罗塞塔号的彗星一年

释放双眼,带上耳机,听听看~!

2014年8月6日,欧洲空间局的罗塞塔号彗星探测器成功与67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星会合,成为史上第一架遭遇彗星又伴随后者一路运行的航天器,此时距离2004年春季的发射已经过去了将近10年半。在这段漫长的征程中,罗塞塔号经历了3次地球飞掠、1次火星飞掠、2次小行星会合、5次绕行太阳、两年半的深空沉眠,然后是一系列复杂的变轨机动,最终才得以与这颗小而奇特的彗星相逢。如今罗塞塔号已经在彗星上度过了整整一年,在刚刚过去的8月13日还与彗星一同飞过了近日点,期间一路更新着人们对彗星乃至太阳系演化的认识。由此,先前的种种努力也算是没有白费。罗塞塔号的彗星一年与丘留莫夫-格拉西缅科彗星会合的罗塞塔号探测器。(图片提供:探测器:ESA/ATG medialab;彗星:ESA/Rosetta/NAVCAM)欧空局在彗星探测方面是拥有光荣传统的。早在上世纪80年代哈雷彗星最近一次回归的时候,该机构就发射了乔托号探测器,并第一次成功采集了彗核的近距离影像。这些图像是当年“哈雷舰队”的诸多成员探测器取得的最著名也是最重要的成果之一。但是仅仅的一次飞掠并不足以揭示众多关于彗星的基本问题,因此早在哈雷彗星回归之前,欧空局就作出了长远的彗星探测规划,最初的打算甚至还包括与NASA合作执行彗星采样返回任务。但受限于NASA的预算,彗星采样探测器后来被缩水成了如今的彗星会合与着陆计划。由于彗星据信是残存至太阳系形成之初的活化石,深入勘测彗星就等同于太阳系考古,这架探测器因此以揭秘埃及圣书体文字的罗塞塔石碑命名,希望它可以为行星科学家发挥同样重要的作用。就算忽略罗塞塔号超过10年的逐彗之旅,这架探测器在发射之前也经历了一波三折。它原本的目标是短周期的维尔塔宁(Wirtanen)彗星,但因为阿丽亚娜5型运载火箭发生了故障,罗塞塔号原定2003年初的发射被迫推迟,因此造访目标随之改成了周期6.5年的丘留莫夫-格拉西缅科彗星。这颗于1969年由前苏联天文学家克利姆·丘留莫夫(Klim Churyumov)与斯韦特兰娜·格拉西缅科(Svetlana Gerasimenko)无意间发现的短周期彗星算得上是一张新鲜面孔,在一个半世纪之前才刚刚被木星的引力俘获并进入内太阳系。因此与其他业已回归无数次的彗星相比,它受到的太阳影响相对较少,从而保持了更多原始风貌,更适宜进行近距离勘察。罗塞塔号的彗星一年克利姆·丘留莫夫于1969年在哈萨克斯坦的阿拉木图天文台拍摄的底片,图中箭头所指就是位置发生移动的丘留莫夫-格拉西缅科彗星。(图片提供:K. Churyumov)在抵达目标之后这一年的时间里,罗塞塔号对这颗彗核宽度略宽于4千米的彗星进行了全方位考察,从彗核地形、组分、彗星活动,再到彗星的气味和声响,无所不包。所有这些方面都蕴涵着无尽的未知和惊喜。探测器实地的近距离考察,再结合地面对彗星活动全局性的监测,正在展示一幅太阳系冰封天体的诱人画卷。首先丘留莫夫-格拉西缅科彗星的外观就让众人着迷不已。先前乔托号眼中的哈雷彗星彗核呈花生状,其他若干有探测器造访的彗星彗核也呈不规则状,但丘留莫夫-格拉西缅科彗星的造型实在有些颠覆。大体说来,这个彗核呈诡异的双瓣形,一侧宽约4.1千米,另一侧较小,宽度只有2.6千米左右,两瓣之间由细颈连接,因此不少人用“橡皮黄鸭”来形容它。罗塞塔号的彗星一年丘留莫夫-格拉西缅科彗星彗核的双瓣外观。(图片提供:ESA/Rosetta/Navcam – CC BY-SA IGO 3.0)很自然地,这种外观带来了彗星起源的两派学说——双彗核碰撞说,以及单彗核不对称局域侵蚀说。直到最近,丘留莫夫-格拉西缅科彗星的起源之谜才通过对彗核地貌的全面分析得以揭晓。考虑彗星上诸多的地层与阶梯状地貌理应垂直于形成时的星体重力方向,而两瓣重力的指向彼此不同,彗核更有可能是两侧独立形成,随后又通过低速碰撞粘结在一起的。这样的过程也得到了模拟工作的证实。当然,局域侵蚀也确实影响了彗星外观的最终塑造,但最核心的因素还是碰撞。彗核表面的地貌也极具吸引力。虽然丘留莫夫-格拉西缅科彗星体积并不大(作为比较,亮彗星如海尔-波普彗星,彗核宽度达到了35千米),但地表复杂度一点都不低。罗塞塔号在抵达彗星之初,与彗星最近的距离达到了10千米,由此获取了分辨率细至每像素不足1米的图像。罗塞塔小组据此将整个彗核划分为23个截然不同的区域,它们都以古埃及神明命名,具备5大类截然不同的地形,分别对应平地、大型凹陷区域、覆尘地表、充斥着凹坑与圆形结构的受损地貌、还有类似岩石的坚实地带。比如拥有一道500米裂隙的彗星颈部存在光滑平坦的哈皮(Hapi)地区,这里是彗星活动的主导,大量的气体从这里流出;而相邻的某些地区却遍布山崖和砾石,看上去崎岖不平。罗塞塔号的彗星一年丘留莫夫-格拉西缅科彗星地表的分区示意图。(图片提供:ESA/OSIRIS team)必然地,去年11月12日在彗核表面着陆的菲莱号着陆器对彗星地表更有发言权。虽然菲莱号在着陆过程中发生了弹跳,并没有落入拥有充足光照的阿吉尔基亚(Agilkia)着陆点,而是在两小时后进入了位于较小一瓣的阿比多斯(Abydos)地区,落向当时尚处阴影之中的某个凹坑内,此外着陆器上用于固定的鱼叉也未能如期射出,但反弹过程也带来了意外的红利——着陆器得以考察两处不同的区域;而进入阴影区域虽然限制了菲莱号初期考察持续的时间,但却让它在今年6月中旬的再度苏醒成为了可能。如果菲莱号按照原计划落至阿吉尔基亚地区的话,强烈的阳光产生的高温早就会将它损坏了。在菲莱号的图像中,同样可见遍地的砾石和崖壁。阿吉尔基亚地区存在大至数米的大块砾石,裂隙从中穿过,砾石后方还拖出了侵蚀而成的残片留下的尾迹;而阿比多斯地区也存在供着陆器倚靠其上的峭壁,壁面也是大小裂隙兼而有之,更惊喜的是菲莱号的显微照相机还捕获了这里小至几毫米宽的地貌,提供了难得的彗核地表细节图。罗塞塔号的彗星一年菲莱号的显微照相机在阿比多斯着陆点拍摄的地形图像。图中前景可见着陆器的一个支架,以及长693毫米,宽5毫米的CONSERT天线,其他结构的尺度可以以此为参考。(图片提供:ESA/Rosetta/Philae/CIVA)这颗彗星的结构与成分也颇为值得玩味。虽然彗星的主要成分是冰雪,但它们却是不折不扣的脏雪球,表面颜色极暗,比如丘留莫夫-格拉西缅科彗星只能反射6%的入射阳光,颜色之暗淡,几乎与煤球相当,其他曾被探测器近距离造访的彗星也大抵如此。这样的漆黑外观可能是外逸气体中的尘埃回落的结果。光谱测量的结果是,丘留莫夫-格拉西缅科彗星表面覆盖着一层复杂的有机物,而不像其他木星族彗星那样在表面存在大量暴露的水冰。不过菲莱号的实地考察并未否定分布在彗核表面的冰态物质成分。两处着陆点周围的物质都是明暗不等的,说明这里除了具有暗色的有机物颗粒之外,还可能存在包括水冰在内的明亮物质,稍候罗塞塔号拍摄的细节照片揭示了彗核上存在亮斑,也进一步佐证了这一点。这些暴露在外的斑块很可能是因为新近的彗星活动而暴露出来的新鲜水冰。但是根据着陆点的温度波动情况,还有着陆时分进入着陆器气体分析仪器的地表扬尘和气体样本来判断,彗核表面的主体仍旧应是富含有机物的尘埃,其中还存在多种第一次在彗星上发现的物质如丙酮与乙酰胺,以及甲醛之类对核糖等生物分子的合成至关重要的成分。只是这层尘埃的厚度处处不同,仅以两个着陆点来看,阿比多斯地区的尘埃就要比阿吉尔基亚地区薄很多。罗塞塔号的彗星一年罗塞塔号探测器在丘留莫夫-格拉西缅科彗星的彗核上拍下的亮斑,它们最可能的解释就是暴露在外的水冰斑块。(图片提供:ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA)但彗星组分方面最重要的发现当属彗星水分的同位素比例。在罗塞塔号与目标彗星会合之前,一种极其流行的观点是地球上相当一部分水分可能是由彗星带来的。在形成之初尚处混乱的太阳系中,彗星四处游荡,与行星频繁碰撞,由此可能为后者带来了生命形成和演化必需的水分。但罗塞塔号的观测结果表明,丘留莫夫-格拉西缅科彗星上的水分子氘氢之比远高于地球上的海水,这样看来地球和彗星水分的起源应该是截然不同的。既然丘留莫夫-格拉西缅科彗星所属的木族彗星是与地球碰撞几率最大的彗星族群,那么这一发现可以说是在很大程度上否决了地球水分的彗星起源说。除此以外,罗塞塔号携带的质谱仪和显微镜早在彗星距离太阳尚远的2014年秋季就捕获了从彗核散发向彗发中的水分、一氧化碳、硫化氢、氨、甲醛以及氢氰酸和甲醇等分子。等离子体联合仪器发现了出乎意料的的低频(数十毫赫兹)“声响”,它们可能源自彗星周围磁场振荡。而引力测量与无线电测量表明,这颗彗星的彗核内部结构理应是多孔而蓬松的,因为它的密度还不到水的一半。换句话说,如果存在足够大的水体(地球上的大洋足矣),整个彗核会漂浮在水面上——果真是一只鸭子!罗塞塔号的彗星一年丘留莫夫-格拉西缅科彗星及其发出的“声响”。(图片提供:ESA/Rosetta/NavCam)罗塞塔号的优势绝不限于近距离考察彗星。众所周知,在彗星接近太阳前后,彗核在日益增强的日照环境下会逐渐升温,由此其中的冰态物质发生升华,转化为以水蒸汽为主的富尘气体云,塑造出了模糊的彗发和长长的彗尾。虽然空间探测器的长期近距离考察很难覆盖彗发或彗尾的全貌,但对于关注个别活动区的消长来说却是不可替代的。丘留莫夫-格拉西缅科彗星的近日点其实距离太阳并不太近,足有1.85亿千米,这里位于地球和火星轨道之间。再加上彗核尺度较小,因此它并不能发育出在地球上肉眼可见的壮观彗尾。但对于探测器来说,这何尝不是好事,因为大彗星多得过分的气体尘埃外流物无疑为仪器的正常工作带来了威胁。罗塞塔号虽然只是陪伴这样一颗小型彗星接近近日点,但考虑一年来日益增强的彗星活动,为了确保仪器不被尘埃颗粒轰击,且导星仪器能够顺利分辨星点,今年春天以来,探测器都必须要与彗星至少保持150千米甚至更远的距离才不致受损(而不是去年达到的30千米,或者是年初达到的6千米),而且考察规划往往是不存在什么提前量的,而是要随时酌情修订。罗塞塔号的彗星一年丘留莫夫-格拉西缅科彗星在2015年1月31日至3月25日的活动情况,期间探测器距离彗核30至100千米不等,彗星与太阳的距离从3.63亿千米缩短到了3亿千米。(图片提供:ESA/Rosetta/NAVCAM – CC BY-SA IGO 3.0)如上图所示,彗星活动的表征就是一系列从彗核表面射出的气体尘埃喷流。这些喷流的源头在哪里?罗塞塔小组的研究者已经追踪了部分喷流的起源,确定它们来自地表一些近似呈圆形的活跃凹坑。凹坑直径数十到数百米不等,深度可达200多米,内部有着光滑的底部与陡峭的侧壁,喷流正是从侧壁升腾而起的。这些凹坑可能就是塌陷的地下坑洞,在失去了地表的防护之后,彗星内部的冰态物质暴露在外,更容易在阳光的照射下发生升华。当冰态物质升华殆尽后,侧壁陡峭的活跃凹坑可能就会转化为平缓的沉寂凹坑。更加有趣的是,不同地区的凹坑侧壁结构各不相同,它们暗示了彗核各部分的组分和地质历史差异。罗塞塔号的彗星一年彗核表面玛阿特(Ma’at)地区3个不同的凹坑,其中1号坑最为活跃,侧壁也最为陡峭;3号坑几无任何活动,侧壁也最为平缓,内里已被尘埃所充斥;2号坑介于二者之间。(图片提供:ESA/Rosetta/NAVCAM – CC BY-SA IGO 3.0)而彗核上单个活动区的消长是与彗星自转同步的。当该地区处在白昼之时,太阳照射让地表附近的冰态物质升华逃逸。入夜,地表的冷却速度较地下尚保有阳光余热的冰体更快,这样地下的冰雪继续升华,最终凝结在了地表之上,为下一日的活动作准备。当升华的冰体进入太空后,罗塞塔号近距离考察的能力又从分子甚至是原子层面上展示了彗发中一氧化碳和水分子瓦解为原子,并发出高能辐射的过程——这里的关键是阳光中的紫外成分轰击分子释放出的高能电子,正是这些电子诱发了其他彗发分子级联式瓦解的过程,导致了紫外乃至更高能量辐射的产生。值得一提的是,解密彗星高能辐射的仪器与新视野号冥王星探测器搭载的紫外成像摄谱仪Alice系出同门,一远一近,同样的两台仪器正在将太阳系中高能过程的细节展现在人们眼前。罗塞塔号的彗星一年彗核表面的一处大型凹坑(左)及其计算机处理后的增强图(右),可见一道喷流从凹坑内部喷出。(图片提供:ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS team)在通过近日点前后数周,丘留莫夫-格拉西缅科彗星的活动达到了高潮。根据探测器的观测,期间彗星每秒钟都要向太空喷出多至300千克的水蒸汽,以及1000千克的尘埃物质,这样的数据相当于罗塞塔号一年之前测量结果的上千倍。彗星地表最高温度也大为提升,从去年的零下70摄氏度上升到了今年春夏之交的零下几摄氏度,通过近日点前后甚至有望提升到数十摄氏度。更有甚者,在靠近近日点前后,罗塞塔号还发现有一块大型砾石从彗核飞出。虽然砾石与探测器的确切距离不得而知,所以其真实尺度难以判断,但它不会小于1米。如果砾石确实是起源于彗核的,这说明彗星的活动已经足够强,足以让大块物质瓦解,并从彗核逃逸出来。罗塞塔号的彗星一年2015年7月30日从彗核飞过的一块大型砾石,取决于它与罗塞塔号的距离,它的大小可能介于1米到50米之间。(图片提供:ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA)在罗塞塔号考察丘留莫夫-格拉西缅科彗星期间,众多地面天文台也充分利用这样一个绝佳的联测机会,一路跟踪彗星的演化。在探测器刚刚抵达当时距离太阳3个多天文单位的目标时,地面所见的彗星还只是个小光点。但在菲莱号着陆前后,暗淡的彗尾就已经出现了。最终在接近近日点的时候,彗星拖出了不对称的彗发和明亮的彗尾,彗尾长度超过12万千米。这期间的观测数据将为未来的研究奠定基础,进一步明确彗星活动在宏观和微观尺度上的关联。罗塞塔号的彗星一年南北双子望远镜在2014年到2015年间拍摄的丘留莫夫-格拉西缅科彗星彗发和彗尾的演化。(图片提供:Gemini Observatory/AURA)伴随着丘留莫夫-格拉西缅科彗星逐渐接近近日点,彗核南极附近长达5年半的漫漫极夜也即将走向也终结,马上会迎来为期10个月的短暂夏季,这样罗塞塔号在不久的将来有望第一次得以窥见这里的风景。这颗彗星的两半球其实结构非常诡异,并非想当然的分属两瓣,而是各由两瓣的部分区域组成。彗核形态的高度不规则再加上自转轴的奇特取向,让彗星南北半球的季节极为不均匀。因为光照不足的缘故,研究者现在连彗核南半球的具体形态都不甚清楚,只知道这里的热性质与电磁性质相差甚远,堪称整个彗核之最。南极地区的种种谜题也将是罗塞塔号在通过近日点之后的重点关照对象。就在今年6月底,欧洲空间局刚刚批准了将罗塞塔号探测器的工作时间从2015年12月底延长到2016年9月底的计划。这样只要一切顺利,罗塞塔号将有机会目睹丘留莫夫-格拉西缅科彗星在远离太阳期间逐渐平息的活动,并有望进一步靠近彗核以辨认出菲莱号实际的着陆点,并比较通过近日点前后彗核的变化,还可以从事采集彗核附近的尘埃样本、飞掠彗星夜半球等风险较高的活动。最终在明年秋季彗星距离太阳过远,探测器太阳能电池板无法有效供能,且推进剂濒临耗尽之际,罗塞塔号有可能螺旋降落到彗核表面上去,伴随着彗星一次又一次地再度重返内太阳系,成为太阳系空间探测的永久性丰碑。 注:本文为约稿,即将发表于《天文爱好者》杂志,请勿转载。内容来自 Bo Zhang's Homepage

奇点天文转载只用于免费给天文爱好者阅读,如您觉得侵犯文章版权,请联系管理员删除,同时我们也对侵犯您的版权表示歉意。

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

为TA充电
人已赞赏
最新投稿

CALISTO:远红外空间望远镜的设想

2021-3-16 12:03:03

最新投稿

SOHO:守望太阳20年

2021-3-16 14:08:27

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索