作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2014-8-13 11:13:50
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十载追逐 一朝拥舞
欧空局“罗塞塔”号任务完成在即

图片来源:CREDIT: ESA/ATG MEDIALAB

现在,随着飞船外的彗星轮廓变成二者之间的亲密相遇,该团队正面临更加艰巨、更加刺激的工作任务。

冰块和灰尘像一个比“句号”略大的圆点一样翻着筋斗在视线中出现,然后,逐渐长成一幅像是涂鸦而成的画作。它断断续续喷溅出的气体和尘埃形成一个晕轮,这标志着其内部的发动机已经开始加速旋转,但还没有在太阳的炙烤下把油门调节到最高。

当宇宙飞船越来越靠近它的时候,一开始的圆点变成了一个像素化的团。数周前,这团物体的原形开始显现:它长约4公里,形态有些不规则,长着两个像高吊球一样的凸起。从某个角度看,就像是一只橡皮做的鸭子,每隔12小时它会缓慢地自转一周。

现在,飞船距离这颗叫作“67P/丘留莫夫-格拉西缅科”(以下简称67P)的彗星仅剩下1000公里,而且仍在不断接近。每过一天,这颗彗星上的地貌特征就会在飞船的视线中新增加一点。研究人员发现,它的全身包裹在一种比沥青还黑的有机灰尘构成的硬壳中。

相拥绕日共舞

67P与其他彗星一样,它们的运动轨迹和姿态在太阳系各类星体中最为怪异。伟大的业余彗星观察者大卫·列维曾说:“彗星就像猫一样,它们有尾巴,喜欢随心所欲地做它们想做的事情。”然而,彗星同样还是时空胶囊,它们形成于45亿年前寒冷的外太阳系,在很长时间内处于冰冻状态。由于其化学惰性,它们大多数时候非常安静;偶尔,它们也会与太阳“嬉戏”。因此,研究人员认为,它们掌握着太阳系形成的宝贵资料,并可能在地球早期历史上扮演过传送水和有机质的角色。

67P的“守望者”是“罗塞塔”号飞船—— 一艘由欧空局(ESA)斥资13亿欧元打造的旗舰项目。该飞船于2004年发射,已花费了10年时间在宇宙空间中追逐目标彗星,在重力助推作用下,它曾环绕火星一周、绕地球3周。8月6日,“罗塞塔”号终于在相当于3.5倍日地距离的空间位置——火星和木星轨道中间——拦截住了这颗目标卫星,从此两者将“相拥”在一起围绕太阳共舞,二者还会在舞蹈过程中继续升温、越来越亲密。

迄今为止,与彗星相关的科学项目屈指可数,1985年6月ESA曾发射“乔托”飞船用来观测哈雷彗星,彼时二者之间“拉锯式”的交错飞掠过程持续了15分钟左右。比较之下,“罗塞塔”号将是首个围绕彗星运转的飞船。考虑到67P跳跃的姿态及微弱且不稳定的引力场,这绝非易事。

“罗塞塔”号还将是首个全程陪同一颗彗星围绕太阳旋转的飞船。在67P稀薄的灰尘皮肤下,蕴涵着丰富的冰藏——主要是由水结成的冰,但同时还包括由二氧化碳、甲烷、氨气等形成的冰。随着太阳炙热的温度透入彗星表面,这些冰会消融、升华,产生分散的气体射流,同时吹破表面的尘壳。该彗星的彗发(即活跃于彗星彗核周围的灰尘及气体)将会扩张到其本体上万甚至数百万倍。预计67P将于2015年8月到达最接近太阳的位置,处于地球和火星轨道之间,届时它的两个尾巴——灰尘尾巴和电离气体尾巴都会像风向标一样指向背离太阳的方向——将达到最高点。

登陆未知彗星

此次任务中最勇敢的一幕或将在今年11月1日到来,当天项目负责人计划让“菲莱”号登陆器着陆67P表面。一般情况下,登陆器在登陆月球或火星之前都要经过数年的侦察和观测,然而“罗塞塔”号仅有6周时间来绘制这颗卫星的表面情况,并为“菲莱”号找到合适的着陆点。届时,位于德国达姆施塔特的欧洲空间控制中心的工作氛围和强度都将达到白热化,“罗塞塔”号的飞行指挥官Andrea Accomazzo说:“我们飞往火星的时候已经知道了这个行星的一切,但是当我们飞向67P的时候,对它却一无所知。”

科学家期待发现未知。与一贯的看法相反,彗星并非简单意义上的“脏雪球”。“罗塞塔”号在2005年从远处发现,当美国宇航局(NASA)的彗星探测器“深度撞击”号把一个25米长的撞击器送入彗星19P /坦普尔1号时,发生爆炸扬起的尘埃远超过水汽,这证明了至少在一些案例中,彗星还可以是冰冻的尘埃球。而且它们的形状和大小均呈现出摆动性。2010年“深度撞击”号继续探索外形酷似“花生”的彗星103P/哈雷2时,发现该彗星的两个垂体构成成分大不相同,这证明了它们一度曾是两颗不同的天体。

每颗彗星的地表形态差异极大。“一些拥有悬崖峭壁,一些拥有平滑流,一些彗星上的物质会从星体的一边跑到另一边,然后再沉积。”美国马里兰大学行星科学家、NASA彗星“跳跃者”项目负责人Jessica Sunshine说,“而在此前彗星被看作雪球的日子里,这些现象均未被发现。”

“罗塞塔”号的主要任务之一就是区分这颗彗星形成时已经出现了哪些构造和地貌以及它平均每6.45年围绕太阳公转一周并向太阳靠拢的过程中累积了哪些特征。“它的不均衡性是演化的结果?还是在太阳系中诞生时就已出现?我的观点是它可能是两者的结合体。”马里兰大学行星科学家、“深度撞击”号项目负责人Michael A’Hearn说,“这是‘罗塞塔’号准备研究的对象。”

逐步进入轨道

“罗塞塔”号将及时抵达67P附近并监视其喷射启动时候的情景。在先前的轨道中,科研人员已通过望远镜发现该彗星上有3个活跃的喷射区,然而他们尚不了解这些喷射对塑造彗星地貌可能产生的作用。但他们已发现一些有价值的信息,当NASA的Stardust-NExt号飞行器在2011年飞跃坦普尔1号彗星时,在距离彗星181公里的地方观察到了彗星的活跃区域。该飞行器发现,气体和灰尘从像火山口一样的出气口外围的悬崖上被释放出。如果再前进30公里或者短一些距离,“罗塞塔”号就可以用60厘米的分辨率观看彗星上的情况——该分辨率已足以仔细观察喷气活动对彗星地貌的构建或破坏。参与该项目的科学家Matt Taylor说:“我们将拭目以待,了解这颗彗星的演化过程。”

但是进入彗星的轨道并非易事。本周,当“罗塞塔”号到达彗星附近时,它们之间的距离依旧在100公里左右。飞船将在彗星朝向太阳的一面进行一次“三角形”路线试飞,并首次绘制这颗彗星的形状和引力模型。8月24日,“罗塞塔”号将再向彗星飞行50公里,但却依然不在彗星的轨道之内。9月10日,项目负责人计划最终把它推向距离彗星30公里处的轨道。彼时,飞船将会感受到彗星上的喷气对它64平方米的太阳能帆板带来的微弱压力。项目控制人员也将会保持仪表盘指向彗星表面,使聚集的尘埃和气体的压力最小化。

另一个难点是研究人员的指令从地球传到太空需要40分钟的旅程。除了每周两次的航向修正以外,飞船都是自动控制。比如,任何时候当彗星跑出检像器范围后,都要自动保持机载相机指向67P,然后退到一个更高的轨道,或重新定位其坐标等。飞行控制团队表示,检测到轨道稳定性之前,不会把飞船下降到10~20公里的彗星轨道。

在长达10年的超过60亿公里马拉松式旅程后,该项目科学家非常高兴地看到,他们无须再继续追赶彗星67P的影子。德国马普所哥根廷太阳系研究中心负责飞船机载OSIRIS相机研发工作的Holger Sierks数周之前看到第一个多像素图后欢喜雀跃。“看到彗星的轮廓,我觉得非常震撼。”现在,随着飞船外的彗星轮廓变成二者之间的亲密相遇,该团队正面临更加艰巨、更加刺激的工作任务。 (冯丽妃)

《中国科学报》 (2014-08-13 第3版 国际)
 
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