罗塞塔彗星探测计划能给人类带来什么好处

伤我心太深

罗塞塔彗星探测计划是欧洲空间局“视野2000”-奠基石(ESA Horizon 2000 cornerstone)计划旗下的探测任务，也是人类历史上首次围绕一颗彗星运行并在其表面着陆的探测器。整个项目耗资约13亿欧元，约合107亿人民币。
罗塞塔飞船得整个项目的目标是在67P/Churyumov-Gerasimenko彗星上释放一颗着陆器。按照计划，这项太空登陆行动即将在2013年的11月份展开。罗塞塔探测器本体在2014年的1月份便已经被唤醒。如今，它将要登录小行星了。


欧洲空间局的“罗塞塔”探测器成功进入“楚留莫夫—格拉希门克”彗星的绕转轨道，携带的“菲莱”着陆器将在今年11月中旬左右登上彗星。那这枚烧掉10亿欧元的大玩具最近在干嘛？绕圈子玩儿？睡大觉？非也。上周在葡萄牙海滨城市卡斯凯什召开的欧洲行星科学会议（European Planetary Science Congress, EPSC）上，科学家共济一堂，尽情腐败讨论通过“罗赛塔”号获得的最新成果。现在，我们不妨暂时把目光从眼前的柴米油盐移开，去看看440715000千米外，人类的星际使者又有什么新发现吧！
首先给大家欣赏的是这张“窗边位”照片，这是“罗塞塔”探测器的唯一乘客——“菲莱”着陆器——在9月10日拍摄的，拍摄时距离彗星只有50千米左右。这张照片没太多的科学价值，主要用途在于宣布“老子到此一游”。不过，对于一枚在太阳系遨游了10年、行程60亿千米的探测器来说，能拍到这么一张照片也是颇不简单的了。10年前的你在忙什么呢？

“菲莱”着陆器拍摄的“罗塞塔”太阳能电池板和远处的“楚-格”彗星，摄于2014年9月10日。图片来源：ESA/Rosetta/Philae/CIVA

我们都知道，彗星是太阳系中非常独特的天体。它们带有大量易挥发物质（比如我们熟知的水冰），在接近太阳时会“苏醒”，从彗星表面挥发到太空中去，远处看上去就形成了一条漂亮的“彗尾”。同时带入太空的，还有彗星表面的小颗粒，成为“流星体”。没错，你看到的流星，有许多就是这样来到地球上的。因为彗星本身非常小，不会有地质作用来改变这些颗粒的组成，所以它们忠实地携带着太阳系形成初期的宝贵信息，或许还有生命起源的线索。因此，彗星以及其他小天体一直是科学家很感兴趣的研究对象。
在“罗塞塔”于9月2日拍摄的这张照片上，人们可以清楚地看到一条主要的喷流。如何判断喷流里物质的成分呢？这说起来就非常有意思了。如果大家的中学化学知识还没有全还给老师的话，应该还记得元素周期表吧！简单来说，周期表中不同的元素（以及不同元素组成的分子），会对应着不同颜色的光，就好像不同的车牌对应不同的车一样。天文学家只需要观察彗星光线的具体颜色（即测定彗星的“光谱”——光线的“族谱”），再到早已测定好的“族谱目录”里一查，就能知道彗星上有什么物质。

9月2日拍摄的“楚-格”彗星彗核影像，可见“脖子”处有一条非常明显的喷流（向画面左上方）。图片来源：ESA/Rosetta/NavCam/Emily Lakdawalla

“罗塞塔”携带有3架光谱仪，分别测量紫外波段、可见光和红外，以及微波波段的光谱。我们已经知道，有一些水分子分解的产物富含氢、氧元素，这些产物在紫外波段会发出比较强的光。科学家借助“罗塞塔”探测器携带的紫外成像光谱仪（ALICE），通过这些“光”的亮度，就可以推知彗星释放水汽的速度，而根本无需拿个大碗去量度彗星释放了多少水。牛吧！
在会议上，负责ALICE的科学家艾伦·斯特恩（Alan Stern）报告了最新获得的观测结果：喷流中存在大量的氢、氧原子，但在彗星表面几乎没有这两者的踪迹！这个发现让科学家小小地吃了一惊，因为按照现行的理论，彗星是个水冰和尘埃组成的“脏雪球”，水冰应该和尘埃一起暴露在外；而“罗塞塔”的观测数据表明，水冰主要埋藏在地下。

“罗塞塔”的二次离子质谱仪捕获到的彗星尘埃颗粒。图片来源：ESA / Rosetta / MPS for COSIMA Team

上面我们提到，彗星释放的颗粒大有乾坤。虽然我们在地球上也可以通过大望远镜和流星监测网络来研究这些颗粒，但欧洲空间局的科学家和工程师当然也没放过这次上门拜访彗星的机会。“罗塞塔”搭载有一台“二次离子质谱仪”（COSIMA），由24个1平方厘米大小的捕获板组成，在接近彗星时就暴露在外，以期捕获彗星释放的颗粒。在EPSC会议上，科学家宣布，捕获板立功了！
在公布的照片中，我们可以看到至少有两颗较大的颗粒“中招”，这些颗粒大约有头发宽度那么大。COSIMA上安装有一台显微镜，将首先为这些颗粒拍“写真集”，然后质谱仪将闪亮登场，研究这些粒子的成分和结构。“罗塞塔”还搭载了其他颗粒分析设备，包括“颗粒冲击分析仪”（GIADA）和“尘埃显微成像分析仪”（MIDAS），前者也已经搜集到至少4颗彗星颗粒。

“罗塞塔”探测器的主成像仪拍摄的彗星颈部，摄于2014年9月5日。图片来源：ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

与此同时，科学家和工程师也在为“菲莱”着陆器寻找合适的着陆地点，“罗塞塔”号的主成像仪——光学、光谱和红外远程成像系统（OSIRIS）——正不间断地对彗星进行观测，传回大量惊艳照片。比如上面这张对彗星颈部的特写，分辨率高达1米，看起来像一座在茫茫太空中转动的雪山。
在我看来，最有意思的也许是正在释放物质的“颈部”，但在那里着陆的难度太高了。在EPSC会议上，欧洲空间局的专家公布了5个候选地点，但坦承最大的挑战仍然来自崎岖的地貌。“菲莱”着陆器的设计充分考虑了这一点。根据欧洲空间局工程师的说法，即使在陡峭的山坡上着陆，也有可能进行考察工作，但如果倒栽葱式的着陆，那就只能算运气不好了。
欧洲空间局将在今天（9月15日）公布最终选定的着陆地点，而登陆时间暂时选定在11月11日前后，正好碰上将在美国亚利桑那州图森市举办的美国天文学会行星科学年会（估计是有意为之）。这等好事怎能错过，我当然是要亲自前往图森腐败好好学习的。



解析罗塞塔身上有那些装备：

ALICE——紫外成像光谱仪，用于彗发与彗尾的气体成分分析，彗核水汽与二氧化碳/一氧化碳产生率观测，并协助判定彗核成分；
CONSERT ——彗核探测与无线电通讯实验，借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性，研判彗核内部结构；
COSIMA——彗星二次离子质谱仪，分析彗核释放出的尘埃颗粒性质，包括判别其物质成分，以及是否含有有机物；
GIADA——颗粒碰撞分析仪/尘埃采集器，用于测量尘埃颗粒的数量，质量，动量与速度，分布状况等信息；
MIDAS——微成像尘埃分析系统，分析彗星周围的尘埃环境，包括尘埃数量，大小，分布，形态等等；
MIRO——罗塞塔轨道器微波设备，用于判定主要气体丰度，彗核表面排气率，以及彗核浅地表温度；
OSIRIS——光学，光谱与红外遥感系统，拥有广角/窄角相机，可以获取高分辨率彗核图像；
ROSINA——罗塞塔轨道器离子与中性粒子光谱仪，包含两台探测设备，可以对彗星的大气/离子层进行考察；
RPC——罗塞塔飞船等离子体科学包，包括5台设备，对彗发进行分析，并监测彗星与太阳风粒子间的相互作用；
RSI——无线电科学实验，利用无线电信号频率偏移测量彗核的质量与引力场参数，反演彗核内部结构与密度状况，并进行轨道测定和彗发研究；
VIRTIS——可见光与红外热成像光谱仪，研判彗核固体物质成分，并测量地表温度，并帮助选取着陆器的着陆位置；
菲莱着陆器上同样安装有通讯天线，但它必须通过罗塞塔母船的中继才能将数据传回地球。菲莱上一共安装了9台科学设备，设备总重约21公斤。另外它还携带了钻探设备，用于在彗核表面进行钻探取样，这9台科学载荷包括：
APXS——阿尔法粒子-X射线光谱仪，它将会被置于距离地面仅4厘米左右的位置上，探测物质的阿尔法粒子/X射线辐射特征，从而分析其地表元素成分；
CIVA——全景相机，其一共包括6台完全相同的小型相机，用于拍摄彗核地表的全景图像，另外还包括光谱仪，用于分析从彗核地表获取样品的成分，结构以及反照率分析；
CONSERT——彗核探测与无线电通讯实验，借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性，研判彗核内部结构；
COSAC——彗星取样与成分分析仪，通过元素与分子信息分析彗星上复杂有机分子；
PTOLEMY——演化气体分析仪，用于对较轻元素的同位素分析；
MUPUS——地表与次地表多功能科学包，测量彗核表面的密度，热量与机械性质；
ROLIS——罗塞塔着陆器成像系统，这是一台CCD相机，用于在着陆彗核的过程中拍摄高分辨率图像，并拍摄其他设备取样区域的高清图像；
ROMAP——罗塞塔着陆器磁强计/等离子体监测仪，用于研究彗星磁场以及彗星/太阳风相互作用机制；
SD2——取样与分发设备，可以钻探进入彗核地下最深20厘米，并自动向不同分析设备进行样品分发；
SESAME——表面电性与声学监测装置，测量彗核以及彗核周围空间的声学与电学性质；