“菲萊”首次登陸彗星

□ 諸葛杭仁

2014年11月12日，歐洲“羅塞塔”探測器向距離地球5.14億千米的67P/丘尤穆夫-杰拉西門克彗星（簡稱67P彗星）的彗核投放了所攜帶的著陸器“菲萊”，使它成為世界首個在彗星著陸的探測器。這是人類歷史上第一次登陸彗星“近距離”開展研究，它將開啟人們對彗星和宇宙的新認知。

盡管“菲萊”著陸不十分完美，因而目前面臨著一些困難，但從總體講是基本成功的，并已獲得一些重要科學數據，所以其前景還是十分令人期待。如果著陸后的“菲萊”能夠解決電源問題，它可以深入探測67P彗星表面和表層以下的物質成分、硬度和密度并拍照，對該彗星核以及彗星射出的氣體、塵埃進行詳細研究，以幫助弄清與太陽系形成和生命起源相關的奧秘。其所獲信息通過“羅塞塔”軌道器傳回地球。與此同時，“羅塞塔”軌道器繼續圍繞彗星飛行，收集彗核的有關數據，從而幫助科學家們進一步了解彗星的性質和組成。預計，這項探測任務將于2015年12月結束。任務結束后，“羅塞塔”軌道器還將繼續繞彗星飛行，直到2016年底。屆時它因離太陽太遠而無法產生足夠的能量繼續飛行。歐空局正在考慮在任務終結時，把“羅塞塔”“停”在彗星上，讓它和“菲萊”重聚。

驚心動魄的著陸

“羅塞塔”由14個歐洲國家及美國的50余家公司參與，項目主承包商為歐洲阿斯特留姆公司。它的起飛質量3噸，由“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器組成。 由于動力系統不足以將“羅塞塔”直接送往目標彗星，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，最終迂回抵達目標彗星。

2014年11月12日，“羅塞塔”從22千米高向彗星表面投放了100千克重的“菲萊”著陸器，用于在彗星冰蓋上進行化學檢測。這是一次從沒嘗試過的危險實踐。

一是人類探測器首次在彗星著陸，沒有任何經驗，距離又很遠，達5億千米，通信延時長達28分20秒；探測器距離彗星表面22千米，相當于商業航班飛行高度的2倍左右，然后在某一時刻向自轉周期為12.4小時的67P彗星表面丟下一個冰箱大小的盒子，然后希望它在7小時后能準確的落在一座山上的某一個位置上，誤差不能超過1平方千米，所以具有很大風險。另外，彗星很不穩定，它不斷放出的塵埃和氣體會傷害探測器。由于距離地球很遠，所以“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器都被設計為自動執行任務，一旦它們接到前進命令，控制中心的科學家就不能再調整著陸器軌跡了。“菲萊”與“羅塞塔”分離必須極為精確，一英寸的誤差就可能讓著陸器偏離目標250米。

二是 67P彗星的彗核直徑只有大約4千米，形狀非常不規則，給著陸器登陸造成困難。為此，歐洲“羅塞塔”在進入67P彗星軌道后就開始尋找合適的著陸點。它先是在100千米軌道為“菲 萊”挑選了5個候選著陸地點。后來又在30千米高的軌道上對候選著陸點進行了更為詳細的科學測量，深入分析，最終選定了J點。這個著陸點相比其他候選著陸點來說風險是最小的，它位于67P彗星的“頭部”，斜坡較少，但其地形對彗星活動勘探來說仍意味著不少挑戰。備選著陸點為C點，它位于彗星的“身體”上。

三是由于該彗星的引力很小，只有地球的10萬分之一，這意味著100千克的“菲萊”到彗星上僅重1克，著陸器落下時比羽毛飄落地面還要慢，所以當著陸器在彗星表面著陸時要防止被彈出去。“菲萊”著陸時采用腿式緩沖機構。它以3.5千米/小時、幾乎等同于步行的速度緩慢自然降落，“走”完最后的22千米路程。7個小時后它才抵達彗核。在與彗核接觸的瞬間，“菲萊”伸出三條著陸腿，著陸腿底部旋出冰螺栓鉆入彗星的表面之下以便固定，不過在實際著陸時冰螺栓失效了。另外，在同彗核接觸時，它本應射出2個類似“魚叉”的叉鉤把自己固定在彗核表面，防止飄走，但也因故障沒有射出。其上的一個冷氣推進器還失靈了，它本應在著陸后噴射氮氣氣流，把“菲萊”壓在彗星表面上，以便消除“菲萊”彈離彗星表面的可能性，并且抵消魚叉發射時的上推力，但多次嘗試都沒有成功。結果“菲萊”著陸時曾2次彈跳，彈跳高度一次為1千米，另一次為20米，最終落在彗星上一處峭壁的陰影之中。其3次著陸的時間分別為北京時間11月12日23：34、13 日 01：25 和 01：32。由此，科學家發現彗星表面并不是非常堅硬的，而是軟質表面，更像是一個蹦床。這也意味著“菲萊”無法從備用的太陽能電池獲取足夠能量，而其自帶電池只能夠維持64小時的運轉。

由于電力不足，“菲萊”著陸后不久就進入“休眠”狀態。在“休眠”前與地面控制人員進行了近2小時通信，把登陸彗星后開展的所有科學數據傳回了地球。

2014年11月14日，“菲萊”在推特網站的官方賬戶發布一則消息說：“我已成功轉身（35°）。從這個角度看彗星可是一幅全新景象呀。”這標志著“菲萊”完成了2個復雜動作：鉆探堅硬的彗星表面并轉身捕捉更多陽光。“菲萊”成功升高4厘米并轉動太陽能電池板以盡量吸收光能，為以后可能完成蘇醒儲備了能量。

2014年北京時間11月15日08：36，“菲萊”與地面失去聯系。在“休眠”狀態下，“菲萊”的所有實驗設備和大部分系統會關閉。歐空局表示，除非“菲萊”的太陽能電池板獲取足夠光照并轉化成足夠電力使“菲萊”蘇醒，否則地面控制人員不可能再與“菲萊”建立聯系。不過，隨著彗星與太陽的距離越來越近，光照條件也會有所改善。如果受到充足日光照射的話，“菲萊”的太陽電池板可以額外提供每天1小時的電量，并持續5個月之久。

微型機器人實驗室

“菲萊”著陸器的名字是由一個15歲的意大利女孩提出的，這個女孩在歐洲年輕人命名探測器的競爭活動中勝出。

“菲萊”大小如同一個電冰箱，在飛往67P彗星途中裝在“羅塞塔”軌道器側面。它由1塊基板、1個儀器平臺和1個多面體夾層組成，所有結構采用碳纖維。實際上，“菲萊”就像一個微型機器人實驗室，裝備了10種總質量為26千克探測設備，它們分別為：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，它用6臺同樣的微型相機來拍攝表面的全景照片，另用一臺光譜儀來研究從表面采集的樣品的成分、構造和反射率；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發射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用于對氫元素的同位素比率進行精確測定的穩態同位素中氫元素/托勒密實驗件；⑥用位于著陸器錨定裝置上、探頭上和外部的遙感器來測量彗表的密度及熱力學和力學特性的表面與亞表面科學多用途遙感器；⑦用于在下降過程中獲取高分辨率圖像，并獲取其它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用于鉆探到表面以下20厘米以上，采集樣品，并交給不同的加熱爐或用于顯微鏡觀察的樣品與分發裝置；⑩用于測定彗星外層特性的表面電、震動與聲學監測實驗件，它由3臺小儀器組成，其中彗星聲探測表面實驗件測定聲音通過彗表的傳播方式，介電常數探測儀研究其電特性，塵埃回落監測儀測量回落到表面上的塵埃。

它們將用于對彗核表層以下的物質取樣，就地研究分析彗核表面和表面下層物質的成分，重點是調查有否存在有機物質；同時也研究彗核表面的強度、密度、致密性、疏松性、冰塊和熱特性等物理特性，并把拍到的照片通過“羅塞塔”傳回地面控制中心。這些設備標志著歐洲對太空研究的全新戰略思路和設計理念。

取得初步成果

目前“菲萊”著陸器的狀況不那么樂觀。 從它2014年11月13日晨傳回地球的全景照片看，“菲萊”處于一處懸崖的底部，幾乎與彗星表面垂直，3條著陸腿中的1條可能懸空。雖然 “菲萊”著陸器在工作約64小時后，因電力耗盡進入“休眠”狀態，但它在“休眠”前傳回的數據仍然帶給科學家驚喜。

負責分析數據的德國科學家在2014年11月19日透露，“菲萊”上的氣體分析儀器在彗星的大氣中“嗅”到了含碳有機分子。含碳有機分子是構成地球生命的基礎物質之一，這一發現有助于解地球生命的最初來源。科學家將進一步分析“菲萊”探測到的物質是否包含構成蛋白質的復雜化合物。而且，“菲萊”已對67P彗星表面進行了鉆探，以尋找表層以下的有機分子，不過目前還不知道“菲萊”是否能將采集的樣品轉到彗星采樣與成分實驗件上進行分析。

目前的結果顯示，彗星表面并非如之前預計的那么柔軟。因為“菲萊”上表面與亞表面科學多用途遙感器中的一個溫度傳感器擬插入彗星表面40厘米深處，但并沒有成功。科學家推測，傳感器在進入表面10～20厘米處時可能碰到了堅硬如冰的物質層。現在，科學家寄希望于彗星在靠近太陽的時候能重新“喚醒”該著陸器。大約等到2015年春季的時候，“菲萊”著陸器會與“羅塞塔”軌道器取得聯系；到2015年夏季，彗星上的溫度將可以滿足‘菲萊’太陽能電池的充電需求。到時候，一直保持在軌飛行的“羅塞塔”軌道器會接收從休眠狀態蘇醒的“菲萊”發出的所有信號。

來自彗星上的錄音

2014年11月20日，德國航空航天中心公布了“菲萊”2014年11月12日登陸彗星時一段來自彗星的珍貴錄音，它包含了探測器著陸時的2秒撞擊聲。這段簡短的錄音由“菲萊”著陸腿底部的表面電、震動與聲學監測實驗件錄制。這段聲音顯示，“菲萊”著陸器先是接觸到了一個幾厘米厚的軟質層，但就在幾毫秒之后，它的支腳似乎碰到了67P彗星彗核堅硬的部分，可能是冰層。另外，錄音還證實了“菲萊”著陸器確實在彗星上發生了2次彈跳。

科學家還解釋了他們是如何“聆聽”“菲萊”飛向彗星以及著陸的過程。在“菲萊”的下降階段，其表面電、震動與聲學監測實驗件中的彗星聲探測表面實驗件先是感知用來保持穩定飛行的飛輪的振動，但接下來卻沒有記錄到用來錨固的推進器和魚叉被觸發的聲音。由于二者的失靈使得“菲萊”在第1次與地面接觸后被彈開。“羅塞塔”上的磁強計與等離子體監測儀獲得的數據也可以證實“菲萊”第1次觸地之后沒有立即下沉回到彗星地面上。此后，彗星聲探測表面實驗件還“聽”到了著陸器所攜帶的表面與亞表面科學多用途遙感器的錘擊，也許錘擊輕微地搖擺了著陸器，使得不同的著陸腿底部接觸地面，因為3條著陸腿底部的表面與亞表面科學多用途遙感器錘擊聲沒有同時被彗星聲探測表面實驗件錄制到。

“羅塞塔”項目耗資約13億歐元。歐空局專家們認為花這么多錢絕對值，因為它刷新了人們對彗星的認識，并正試圖解答關于太陽系歷史的一些宏大問題。嬰兒時期的太陽系是什么樣？它是如何演變的？在此過程中，彗星扮演著怎樣的角色？彗星是如何運行的？當“菲萊”著陸的信號到達地球后，歐空局局長多爾丹說，這是人類文明的一大步。它不僅第一次成功進入彗星軌道，而且第一次在彗星表面投放了著陸器。