《自然》杂志:“菲莱”在彗星上的64个小时

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《自然》杂志:“菲莱”在彗星上的64个小时

“菲莱”着陆后拍摄的照片。图片来源:ESA

艾麦乐/编译)“谈到这张照片,我会起一身鸡皮疙瘩。”霍尔格·希尔克斯(Holger Sierks)如是说。在这张照片上,一条金属机械腿斜倚在67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星粗糙的地表之上。将这枚无人着陆器释放到彗星表面的,是欧洲空间局(ESA)的“罗塞塔”探测器。作为“罗塞塔”上OSIRIS相机的首席研究员,希尔克斯表示,这是“我这辈子最重要的照片”。

11月12日,欧洲空间局创造了历史,将三条腿的“菲莱”着陆在了楚留莫夫-格拉希门克彗星上。这颗彗星直径4千米,目前距离地球5.14亿千米,正以每小时超过6万千米的速度在太阳系中穿行。“菲莱”着陆带来的欣喜,不久便被担忧所取代,人们担心着陆器电量不足,因为最终的落脚点几乎照不到阳光。经过惊心动魄的3天3夜之后,11月15日,着陆器电池耗尽,陷入了可能会是永久的休眠之中。

不过在此之前,“菲莱”还有机会将它携带的10样设备采集的数据全部传送了出来。尽管按照原定计划,“菲莱”应该在太阳能电池板的驱动下继续采集数据,但仅仅64个小时的科研活动所取得的发现,已经正在改变科学家看待彗星的方式了。

“菲莱”每天有两个时间窗口,能够通过“罗塞塔”探测器与任务控制中心联络,每次窗口持续3–4个小时。“菲莱”上的化学分析仪器Ptolemy的联合研究员莫妮卡·格雷迪(Monica Grady)说,它已经取得了科学家希望获取的90%的数据。而且对某些仪器来说,着陆器在彗星表面的意外弹跳,实际上可能还产生了超出预期的更加有趣的数据。

“菲莱”这出大戏,始于预定着陆的前一天晚上,当时着陆器上的计算机出现故障。重启之后,故障被修复,任务团队决定按计划着陆,尽管此时第二个问题已经出现,着陆器的推进器出了故障。这个推进器原本用于将“菲莱”压在彗星表面,直到它固定住自己。接下来,它又遇到了另外一个机械故障——原本用于固定着陆器的鱼叉,也没能在着地时发射出来。位于德国达姆施塔特的欧洲空间控制中心已经一片欢腾,ESA的科学家此时还不知道“菲莱”触地之后又已经反弹了起来。实际上,它反弹了2次,曾一度弹到距彗星表面1千米的高度。这颗彗星上引力微弱,在地球上重达100千克的探测器,在那里仅重1克。不过正是如此微弱的引力,最终让着陆器在彗星表面安静了下来。

任务科学家在庆祝“菲莱”顺利分离。图片来源:ESA

“菲莱”最初着地的位置,是经过仔细筛选之后圈定的着陆地点,平坦而又光照充足。但在弹跳之后,它最终一条腿朝天翘着,侧翻在1千米以外,一处看起来像是岩石悬崖的背阴一面。这个位置不够理想,彗星上自转一圈的12.4个小时里,这里能够照到阳光的时段只有1.5个小时,无法产生足够的太阳能给“菲莱”的第二块电池充电。

尽管着陆过程颇为坎坷,在彗星上活动的64个小时内,“菲莱”采集了大量优良数据,现在仍在处理之中。CIVA(彗核红外及可见光分析仪)拍摄的首批全景照片显示,彗星表面覆盖着尘埃、碎屑,以及看起来像是岩石的各种大小的物质。德国航空太空中心(DLR)的“菲莱”项目负责人斯蒂芬·乌拉梅克(Stephan Ulamec)说:“这绝对比我们先前认为的彗星表面要粗糙许多。”

另一样设备MUPUS(地表及地下多用途科学传感器)采集的数据则带来了惊奇。MUPUS包含一个锤子状的机械装置,锤头大小类似于听装可乐,锤柄则是一根长40厘米的探测杆,能够深入到彗星表面以下。它传回的数据表明,在10–20厘米厚的尘埃层之下,似乎存在坚硬的冰块,锤柄无法再深入其中。MUPUS首席研究员、DLR的蒂尔曼·斯派恩(Tilman Spohn)说:“我们都期待会遇到更软的地层,密度类似于压实的雪或者粉末。”

对地表以下硬度的测量,再加上对温度的测量,将帮助科学家弄清楚这颗彗星彗发里的气体和尘埃如何形成。不过斯派恩说,这还必须跟彗星较低的密度保持一致才行。有可能地表下的冰块是疏松多孔的,也可能这么硬的冰块是“菲莱”最终落脚的这片寒冷黑暗的区域所特有的。

着陆器上的另一台设备ROMAP(罗塞塔磁力计及等离子监测仪),大概会从“菲莱”的两次弹跳中获益。ROMAP将帮助科学家回答,彗星是否拥有自己的磁场(不同的行星形成模型在这个问题上存在分歧),包围彗星的电离气体在表面附近会发生怎样的变化。弹跳意味着,ROMAP有了更多的地点来采集数据。ROMAP的联合首席研究员乌利·奥斯特(Uli Auster)说:“如果有人专门给磁力计设计一个任务,而且他是个脑洞非常大的人,他设计出来的任务大概就跟现在一模一样。”

“菲莱”在彗星上着陆后不够,便在彗星地表的样本中检测到了有机分子,这要归功于COSAC(彗星采样及成分实验)。这个设备设计用来探测此类分子,并检测它们的手性(即左旋还是右旋)是否与地球上标志性的有机物相符。不过,COSAC不得不等到“菲莱”电池将要耗尽的最后几小时,才开始尝试探测地表以下,因为人们担心钻探动作会导致未被固定的着陆器翻倒。法国尼斯大学分析化学家、COSAC联合研究员尤韦·麦尔亨利奇(Uwe Meierhenrich)说,在任务控制中心最终下达钻探指令之后,“菲莱”传回了数据,目前COSAC团队正在其中搜寻分子。

电量不足意味着Ptolemy设备没有机会去研究地表以下的样本,这个设备被设计用来分析化学物质,测量同位素的相对丰度。不过,设备团队对它在彗星表面的测量持谨慎乐观态度。如果他们运气好的话,通过比对地球上的数据,Ptolemy和COSAC或许都有助于揭示,是不是彗星将生命必须的物质,例如氨基酸和水,带到了地球上。跟磁场测量一样,Ptolemy也可能受益于“菲莱”在彗星上的弹跳。格雷迪说:“我们有可能从至少两个,甚至3个着陆地点,采集了样本。”

还有更多数据或许有机会传回地球。在“菲莱”关机之前,控制中心下达指令让它旋转了大约35度,并把主体抬升了4厘米,以便把它身上最大块的太阳能电池板转向阳光照射过来的方向。随着彗星越来越靠近太阳,如果越来越温暖的彗星允许“菲莱”产生足够的电量重启的话,它还有可能苏醒过来。

2015年8月,这颗彗星将抵达距离太阳最近的地点,用希尔克斯的话来说,它会变得“像地狱一般活跃”。麦尔亨利奇说,让着陆器在最初几天就耗尽电量的那片阴影,到时候或许会变成它的保护遮阳伞。“现在,它或许可以活过明年3月。可能到4月、5月或者6月,我们会再次联络到它。”

按照设计,“罗塞塔”探测器将在接下来的十几个月时间里,研究楚留莫夫-格拉希门克彗星,跟着它一起飞向太阳,再飞回深空。现在,连“菲莱”也有机会再次醒来,到时候可能会重新恢复运作。

除了确立欧洲空间局的历史地位以外,“罗塞塔”的成功可能还带来了更大的收益。欧洲空间局资深科学顾问马克·麦考琳(Mark McCaughrean)说,定于12月2日召开的欧洲空间局部长级会议上原本没打算讨论为“罗塞塔”提供资金的科学规划议题,但现在成员国或许更愿意参与进来,把钱投到科学发现上去。“就在着陆前2周,还有人担心,如果没能成功,可能会带来负面效应,”他说,“我们当然希望,反过来也是一样。”

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