在漫長的航天任務之後,“羅塞塔”号彗星探測器按照訓示,撞擊到彗星表面,并開動探測儀器,錄制自己墜向死亡的過程,傳回彗星表面的特寫鏡頭。
它萬裡獨行的樂章即将終結,但要用華麗的音節作為結束:在漫長的航天任務之後,“羅塞塔”号(rosetta)彗星探測器按照歐洲空間局的訓示,撞擊到彗星“67p/楚留莫夫-格拉希門克”(67p/churyumov-gerasimenko)的表面,并開動探測儀器,錄制自己墜向死亡的過程,傳回彗星表面的特寫鏡頭。在撞擊彗星幾秒前,“羅塞塔”就徹底關閉,開始默默滑向宇宙深淵。英國《泰晤士報》引用歐洲航天局進階科學顧問馬克•麥考林的話說:“這顆彗星将帶着‘羅塞塔’前往木星以外。”

“羅塞塔”号彗星探測器
上一次“羅塞塔”這麼受關注,還是在2014年。2014年11月12日,“羅塞塔”号探測器釋放出命名為“菲萊”的着陸器,經曆7個小時的着陸過程,成功登陸了彗星“67p/楚留莫夫-格拉希門克”(正是“羅塞塔”最終消亡之處)。“羅塞塔”号探測器在多年的飛行任務期間,進行了許多的科學探測,今天就來盤點一下這枚探測器。
所謂彗星,古人叫它“掃把星”,是一種繞太陽運動的天體,從遠離太陽進入太陽系内部時,亮度和形狀會随着它與太陽之間的距離的變化而變化,呈雲霧狀的獨特外貌,在後面好像拖了條尾巴(掃把)。彗星“67p/楚留莫夫-格拉希門克”是一顆軌道周期為6.45年,直徑約4公裡的彗星。它于2015年8月13日到達近日點(其橢圓軌道離太陽最近的位置)。2004年3月2日,歐洲空間局發射了“羅塞塔”号彗星探測器,目标就是探測這顆彗星。
“羅塞塔”探測器的主成像儀拍攝的彗星頸部,攝于2014年9月5日
“羅塞塔”号的名字來源于“羅塞塔石碑”(rosetta stone)。該石碑于1799年在埃及的港灣城市“羅塞塔”發現,因而得名。石碑上镌刻了三段分别用埃及象形文字、通俗體文字和希臘文書寫文字。由于文字的内容完全相同,科學家終于在1822年破譯出了古埃及的象形文字,打開了通向古埃及曆史文明的大門。羅塞塔石碑的發現是古埃及象形文字成功釋讀的關鍵。而說到彗星,它是由太陽系誕生初期的物質構成的,由于它自身的溫度極低并處在溫度極低的宇宙空間,是以在太陽系誕生46億年來,彗星幾乎始終保持着形成初期的狀況,對它進行研究将有助于人類揭開太陽系形成之謎。歐洲航天局希望這個儀器通過探測彗星也能在太空探測中、特别是了解太陽系天體起源的研究中,起到突破性的作用,是以用“羅塞塔”給它命名。至于着陸器“菲萊”,它的名字來源于尼羅河中小島的名字,曾有一塊方尖碑在那裡被發現且協助解讀羅塞塔石碑。
羅塞塔石碑
早在1991年,“羅塞塔彗星彗核取樣計劃”就被列入了歐洲空間局(esa)和美國宇航局(nasa)的計劃之中。科學家計劃用彗星探測器把一個着陸器和一個傳回艙送到特定彗星上面。然後,着陸器将在彗星表面提取樣品,傳回艙把這些樣品帶回地球。他們希望這一探測器能提供彗星儲存了數十億年之久的太陽系初期資訊,進而研究太陽系形成之謎。
“羅塞塔”号探測器原本計劃在2003年1月12日發射,并在2011年與彗星46p會面,然而這個計劃因為2002年12月11日一場亞利安五号運載火箭的失敗而取消。由于錯過了這一發射實機,新的計劃将目标改為彗星67p,探測器計劃在2004年2月26日發射,并在2014年會面。然而随着計劃的改變,由于彗星更大的品質及随之增加的撞擊速度,登陸器裝置必須修改。“羅塞塔”号探測器在兩次嘗試發射取消後,終于在2004年3月2日的英國格林威治時間7:17(所謂世界時)于庫魯航天發射中心(位于南美洲北部法屬蓋亞那中部的庫魯地區,緊靠赤道)發射。
“羅塞塔”号的目标是彗星67p——但抵達之前需要經過4次軌道調整。它不僅要在環地球軌道上完成變軌制動,3次飛過地球,并且在2007年還與火星“擦肩而過”。在這幾次飛越星體的行動中,“羅塞塔”利用地球或火星的引力,采用相對運動的原理,好像彈弓一樣,在飛離時大幅度提升飛行速度,節省飛行能量。
“羅塞塔”号的軌迹
在這4次軌道調整中,2007年,“羅塞塔”号以僅僅250公裡的高度飛越火星。當它在火星遠端時,有15分鐘無法接收到任何太陽光,是以不能使用太陽能闆,是以整個航天器進入待命模式,無法通訊,依靠電池飛行——然而這次變軌與延期發射和改變目标有關,電池并沒有為這次變軌進行設計,是以當時也被稱為“十億美元的賭博”。幸好,飛越非常成功,“羅塞塔”号得以繼續執行任務。
2014年8月6日,經過10年的時間和60億公裡的飛行距離,“羅塞塔”号終于與彗星67p接軌,以最高每小時13.5萬公裡的速度繞太陽飛行,與彗星相距不到100公裡,成為人類史上首個進入彗星軌道的太空飛行器。它攜帶的照相機拍攝了彗星表面的照片。由于遠離太陽難以給太陽能闆充電,2014年1月之前,“羅塞塔”号經曆了31個月的“休眠”。接軌之後,“羅塞塔”号就着手準備拍出登陸器登陸彗星。
這枚“羅塞塔”号探測器重約3噸,大小約12立方米,共裝備了10個科學探測儀器,用于分析彗星的實體和化學構成及其電磁和引力的特性等。它裝備了一對各長14米的太陽能電池陣列,有超過60平方米的面積最低可以提供400瓦的功率。羅塞塔号的着陸器“菲萊”将在彗星的彗核表面鑽一個深度超過20厘米的洞,從彗核的表層以下提取物質,然後放到顯微鏡下研究,進而實地研究彗核的表面,以及表層下的成分構成、硬度、密度等,它還裝載了一個特殊的照相機,屆時将把它拍攝到的照片傳回地球的地面控制中心。同時,羅塞塔号環繞彗核飛行時,還觀測了彗核逐漸接近太陽的時候,彗核上的物質(主要是冰)逐漸升華,形成彗發和彗尾的過程。
歐洲航空航天局( esa )向探測器下達指令後,11月12日下午4點35分(中原標準時間),“羅塞塔”探測器距彗星22.5公裡的上空投放着陸器“菲萊”,由于羅塞塔飛船與地球之間的距離超過5億公裡,是以羅塞塔飛船與地球之間的通訊延時長達28分20秒。那麼,科學家發出的指令,大概要等待1個小時才能知道登陸器執行的如何。在證明了着陸器已經彗星上發送信号後,科學家着實欣喜,但旋即發現着陸器上的兩個“魚叉”并沒有如預期“抛錨”。着陸器設計“魚叉”的原因是該彗星的引力隻有地球的十萬分之一,探測器不得不錨定在彗星上。“魚叉”系統的故障使得着陸器的初次降落發生了反彈。
着落器下降過程中拍到的彗星照片
着陸器最初接觸彗星表面的地點被稱作“ agilkia ”,随後發生反彈并在空中懸浮了2個多小時,最終在67p彗星較小那一頭的一個名為“ abydos ”的區域停留下來。然而。着陸之後經過3天,“菲萊”很快便耗盡了它的蓄電池中僅剩的電力并開始進入深度休眠狀态,後來隻是在2015年6月和7月之間,随着彗星抵達近日點附近,“菲萊”的太陽能電池闆獲得更多電力時,曾經短暫蘇醒并和“羅塞塔”号探測器建立了通訊聯系,但随後便很快再次中斷。着落器遇到了巨大的困難,竟長期與地球失去聯系。
然而,2016年9月5日,歐洲空間局宣布,“羅塞塔”号探測器的高分辨率相機拍攝于9月2日拍攝到“菲萊”号着陸器被卡在67p彗星的一條黑暗裂縫中。當時“羅塞塔”距離67p彗星隻有2.7公裡,也因為距離如此之近,照片分辨率達到了驚人的5厘米/像素,科學家能夠很清晰的辨識出菲萊号登陸器的主體以及三條着陸腿。
“菲萊”着陸器的位置
這張照片讓科學家終于确定了“菲萊”在67p彗星上的精确位置,并弄清了為什麼菲萊号自2014年11月12日登陸彗星以後,與羅塞塔号通信一直困難重重——“菲萊”位于一處峭壁的陰影中,每天(一個彗星日為12.4小時)隻能獲得一個半小時的太陽光照,在日照不足的情況下,着陸器的太陽能電池無法為其繼續工作提供足夠電能。
識别“菲萊”着陸器的主體以及三條着陸腿
來自羅塞塔号光譜與紅外遙感系統(osiris)成像團隊的塞西莉亞•蒂比亞納表示:“雖然羅塞塔号隻有一個月就要結束使命,但終于能夠拍到菲萊号讓我們非常開心,而且能夠看到如此驚人的細節。”而歐空局羅塞塔号任務經理帕特裡克•馬丁(patrick martin)表示:“在這場漫長、艱苦的搜尋末尾,我們終于有了驚人的發現。而之前我們認為要這樣永遠失去菲萊了,但難以置信的是,我們在最後時刻拍到了它。”
雖然發現了“菲萊”,但羅塞塔号的壽命畢竟已經走到盡頭。此前,羅塞塔号與彗星之間的距離最近不少于1.9公裡。現在,它向着彗星一往無前的飛去。羅塞塔号下降軌道的設計最大限度地利用了太陽能,大約通過13.5小時的自由落體下降19公裡左右(最後階段大約每秒下降1米),它将沒有機會再看一眼“菲萊”号。但是其最後一次低空飛掠探測有望看到彗星其他地方的優質圖像,可能會在距離彗星表面15米左右的地方獲得毫米級像素的高分辨率圖像。科學家們希望利用機載相機看到“馬特坑”坑壁的有趣結構,那裡可能隐藏着67p/丘留莫夫—格拉西緬科彗星如何形成的秘密。其他的裝置将被史無前例地用于探測氣體、塵埃以及電離粒子。在撞擊地面的最後幾秒前,“羅塞塔”努力傳回珍貴的資料資訊。
羅塞塔向彗星飛去
雖然着落器長期失聯,但羅塞塔号依舊完成了多種科學探測任務。除了大量的照片用于彗星的演化過程研究,羅塞塔号在彗星67p發現了分子氮。科學家認為分子氮的發現暗示太陽系在形成早期就已經擁有一些生命分子。由于該彗星來自太陽系的邊緣地區,極低的溫度使得分子氮可儲存在冰封的環境中,同時科學家此前也在太陽系外側軌道的衛星和行星上發現過類似的分子氮,由此可以推測格拉西門克彗星背後還擁有一個更大的彗星家族,氮分子是該家族的基本特征之一。早期的探測中,科學家主要在土衛六、冥王星以及海王星的衛星上的氨或者氰化氫的化合物中檢測到氮,而本次發現的分子氮則是第一次。
此外,羅塞塔發現彗星67p沒有磁場,使得科學家們将能夠排除一部分有關地球形成機制的理論。羅塞塔還發現67p彗星上含有與地球不同的水:67p向外噴射的氣體很多都是水汽,且這些水汽中氘的含量相比地球水體更高(氘是氫的同位素,其原子核中多了一個中子) 。羅塞塔的高分辨率圖像顯示彗星噴射的大量氣體和塵埃雲團都來自彗星表面巨大的塌陷空洞和懸崖崩塌過程,這也解釋了為何彗核表面會如此千瘡百孔。
羅塞塔近距離拍攝的彗核表面噴流