彗星上究竟有什麼?或許只有人造衛星「羅塞塔」知道了

2021-01-08 騰訊網

2016年9月30日,歐洲航天局的「羅塞塔」彗星探測器與其伴隨2年的研究對象、編號為67P的丘利莫夫-格拉西門彗星(以下簡稱「彗星」)相撞,以這種猛烈的方式結束了任務。撞擊前,「羅塞塔」向地球發回了一些不清楚的照片,這是它對空間科學事業的最後貢獻。

[「羅塞塔」撞擊67P彗星的想像圖]

為什麼是「羅塞塔」

「羅塞塔」這個名字來源於一塊石碑的碎片,現在收藏於倫敦大英博物館的埃及展區。如果讀者到這裡參觀,會發現展區內有巨大的埃及雕像,令人產生壓抑感。「羅塞塔」石碑位於展區中央的玻璃櫃內,是埃及展區乃至整個博物館的瑰寶。

這座石碑是1799年法國船長皮埃爾·福漢索娃·扎維婭·布沙赫在埃及港口城市羅塞塔發現的。戰爭期間落入英國人之手。石碑上刻有古埃及國王託勒密五世的詔書。它的價值在於它是多語種的,有希臘、古埃及和當時流行的通俗體文字。因為古希臘語並沒有消失,人們可以通過這個多語種的石碑閱讀部分古埃及文字。它具有很高的歷史價值。

「羅塞塔」這個名字已經成為揭示秘密的同義詞。

「羅塞塔」任務的基本情況

「羅塞塔」任務涉及多個航天機構,主要是歐洲航天局和美國航天局。它的著陸器「菲萊」由德國航天中心、法國航天局、義大利航天局等聯合研製,是第一個同時環繞彗星和太陽運行的探測器。這也是第一次成功降落在彗星表面的探測器。

「羅塞塔」探測器的主體為鋁方盒結構。科學儀器安裝在方盒頂部的「有效載荷支持艙」內,公共平臺在下方。方形盒子的底部面向地球。這裡安裝了一個直徑2.2米的碟形天線。天線的方向是可控的,用來將探測數據傳回地球。「菲萊」則掛在正對著彗星的一面。

「羅塞塔」配有兩個巨大的太陽能翼,每個翼面積為32平方米,翼展32米。每個太陽翼由5塊帆板組成。

[「羅塞塔」釋放出的「菲萊」著陸器在67P彗星上著陸的想像圖]

在繞彗星飛行過程中,「羅塞塔」要不斷調整姿態,一方面要保證科學儀器瞄準彗星,另一方面要保證天線對準地球,還要儘量保證太陽翼正對太陽,實現最大發電量。

「羅塞塔」身體的側面和背面很少看到陽光,所以這裡是設置散熱片和散熱百葉窗的好地方。在這些方向上看不到彗星,也不會受到彗星塵埃的汙染。

「羅塞塔」本體的中心是推力系統的兩個燃料箱。「羅塞塔」採用二元推進器,所以上燃料箱用來盛裝燃燒劑,下燃料箱用來盛裝氧化劑。探測器起飛質量的一半是燃料。「羅塞塔」共有24個推進器用於姿態和軌道控制。所有推進器的推力都是10牛頓。

「羅塞塔」是廣泛國際合作的結果,有來自14個歐洲國家和美國的50家供應商參與開發。主承包商為歐洲阿斯特裡姆公司(現為空中巴士航天防務公司),其中德國分公司為主承包商,英國分公司負責探測器平臺,法國分公司負責電子設備,西班牙分公司負責總裝,集成和測試。除了著陸器,羅塞塔還配備了11臺科學儀器,包括紫外線成像頻譜儀,彗核無線電波回波試驗裝置等。

羅塞塔的勘探成果

彗星被稱為太陽系的時間膠囊,在太陽系形成的早期保存了許多原始物質。通過研究彗核的氣體、塵埃、結構和原始物質,就能夠了解太陽系早期的情況。「羅塞塔」的任務是對這些內容進行遙感探測和實地分析。「羅塞塔」是世界上第一個環繞彗星運行的探測器。這也是人類第一次在彗星上著陸。儘管「菲萊」著陸器被困在石縫裡,長時間不能正常工作,但它還是發回了一些有價值的信息。

儘管人們早就知道彗星的形狀是不固定的,但羅塞塔兩年的探索還是帶來了許多意想不到的結果。以前,人們總是認為彗星是一個骯髒的冰球。但現在人們知道,彗星遠沒有這麼簡單,其表面結構相當複雜,這是經過長期的地理過程才形成的。

「羅塞塔」和「菲萊」有許多驚人的發現。科學家們確信,首先是發現了它的奇怪形狀。組成彗星的兩個瓣是分開形成的。在太陽系形成的早期,兩個裂片以低速碰撞,此後組合體就不再分離。

[「羅塞塔」拍攝的67P彗星照片]

最出乎意料的發現是,彗核釋放出的氣流中含有分子氧、分子氮和水。為了讓氮和氧在彗星冰中存在,它們需要非常低的溫度。事實上,今天的彗星正在不斷釋放這些成分,以及水蒸氣。這意味著它們在彗星形成之初就存在於彗核之中。

「羅塞塔」在彗星上也發現了惰性氣體,而且探測到的水中氘同位素與氫的比例與地球上的有著明顯的不同,這有著更深刻的意義。根據理論模擬,氘的含量會隨著到太陽的距離而變化。在太陽系形成的數百萬年中,不同天體上的氘含量也發生了變化。由於彗星的氘含量沒有變化,這個值可以幫助人們找出彗星的誕生地。此前,人們對11顆彗星的氘氫比例進行了遙感分析,「羅塞塔」的觀測是迄今為止最精確的一次。它的測量也有助於回答這個問題:地球上的水是由彗星或者小行星的撞擊帶來的嗎?現在,我們至少可以說地球上的水很可能是多重撞擊的結果。那麼有多少彗星和小行星給地球帶來了水呢?它們什麼時候來到地球的?這需要進一步探索。

「羅塞塔」的長期觀測也證明,彗星的形狀確實會隨著季節的變化而變化,塵埃會在彗星表面移動,而彗星的「大氣層」,也就是彗星的彗發,它們的密度和組成也會隨著季節的變化而變化。這意味著彗星誕生於45億年前太陽系形成初期的原始恆星雲中。

「羅塞塔」的探測器和撞擊表明,彗星上的水並沒有想像的那麼多。那麼,彗星有形成早期生命所需的元素嗎?羅塞塔沒有讓人們失望。它在彗星上發現了氨基甘氨酸和磷。前者是蛋白質中的常見成分,後者是DNA和細胞膜中的重要成分。此外,「羅塞塔」和「菲萊」還發現了相當多的原始有機物質。

為什麼要撞擊?

歐洲方面為何選擇如此激烈的方式結束「羅塞塔」任務?自2004年「羅塞塔」號發射以來,它已經繞太陽轉了6圈,行程達80億公裡。在2014年1月重新啟用之前,「羅塞塔」經歷了長達31個月的休眠期。激活後,它保持了良好的狀態,並於2014年8月抵達彗星附近。

據項目負責人介紹,「羅塞塔」繞彗星飛行了786天。它對該天體進行了幾次非常近距離的飛越,獲得了大量關於彗星塵埃的數據,這超出了人們的預期。在這個危險的過程中,「羅塞塔」兩次進入安全模式,兩次恢復。事實上,這很危險。

當彗星開始從太陽向木星移動時,項目負責人就做出了撞擊決定。如果探測器跟隨彗星離開,太陽光將越來越弱,這將無法提供足夠的能量來保持探測器的運行。

此外,隨著「羅塞塔」的運行,它逐漸繞著太陽的另一邊轉。這就是說,太陽會擋在地球和羅塞塔之間。這將使衛星與地球之間的通信面臨巨大困難,甚至可能完全中斷。整個中斷過程可能長達一個月。與其讓它失去聯繫,不如讓它撞擊彗星。

所以任務控制人員決定啟動羅塞塔的引擎,讓它完成自殺任務。

儘管羅塞塔的任務有一個完美的結局,但人們對太陽系的運行機制和生命產生的具體過程還沒有得出明確的結論。因此,科學家對「羅塞塔」任務的數據分析將持續多年。這需要新一代科學家和工程師的努力。

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