险些被扔掉的底⽚,改变了欧洲宇航的历史

作者: 郭凯, 李媛

来源: 科学⼤院

发布日期: 2023-06-14 07:00:55

本文讲述了苏联天文学家克⾥姆·丘留莫夫和斯维特娜·格拉⻄缅科在1969年发现67P/Churyumov-Gerasimenko彗星的故事,以及这颗彗星如何成为欧洲航天局罗塞塔任务的目标,最终在2014年成功登陆。文章详细描述了彗星探测的历史背景、科学家的发现过程、罗塞塔任务的实施以及菲莱登陆器的着陆和科学发现。

⼀个不太好听的消息:我们不⼀定是“扫把星”,但我们可能都是“扫把星”带来的。有科学家认为,正是彗星对地球持续不断地轰击,才给地球带来了⽣命赖以⽣存的⽔和各种有机⼩分⼦化合物。在2014年那次惊⼼动魄的彗星登陆中,这⼀观点某种程度上得到了验证。这⼀前⽆古⼈的登陆,也被《科学》杂志评为当年的“⼗⼤科学突破”之⼀。

故事的缘起,还得从乌克兰年轻⼈险些扔掉的底⽚说起。

1969年9⽉11⽇,苏联阿拉⽊图天体物理研究所的天⽂台⾥,3个年轻⼈正忙碌地处理着⼀张当天通过天⽂望远镜拍摄的照⽚。他们从乌克兰基辅远道⽽来,是为了开展⼀项观测彗星的课题。

这3⼈分别是来⾃基辅⼤学天⽂系的博⼠⽣克⾥姆·伊万诺维奇·丘留莫夫(Klim Ivanovich Churyumov)、物理系研究⽣斯维特娜·伊万诺夫娜·格拉⻄缅科(Svetlana Ivanovna Gerasimenko)和⼀名实验摄影技术助理。往年9⽉,苹果之城阿拉⽊图⻛和⽇丽,是天⽂观测的理想时节。然⽽,这回他们不太⾛运,当地天⽓时好时坏,观测⼯作也时断时续。

在9⽉9⽇拍摄完第⼀批照⽚后,他们就停⼯了,两天后才得以继续拍摄。他们观测的主要⽬标是32P/Comas Solà彗星,然⽽,屋漏偏逢连夜⾬,这天拍摄的照⽚因处理不当导致底⽚显影不⾜,整个图像的中⼼区域⽐边缘更亮。在询问导师德⽶特⾥·罗⽇科夫斯基(Dmitri Rozhkovsk)教授的意⻅后,他们决定将包括底⽚在内的观测资料带回基辅,⽽不是丢掉。

谁也不曾想到,这⼀决定改变了两个年轻⼈的命运,也改写了欧洲宇航探索的历史。

10⽉22⽇,已回到基辅的丘留莫夫重新审视着那张有缺陷的底⽚,丘留莫夫时年32岁,已经是彗星研究领域颇有建树的⻘年专家。通过精细计算,丘留莫夫发现,这个散点不可能是32P/Comas Solà彗星,因为它相对于预期位置偏离了1.8度。这⼀细节让丘留莫夫和他的伙伴格拉⻄缅科异常兴奋:这会不会是⼀颗未曾发现的新彗星?

他们检查了在阿拉⽊图拍摄的其他底⽚,令⼈惊喜的是,⼜有4张底⽚出现了这个陌⽣的天体。这的确是⼀颗新的彗星,后来以他们两⼈的名字命名为丘留莫夫·格拉⻄缅科彗星(67P/Churyumov Gerasimenko),简称67P。

2004年3⽉的⼀天,法属圭亚那库鲁(Kourou)欧洲航天中⼼,丘留莫夫和他的伙伴格拉⻄缅科在航天发射场合影留念,身后是树⽴于发射架上,整装待命的阿丽亚娜5型运载⽕箭。

他们的兴奋之情溢于⾔表,因为本次发射任务将要送上太空的探测器,⽬标正是探索35年前他们发现的彗星—丘留莫夫·格拉⻄缅科彗星(67P/Churyumov Gerasimenko)。作为欧洲航天局彗星探测寻梦之旅的⼀部分,登陆彗星被视为⼀⼤壮举。在经历了与美国国家航空航天局在彗星探测计划上的分分合合后,欧洲航天局在1993年决定单⼲,批准了“罗塞塔”彗星探测计划。

这项探测计划耗资13亿欧元,其探测器以著名的埃及罗塞塔(Rosetta)⽯碑命名,探测器还搭载了⼀个登陆器,以埃及⽅尖碑菲莱(Philae)命名。

2004年3⽉2⽇,格林威治时间7时17分,在经历两次发射失败后,携带165千克科学仪器和100千克菲莱着陆器的罗塞塔探测器,由阿丽雅娜5号⽕箭送⼊太空,登上了前往67P彗星的征程。这⼀⾛,就是⼗年。

2014年1⽉20⽇,德国达姆施塔特欧洲空间运⾏中⼼(ESOC)控制⼤厅内响起⼀阵阵欢呼声,⼈们在庆祝罗塞塔号从深度休眠中被唤醒。此前,它经历了4次绕地球⻜⾏,1次惊险地掠过⽕星阴影区(与地球短暂失联15分钟),近距离邂逅2颗⼩⾏星(2867 ?teins和21 Lutetia),并且在地⾯控制⼈员的协助下,消除了反应控制系统故障(RCS)。

随后,它进⼊到深度休眠状态,直⾄此刻被唤醒时,已接近⽬标彗星。

此时,罗塞塔号在⾛过⼀段既艰⾟⼜神奇的旅途后,将要⾯对的是⼀项史⽆前例的挑战:释放菲莱登陆器登陆彗星。这项任务⽆法事先规划蓝图,只能“摸着⽯头过河”:因为从地球上观测67P,⽆法获得详细的彗星形态和地形地貌数据,只有在接近⽬标彗星时进⾏观测计算,才能获得菲莱登陆所需数据。

随着罗塞塔号⼀步步靠近⽬标彗星,⼈们看到了它的庐⼭真⾯⽬:这是⼀颗⼀头⼤,⼀头⼩,中间有个“脖⼦”连接,类似哑铃的天体。2014年8⽉25⽇,欧洲航天局筛选出5个候选着陆点,9⽉15⽇,欧洲航天局最终确定其中的J地点为菲莱着陆⽬的地,这⼀地点位于彗星较⼩的哑铃端,被命名为 Agilikia岛。

11⽉12⽇8点35分,菲莱着陆器“告别”罗塞塔探测器,以3.6千⽶/⼩时的相对速度接近67P,15点33分,菲莱在彗星表⾯登陆,然⽽,菲莱并没有平稳着陆,像“打⽔漂”⼀样在彗星表⾯连续弹跳了两次,由于彗星表⾯逃逸速度为3.6千⽶/⼩时,以致地⾯控制⼈员⼀度担⼼菲莱会脱离彗星引⼒⽽⽆法着陆。17点33分,菲莱终于稳定着陆了,此时的地址与原定着陆点相去甚远。

原来,登陆器与彗星表⾯接触时,本应该触发两个锚定标枪插⼊登陆地点,以防⽌着陆器反弹,由于初始着陆点表⾯相对松软,没有触发标枪在着陆时点⽕发射,才导致了登陆过程惊⼼动魄、“⼀波三折”。

这场耗时两⼩时的“⾮典型”着陆,对于菲莱所携带的精密测试仪器是⼀把“双刃剑”:⼀⽅⾯导致部分仪器因受到⼲扰⽽⽆法正常发挥功能,另⼀⽅⾯也触发了部分仪器收获“意外之喜”——探测到计划之外的信息。

它“躺”在Abydos区域的⼀处狭缝中(这⼀确切位置直到2016年9⽉2⽇才被罗塞塔号发现),受悬崖阴影的遮挡⽽⽆法充分获得太阳能,只有两天时间可以全⼒开展⼯作。在获取有关地球起源、⽣命诞⽣等问题的“第⼀⼿”资料⽅⾯,罗塞塔号和菲莱登陆器上检测⼩分⼦、离⼦化合物的“嗅觉”装备扮演了重要⻆⾊。

这些灵敏的“嗅觉”包括搭载于罗塞塔号上的罗塞塔轨道光谱仪(ROSINA)和搭载于菲莱登陆器上的彗星取样和成分分析仪(COSAC)。每当67P彗星靠近太阳时,其彗核的蒸发物——彗发会增加,这个时候,伴⻜彗星的罗塞塔号开启ROSINA仪探测彗发成分,结果探测到了挥发性⽢氨酸、甲胺和⼄胺,这些都是与⽣命起源相关的有机⼩分⼦化合物。

更⼤的“惊喜”来⾃菲莱登陆器,其搭载的COSAC仪可以开启主动采样分析(挑选好东⻄才“闻”⽓味)和被动进样分析(遇到什么“闻”什么)两种模式。于是,从抵达67P表⾯10千⽶的⾼度开始,到初次着陆,再到两次弹跳后的最终着陆,菲莱登陆器上的COSAC仪⼀直没闲着,以被动进样模式收集信息。

这些信息中,以菲莱第⼀次着陆后25分钟获取的数据信息量最⼤,研究⼈员从中初步解析出16种有机化合物,其中,甲基异氰酸酯、丙酮、丙醛和⼄酰胺是第⼀次在彗星上发现。利⽤数学统计⽅法评估后,解析出的有机化合物修正为12种。这些研究成果意义重⼤,因为科学界曾提出了⼀个有趣的假说:有学者认为在太阳系形成早期,彗星曾向地球“播撒”氨基酸、核苷酸等可构建⽣命体的有机⼩分⼦。

利⽤罗塞塔和菲莱的灵敏“嗅觉”,研究⼈员如同“闻⾹”⼀般探测到了彗星上这些挥发性有机⼩分⼦,为研究彗星与地球⽣命起源的联系,提供了具有关键参考价值的资料。

2016年9⽉2⽇,罗塞塔号发现了躺在彗星表⾯缝隙中、已经耗尽能量、处于休眠状态的菲莱。9⽉30⽇,罗塞塔号完成了⾃⼰的使命,它勇敢地奔向67P彗星表⾯,进⾏了最后⼀次撞击实验。

10⽉14⽇,⼀直关注着罗塞塔计划的克⾥姆·丘留莫夫教授在乌克兰哈尔科夫与世⻓辞,此时的他已是乌克兰国家科学院院⼠,留下了800多篇学术论著和1000多篇科普⽂章。然⽽,探索宇宙的孤勇者们,并不曾远去,他们依然在夜空中闪耀着,期待着……

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