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《科学24小时》

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彗星,我来了

2014-06-18 21:57:08

著名的大英博物馆有三件镇馆之宝:来自古希腊帕特农神庙的埃尔金大理石雕塑、来自中国的《女史箴图》,以及来自古埃及的罗塞塔石碑。没错,这块石碑的名字和罗塞塔太空探测器的名字一模一样,那么,它俩之间是否存在着某种联系呢?

 

彗星,我来了

    张唯诚

 

对欧空局来说,2014 年注定是不平凡的一年。他们计划追寻引力波、探测宇宙深空、登陆彗星(详见本刊2014 年第4 期《Top 10——2014 年值得期待的十大科技突破》)……其中,登陆彗星无疑是最有意思的一项活动。

 

 

远方的问候

 

2014 1 20 日,一艘孤独地在太阳系中穿梭了十年之久的太空船向地球发送了一个深情的问候:“你好,世界!”这艘太空船就是彗星探测器“罗塞塔号”。自2011 6 月以来,人们已经31 个月没有听到它的任何消息了,这是因为“罗塞塔号”在这段时间内一直行进在距离太阳十分遥远的木星轨道之外。那里距离温暖的太阳近8 亿千米,“罗塞塔”号的太阳能电池板只能接收到微弱的太阳光,其产生的能量甚至不及在地球附近的4%。在这种情况下,“罗塞塔号”只能无奈地关闭了绝大部分设备,以“休眠”模式在黑暗深邃的太空中孤独地漂泊。

“休眠”是为了节省能源。“罗塞塔号”真正的探险还在后面,它还有很多事情要做,所以节省能源是非常必要的。

然而经过了近三年漫长的“休眠”后,“罗塞塔号”的觉醒依旧是一个令人焦虑的过程。首先,一个“闹钟装置”负责唤醒“罗塞塔号”进入工作状态。机载电脑开始工作,它要接通两个加热器,为星体跟踪定位装置提供热量,使之进入工作状态。在这个装置的帮助下,“罗塞塔号”总算知道自己身在何处了。接下来,“罗塞塔号”必须找到地球,这项工作也是依靠星体跟踪定位装置完成的。这个装置能够扫描太空,根据星座和机载星图来确定地球的方位。有了这些数据后,“罗塞塔号”终于可以将天线指向地球了。此时的“罗塞塔号”距离地球是如此遥远,它向地球发回的问候乘着电波在太空中穿行了45 分钟后才被人们接收到。

好在一切顺利,科学家们给“罗塞塔号”发出了指令,而“罗塞塔号”也作出了回应。谢天谢地,它终究还是“醒”过来了!

 

 

注定的约会

 

 “罗塞塔号”是一艘专门为彗星而生的太空船。2004 3 2 日,它被一枚阿丽亚娜-5 运载火箭送上了一个复杂的太阳系轨道。此后十年,这个探测器便在这条轨道上一刻不停地奔驰。2005 3 月,它绕回地球,借助地球的引力奔向火星。2007 2 月,它在距离火星不足250 千米的地方掠过火星。2009 11 月,它再一次与地球擦肩而过。“罗塞塔号”之所以要选择如此复杂的线路,不断地飞临地球和火星,就是因为它要借助这两颗星球的引力提高速度并节省燃料,而它最终的目的地是一个距离地球5 亿千米的地方。它要在那里约会它矢志不渝的“太空情侣”——丘留莫夫-格拉西缅科彗星。

丘留莫夫-格拉西缅科彗星是苏联天文学家丘留莫夫发现的。19699 20 日,丘留莫夫在检视一幅天文照片时发现了一个疑似彗星的天体,而照片的拍摄者则是他的同行格拉西缅科。经过一番研究后,丘留莫夫确定这个新发现的天体是一颗彗星。研究显示,1840 年以前,这颗彗星与太阳之间的最短距离是4 个天文单位,非常难以观测。但1840 年以后,这颗彗星由于受到木星引力的拉扯不断靠近太阳。到了1959 年,它再一次靠近木星时,已被木星牵引到了距离近日点只有1.29 个天文单位的地方。这时,它终于向人们展示了庐山真面目。现在,这颗彗星的公转周期是6.57 年,正沿着一个距离近日点1.29 个天文单位、远日点5.7 个天文单位的椭圆轨道,围绕太阳运行。

现在,丘留莫夫-格拉西缅科彗星正在成为人类注视星空的一个焦点,苏醒后的“罗塞塔号”正在一天一天地靠近它。它的上面究竟隐藏着什么?为什么“罗塞塔号”要耗费十多年时间去追逐一颗远在天边的彗星呢?

 

 

关键的密码

 

彗星大多来自寒冷而遥远的太阳系边缘,它们的历史可以追溯到46 亿年前太阳系诞生的时候。在寒冷的太空中,彗星仿佛是一个储存着太阳系早期物质的“冰箱”,它们完整地保留了许多太阳系形成之初的原始成分。科学家们猜测,彗星可能隐藏着太阳系形成的最初线索和生命诞生的秘密。例如,彗星上可能有大量的挥发性物质,如甲烷、二氧化碳等,这些物质都是构成行星的必要成分。彗星上或许还含有外来的有机分子,它们很有可能是早期地球生命起源的物质。所以,探测彗星被认为是揭开地球生命起源之谜的一个重要途径。许多科学家还认为,地球上的水也来自彗星。因为远古地球曾遭受过大量彗星的撞击,它们极有可能为地球带来了水。

由此可见,彗星也许是我们认识宇宙的一个关键线索。通过彗星,也许我们将会得到太阳系是如何形成的、地球生命来自何方、我们是否是宇宙唯一生命等许多重大谜团的终极答案。这也正是欧空局追逐彗星的目的所在。那为何欧空局将该探测器命名为“罗塞塔”呢?

罗塞塔本是一个地名,一个位于埃及的港口城市。1799 年,人们在那里发现了一块石碑——罗塞塔石碑。石碑制作于公元前196 年,上面用希腊文、古埃及文和当时的通俗体文字镌刻着埃及国王托勒密五世的诏书。由于三种文字表述了同样的内容,近代考古学家便获得了一个对照三种文字解读失传千年的埃及象形文字的重要机会。通过对石碑上几种文字的研究,并参考另一块来自菲莱岛的方尖碑,科学家们最终破解了古埃及象形文字的秘密。他们意识到,一直被人们认为是用形表义的埃及象形文,原来也是具有表音作用的。这一重大发现成为解读所有埃及象形文的关键线索,也正是因为这个缘故,罗塞塔石碑被认为是了解古埃及语言与文化的钥匙,“罗塞塔”这个词也被赋予了“解决谜题的关键线索”的含义。

人们之所以把探测丘留莫夫-格拉西缅科彗星的太空探测器命名为“罗塞塔”,其喻意即在表明,研究彗星就如同解读“罗塞塔石碑”一样,具有解读宇宙关键线索的重要价值。

 

 

奇特的变化

 

然而,要读懂隐藏在彗星中的“罗塞塔石碑”并非易事,科学家们首先要创造一个非常聪明能干的“彗星地质学家”,这就是创造彗星探测器“罗塞塔号”的初衷。在此之前,人们也发射了一些彗星探测器,这些探测器为人们真正了解彗星做了大量的准备工作:有的拍摄了彗星的影像,有的靠近彗星获取了彗尾的物质,有的接近彗核拍摄了彗核的“近照”。这些资料大大加深了人们对于彗星的认知,同时也使人们了解到,彗星拥有多种多样的“行为”和外表,它们和人一样,各不相同。

当一颗彗星靠近太阳时,它的“表现”尤为精彩。太阳光会逐渐照亮冰冻的星体,越来越多的热量将使彗星表面的物质变成气体,并逃离彗星。在某些部位,这个过程会特别活跃,那里会产生一些喷流。最后,被蒸发的物质将混杂着大量气体与尘埃,在太阳光压的作用下形成长达数万千米的彗尾,整个过程会随着太阳热度的逐渐增加而愈演愈烈。

假若能够看到一颗彗星在接近太阳时的所有表现,那么,人们对彗星的了解就会更加全面和透彻,这也正是“罗塞塔号”的任务。这个价值10 亿美元的探测器重约3 吨,体积约为12 立方米,大小相当于一辆轿车,由轨道器和名为“菲莱”的着陆器组成。轨道器装备着12台科学仪器,着陆器携带着9 台科学仪器,展开后长达14 米的太阳能电池板将为“罗塞塔号”提供活动所需的能量。

 

 

忙碌的工作

 

在长达10 年的旅行中,“罗塞塔号”并非无所事事。2008 9 5 日,“罗塞塔号”飞掠小行星斯坦。这颗行星体积很小,直径约为6 千米,位于火星和木星之间的小行星带上。“罗塞塔号”发现斯坦星的北半球上有一个大陨石坑,直径达2 千米。大陨石坑周围环绕着7 个小陨石坑。它还发现斯坦星上有不少被太空岩石撞击的斑痕,这表明斯坦星非常古老。

2009 7 10 日,“罗塞塔号”飞临另一颗小行星司琴星。司琴星比斯坦星大得多,直径超过100 千米。它于1852 11 15 日被人类发现,是人类发现的第21 颗小行星。“罗塞塔号”发现,司琴星是一颗高密度的小行星,它在飞掠这颗小行星时,竟受到其引力的拖拽,发生了轨道偏移。

科学家们推测,司琴星可能是人类探测器飞临的最完整的一颗小行星。因为这颗星体的个头和密度使它很难被其他星体撞成一堆碎片,所以我们看到的仍是它46 亿年前形成时的模样。虽然科学家们极度渴望了解司琴星的物质构成,但“罗塞塔号”不能停留,它的目标不是小行星,遥远的丘留莫夫-格拉西缅科彗星正在召唤它。

 

 

期待的重生

 

丘留莫夫-格拉西缅科彗星是一颗怎样的彗星呢?迄今,人们对它的了解还处于原始阶段。2003 3 12 日,哈勃太空望远镜为它拍了照,科学家根据拍摄的照片和现有的资料合成了一幅三维电脑图像,显示了这颗彗星的彗核结构:直径约4 千米,呈橄榄状。2004 年,为了庆祝“罗塞塔号”发射成功,欧洲南天文台又公布了一幅该彗星的照片。由于拍摄距离遥远,这颗彗星在照片上仍只是一个不显眼的小点。

然而,假如在未来的一年时间内,“罗塞塔号”能够不辱使命,这颗彗星就将变成人们眼中最耀眼的“明星”。“罗塞塔号”不仅要靠近它,跟踪它,还要释放一个着陆器在它的彗核上。这将是人类第一次近距离观察和研究一颗正在靠近太阳的彗星。

“罗塞塔号”的“重生”使得欧空局的工作人员迅速忙碌起来,他们进入了紧张的准备阶段。“罗塞塔号”还要接受一次全面“体检”,整个系统和所有仪器都将接通电源,并重新开启。如今的“罗塞塔号”正在逐渐靠近太阳,电力将会越发充足。它就像星期五早晨的上班族,精神抖擞,满怀希望。

 

 

亲密的接触

 

按照计划,“罗塞塔号”于2014 5 月份开始靠近丘留莫夫-格拉西缅科彗星,并在8 月份与它会合。它们的“约会”地点将在远日点附近,这样“罗塞塔号”就能观察这颗彗星在飞过太阳附近时的全部过程了。

会合之后,“罗塞塔号”将在距离慧核几千米的地方开始环绕运行。11 月,“罗塞塔号”将释放“菲莱”着陆器,以实现人类探测器在彗星上的首次软着陆。由于该彗星彗核的直径只有4 千米,引力很小,所以重达100 千克的“菲莱”会像纸片一样飘落在彗星上。着陆后,“菲莱”需要利用叉钉将自己固定住,否则会飘离而去。

“菲莱”将是人类派往彗星的第一个机器人使者,一个“彗星地质学家”。它将钻探慧核表面,用仪器分析矿物构成和同位素成分,寻找是否存在有机物质……它还会研究彗核的各种物理特性,拍摄彗星的周围环境,并将获得的数据通过“罗塞塔号”轨道器传回地球。与此同时,“罗塞塔号”则会作为轨道器追随丘留莫夫-格拉西缅科彗星一步步接近太阳。当这颗彗星运行到距太阳约5 亿千米的近日点时,其冰冻的表面将开始蒸发,扩散出的气体与尘埃会形成长达数万千米的彗尾。“罗塞塔号”将会亲眼见证并记录整个过程。

十余年的追星之旅即将画上句号,整个彗星探测计划将由这最后的关键一步作为终结。或许科学家们早已习惯了高度紧张的状态,对他们来说,这次机会千载难逢,任何一个步骤都不容许有丝毫差错。这次计划的“罗塞塔石碑”,其实就在人们自己手中。

 

 

链接:

名词解释:

阿丽亚娜-5 运载火箭:欧洲研制的不可重复使用的运载火箭,是亚利安火箭系列中的最新型号,主要用于将人造卫星发射至地球同步轨道或低地球轨道。

天文单位:(英文:Astronomical Unit,简写AU)天文常数之一,是长度单位,历史上约等于地球跟太阳的平均距离。一天文单位约等于1.496亿千米。它是天文学中测量距离,特别是测量太阳系内天体之间距离的基本单位。

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