科學(xué)世界·星際征途

自遠(yuǎn)古時期開始，彗星便以其壯觀的面貌和神秘的行蹤引起人類的大量關(guān)注?，F(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)識到彗星中隱藏了大量太陽系形成時留下的秘密。彗星探測，從哈雷彗星上一次回歸開始，至羅塞塔任務(wù)達(dá)到一個頂峰。本期星際征途，來自上海天文臺的史弦研究員將為大家梳理人類彗星探測的過往。史弦研究員是羅塞塔任務(wù)團(tuán)隊成員，目前仍然繼續(xù)在羅塞塔收集的海量數(shù)據(jù)中探尋彗星的奧秘。 

專欄主持人：李薦揚

01  從概念到發(fā)射

20世紀(jì)中葉，人類進(jìn)入太空時代，利用航天器對彗星進(jìn)行探測不再是妄想。絕佳的機會出現(xiàn)在1986年，這一年，哈雷彗星再度回歸。而這一次，人類不再僅僅將地球上大大小小的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)這位老朋友，而是派出不止一個探測器對它進(jìn)行近距離的造訪，這些由不同航天機構(gòu)發(fā)射的探測任務(wù)組成了歷史上著名的“哈雷艦隊（Halley Armada）”。它們在不同距離上掠過哈雷彗星的彗核，其中以ESA的喬托號（Giotto）探測器的飛掠距離為最近。1986年3月14日，喬托號探測器在596 千米的距離上掠過哈雷彗星的彗核，拍下了人類歷史上第一張高分辨率的彗核照片。

喬托號于1986年3月14日拍下的哈雷彗星彗核。圖片顯示出彗核的形狀不規(guī)則，表面反照率極低。這個圖像是由喬托號搭載的哈雷多色相機（HMC）拍攝的68幅圖像綜合得到的。

在“哈雷艦隊”之后，多個探測任務(wù)對不同的彗星目標(biāo)進(jìn)行了探測，包括首次對彗星實施撞擊的深度撞擊（Deep Impact）任務(wù)，和首次采集彗星噴發(fā)的塵埃顆粒返回地球的星塵號（Stardust）任務(wù)。但是，所有這些任務(wù)都只對目標(biāo)進(jìn)行了飛掠，它們獲取的數(shù)據(jù)僅定格了彗星豐富的演化過程的某一瞬間。要想進(jìn)一步了解彗星的起源和演化，必須伴隨一顆彗星足夠長的時間，見證它在逐漸靠近和遠(yuǎn)離太陽的過程中發(fā)生的一切。這就是羅塞塔任務(wù)的初衷，也是它前所未有的成就。

事實上，早在喬托號發(fā)射之前的1984年，ESA已在空間科學(xué)遠(yuǎn)景規(guī)劃中將短周期彗星伴飛任務(wù)作為優(yōu)先考慮的對象。1993年11月，羅塞塔（Rosetta）任務(wù)正式立項，這也是ESA的第一個行星基石任務(wù)（Planetary Cornerstone Mission），將利用一次任務(wù)實現(xiàn)對目標(biāo)彗星的長期伴飛監(jiān)測和著陸探測。正如羅塞塔石碑（Rosetta Stone）為解開古埃及象形文字之謎提供了關(guān)鍵信息，科學(xué)家們希望這一任務(wù)成為行星科學(xué)的羅塞塔石碑，為解開太陽系形成與演化之謎打開一扇門。

羅塞塔探測器和菲萊（Philae）著陸器上分別攜帶了11個和10個載荷。其中，大多數(shù)儀器是專門為彗星開發(fā)的，僅用于研究彗星塵埃的儀器就有3個，分別針對不同尺寸的塵埃顆粒。

羅塞塔探測器和菲萊著陸器上攜帶的儀器載荷

02  漫長的深空旅程

但是，任務(wù)還沒發(fā)射就遇到了挑戰(zhàn)。原定于2003年2月的發(fā)射由于火箭原因被迫取消，以致錯過了前往目標(biāo)彗星維爾塔寧（46P/Wirtnan）的時間窗口。任務(wù)團(tuán)隊不得不在短短的1年時間內(nèi)重新選擇目標(biāo)和設(shè)計軌道。最終，2004年3月2日，阿麗亞娜5G+型火箭在法屬圭亞那庫魯航天中心升空，成功將羅塞塔送上了去往新目標(biāo)——彗星丘留莫夫-格拉西緬科（67P/Churyumov-Gerasimenko）的漫長旅程。

為了節(jié)省燃料并加速航行，羅塞塔利用3次地球和1次火星的重力助推逐步加速，向目標(biāo)彗星靠近。期間，還在2008年和2010年分別對小行星斯坦因斯（Steins）和魯泰西亞（Lutetia）進(jìn)行了飛掠探測。2014年1月，羅塞塔在休眠半年后“醒來”，它即將迎來10年旅程的終點，開始與彗星67P展開長達(dá)兩年半時間的共舞。

03  初遇67P——顛覆想象的彗核

2014年8月6日，羅塞塔成功進(jìn)入了伴飛67P彗星的軌道，成為首個在繞彗星軌道上停留的航天器。隨著羅塞塔的逐步接近，67P彗核呈現(xiàn)的形貌出乎所有人的意料。與利用地基觀測數(shù)據(jù)所推測的形狀大相徑庭，67P彗核就像一只“小黃鴨”，呈雙體（bi-lobe）結(jié)構(gòu)，由約3千米直徑的大頭和約2千米直徑的小頭通過一個狹窄的頸部相連。彗核整體極暗，平均反照率僅5%左右，與煤炭類似。彗核表面僅在局部區(qū)域分布水冰顆粒，事實上，67P的表層可以用干燥來形容，含冰量不到1%。同時，彗核表面呈現(xiàn)豐富的地質(zhì)形貌，有大量較為平坦、被細(xì)顆粒覆蓋的區(qū)域，也分布著坑洞、溝壑和懸崖。這些觀測對解釋67P的起源和演化提出了挑戰(zhàn)，也提供了寶貴線索。

羅塞塔探測器在距離67p彗核10000（a)、1000（b)和100（c)千米位置上拍攝的67p彗核照片

04  首次彗星著陸與菲萊的遺憾

到達(dá)67P后不久，羅塞塔就開始了對彗核的高分辨率測繪工作，除了認(rèn)識彗核外，主要目標(biāo)就是為菲萊著陸器尋找合適的著陸點。著陸區(qū)的選擇必須平衡工程安全與科學(xué)價值，最終選定的著陸點位于彗核“小頭”。

菲萊搭載的全景相機CIVA在著陸后的2014年11月12日拍攝的最終著陸點環(huán)境圖像

由于高孔隙率和低體密度（67P的平均密度僅為每立方米550千克），67P的表面引力僅為地球的五萬分之一。在這種環(huán)境下，幾乎不存在著陸器由于“剎車”不足導(dǎo)致的墜毀風(fēng)險，但卻存在著陸后如何固著于彗核表面的挑戰(zhàn)。為此，菲萊著陸器攜帶了3套不同機制的固定系統(tǒng)。2014年11月12日，菲萊著陸器被成功地從羅塞塔上釋放，并完美落于既定的著陸點阿吉爾基亞（Agilkia）。可惜的是，它攜帶的噴氣反推裝置和錨固冰爪雙雙出現(xiàn)故障，菲萊在與著陸點短暫接觸后重新彈起，飛向未知的終點。

幸運的是，菲萊最終停留在了彗核的某個角落；不幸的是，這個角落在陰影之中，菲萊無法完全充電。盡管如此，菲萊上的多個載荷仍然成功采集并發(fā)送了重要的科學(xué)數(shù)據(jù)，包括彗核形貌、表層物理化學(xué)特性、成分等。菲萊成為了第一個在彗星表面成功軟著陸并發(fā)送數(shù)據(jù)的探測器。

值得一提的是，在羅塞塔任務(wù)結(jié)束前，軌道器上搭載的科學(xué)相機OSIRIS開展了尋找菲萊的行動，最終在67P“小頭”的阿拜多斯（Abydos）區(qū)域的一個懸崖腳下發(fā)現(xiàn)了被卡住的菲萊。進(jìn)一步結(jié)合菲萊上搭載的磁強計的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們終于重構(gòu)出菲萊的艱險歷程，并發(fā)現(xiàn)菲萊擦過彗核表面的痕跡，揭示出彗核淺表層富含的冰類物質(zhì)。

羅塞塔上搭載的OSIRIS相機在任務(wù)結(jié)束前不到1個月的2016年9月2日拍攝到了菲萊著陸器

05  羅塞塔實現(xiàn)的多個“首次”

菲萊著陸后的近兩年時間里，羅塞塔軌道器伴隨67P經(jīng)過近日點，出色完成了既定的科學(xué)探測計劃，獲得了大量高時空分辨率的不同類型數(shù)據(jù)，向我們揭示了彗星不為人知的一面，以及與之相關(guān)的太陽系形成與演化的秘密。

在羅塞塔著陸前，OSIRIS相機回傳的最后一張圖像，顯示了彗核表面碎石的豐富形態(tài)。整張照片對應(yīng)1米見方的彗核表面區(qū)域。

◆ ROSINA質(zhì)譜儀首次測得彗星67P釋放的水蒸氣中氫的同位素氘與氫的比值。氘/氫比被認(rèn)為是確定地球上水的來源的重要指征，而羅塞塔測得67P的氘/氫比是地球水的3倍。這表明地球上的水可能并非來自彗星。然而，2024年發(fā)表的最新研究對這一結(jié)果提出了異議，認(rèn)為兩個比值并沒有相差這么多。地球上水是否來自彗星依然是一個開放議題，相關(guān)的討論還在進(jìn)一步深入。

◆ ROSINA質(zhì)譜儀還首次直接探測到了彗星釋放的氧氣，且發(fā)現(xiàn)氧氣產(chǎn)率隨時間的變化與水蒸氣相關(guān)。雖然我們對于氧氣在彗核里如何貯存又如何釋放并不完全了解，但這一發(fā)現(xiàn)為我們理解彗星的物質(zhì)組成和太陽系早期物質(zhì)提供了新的視角。除此之外，ROSINA還發(fā)現(xiàn)了包括氨基酸在內(nèi)的大量有機分子，這是否說明彗星可能曾為原始地球帶來了生命誕生所需的物質(zhì)？

◆ VIRTIS光譜儀數(shù)據(jù)首次證實彗核上的確存在周日水冰循環(huán)。夜晚，彗核內(nèi)部的溫度高于表層，水蒸氣在彗核表層凝華成霜；霜凍在太陽升起時迅速升華，帶動塵埃顆粒的噴發(fā)，維持著彗發(fā)的形態(tài)。兩年多的數(shù)據(jù)還揭示了67P存在季節(jié)性的顏色變化，彗核與彗發(fā)的顏色始終相反。在遠(yuǎn)離太陽時，彗核上覆蓋的干燥表層使其偏紅，而彗發(fā)偏藍(lán)；隨著彗核接近太陽，表層物質(zhì)被剝離，露出富冰的次表層，彗核逐漸變藍(lán)，而彗發(fā)則變紅。

◆ OSIRIS相機系統(tǒng)獲得了前所未有的高時空分辨率彗星圖像數(shù)據(jù)，揭示了很多之前從未見過的彗核活動形態(tài)。特別是，OSIRIS發(fā)現(xiàn)彗核噴發(fā)的物質(zhì)并不是全部逃逸，其中有相當(dāng)一部分會回落在彗核的其他區(qū)域，構(gòu)成了彗核復(fù)雜的“物質(zhì)循環(huán)”，這也許能夠解釋彗星在一次又一次經(jīng)過近日點的過程中是如何保持活性的。

◆ 羅塞塔上搭載的GIADA，COSIMA和MIDAS三個塵埃分析載荷發(fā)現(xiàn)，彗核的塵埃顆粒的孔隙率可高達(dá)90%以上，它們的強度幾乎與“粉雪”相當(dāng)。這將直接關(guān)系到形成太陽系的原行星盤中物質(zhì)是如何相互作用的。

06  任務(wù)結(jié)束與羅塞塔最后的“安息”

羅塞塔任務(wù)原定于2015年底結(jié)束，但探測器和載荷的出色表現(xiàn)讓ESA決定將任務(wù)延長至2016年9月30日。這一天，羅塞塔按照既定軌道，緩緩落向它在67P彗核上的最終歸宿——塞伊斯（Sais）區(qū)域。在這一下落過程中，探測器還持續(xù)回傳了大量寶貴數(shù)據(jù)。

07  未來的彗星探測

羅塞塔和菲萊已永遠(yuǎn)地安息在彗星67P上，但對它們采集傳回的寶貴數(shù)據(jù)的開采還遠(yuǎn)未窮盡。在任務(wù)已經(jīng)過去快十年的今天，科學(xué)家們依然在不停獲取關(guān)于彗星和太陽系的嶄新發(fā)現(xiàn)。

羅塞塔任務(wù)的成功，不僅是人類航天史上的一大突破，也是天文學(xué)和行星科學(xué)的一次偉大飛躍。它不僅提供了對彗星的全新認(rèn)識，還為未來的大量深空探測任務(wù)提供了寶貴經(jīng)驗。與所有偉大的深空探測任務(wù)一樣，羅塞塔回答了很多問題，但提出了更多問題，激發(fā)著人類進(jìn)一步探索的熱情。ESA計劃于2029年發(fā)射下一個彗星探測任務(wù)“彗星攔截者”（Comet Interceptor），它的目標(biāo)是來自奧爾特云的那些首次進(jìn)入太陽系內(nèi)部的彗星，此類彗星比67P更為原始，也將帶給我們更多關(guān)于太陽系演化和生命起源的信息。

文章作者簡介

史弦，2012年于中國科學(xué)院上海天文臺獲博士學(xué)位，之后在德國宇航局行星科學(xué)研究所和馬克斯·普朗克太陽系研究所開展小天體活動與演化研究，是歐洲空間局羅塞塔探測任務(wù)科學(xué)相機載荷團(tuán)隊成員。2021年加入上海天文臺，組建太陽系小天體探測與研究團(tuán)組。

人類對未知世界的探索從未停止，在之后的專欄中，我們將帶來更多星際探索的故事：探尋“行星內(nèi)核”的秘密的靈神星號、從行星際到恒星際空間遠(yuǎn)征的旅行者號、揭開土星神秘面紗的卡西尼號......更多精彩內(nèi)容，盡在《科學(xué)世界》星際征途專欄！

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第4期，文章內(nèi)容略有刪改。

實習(xí)編輯 | 唐一菲