罗塞塔号:可以成为偶像的探测器,它的偶像是彗星

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2014-08-07 17:16

“你们的偶像都是明星,而我的偶像是一颗卫星。”

看过《后会无期》电影或者预告片的人应该会记得这么一句台词,对于许多人来说,浩瀚的星空会比光鲜的明星们更有吸引力。

我的偶像是一颗探测器

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,曾有一群国际太空探测器被送去探测彗星系统,其中最重要的是欧洲航天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份以及解决新增加的问题。最终 1993 年项目获批,这个欧洲空间局组织的无人太空船计划名为罗塞塔号(Rosetta)。这个宏大而深远的项目耗资 13 亿欧元(约合 17.4 亿美元,107 亿人民币)。

2004 年 3 月 2 日格林威治时间 07:17,罗塞塔号正式发射,研究 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko)。罗塞塔号由两个主元件组成:罗塞塔探测器及菲莱登陆器。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。

十年之后,格林威治时间 8 月 6 日 9 时 29 分(北京时间 17 时 29 分),罗塞塔号彗星探测器成功进入环绕 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星的轨道。虽然其他航天器也曾短暂接近过彗星,但罗塞塔号彗星探测器是首次进入彗星的近距离轨道,更令人鼓舞的是,该航天器还计划最大限度地接近彗星,并对其进行数月的仔细研究。

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罗塞塔飞船主体是一个 2.8×2.1×2.0 米的结构体,其顶端安装科学载荷,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”。

欧洲航天局局长 Jean-Jacques Dordai 对罗塞塔号彗星探测器成功进入环绕 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星的轨道感到非常兴奋:

“我们很高兴地宣布,我们到了!”

他表示,为了与67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko)会合,罗塞塔号在这 10 年的时间里飞行了 40 亿英里(约合 64 亿公里),期间 5 次飞过太阳附近,3 次在引力助推下飞回地球,1 次飞跃火星。

2007 年 2 月 25 日,罗塞塔号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,因为估计飞越高度仅仅只有 250 公里。

此外,因为太空船在火星的远端,在那里它将有 15 分钟无法接收到任何太阳光,不能使用太阳能板。所以太空船因此将进入待命模式,不可能进行通讯,必须靠并不是为了这个工作设计的电池飞行,因此这项火星附近的调动被昵称为“十亿美元的赌博”。

探测器的偶像是一颗彗星

67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星绕太阳一周需要 6 年半,最终将远离木星,罗塞塔将和这颗彗星开展为期一年的共同旅程。

在此期间,罗塞塔发送的一个探测器将尝试登陆彗星表面,这是一个风险极高的前所未有的任务。目前,罗塞塔号已经发回了不少 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星的近距离照片

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罗塞塔号传回的图片显示,目标彗星的彗核直径大约 2.5 英里(约合 4 公里),由两部分和一个“脖子”组成,科学家称,彗星的形状就像一只鸭子。

彗星表面似乎颜色较深、布满尘埃,不是洁净的冰层。彗星上有悬崖、平地、巨型裂隙等地形特征。随着目标彗星越来越接近太阳,罗塞塔还会给人们带来更多惊喜。届时高热将使彗星冰核融化,产生明亮的光晕以及由铁和尘埃组成的长长彗尾,预计罗塞塔将拍下整个壮丽的变化过程,这可能是人类最近距离地通过科技手段观测彗星变化。

目前,罗塞塔号相对彗星的运行速度与一个行人的走路速度差不多,即约每小时两英里(3.2公里)。此时它与彗星之间的距离已经不到 60 英里(约合 96 公里)。根据其官方网站显示的示意图,在浩瀚的宇宙中,罗塞塔号和彗星几乎汇合成了一个点。

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当然,罗塞塔号的主要任务不是为了去观光,花费 13 亿欧元的项目背后肯定还有着非常宏大的科学研究目的。欧洲航天局高级科学顾问 Mark McCaughrean 解释了罗塞塔号成功入轨和该计划的意义所在:

“今天,罗塞塔号探测器到达距离目标彗星 100 公里的地方。可以这么说,今天才开启了真正的科学任务。因为现在我们可以开始测量一些东西,去真正地分析彗星,了解它的历史、它在太阳系中处于什么位置、它是由哪些物质构成的。我们可能会破解一些奥秘,来回答多个问题,例如有关太阳系的形成、地球上水的来源甚至是生命的起源。”

在地球的早期,由于温度过高,水无法通过典型的化学过程形成,一些科学家认为,彗星上的冰可能为地球提供了流动的水。为了更加清楚地阐明这个问题,罗塞塔号搭载的设备将对彗星上的水进行分析,看看这颗彗星上水的同位素组成是否和地球上的水一样。

另外一种理论认为,彗星可能同样携带有生命形成的早期物质,例如氨基酸,氨基酸可以形成蛋白质。这或许能解释生命的起源问题。

2009 年,美国一架宇宙飞船在一颗彗星上发现了甘氨酸,这是第一项这样的发现。罗塞塔号搭载的设备将检查 67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星表面是否存在任何此类有机物质,以及这些物质和地球类似物质有何不同。

罗塞塔和菲莱怎么“追星”?

因为事关非常精密的科研任务,罗塞塔号探测器和菲莱号登陆器有着非常多的科研仪器在身上。根据新浪科技的整理得知,除了一台主发动机之外,罗塞塔飞船上还安装有多达 24 台小型姿控发动机,每台可以提供约 10 牛顿的小推力。

而为了达成科学考察目的,罗塞塔飞船上一共搭载了11台科学设备,包括:

  •   ALICE——紫外成像光谱仪,用于彗发与彗尾的气体成分分析,彗核水汽与二氧化碳/一氧化碳产生率观测,并协助判定彗核成分;
  •   CONSERT ——彗核探测与无线电通讯实验,借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性,研判彗核内部结构;
  •   COSIMA——彗星二次离子质谱仪,分析彗核释放出的尘埃颗粒性质,包括判别其物质成分,以及是否含有有机物;
  •   GIADA——颗粒碰撞分析仪/尘埃采集器,用于测量尘埃颗粒的数量,质量,动量与速度,分布状况等信息;
  •   MIDAS——微成像尘埃分析系统,分析彗星周围的尘埃环境,包括尘埃数量,大小,分布,形态等等;
  •   MIRO——罗塞塔轨道器微波设备,用于判定主要气体丰度,彗核表面排气率,以及彗核浅地表温度;
  •   OSIRIS——光学,光谱与红外遥感系统,拥有广角/窄角相机,可以获取高分辨率彗核图像;
  •   ROSINA——罗塞塔轨道器离子与中性粒子光谱仪,包含两台探测设备,可以对彗星的大气/离子层进行考察;
  •   RPC——罗塞塔飞船等离子体科学包,包括5台设备,对彗发进行分析,并监测彗星与太阳风粒子间的相互作用;
  •   RSI——无线电科学实验,利用无线电信号频率偏移测量彗核的质量与引力场参数,反演彗核内部结构与密度状况,并进行轨道测定和彗发研究;
  •   VIRTIS——可见光与红外热成像光谱仪,研判彗核固体物质成分,并测量地表温度,并帮助选取着陆器的着陆位置。

如前所述,罗塞塔飞船上还携带有一颗重约 100 公斤的小型着陆器,名为菲莱(Philae)。在今年的 11 月份,这艘着陆器将会与母船分离,并使用特殊的“鱼叉”三足固定系统着陆彗星表面。这将是人类历史上首次着陆一颗彗星的表面。

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菲莱上一共安装了 9 台科学设备,设备总重约 21 公斤。另外它还携带了钻探设备,用于在彗核表面进行钻探取样,这 9 台科学载荷包括:

  •   APXS——阿尔法粒子-X 射线光谱仪,它将会被置于距离地面仅 4 厘米左右的位置上,探测物质的阿尔法粒子/X 射线辐射特征,从而分析其地表元素成分;
  •   CIVA——全景相机,其一共包括 6 台完全相同的小型相机,用于拍摄彗核地表的全景图像,另外还包括光谱仪,用于分析从彗核地表获取样品的成分,结构以及反照率分析;
  •   CONSERT——彗核探测与无线电通讯实验,借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性,研判彗核内部结构;
  •   COSAC——彗星取样与成分分析仪,通过元素与分子信息分析彗星上复杂有机分子;
  •   PTOLEMY——演化气体分析仪,用于对较轻元素的同位素分析;
  •   MUPUS——地表与次地表多功能科学包,测量彗核表面的密度,热量与机械性质;
  •   ROLIS——罗塞塔着陆器成像系统,这是一台 CCD 相机,用于在着陆彗核的过程中拍摄高分辨率图像,并拍摄其他设备取样区域的高清图像;
  •   ROMAP——罗塞塔着陆器磁强计/等离子体监测仪,用于研究彗星磁场以及彗星/太阳风相互作用机制;
  •   SD2——取样与分发设备,可以钻探进入彗核地下最深 20 厘米,并自动向不同分析设备进行样品分发;
  •   SESAME——表面电性与声学监测装置,测量彗核以及彗核周围空间的声学与电学性质。

紧接着文章开始的台词是:

“旅行者一号,1977 年发射,历经 36 年,终于冲出了太阳系,进入外太空的星际空间。它这样孤独的漂流,只为了去未知的世界看一眼。”

罗塞塔号探测器也是类似,它以每秒 15 公里的速度飞驰而去,也是为了一个简单而伟大的目标,还好,等着它的,是一颗璀璨的彗星,还好,它们已经相遇。

 

题图来自:universetoday

配图来自:ladepecheesarosetta.esa

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