放大鏡下的彗星塵埃（上）

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放大鏡下的彗星塵埃

最小的微粒向我們講述太陽系的起源

彗星探測器羅塞塔的任務已經結束了，但是科學家們仍需要幾年的時間解讀它採集到的數據。而著陸器菲萊在彗星67P/丘留莫夫-格拉西緬科表面採集到了其揮發出的塵埃顆粒。這些細小的顆粒攜帶著古老的信息：在太陽系誕生之初，行星和一些其他天體是如何形成。

簡報：

?探測器羅塞塔在67P/丘留莫夫-格拉西緬科的身邊環繞了超過兩年之久。而著陸器菲萊則用於探索來自67P噴流出的塵埃顆粒。

? 收集到的塵埃顆粒雖然在性質上有所不同，但是所有的顆粒都由小微粒聚成，而這些微粒還由更小的微粒組成的。

這些最小的微粒數十億年來未曾改變過。通過這些微粒，科學家們可以知道在太陽系形成初期，這些微小的粒子是如何變成巨大的天體的。

「我們都來自宇宙的塵埃」一個流行音樂組合在他們的歌曲「我們來自同一個星球」中唱到。在這個詩意的句子里蘊含著許多的事實。因為科學家們在很久之前就已經確定，我們的太陽系是從更古老恆星的餘燼中誕生的。但是我們的地球月亮具體是怎麼在氣體和塵埃中誕生的，我們對此的了解還是不夠的。

最近對於金屬物質的研究認為，這些物質在太陽系形成之初就幾乎不再改變了。這也是歐洲空間局向彗星發射探測器的一個原因。彗星總是因為它們飛向太陽，或多或少譜線發生移動，在良好的條件下甚至能用肉眼觀察到而受到關注。然而在大部分時間它們並非如此耀眼的在太陽系的外圍運行著。彗星在偏遠的，寒冷的地方誕生。據推測，那裡存在著巨大的冰和塵埃凝成的碎片。由於引力，它向著太陽運行，接下來它就有可能作為彗星被發現。

歐洲空間局的彗星探測器羅塞塔在它執行任務的兩年間（2014-2016），為了解開彗星的奧秘，對67P/丘留莫夫-格拉西緬科進行了精密的探索。對於數據的解讀還會持續好幾年。一個更重要的方面是組成彗星的最小微粒—彗星塵埃。它的結構能推斷出天體形成的第一步。殘餘的塵埃和氣體首先凝聚成一小團，然後變成更大的，所謂的微行星，最終變成我們熟知的天體，比如行星、衛星或者彗星。

67P/丘留莫夫-格拉西緬科的過度曝光的照片顯示了這個4千米大的天體的活動情況。在彗核被太陽照亮的部分，冰被加熱升華形成氣體，從彗星逸出，並帶起表面的塵埃。在太陽光的反射下能看到這個現象。圖片是羅塞塔的2014年11月22日，在距離彗星30km遠處拍攝下的。

羅塞塔的測量

羅塞塔使研究彗星塵埃成為可能，是因為它是前所未有的接近彗星。它在約兩年的時間裡，在距離彗星67P/丘留莫夫-格拉西緬科十至數百千米的距離環繞飛行。因此探測器能夠在臨近的位置對於彗星的核和其活動情況進行觀測。

隨著彗星不斷靠近太陽，彗星表面和冰的溫度開始升高。在宇宙中彗星表面的冰不會融化，而是直接變成氣態的——不是蒸發而是升華，由此產生的氣體會將能夠反射陽光的塵埃微粒帶起。羅塞塔搭載的相機傳回了大量的展示此過程的圖片。除此之外，羅塞塔還儘可能小心的收集了許多塵埃顆粒，並用探測器上搭載的儀器進行了分析。其中的三台儀器專門用於分析彗星塵埃。而測得的數據科學家們將會用於探索，彗星塵埃對於太陽系的起源和彗核形成的意義。

一台叫做GIADA（Grain Impact Analyser and Dust Accumulator）的儀器用於測定塵埃顆粒的速度，動量和大小。測得的塵埃顆粒的大小從幾百微米到幾毫米不等，這個大小微粒是能被肉眼看見的。然而由於彗星表面黑色的顏色變得難以分辨。而在顯微鏡COSIMA（COmetary Secondary）的成像下塵埃微粒的結構清晰可見，其主要用於研究幾十到幾百微米的顆粒。

一個被科學家們命名為Jessica的較大的塵埃顆粒的精細結構。由羅塞塔搭載的顯微儀器COSIMA記錄。一個像素點大約是10微米。

最終COSIMA的質譜儀會分析出微粒的化學組成。更加細小的微粒在COSIMA的成像上只有幾個像素大小。這些微粒會在儀器MIDAS（Micro-Imaging Dust Analysis System）中再次被分析。MIDAS運用了一項特別的技術叫做「原子力顯微鏡」，其原理是用一個極細的探針掃描微粒的表面並且生成三維的結構示意圖。

羅塞塔的儀器MIDAS用於研究較小的顆粒。原子力顯微鏡測繪出了顆粒的三維結構（一個像素點為80納米）。由於MIDAS無法檢測到色彩，因此顏色是後期上色的，代表了高度。

塵埃微粒的組建

構建彗星最小的素材看起來怎樣？來自哥廷根馬克思-普朗克學院太陽系研究的Yves Langevin和他的合著者在學術期刊《Icarus》上發表了一篇文章，講述了關於COSIMA顯微鏡的記錄分析結果和塵埃微粒和微粒在不同區域的分布。圖三是一個例子。在這個記錄圖片下我們可以看到，只有「a」區域是沒有被分散的。

COSIMA收集到的彗星塵埃和其顯微成像的結果顯示，圖中共有4處不同的區域。顆粒a是「緻密的」，而顆粒b/c/d則成「簇。顆粒b因為由不同種類的微粒組成，歸類於「破碎簇」。顆粒c是「膠合簇」，它由一種粘合劑結合在一起的。顆粒d被稱作「瓦礫堆」，因為它由大量相似大小的微粒組成。

那些從彗星噴射出的，相對於羅塞塔的速度大約幾米每秒的塵埃顆粒，好像就是跑步者。這些塵埃顆粒擊打在COSIMA 的收集板上，就好像跑步者撞向一堵牆壁。只有那些高硬度的顆粒，比如說那些在撞擊中成功倖存下來的顆粒，就像「a」區域，有一個清晰的樣子，而且沒有碎裂的跡象。

Yves Langevin的團隊認為，即使「a」還由更小的微粒組成，但它們結合的十分緊密，因此撞擊不能使它們分散。相對的，b/c/d區域顯示出了碎裂的跡象。這些來自塵埃表面，或者在收集板上肉眼能見的更小微粒的集群，成為「簇」（Cluster）。來自新幣貝格慕尼黑聯邦國防大學的Klaus Hornung近期在學術期刊《行星課空間科學》上發表的文章，解釋道：這些微粒本身比它們結合起來的狀態要堅固，因此塵埃在收集撞擊的同時就碎裂了，而這些微粒本身卻安全的留了下來。

為什麼圖中的三個簇歸屬於不同的分類？有可能在收集的過程中它們帶有不同的撞擊速度，從而產生了不同的結構。或者說這些塵埃本身就由不同的物質和元素組成。

彗星塵埃又是由什麼構成的？同樣來自哥廷根馬克思-普朗克學院太陽系研究，主要負責COSIMA研究的Martin Hilchenbach分析了塵埃的組成。雖然塵埃的成分如同預期的一樣，是硅酸鹽（地球上通常的岩石的成分）和硫化鐵（在早期太陽星雲時期形成的物質）的混合物。然而這其中卻沒有有機物的蹤跡（化學組成是基於碳元素的物質）。在確定的分析後，巴黎東克雷泰伊大學的Nicolas Fray能夠確定失蹤的成分：令人意外的是有機物質的成分相當的複雜，以至於科學家們不能給出物質化學式。

（未完待續）

作者：系外行星地瓜君

校對：王坤

編排：邱煜欣 | 配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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