「羅塞塔」：告訴你彗星的模樣？

羅塞塔探彗項目不久前剛剛打敗了大把一流的科研項目，被美國《科學》雜誌評選為2014年十大科學突破之首。1月23日，《科學》雜誌再發特刊，向世人展示「羅塞塔」所取得的主要探索成果。

此前，這顆凝聚了人類最高智慧成果的探測器經歷了長達10年的星際旅行，在2014年8月飛抵目的地彗星67P/GC，並於11月12日發射了登陸器菲萊以對彗核的表面性質和周圍氣體進行更深入的分析。

此次《科學》特刊發布的7項新的研究報告，它們對該彗星的形狀、組成和表面特徵等作了描述，彗星的神秘面紗正在被慢慢揭開。

一、花費14億歐元值不值？

「羅塞塔」對彗星形成及太陽系的起源等秘密進行了前所未有的近距離探索。整個項目的投入達14億歐元。

彗星是太陽系形成伊始的古老遺迹，「羅塞塔」此行探索彗星對研究太陽系的物質組成和起源至關重要。根據太陽系形成的「星雲假說」，約46億年前，一片由星際塵埃和氣體組成的分子雲在引力作用下坍縮、溫度上升、自轉加速並平坦化形成盤狀星雲。其中99.8%的星雲物質在星盤中心聚集形成原恆星。原恆星核聚變產生恆星，與此同時，星盤外圍溫度降低，導致冰、甲烷、氨等氣體凝聚，與其它星際顆粒隨機增生，形成微行星。微行星再碰撞聚集，逐漸演化成我們現在的行星系統。而彗星，則可以看做是能產生彗發和彗尾等特徵結構的微行星。彗星往往來自寒冷黑暗的太陽系外緣軌道，很可能良好保存著太陽系形成之初的信息。

與此同時，彗星探索將有助於揭示地球生命起源之謎。彗星是由水冰和固體物質組成的「臟雪球」。根據天體撞擊起源假說，在地球早期，大量彗星撞擊地球表面，不僅帶來了豐富的水源，形成了原始海洋，而且與彗星攜帶的各類烷烴、氨基酸、脂肪酸、多環芳烴和卟啉等有機化合物一起，在適宜的地球溫度、大氣層等環境條件下誕生了最初級的生命。而對彗星物質成分的分析有望回答地球上的水是否來自彗星、為什麼地球上的氨基酸都是左旋形式、彗星是否為地球開啟了生命之門等關鍵問題。

不僅如此，了解慧核的結構和物質組成、精確掌握軌道運動規律將有助於應對彗星撞擊地球的災難性事件。在地球演化的歷史中，小天體撞擊多次導致地球氣候環境災變和生物滅絕事件，如6500萬年前的恐龍大滅絕、100多年前的通古斯大爆炸等。2013年2月15日還有小天體撞擊俄羅斯車裡雅賓斯克並導致人員受傷和大量建築物受損。我們並不能排除彗星再次撞擊地球的可能性，因此有必要增加對彗星的了解。

二、10年「追星」路

圖1 「羅塞塔」太陽系之旅的軌道示意圖及關鍵事件時間軸（圖片來源：ESA）

「羅塞塔」在2004年3月發射後，於2005年3月第一次繞地球加速；2007年2月進行繞火星加速；同年11月第二次繞地加速。三次變軌加速後，「羅塞塔」於2008年9月飛掠了小行星Steins。2009年11月，「羅塞塔」進行了最後一次繞地球加速變軌。2010年10月飛掠小行星Lutetia。隨後，「羅塞塔」在2011年6月進入休眠狀態，直到2014年1月復甦，同年8月「羅塞塔」與彗星成功對接，11月12日向彗星發射了登陸器菲萊。據計算，彗星67P/CG將於2015年8月到達近日點，而「羅塞塔」和菲萊計劃將會對這一時期內彗星活動的變化進行密切的監測分析。整個項目將會在2015年12月31日正式結束。

科學家們關於探索彗星的最初構想始於上世紀80年代早期，而宇航器Giotto在1986年發回的哈雷彗星的彗核照片則促使羅塞塔項目被提上了正式議程。「羅塞塔」的建造和測試完成於2002年，發射時間原定於2003年初，但在發射前月所發現的發射台故障使得「羅塞塔」的發射時間推遲到了2004年3月，探測目標也由原定的彗星46P/Wirtanen更改為67P/CG。

在發射後長達十年的遊歷中，「羅塞塔」旅行了約65億公里的距離，它並不是直接從地球飛往彗星67P/CG的，而是經歷了三次繞地球加速和一次繞火星加速。另外，彗星也不是「羅塞塔」的唯一研究對象，「羅塞塔」在旅途中還飛掠了兩顆小行星：Steins（2008年9月）和Lutetia（2010年10月），提供了關於小行星的大小、形狀和表面特徵的信息，增加了我們對小行星的了解，同時也為研究彗星提供了比對物。

「羅塞塔」在完成了對小行星Lutetia的觀測後便以54,000公里每小時的速度開始了對彗星67P/CG的追尋，但即便是這樣高的速度，「羅塞塔」仍面臨四年的漫漫征途，而且在它接近彗星的過程中，67P/CG處於遠日區，這使得「羅塞塔」收集不到足夠太陽能以維持其正常運行——科學家們最終決定從2011年6月起讓「羅塞塔」進入長達兩年零七個月的休眠。在休眠期中，除了機載電腦，一些內部加熱系統和喚醒「羅塞塔」所需的計時裝置，其它一切設備都被關閉，直到2014年1月20日「羅塞塔」與地球的通訊系統才被重新開啟。在與彗星對接之前，「羅塞塔」上有21個設備被一一激活並檢測。

2014年8月6日，「羅塞塔」與彗星67P/GC成功對接，進入彗星的引力場，成為繞彗星運行的衛星。「羅塞塔」對彗星的勘測任務包括測量彗星的形狀、自轉速率、方向、重力場、星體反照率、彗表特徵及彗表溫度、彗發中的氣體密度及顆粒物噴發速率等。

在經過對登陸地點幾輪緊張地篩選後，「羅塞塔」於11月12日向彗星發送了登陸器菲萊。「菲萊」重約100千克，是一個洗衣機大小的「多邊形三明治結構」探測器，它負載了羅塞塔登陸器成像系統（ROLIS）、彗星取樣及組分解析儀設備（COSAC）、多功能表面及亞表面感受裝置（MUPUS）等十項科研設備。「菲萊」所攜電池的壽命約為64小時，其「第一階段科研序列」是在所攜的電池耗盡之前的科研任務，包括拍攝彗星表面的高清圖和著陸環境的全景圖，對彗表組分進行原位分析，測量彗核表面的熱學、機械和電學特性等。與之相對的則是持續到2015年3月的「長期科研序列」——如果「菲萊」可以接收到足夠的陽光以進行充電，它將與「羅塞塔」一起監測彗星67P/CG在向近日點運行過程中的活性變化，給出局部和全局相參的信息。

不幸的是，「菲萊」第一次著陸時並沒有順利錨定在彗核表面，而是從彗表反彈了兩次，即進行了三次觸地。「菲萊」最終的著陸地點至今仍未確定，而且由於最終著陸點不充足的光照條件，「菲萊」在著陸後的短時間內幾乎不可能獲得支撐其繼續工作的電量。「菲萊」在2014年11月15日與地球指揮中心失聯，至今仍杳無音信。無論如何，「菲萊」第一階段的科研任務基本完成了，儘管科學家們指出「菲萊」的鑽探器可能沒有成功的嵌入彗表取樣，但菲萊已經收穫了清晰的彗表圖片和可觀的實驗數據。「菲萊」所獲得的實驗數據目前還在解析中，《科學》特刊上最新發表的內容全部來自「羅塞塔」。

三、告訴你彗星的模樣

《科學》特刊登選了8篇科研文章，包括：來自德國馬克斯·普朗克太陽系研究所的Holger Sierks和同事所撰寫的關於彗核結構及活性的報告，來自羅馬國家天體物理研究所的Fabrizio Capaccioni和同事對彗星表面有機分子種類及含水量的報道，來自瑞士伯爾尼大學的Nicolas Thomas和同事關於彗表地形多樣性的報告，同樣來自伯爾尼大學的Kathrin Altwegg和同事關於彗表同位素比率的報告，以及Samuel Gulkis，Myrtha H?ssig，Alessandra Rotundi，Hans Nilsson的科研團隊分別從冰升華通量，彗發中水、一氧化碳和二氧化碳的分布，彗核周圍塵埃與氣體比率，水電離電磁層等方面對彗核活性及其動態變化所做的分析報告。

「羅塞塔」在去年8月與彗星67P/GC成功對接後便對其展開了各項研究。科學家們收穫的第一個驚喜是「羅塞塔」的可見光及紅外遙控成像系統 OSIRIS (Optical Spectrocopic and Infrared Remote Imaging System) 於8月3日所拍攝的彗核高清照片，人們通過該照片才了解到67P/GC的外形是大小兩個半球以一窄頸相連的「玩具鴨形」，而不是之前預想的「土豆形」。這一發現意味著選取適宜著陸地點的難度將有所增加，但同時，這樣一個形狀特別的研究對象又將為我們了解彗星的形成過程提供更為豐富的信息。

圖2 「羅塞塔」的OSIRIS鏡頭於2014年8月3日在距離67P/GC表面285公里處所拍攝的高解析度的彗核照片（5.3米每像素）。該圖片使人們第一次了解到彗星67P/GC的形狀是「由大小兩個半球組成的玩具鴨形」（圖片來源：ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team）

67P/GC的雙半球結構是由一個完整天體被侵蝕而成，還是在45億年前由兩個小天體碰撞聚合而成尚無定論。科學家們根據所收集的圖像資料將67P/GC的表面形態歸納為塵埃覆蓋（dust-covered）、硬性材料形成的坑洞和環狀結構（brittle materials producing fine fragments with pits and circular structures）、大型窪地（large-scale depressions）、平滑區域（smooth）以及暴露的堅固表面（exposed consolidated surfaces）五類，並據地貌特徵將彗表劃分為19個不同區域（圖3）。表面形態的多樣性似乎暗示著67P/GC可能是由小天體或星際殘體碰撞聚集而成，尤其是彗核表面還發現了一些被稱為「恐龍蛋」的3米左右的瘤狀結構，被認為是通過撞擊合并到彗表的岩塊。但另一方面，不同的彗表區域在波長550nm所測得的星體反照率都為5.9%左右，也就是說，雖然彗表形態不均一，但其色度很一致。因此，有科學家認為67P/GC的彗核是由星際塵埃緩慢聚集（hierarchical accretion）形成的原始微行星，但在漫長的演化過程中，與其他星體的碰撞以及太陽蝕刻等作用導致了彗星表面結構的多樣性。

圖3 67P/GC彗核表面區域的劃分。根據表面形態特徵及分布，67P/GC彗表被劃分為19個不同區域，並以埃及神靈命名。(圖片來源：ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team)

一致的星體反照率暗示了彗核外層物質的相似性，彗核的內部結構則只能通過總體密度及自旋方式加以了解和推測。「羅塞塔」的射電科學檢測儀（RSI, Radio Science Investigation）根據射頻信號振幅、頻率和極性的變化對彗核的內部結構、重力場和運行軌道都進行了一系列的表徵。根據RSI的測量，67P/GC的質量約為10¹³千克，僅為地球的六千億分之一。彗核較小的「頭部」為2.6×2.3×1.8公里，較大的「身體」為4.1×3.3×1.8公里，總體積約21.4立方公里。據此計算，彗核的平均密度約為470千克/立方米，與木頭的密度相似。這意味著67P/GC的內部結構是相對疏鬆的，緊實的冰塵混合物密度大概為1500~2000千克/立方米，據此估計，67P/GC彗核的孔隙度為70~80%。另外，彗核以12.4小時為周期自轉，其自轉軸的方向與在彗核密度均勻的假設條件下所導出的最大轉動慣量軸的方向一致。簡而言之，67P/GC的內核應該是結構鬆散而密度均勻的。這再次支持了彗核是由氣體冰和星際塵埃在微弱的引力作用下逐漸聚集而成的理論假說。

「羅塞塔」機載的成像系統OSIRIS展示了彗表結構的多樣性，射電設備RSI反映了核內結構的均一性，而可見及紅外熱成像光譜儀VIRTIS（Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) 則通過特徵吸收光譜對彗核表面的化學成分進行了檢測。根據VIRTIS的測量數據，彗核表面有種類豐富的碳氫、氧氫和氮氫分子，但水冰的含量卻很低。尤其值得注意的是，VIRTIS通過紅外吸收光譜在67P/GC的表面鑒別出了可作為氨基酸前體的羧酸分子。這一發現其實並不令人意外，因為早在2006年NASA的科學家們就從星塵號航天器在81P/Wild 2彗發區所收集的樣品中鑒別出了氨基酸，但此次「羅塞塔」所在67P/GC所發現的有機分子更為原始和多樣，暗示了其更古老的起源。

「羅塞塔」上的離子和中子分析儀ROSINA（Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis）對同位素檢測非常靈敏，通過測量比較氫和氘的相對比例，我們可以推知地球上的水是否來自彗星——彗星67P/GC表面的氘/氫比為5.3±0.7×10^-4，是地球值的3倍，這意味著像67P/GC這樣的彗星並沒有在地球海洋形成過程中起主要作用。

正如前面所提到的，67P/GC的表面結構非常多樣，布滿了坑洞、溝壑、斷層和漣波樣結構。彗表的岩層斷面似乎是彗殼運動的結果，物質從斷岩的邊緣掉落並積累在崖腳，斷面則暴露出新鮮的冰塵物質；坑洞和窪地是比較穩定的區域，但科學家也在一些坑洞中發現了流出物所形成的三角洲地貌，被認為是彗核內部壓力積累導致的噴發事件所形成的；還有被描述為「恐龍蛋」的瘤狀結構……科研人員感興趣的問題之一就是，67P/GC這些豐富的表面結構是如何形成的。「羅塞塔」項目的科學家Nicolas Thomas指出，「太陽的作用不大可能獨自造成我們今天所見的彗核所具有的層狀的、表面的和化學組成的所有多樣性」，也許早期太陽系中的彗星形成環境比多數科學家所認為的更混亂動蕩、組成更為豐富，但這樣的假說很難被證實。

值得期待的是，在67P/GC向近日點運行的過程中，「羅塞塔」將對其進行持續不斷的觀測，通過分析在此過程中太陽對彗星活性變化的影響，科學家們也許可以揭示太陽在彗星的演化過程中扮演了怎樣的角色。

【參考文獻】

[1] Taylor, M. G. G. T., et al. "Rosetta begins its Comet Tale." Science 347.6220 (2015): 387-387.

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[3] Capaccioni, F., et al. "The organic-rich surface of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko as seen by VIRTIS/Rosetta." Science 347.6220 (2015): aaa0628.[4] Thomas, Nicolas, et al. "The morphological diversity of comet 67P/Churyumov- Gerasimenko." Science 347.6220 (2015): aaa0440.

[5] Altwegg, K., et al. "67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio." Science 347.6220 (2015): 1261952.[6] Hand, Eric. "Comet close-up reveals a world of surprises." Science 347.6220 (2015): 358-359.

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