苦追十年——“罗塞塔”同彗星交会

□ 易林

编者按：8月6日,飞行了10年的欧洲空间局“罗塞塔”探测器与“丘留莫夫-格拉西缅科”（67P）彗星相遇，进入彗星研究方面最为激动人心的阶段，期待“罗塞塔”这位率先与彗星“亲密接触”的使者为我们带来的惊喜。另外，印度首个火星探测器“曼加里安”和美国“火星大气与挥发物演变”探测器即将进入火星轨道，日本 将发射“隼鸟”-2小行星探测器。当这些人类的使者与星星相遇后，会发生什么故事呢？

“经过10年5个月又4天，绕太阳五圈、航行64亿千米的长途旅行，我们终于非常高兴地宣布‘我们到了’。”欧空局局长让-雅克·多尔丹说。

北京时间8月6日，欧空局“罗塞塔”号彗星探测器抵达环绕目标彗星——“丘留莫夫-格拉西缅科”（67P）的轨道，同该彗星实施了交会，成为首个绕彗星运行的人造探测器。

作为欧空局的旗舰项目——“罗塞塔”号彗星探测器与“菲莱”着陆器，就像一名彗星猎手和它的猎犬，经过十年远征，等到了它们狩猎生涯的高潮时刻。

“罗塞塔”到达了同该彗星相距100千米的位置，随即开始发回图像和数据。它将对该彗星进行18个月的深入研究，还将于11月把“菲莱”着陆器投放到这颗彗星的表面上，这将是人类探测器第一次登陆彗星。

“罗塞塔”，我们到了

“今天的成就，是延续数十年的国际努力的结果。”欧空局科学和机器人探索部门主任阿尔瓦罗·吉门内兹说，“自从这项任务最早在上世纪70年代构想、在1993年获批以来，我们已经走过了很长的路，现在我们已经准备好开启科学发现的宝藏，必将重写未来几十年关于彗星的教科书。”

据欧空局官方网站直播，北京时间8月6日下午，“罗塞塔”号终于来到与彗星交会的位置，轨道进入的操作也自此开始。17时，“罗塞塔”上一个很小但极其关键的推进器开始点火，持续6分26秒后按计划结束，20多分钟后，信号成功经过地面确认，17时29分，“罗塞塔”进入环绕彗星轨道。

“罗塞塔”号于2004年3月2日发射升空。而它的孕育还得追溯到“哈雷”彗星探测潮。科学家从上世纪 70年代开始讨论彗星探测项目。在 1986年“哈雷”彗星来临时，世界各国派出了一群探测器去围观“哈雷”彗星，其中最重要的是欧空局非常成功的“乔托”号。在探测器传回大量丰富有价值的科学资料后，明显地需要增加更多探测器以了解复杂的彗星成分以及解决新增加的问题。于是，“罗塞塔”项目应用而生。

探测器以罗塞塔石碑为命名，希望此任务能帮助解开行星形成前的太阳系的谜。登陆器以尼罗河中小岛的名字“菲莱”命名，有一块方尖碑在那里被发现且协助解读罗塞塔石碑。

连同探测器和着陆器建造、发射和运行在内，“罗塞塔”项目耗资13亿欧元（详见本刊今年第6期）。为了与“丘留莫夫-格拉西缅科”会合，“罗塞塔”在 10 年里5 次飞过太阳附近，3次借助地球引力、1次借助火星引力来提速。火星附近借力飞行被昵称为“十亿美元的赌博”。2007 年 2 月 25 日，“罗塞塔”安排了一次低高度通过火星，因为第一次发射被拖延了一年而必须修正轨道。这并不是没有风险的，因为飞越高度只有 250 千米。当时探测器处在火星的远端，有 15 分钟无法接收到任何太阳光，必须靠电池供电，而且探测器进入待命模式，不可能进行通讯。

在2008年9月飞越2867号小行星和2010年7月飞越21号小行星后，“罗塞塔”于2011年6月进入自旋稳定的“休眠”模式，即除星上计算机和休眠加热器继续工作外，所有电子设备关闭。“休眠”可以使“罗塞塔”保存能源，但也是最为冒险的阶段。

“罗塞塔”访问过的目标

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罗塞塔石碑

罗塞塔石碑， 高1.14米，宽0.73米，制作于公元前196年，刻有古埃及国王托勒密五世登基的诏书。石碑上用希腊文字、古埃及文字和当时的通俗体文字刻了同样的内容，这使得近代的考古学家得以有机会对照各语言版本的内容后，解读出已经失传千余年的埃及象形

文之意义与结构，而成为今日研究古埃及历史的重要里程碑。罗塞塔石碑最早是在1799年时由法军上尉皮耶-佛罕索瓦·札维耶·布夏贺在一个埃及港湾城市罗塞塔发现，但在英法两国的战争之中辗转到英国手中，自1802年起保存于大英博物馆中并公开展示。经过创纪录的957天的休眠，今年1月20日，“罗塞塔”被唤醒，为本次交会做准备。

与“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星会合，“罗塞塔”进入彗星轨道后围绕该彗星转动，开始为期18个月的空中环绕观测，绘制彗星地图，分析悬浮物质，记载相关数据，同时为“菲莱”选择合适的着陆点。

长得像鸭子的“楚留香”

“我们用了10年时间才到达这一步。现在我们要学习如何与彗星对接。”“罗塞塔”任务运行主管西尔万·罗迪欧如是说。在8月6日与彗星会合之后，“罗塞塔”号将陪同彗星一起不断向太阳靠近，随后推进器还会有数次点火及熄灭。

被网友们戏称为“楚留香”的“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星，诞生于约46亿年前的太阳系形成初期，其大小为3千米×5千米，约每6.5年绕太阳运行一圈，运行轨道为椭圆形，远日点在木星以外，近日点在火星和地球之间。交会后，“罗塞塔”将继续开展机动，同该彗星的距离将逐渐缩短到只有10千米。其间，探测器上的11台仪器将分析彗尾成分，并测绘彗星上的地形，为11月份投放的“菲莱”着陆器选定着陆点。

就像一个飞行着的“冰箱”，彗星储存着最原始的物质。科学家认为，目前从地球能看到的彗星大部分来自太阳系边缘的奥尔特云。那里的物质历经数十亿年未变，保持着太阳系形成初期的原始成分。研究这些彗星，有助于了解太阳系的原始化学组成与状态。

除此之外，对“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星的探测，还有望揭开地球生命诞生之谜。有科学家认为，彗星中存在生命演化必备的有机物质和水。地球形成之初，大量的彗星撞击事件将水和有机物质带到地球，开启了地球生命的演化之旅。但这些分子的结构、含量仍不确定。登陆彗星有利于获得进一步的数据，证实它们的存在，并研究它们与地球生命的关系。

“罗塞塔”还在路上时就已经逐渐揭示了“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星的特性。今年4－6月，“罗塞塔”的光学与红外相机拍摄的图片显示它的活动状况变化不定，它的彗发在6周的时间里变得非常明亮，然后又黯淡下去了。

同一时期内，“罗塞塔”上的微波仪器也完成了首次测量，表明彗星正在以每秒300毫升的速度向太空中蒸发水分。与此同时，可见和红外热成像仪也测量了彗星的平均温度——零下70℃，表明表面主要以暗色灰尘为主，而不是干净的冰。

然后，“罗塞塔”在距离12000千米时，拍到了惊人的照片，表明这颗彗星的彗核实际上由两部分组成，中间有一个“脖子”相连，看起来像一只鸭子。后续图像给出了越来越多的细节——最新的高分辨率图像不断传送回来。

“罗塞塔”取样分析和测量“丘留莫夫—格拉西缅科”（67P）彗星成分

“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星的彗核竟是由两个连接在一起的部分组成

“第一批清晰的彗星图给我们提出了很多问题。”欧空局“罗塞塔”项目科学家马特·泰勒说。“这个两段结构，是两颗不同的彗星在太阳系漫长历史里融合到一起了吗？还是一颗彗星经历了戏剧性的不对称长年剥蚀？‘罗塞塔’正处于研究这一独特天体的最好位置。”

8月6日，“罗塞塔”离彗星表面仅有100千米，但它会逐渐靠得更近。在接下来的6个星期里，它会在彗星前面描画出两道三角形轨迹，首先是在100千米距离，然后是在50千米距离。与此同时，更多的仪器将会更详细地研究彗星，仔细检查它的表面，寻找适合“菲莱”着陆器的落点。最后，“罗塞塔”将会选定一个近圆形的30千米贴近轨道，视彗星活动状况而定，可能还会靠得更近。

去吧，骑上那颗彗星

“抵达彗星只是一项更大的冒险的开端。要了解如何在这种未知环境中进行操作、开始入轨到最后的登陆，我们将面临更大的挑战。”欧空局负责管理“罗塞塔”操作的席勒维·罗迪欧说。

在8月6日进行了最初的交会动作后，“菲莱”着陆器的官方推特一度“卖萌”，发出“我们到彗星没有呢”的询问，随后得到了“罗塞塔”轨道

“楚留香”彗星特别像一只小鸭子

“罗塞塔”拍摄的高清照片

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有7颗彗星已经被探测器造访过

人类已经向太阳系中的每一颗行星派出了探测器。但令人惊讶的是，在“罗塞塔”探测67P彗星之前，被探测器造访过的彗星的数量也不少。他们是：

19P/“博雷利”彗星：“深空”1号探测器

81P/“怀尔德”2号彗星：“星尘”探测器

“麦克诺特”彗星：“尤利西斯”探测器

21P/“贾科比尼-青纳”彗星：国际彗星探测器

26P/“葛里格-斯克杰利厄普”彗星：“乔托”探测器

“哈雷”彗星：“乔托”探测器、“维佳”1号和2号探测器、“先驱者”探测器、“翠声”探测器

“坦普尔”1号彗星：“深度撞击”探测器

这其中绝大多探测器都是从彗星附近飞过采集数据。但2005年“深度撞击”探测器采取了主动出击的策略。它所释放出的撞击体以每秒10千米的速度撞上了8千米长、5千米宽的“坦普尔”1号彗星，在彗核上留下了一个直径100米的环形山。器十分肯定的回答。到8月底，“罗塞塔”将给出最多5个登陆位点，首选登陆点将在9月中揭晓。

在11月份到来时，“罗塞塔”号必须找出一个合适的地点投放“菲莱”，让它的三足固定系统着陆彗星表面，在彗星因接近太阳而变得愈加活跃时，现场采集测量数据。根据7月份“罗塞塔”发回的最新图像显示，这颗彗星的彗核竟是由两个连接在一起的部分组成。科学家们需要谨慎考虑，在哪里着陆才能让科学回报最大化，但无论选在哪里，在彗星上着陆，都将是一个前所未有的巨大挑战。

“罗塞塔”号探测器与它的目标彗星

“菲莱”装在“罗塞塔”轨道器的侧面，着陆时采用腿式缓冲机构。由于该彗星的引力很小，当着陆器在彗星表面着陆时要防止被弹出去。科学家们将使“菲莱”减速后以每秒1米的速度缓慢自然降落。即使是这样，仍旧像人在行走时撞上墙一样，所以着陆器有3条“腿”，在与彗核接触瞬间3条腿可以吸收掉大部分撞击功能，起到缓冲作用。一旦同彗核接触，立即伸出一个叉钩，将自己固定在彗核表面。

这次探测的关键是“罗塞塔”获得太阳能的多少。在飞行中，它要展开一对14米长的太阳能电池翼，并能够在极低温的状态下吸收微弱的太阳能。

“菲莱”登陆“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星后，最重要的任务便是对彗星的成分进行取样分析。探测器发回的初步资料表明，“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星正在以约每秒1/3升的速度喷出水气，而当其靠近太阳时喷出速度将增加成百上千倍。之前美国的“星尘”探测器和“深度撞击”都对彗星进行了飞掠式探测，并采集了彗星物质，“星尘”号甚至带着彗星物质返回了地球，但在这么近的距离研究彗星还是第一次，有人用“去吧，骑上那颗彗星”来表达此刻的心情。希望“罗塞塔” 给彗星拴上了缰绳，一起依次掠过美丽的行星，驰骋在太阳风的吹拂之中。

“罗塞塔”释放“菲莱”着陆器

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“罗塞塔”上的科学仪器

“罗塞塔”起飞质量为3000千克，由“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器组成。“罗塞塔”主体是一个2.8×2.1×2.0 米的结构体，其顶端安装11种科学载荷，而底部则安装其他辅助分系统。飞船上还安装有一台直径 2.2 米的高增益通讯天线，而在相反的另一面则搭载着着陆器“菲莱”。

“罗塞塔”轨道器载有11种仪器，用于分析彗星的物理和化学构成及其电磁和引力等特性：①用于拍摄彗核和小行星的高分辨率光学分光与红外遥感成像系统；②用于分析彗发和彗核中的气体、测量彗星的水分和CO/CO2的生成速率并提供有关彗核表面成分数据的紫外成像光谱仪；③用于测绘与研究彗核表面的固态物质和表面温度的可见光与红外热成像光谱仪；④用于测量彗星主要气体成分、表面放气率和彗核温度的微波仪；⑤用于测定彗核大气层和电离层的成分、气体中带电粒子的速度和有它们参加的反应以及研究小行星可能存在的放气现象的离子与中子分析光谱仪；⑥用于观察是否含有有机物质并分析彗星发射出的尘埃、微粒的成分等特性的彗星次级离子质量分析仪；⑦用于研究小行星和彗星周围环境中尘埃、微粒的微型成像尘埃分析系统；⑧用于测量彗核和来自其他方向（受太阳辐射压作用）的尘埃微粒数量、质量和动量的微粒撞击分析与尘埃收集器；⑨用于测量彗核的物理特性、研究内彗发的结构和彗星与太阳的相互作用、监测彗星活动的等离子探测器包；⑩用于研究由彗核反射和散射的射电波，借以探测彗星内部构造的射电波发射彗核探测实验件；用于测量彗核的质量、密度和引力，确定彗星的轨道，研究彗发的内部情况等的射电科学研究仪器。

“菲莱” 上一共安装了 9 台科学设备，设备总重约 21 千克。另外它还携带了钻探设备，用于钻探到彗核表面以下20厘米，将采集的样品交给不同的加热炉或用于显微镜观察的样品与分发装置。这 9 台科学载荷包括：

“菲莱”在彗星表面进行勘探

①用于探测α粒子和X射线，从而提供彗表元素成分数据的α粒子与X射线光谱仪；②用于拍摄表面全景照片和研究从表面采集的样品的成分、构造和反射率的彗核红外与可见光分析仪；③用于探测彗核内部结构的射电波发射彗核探测实验件（来自轨道器上同名仪器的射电波将穿过彗核，由着陆器上的一台应答机发送回去）；④用于根据元素和分子组成来探测和确定有机分子络合物的彗星采样与成分实验件；⑤用于对轻元素的同位素比率进行精确测定的稳态同位素中轻元素/托勒密实验件；⑥用于测量彗表的密度及热力学和力学特性的表面与表层科学多用途遥感器；⑦用于在下降过程中获取高分辨率图像，并获取其他仪器采样区的立体全景图像的“罗塞塔”着陆器成像系统；⑧用于研究当地磁场和彗星与太阳风间的相互作用的“罗塞塔”着陆器磁强计与等离子体监测仪；⑨用于测定彗星外层特性的表面电、震动与声学监测实验件。