代的考古學家得以有機會對照各語言版本的內容后，解讀出已經失傳千余年的埃及象形

文之意義與結構，而成為今日研究古埃及歷史的重要里程碑。羅塞塔石碑最早是在1799年時由法軍上尉皮耶-佛罕索瓦·札維耶·布夏賀在一個埃及港灣城市羅塞塔發現，但在英法兩國的戰爭之中輾轉到英國手中，自1802年起保存于大英博物館中并公開展示。經過創紀錄的957天的休眠，今年1月20日，“羅塞塔”被喚醒，為本次交會做準備。

與“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星會合，“羅塞塔”進入彗星軌道后圍繞該彗星轉動，開始為期18個月的空中環繞觀測，繪制彗星地圖，分析懸浮物質，記載相關數據，同時為“菲萊”選擇合適的著陸點。

長得像鴨子的“楚留香”

“我們用了10年時間才到達這一步。現在我們要學習如何與彗星對接。”“羅塞塔”任務運行主管西爾萬·羅迪歐如是說。在8月6日與彗星會合之后，“羅塞塔”號將陪同彗星一起不斷向太陽靠近，隨后推進器還會有數次點火及熄滅。

被網友們戲稱為“楚留香”的“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星，誕生于約46億年前的太陽系形成初期，其大小為3千米×5千米，約每6.5年繞太陽運行一圈，運行軌道為橢圓形，遠日點在木星以外，近日點在火星和地球之間。交會后，“羅塞塔”將繼續開展機動，同該彗星的距離將逐漸縮短到只有10千米。其間，探測器上的11臺儀器將分析彗尾成分，并測繪彗星上的地形，為11月份投放的“菲萊”著陸器選定著陸點。

就像一個飛行著的“冰箱”，彗星儲存著最原始的物質。科學家認為，目前從地球能看到的彗星大部分來自太陽系邊緣的奧爾特云。那里的物質歷經數十億年未變，保持著太陽系形成初期的原始成分。研究這些彗星，有助于了解太陽系的原始化學組成與狀態。

除此之外，對“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的探測，還有望揭開地球生命誕生之謎。有科學家認為，彗星中存在生命演化必備的有機物質和水。地球形成之初，大量的彗星撞擊事件將水和有機物質帶到地球，開啟了地球生命的演化之旅。但這些分子的結構、含量仍不確定。登陸彗星有利于獲得進一步的數據，證實它們的存在，并研究它們與地球生命的關系。

“羅塞塔”還在路上時就已經逐漸揭示了“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的特性。今年4－6月，“羅塞塔”的光學與紅外相機拍攝的圖片顯示它的活動狀況變化不定，它的彗發在6周的時間里變得非常明亮，然后又黯淡下去了。

同一時期內，“羅塞塔”上的微波儀器也完成了首次測量，表明彗星正在以每秒300毫升的速度向太空中蒸發水分。與此同時，可見和紅外熱成像儀也測量了彗星的平均溫度——零下70℃，表明表面主要以暗色灰塵為主，而不是干凈的冰。

然后，“羅塞塔”在距離12000千米時，拍到了驚人的照片，表明這顆彗星的彗核實際上由兩部分組成，中間有一個“脖子”相連，看起來像一只鴨子。后續圖像給出了越來越多的細節——最新的高分辨率圖像不斷傳送回來。

“羅塞塔”取樣分析和測量“丘留莫夫—格拉西緬科”（67P）彗星成分

“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星的彗核竟是由兩個連接在一起的部分組成

“第一批清晰的彗星圖給我們提出了很多問題。”歐空局“羅塞塔”項目科學家馬特·泰勒說。“這個兩段結構，是兩顆不同的彗星在太陽系漫長歷史里融合到一起了嗎？還是一顆彗星經歷了戲劇性的不對稱長年剝蝕？‘羅塞塔’正處于研究這一獨特天體的最好位置。”

8月6日，“羅塞塔”離彗星表面僅有100千米，但它會逐漸靠得更近。在接下來的6個星期里，它會在彗星前面描畫出兩道三角形軌跡，首先是在100千米距離，然后是在50千米距離。與此同時，更多的儀器將會更詳細地研究彗星，仔細檢查它的表面，尋找適合“菲萊”著陸器的落點。最后，“羅塞塔”將會選定一個近圓形的30千米貼近軌道，視彗星活動狀況而定，可能還會靠得更近。

去吧，騎上那顆彗星

“抵達彗星只是一項更大的冒險的開端。要了解如何在這種未知環境中進行操作、開始入軌到最后的登陸，我們將面臨更大的挑戰。”歐空局負責管理“羅塞塔”操作的席勒維·羅迪歐說。

在8月6日進行了最初的交會動作后，“菲萊”著陸器的官方推特一度“賣萌”，發出“我們到彗星沒有呢”的詢問，隨后得到了“羅塞塔”軌道

“楚留香”彗星特別像一只小鴨子

“羅塞塔”拍攝的高清照片

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有7顆彗星已經被探測器造訪過

人類已經向太陽系中的每一顆行星派出了探測器。但令人驚訝的是，在“羅塞塔”探測67P彗星之前，被探測器造訪過的彗星的數量也不少。他們是：

19P/“博雷利”彗星：“深空”1號探測器

81P/“懷爾德”2號彗星：“星塵”探測器

“麥克諾特”彗星：“尤利西斯”探測器

21P/“賈科比尼-青納”彗星：國際彗星探測器

26P/“葛里格-斯克杰利厄普”彗星：“喬托”探測器

“哈雷”彗星：“喬托”探測器、“維佳”1號和2號探測器、“先驅者”探測器、“翠聲”探測器

“坦普爾”1號彗星：“深度撞擊”探測器

這其中絕大多探測器都是從彗星附近飛過采集數據。但2005年“深度撞擊”探測器采取了主動出擊的策略。它所釋放出的撞擊體以每秒10千米的速度撞上了8千米長、5千米寬的“坦普爾”1號彗星，在彗核上留下了一個直徑100米的環形山。器十分肯定的回答。到8月底，“羅塞塔”將給出最多5個登陸位點，首選登陸點將在9月中揭曉。

在11月份到來時，“羅塞塔”號必須找出一個合適的地點投放“菲萊”，讓它的三足固定系統著陸彗星表面，在彗星因接近太陽而變得愈加活躍時，現場采集測量數據。根據7月份“羅塞塔”發回的最新圖像顯示，這顆彗星的彗核竟是由兩個連接在一起的部分組成。科學家們需要謹慎考慮，在哪里著陸才能讓科學回報最大化，但無論選在哪里，在彗星上著陸，都將是一個前所未有的巨大挑戰。

“羅塞塔”號探測器與它的目標彗星

“菲萊”裝在“羅塞塔”軌道器的側面，著陸時采用腿式緩沖機構。由于該彗星的引力很小，當著陸器在彗星表面著陸時要防止被彈出去。科學家們將使“菲萊”減速后以每秒1米的速度緩慢自然降落。即使是這樣，仍舊像人在行走時撞上墻一樣，所以著陸器有3條“腿”，在與彗核接觸瞬間3條腿可以吸收掉大部分撞擊功能，起到緩沖作用。一旦同彗核接觸，立即伸出一個叉鉤，將自己固定在彗核表面。

這次探測的關鍵是“羅塞塔”獲得太陽能的多少。在飛行中，它要展開一對14米長的太陽能電池翼，并能夠在極低溫的狀態下吸收微弱的太陽能。

“菲萊”登陸“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星后，最重要的任務便是對彗星的成分進行取樣分析。探測器發回的初步資料表明，“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星正在以約每秒1/3升的速度噴出水氣，而當其靠近太陽時噴出速度將增加成百上千倍。之前美國的“星塵”探測器和“深度撞擊”都對彗星進行了飛掠式探測，并采集了彗星物質，“星塵”號甚至帶著彗星物質返回了地球，但在這么近的距離研究彗星還是第一次，有人用“去吧，騎上那顆彗星”來表達此刻的心情。希望“羅塞塔” 給彗星拴上了韁繩，一起依次掠過美麗的行星，馳騁在太陽風的吹拂之中。

“羅塞塔”釋放“菲萊”著陸器

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“羅塞塔”上的科學儀器

“羅塞塔”起飛質量為3000千克，由“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器組成。“羅塞塔”主體是一個2.8×2.1×2.0 米的結構體，其頂端安裝11種科學載荷，而底部則安裝其他輔助分系統。飛船上還安裝有一臺直徑 2.2 米的高增益通訊天線，而在相反的另一面則搭載著著陸器“菲萊”。

“羅塞塔”軌道器載有11種儀器，用于分析彗星的物理和化學構成及其電磁和引力等特性：①用于拍攝彗核和小行星的高分辨率光學分光與紅外遙感成像系統；②用于分析彗發和彗核中的氣體、測量彗星的水分和CO/CO2的生成速率并提供有關彗核表面成分數據的紫外成像光譜儀；③用于測繪與研究彗核表面的固態物質和表面溫度的可見光與紅外熱成像光譜儀；④用于測量彗星主要氣體成分、表面放氣率和彗核溫度的微波儀；⑤用于測定彗核大氣層和電離層的成分、氣體中帶電粒子的速度和有它們參加的反應以及研究小行星可能存在的放氣現象的離子與中子分析光譜儀；⑥用于觀察是否含有有機物質并分析彗星發射出的塵埃、微粒的成分等特性的彗星次級離子質量分析儀；⑦用于研究小行星和彗星周圍環境中塵埃、微粒的微型成像塵埃分析系統；⑧用于測量彗核和來自其他方向（受太陽輻射壓作用）的塵埃微粒數量、質量和動量的微粒撞擊分析與塵埃收集器；⑨用于測量彗核的物理特性、研究內彗發的結構和彗星與太陽的相互作用、監測彗星活動的等離子探測器包；⑩用于研究由彗核反射和散射的射電波，借以探測彗星內部構造的射電波發射彗核探測實驗件；用于測量彗核的質量、密度和引力，確定彗星的軌道，研究彗發的內部情況等的射電科學研究儀器。

“菲萊” 上一共安裝了 9 臺科學設備，設備總重約 21 千克。另外它還攜帶了鉆探設備，用于鉆探到彗核表面以下20厘米，將采集的樣品交給不同的加熱爐或用于顯微鏡觀察的樣品與分發裝置。這 9 臺科學載荷包括：

“菲萊”在彗星表面進行勘探

①用于探測α粒子和X射線，從而提供彗表元素成分數據的α粒子與X射線光譜儀；②用于拍攝表面全景照片和研究從表面采集的樣品的成分、構造和反射率的彗核紅外與可見光分析儀；③用于探測彗核內部結構的射電波發射彗核探測實驗件（來自軌道器上同名儀器的射電波將穿過彗核，由著陸器上的一臺應答機發送回去）；④用于根據元素和分子組成來探測和確定有機分子絡合物的彗星采樣與成分實驗件；⑤用于對輕元素的同位素比率進行精確測定的穩態同位素中輕元素/托勒密實驗件；⑥用于測量彗表的密度及熱力學和力學特性的表面與表層科學多用途遙感器；⑦用于在下降過程中獲取高分辨率圖像，并獲取其他儀器采樣區的立體全景圖像的“羅塞塔”著陸器成像系統；⑧用于研究當地磁場和彗星與太陽風間的相互作用的“羅塞塔”著陸器磁強計與等離子體監測儀；⑨用于測定彗星外層特性的表面電、震動與聲學監測實驗件。