自遠(yuǎn)古時(shí)期開(kāi)始，彗星便以其壯觀的面貌和神秘的行蹤引起人類(lèi)的大量關(guān)注?，F(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到彗星中隱藏了大量太陽(yáng)系形成時(shí)留下的秘密。彗星探測(cè)，從哈雷彗星上一次回歸開(kāi)始，至羅塞塔任務(wù)達(dá)到一個(gè)頂峰。本期星際征途，來(lái)自上海天文臺(tái)的史弦研究員將為大家梳理人類(lèi)彗星探測(cè)的過(guò)往。史弦研究員是羅塞塔任務(wù)團(tuán)隊(duì)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(zhuān)欄主持人：李薦揚(yáng)

歐洲空間局（ESA）的羅塞塔（Rosetta）慧星探測(cè)任務(wù)是一次具有里程碑意義的深空探測(cè)任務(wù)，旨在研究彗星的成分、結(jié)構(gòu)和活動(dòng)，深入了解太陽(yáng)系的早期歷史。這個(gè)任務(wù)從1984年提出，到2016年成功完成，歷時(shí)超過(guò)30年，是幾代科學(xué)家和工程師的心血結(jié)晶，代表了現(xiàn)代航天技術(shù)和科學(xué)探索的巨大成就。

羅塞塔釋放菲萊著陸器，部署至67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（效果圖）

人類(lèi)探索彗星的漫長(zhǎng)歷史

歷史上的彗星記錄

彗星，自古以來(lái)便吸引了人類(lèi)的目光。它們像夜空中的孤獨(dú)旅人，拖著輝煌的尾巴劃過(guò)天際，帶著遠(yuǎn)方的星塵與秘密。在科技尚不發(fā)達(dá)的時(shí)代，人類(lèi)已經(jīng)對(duì)彗星進(jìn)行了長(zhǎng)期詳細(xì)的觀測(cè)和記錄。在古代，彗星的出現(xiàn)常常被認(rèn)為是天象異常，通常與災(zāi)難、政變、戰(zhàn)亂等事件聯(lián)系在一起。在《史記》《漢書(shū)》《左傳》《資治通鑒》等文獻(xiàn)中都有彗星的記載，且常常伴隨重大事件。在馬王堆出土的西。漢帛書(shū)《天文氣象雜占》中，還有對(duì)彗星豐富多彩的形態(tài)的刻畫(huà)記錄。

彗星的本質(zhì)

盡管彗星的出現(xiàn)總是帶來(lái)敬畏和擔(dān)憂，但人類(lèi)從沒(méi)有停止對(duì)彗星本質(zhì)的探索。

古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為彗星是地球大氣中的現(xiàn)象，而不是一類(lèi)天體，這一觀點(diǎn)深遠(yuǎn)地影響了歐洲直到中世紀(jì)的天文學(xué)研究。到了文藝復(fù)興時(shí)期，科學(xué)家對(duì)彗星的研究逐步深入。

1543年，哥白尼的日心說(shuō)提出后，人們開(kāi)始重新思考彗星的本質(zhì)。16世紀(jì)末，丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫利用視差法測(cè)量了1577年出現(xiàn)的一顆大彗星的距離，發(fā)現(xiàn)彗星遠(yuǎn)在大氣層外，甚至比月球的距離更遠(yuǎn)。

之后，艾薩克·牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中通過(guò)萬(wàn)有引力定律解釋了彗星的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)這是一類(lèi)在扁橢圓軌道上繞太陽(yáng)運(yùn)行的天體。

根據(jù)牛頓的理論，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德蒙·哈雷計(jì)算了歷史上出現(xiàn)過(guò)的大彗星的軌道，發(fā)現(xiàn)在1531、1607和1682年記錄的3顆彗星擁有幾乎完全一致的軌道參數(shù)。他論斷這其實(shí)是同一顆彗星的3次回歸，并預(yù)言下一次回歸將發(fā)生在1758年。當(dāng)這顆彗星在1758年如約回歸時(shí)，哈雷已逝世多年了，為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，這顆彗星以他的名字命名，就是著名的哈雷彗星（1P/Halley，P指周期短于200年的彗星）。

即便知道了彗星是一類(lèi)繞太陽(yáng)運(yùn)行的天體，它的結(jié)構(gòu)和成分依然充滿謎團(tuán)，這很大程度上是因?yàn)殄缧窃诒话l(fā)現(xiàn)時(shí)通常包裹在巨大的彗發(fā)中，我們的觀測(cè)都是“霧里看花”。20世紀(jì)50年代，美國(guó)天文學(xué)家弗雷德·惠普爾（Fred Whipple）提出了關(guān)于彗星本質(zhì)的著名理論——“臟雪球（Dirty Snowball）”模型。根據(jù)這個(gè)理論，彗星的核心是由冰和塵埃組成的彗核，像一個(gè)巨大的臟雪球。當(dāng)接近太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的輻射加熱使彗核含有的冰升華，產(chǎn)生的氣體帶起塵埃，形成了彗發(fā)，并在太陽(yáng)風(fēng)的作用下形成了可長(zhǎng)達(dá)上百萬(wàn)千米的彗尾。

然而，直到今天，最強(qiáng)大的空間望遠(yuǎn)鏡依然無(wú)法透過(guò)彗發(fā)分辨彗核。要想一睹彗核的真容，我們必須飛到彗星去。

馬王堆出土帛書(shū)《天文氣象雜占》中對(duì)彗星形態(tài)的刻畫(huà)

喬托號(hào)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(gè)圖像是由喬托號(hào)搭載的哈雷多色相機(jī)(HMC)拍攝的68幅圖像綜合得到的。

太空時(shí)代的彗星研究

20世紀(jì)中葉，人類(lèi)進(jìn)入太空時(shí)代，利用航天器對(duì)彗星進(jìn)行探測(cè)不再是妄想。絕佳的機(jī)會(huì)出現(xiàn)在1986年，這一年，哈雷彗星再度回歸。而這一次，人類(lèi)不再僅僅將地球上大大小小的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)這位老朋友，而是派出不止一個(gè)探測(cè)器對(duì)它進(jìn)行近距離的造訪，這些由不同航天機(jī)構(gòu)發(fā)射的探測(cè)任務(wù)組成了歷史上著名的“哈雷艦隊(duì)（Halley Armada）”。它們?cè)诓煌嚯x上掠過(guò)哈雷彗星的彗核，其中以ESA的喬托號(hào)（Giotto）探測(cè)器的飛掠距離為最近。1986年3月14日，喬托號(hào)探測(cè)器在596千米的距離上掠過(guò)哈雷彗星的彗核，拍下了人類(lèi)歷史上第一張高分辨率的彗核照片。

在“哈雷艦隊(duì)”之后，多個(gè)探測(cè)任務(wù)對(duì)不同的彗星目標(biāo)進(jìn)行了探測(cè)，包括首次對(duì)彗星實(shí)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(hào)（Stardust）任務(wù)。但是，所有這些任務(wù)都只對(duì)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(guò)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(zhǎng)的時(shí)間，見(jiàn)證它在逐漸靠近和遠(yuǎn)離太陽(yáng)的過(guò)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

羅塞塔——跨越三十年的夢(mèng)想

從概念到發(fā)射

事實(shí)上，早在喬托號(hào)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(duì)象※。1993年11月，羅塞塔（Rosetta）任務(wù)正式立項(xiàng)，這也是ESA的第一個(gè)行星基石任務(wù)（Planetary Cornerstone Mission），將利用一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)彗星的長(zhǎng)期伴飛監(jiān)測(cè)和著陸探測(cè)。正如羅塞塔石碑（Rosetta Stone）為解開(kāi)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(kāi)太陽(yáng)系形成與演化之謎打開(kāi)一扇門(mén)。

羅塞塔探測(cè)器和菲萊（Philae）著陸器上分別攜帶了11個(gè)和10個(gè)載荷。其中，大多數(shù)儀器是專(zhuān)門(mén)為彗星開(kāi)發(fā)的，僅用于研究彗星塵埃的儀器就有3個(gè)，分別針對(duì)不同尺寸的塵埃顆粒。

（※ 見(jiàn)ESA于1984年公布的《空間科學(xué)地平線2000》(Space Science Horizon 2000)報(bào)告。）

漫長(zhǎng)的深空旅程

但是，任務(wù)還沒(méi)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(cuò)過(guò)了前往目標(biāo)彗星維爾塔寧（46P/Wirtnan）的時(shí)間窗口。任務(wù)團(tuán)隊(duì)不得不在短短的1年時(shí)間內(nèi)重新選擇目標(biāo)和設(shè)計(jì)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(kù)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(zhǎng)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(duì)小行星斯坦因斯（Steins）和魯泰西亞（Lutetia）進(jìn)行了飛掠探測(cè)。2014年1月，羅塞塔在休眠半年后“醒來(lái)”，它即將迎來(lái)10年旅程的終點(diǎn)，開(kāi)始與彗星67P展開(kāi)長(zhǎng)達(dá)兩年半時(shí)間的共舞。

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(gè)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(cè)數(shù)據(jù)所推測(cè)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(guò)一個(gè)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(lèi)似。彗核表面僅在局部區(qū)域分布水冰顆粒，事實(shí)上，67P的表層可以用干燥來(lái)形容，含冰量不到1%。同時(shí)，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(cè)對(duì)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(cè)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

首次彗星著陸與菲萊的遺憾

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

由于高孔隙率和低體密度（67P的平均密度僅為550干克/米3），67P的表面引力僅為地球的五萬(wàn)分之一。在這種環(huán)境下，幾乎不存在著陸器由于“剎車(chē)”不足導(dǎo)致的墜毀風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)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(diǎn)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(diǎn)短暫接觸后重新彈起，飛向未知的終點(diǎn)。

幸運(yùn)的是，菲萊最終停留在了彗核的某個(gè)角落；不幸的是，這個(gè)角落在陰影之中，菲萊無(wú)法完全充電。盡管如此，菲菜上的多個(gè)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(gè)在彗星表面成功軟著陸并發(fā)送數(shù)據(jù)的探測(cè)器。

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

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(jī)OSIRIS開(kāi)展了尋找菲萊的行動(dòng)，最終在67P“小頭”的阿拜多斯（Abydos）區(qū)域的一個(gè)懸崖腳下發(fā)現(xiàn)了被卡住的菲萊。進(jìn)一步結(jié)合菲菜上搭載的磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們終于重構(gòu)出菲萊的艱險(xiǎn)歷程，并發(fā)現(xiàn)菲萊擦過(guò)彗核表面的痕跡，揭示出彗核淺表層富含的冰類(lèi)物質(zhì)。

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

在羅塞塔著陸前，OSIRIS相機(jī)回傳的最后一張圖像，顯示了彗核表面碎石的豐富形態(tài)。

羅塞塔實(shí)現(xiàn)的多個(gè)“首次”

菲萊著陸后的近兩年時(shí)間里，羅塞塔軌道器伴隨67P經(jīng)過(guò)近日點(diǎn)，出色完成了既定的科學(xué)探測(cè)計(jì)劃，獲得了大量高時(shí)空分辨率的不同類(lèi)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(yáng)系形成與演化的秘密。

ROSINA質(zhì)譜儀首次測(cè)得彗星67P釋放的水蒸氣中氫的同位素氚與氫的比值。氘/氫比被認(rèn)為是確定地球上水的來(lái)源的重要指征，而羅塞塔測(cè)得67P的氣/氫比是地球水的3倍。這表明地球上的水可能并非來(lái)自彗星。然而，2024年發(fā)表的最新研究對(duì)這一結(jié)果提出了異議，認(rèn)為兩個(gè)比值并沒(méi)有相差這么多。地球上水是否來(lái)自彗星依然是一個(gè)開(kāi)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(cè)到了彗星釋放的氧氣，且發(fā)現(xiàn)氧氣產(chǎn)率隨時(shí)間的變化與水蒸氣相關(guān)。雖然我們對(duì)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(yáng)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(jī)分子，這是否說(shuō)明彗星可能曾為原始地球帶來(lái)了生命誕生所需的物質(zhì)?

VIRTIS光譜儀數(shù)據(jù)首次證實(shí)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(yáng)升起時(shí)迅速升華，帶動(dòng)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(yáng)時(shí)，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(yáng)，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(jī)系統(tǒng)獲得了前所未有的高時(shí)空分辨率彗星圖像數(shù)據(jù)，揭示了很多之前從未見(jiàn)過(guò)的彗核活動(dòng)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(huì)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(guò)近日點(diǎn)的過(guò)程中是如何保持活性的。

羅塞塔上搭載的GIADA，COSIMA和MIDAS三個(gè)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(qiáng)度幾乎與“粉雪”相當(dāng)。這將直接關(guān)系到形成太陽(yáng)系的原行星盤(pán)中物質(zhì)是如何相互作用的。

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(cè)器和載荷的出色表現(xiàn)讓ESA決定將任務(wù)延長(zhǎng)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(guò)程中，探測(cè)器還持續(xù)回傳了大量寶貴數(shù)據(jù)。

未來(lái)的彗星探測(cè)

羅塞塔和菲萊已永遠(yuǎn)地安息在彗星67P上，但對(duì)它們采集傳回的寶貴數(shù)據(jù)的開(kāi)采還遠(yuǎn)未窮盡。在任務(wù)已經(jīng)過(guò)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(yáng)系的嶄新發(fā)現(xiàn)。

羅塞塔任務(wù)的成功，不僅是人類(lèi)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(duì)彗星的全新認(rèn)識(shí)，還為未來(lái)的大量深空探測(cè)任務(wù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

與所有偉大的深空探測(cè)任務(wù)一樣，羅塞塔回答了很多問(wèn)題，但提出了更多問(wèn)題，激發(fā)著人類(lèi)進(jìn)一步探索的熱情。ESA計(jì)劃于2029年發(fā)射下一個(gè)彗星探測(cè)任務(wù)“彗星攔截者”（Comet Interceptor），它的目標(biāo)是來(lái)自?shī)W爾特云的那些首次進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部的彗星，此類(lèi)彗星比67P更為原始，也將帶給我們更多關(guān)于太陽(yáng)系演化和生命起源的信息。

作者簡(jiǎn)介

史弦

2012年于中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)獲博士學(xué)位，之后在德國(guó)宇航局行星科學(xué)研究所和馬克斯·普朗克太陽(yáng)系研究所開(kāi)展小天體活動(dòng)與演化研究，是歐洲空間局羅塞塔探測(cè)任務(wù)科學(xué)相機(jī)載荷團(tuán)隊(duì)成員。2021年加入上海天文臺(tái)，組建太陽(yáng)系小天體探測(cè)與研究團(tuán)組。

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(shí)習(xí)編輯 | 范周桐