人類第一次訪問彗星：60個小時的生死時速

每當天空中出現美麗的彗星時，你是否有想過近距離去觀察彗星甚至在彗星上登陸呢？

科學家們也同我們一樣，非常想近距離觀察彗星并登陸彗星一探究竟，事實上他們不僅想這么做，而且已經付諸行動了。

那就是美國國家航空航天局的“羅塞塔”任務。是人類的首次訪問彗星的任務。

“羅塞塔”號探測器

從科學角度上講，彗星比純金更珍貴，因為它們是真正的太陽系的時空膠囊。它們保存了我們太陽系形成時的化學物質和環境。它們還保存了組成我們生命的化學物質如何到達地球的線索。

彗星是現存最有價值的科學寶藏之一。然而要找到一顆適合用來研究的彗星并非易事。

為了能找到合適的彗星，科學家們對很多顆彗星進行論證，就有點像一場彗星的“選秀活動”。

當一顆彗星進來了，似乎覺得可以，哦，軌道不行；嗯，這一個軌道OK，但它不是科學家們想要的；哦，這個太大了；這個又太小了；這個太活躍了……

科學家們真正想看到的是那顆來自太陽系的外層部分的彗星。它們接近太陽時加熱，接著繞過太陽，然后掉頭回到外太陽系。

所以你需要在太陽系中找到一條合適的軌道，并在彗星進入的路上抓住它。最后科學家們終于找到了一顆合適的彗星：彗星67P。

彗星67P公轉周期是6.5年，它的公轉軌道并沒有讓它離太陽很遠，只到木星軌道那么遠的地方。由于其公轉周期并不長，使得科學家們有更多的機會到達這顆彗星軌道并成功與它會合。

“羅塞塔”任務的目標大約只有3.2公里寬，這個目標并不僅僅只是“小”，而且它是一個移動的目標。彗星67P以每小時約53000公里的速度穿越太陽系。

所以要“抓”住這個小目標，其精確度令人難以置信,就像從紐約把高爾夫球打到舊金山并且一桿進洞一樣。

但捕捉67P彗星并不是一次簡單的發射，航天器的速度必須與彗星相同,而目前的推進系統無法通過直接飛向彗星來實現這一目標。

所以“羅塞塔”進行了一次彈弓式運行，耗時了10年之久。它實際上所做的是從行星帶走了一些能量，即它讓行星慢下來一點,然后把這些能量傳遞給探測器。

當“羅塞塔”飛過木星后，在距離溫暖的太陽將近1.6億公里遠的地方，進入了旅程中最危險的部分——休眠。

盡管“羅塞塔”上安裝了太陽能電池板，但它仍然必須體眠。原因是它必須在67P飛向太陽的時候去追蹤它。所以對于“羅塞塔”號飛船來說，它所需要做的就是靜靜地等待。

讓宇宙飛船進入體眠狀態是正常操作，但科學家們還是非常擔心“羅塞塔”狀況。因為在之前探測器還從來沒有那么長的休眠時間。

31個月的休眠讓“羅塞塔”的團隊有足夠的時間來擔心可能出現的問題。太空里又黑又冷，有很多事情在發生。

2014年1月20日，在太空中漂流了近10年后，“羅塞塔”號終于該醒來了，重新啟動通訊系統，并打電話回家。

這一刻，科學家們異常緊張，就怕收不到“羅塞塔”號電話，就怕它會在太空中永遠休眠。

當峰值出現在了圖表上之后，科學家們懸著的心終于放了下來。“羅塞塔”號開始發回其目標的圖像。剛開始，它在遠處，只是一個小點。幾個月后，這顆彗星慢慢變得清晰起來。

【彗星67P是一個丑小鴨】

這顆彗星，晶瑩剔透，隨著它越來越近，科學家們看到了越來越多的細節。然后事情開始變得非常奇怪。

科學家們以為67P應該是土豆形狀的東西，然而圖像顯示了一個形狀像橡皮鴨的東西。這樣奇怪的形狀給“羅塞塔”帶來了麻煩。

彗星67P

繞彗星軌道運行比任何人想象的都要困難得多。如果是繞行星軌道運行，行星有很大的引力，所以你可以把宇宙飛船送到那里，然后用火箭助推讓它稍微慢一點，然后它就會掉入軌道。

但對于67P彗星來說，你面對的是一塊非常小的巖石。宇宙飛船感覺不到那塊巖石的引力。

所以工程師們需要自己畫出軌道，那是一組非常復雜的運動。一旦進入軌道，“羅塞塔”就可以開始工作了。

它的第一個任務就是弄清楚67P是如何形成的，即這顆彗星是怎么形成這種奇怪形狀的呢？

目前主要有兩個觀點：一是它的中心被侵蝕了，所以它一開始是一個更球形的東西，通過一些未知的過程變成了今天的形狀。

另一種觀點是，它一開始是兩個獨立的物體。太空巖石通常會相互猛烈撞擊，它們的平均碰撞速度超過每小時17000公里，這比步槍子彈快五倍。67P有可能與連環相撞有關？

線索來自彗星表面的不同層，彗星67P上的層有點像洋蔥的層。如果你看到它們排成一行，那就說明也許這個物體是作為一個單一的實體形成的，只是后來被侵蝕成了現在的形式。

但如果你看到這些層錯位了，就像我們在彗星上看到的那樣，這是一個很大的線索。說明它最初是兩個獨立的物體形成的，后來粘在一起形成了我們今天看到的彗星。

最終，彗星上的層證明了67P最初是兩個分開的物體融合在一起的。

羅塞塔號對彗星67P表面分區

侵蝕和撞擊形成的啞鈴型小天體應該會有完全不同的地層分布。制圖：haibaraemily

知道67P彗星是從兩個不同的部分，組合在一起的過程很重要。因為它可以告訴我們太陽系早期發生了什么。

所以據我們所知，這兩個獨立的物體一定是在同一區域形成的，它們在成分上非常相似，但它們非常輕，非常蓬松。

如果它們快速撞擊的話，就會互相摧毀，但如果他們低速相撞，就像兩個濕雪球一樣黏在一起，于是就形成了我們現在看到的“丑小鴨”形狀的彗星67P了。

【彗星67P上的水】

隨著一個謎題的解開“羅塞塔”開始研究67P的化學組成。這顆小彗星可以回答行星科學中最大的問題之一，我們這顆藍色星球的水是從哪里來的？

這顆彗星是太陽系自身形成時的殘留物，因此，這是一個打開時間膠囊的機會讓科學家們一睹古代太陽系的風采。

關于地球的最大的謎團之一是水從何而來？

今天，水覆蓋了地球表面的三分之二的面積。但早期的地球并不是這樣的。46億年以前太陽系內部遍布著大量巖石碎片，溫度非常高。早期地球上的水都蒸發掉了，證據告訴我們，地球上的水是在地球形成后到達地球的。

而科學家們認為主要機制是彗星。因為彗星基本上就是由冰和灰塵組成的大雪球。

“羅塞塔”任務的主要目標之一是分析這顆彗星上的水，看看它是否與地球上的水相匹配。

彗星來自太陽系最外圍的兩個區域——奧爾特云和柯伊伯帶。柯伊伯帶位于我們太陽系的一個平面上，大多數人都知道的冥王星就在其中。

奧爾特云是球形分布的冰體，它是一個彗星庫。離太陽的距離比地球到太陽的距離遠數十萬倍。它是一種巨大的球狀云，圍繞著太陽。

對于很多大彗星來說，這是一種深度凍結的狀態。數以十億計的冰凍天體在太陽系混沌的外面安全地運行。它們鎖住了原始的水。

在40多億年的時間里，彗星可能什么都不做，直到它們的軌道發生了一些的改變，或許是行星的引力改變了一切，突然之間它們來到了一條通往太陽的道路上。數十億年來深凍的冰開始升溫。

天文學家認為，彗星67P以前的主場是柯伊伯帶，直到有什么東西把它拉到了太陽系的內部。至于是什么東西，科學家們認為極大的可能性還是那個惡霸“木星”。

木星是一個巨大的行星，是它吸引了彗星，把它拉進了太陽系內部。

現在，67P圍繞太陽運行的軌道是6.5年，它的運行距離遠至木星，近至火星。當它靠近太陽時，其凍結的冰開始升溫，導致了一個著名的效應——彗星的尾巴。

陽光射進彗星的表面并加熱，然后熱量轉移到彗星內部，那里有很多冰，于是冰被加熱，然后冰蒸發并到達彗星表面。一旦來到彗星表面，太陽風就會轟擊彗星，它會把所有的物質從彗星剝離于是形成了一條美麗的長尾巴。

“羅塞塔”飛入其尾部，并分析水蒸氣。結果表明，它和地球上的水是同一種類型。

水確實有不同的類型，這里的類型并不是指水是咸水或淡水，而是指由什么組成的，即它的分子。

雖然水分子都是由兩個氫原子和一個氧原子構成，但組成水分的氫原子，它的質子有可能會有一個額外的中子，我們把它叫做氘[dāo]。所以這樣的水分子就比普通的水分子來得重，這樣的水分子又叫重水。

在地球上，水的比例大約是160個重水分子比100萬個普通水分子。

“羅塞塔”在彗星周圍移動時測量了水蒸氣中氫與氘的比例。如果與地球的比例精確匹配將證實彗星是海洋的來源。

但“羅塞塔”發現了一些令人驚訝的事情，氘與氫的比例是地球海洋中水的三倍。這意味著像67P這樣的彗星不可能是地球水的來源。

如果和海水的測量結果是一樣的，那么我們可以說這些彗星可能是我們在地球上看到的水的輸送機制。

但它高出了三倍，這表明，像67P這樣的彗星并不是我們今天在地球上看到的水的來源。

然而，盡管像67P這樣的彗星沒有給地球提供水，但我們不能排除所有彗星。彗星有不同的系列，這些系列有不同的組成成分。所以可能有些彗星有類似地球的水，是它們把水帶到地球上。

【彗星67P上的有機化合物】

“羅塞塔”號分析完水后，開始尋找構成生命的元素——基本有機化合物。

科學家們一直認為彗星可能攜帶有機物質，但在“羅塞塔”號之前無法證實這一點。

“羅塞塔”檢測到了脂肪族化合物，這是一種富含碳和氫的有機物，這是首次在彗星表面檢測到這種物質。

這些材料是制造蛋白質的原始材料。而蛋白質是所有生命所必需的。這表明這些物質可能是由彗星送到地球的。

彗星在整個太陽系中攜帶著生命的基石的觀點，被稱為分子生源說。當彗星在外太空形成時，所有這些物質都是和它們一起形成的。然后彗星把它們帶到地球上，就像是太空運輸卡車。當然，我們現在可不希望這些送貨卡車再次送貨上門。

現在有另一個問題：彗星從哪里得到這些成分的呢？

答案可能在太空深處。在恒星系統和星系之間遭受輻射的漂浮物質被稱為星際介質。

科學家們分析了彗星67P的總體組成，發現其中有一些成分與科學家們在星際介質中發現的兩種物質非常相似。這些物質漂浮在恒星之間的氣體和塵埃中。

如果這種有機化學在地球上很常見，那么它很可能在整個星系中都很常見。即這種制造生命的化學工具是通用的。因此生命本身可能是通用的，有了這個通用的化學工具包，在充滿生命的太空中，可能會有很多潮濕的巖石。

所以，如果有外星生命，很有可能，組成它們的基本化學物質與我們地球生命的化學物質是相似的。

然而，在星際物質中科學家們無法找出另一種重要元素的起源——磷。

磷是生命所必需的原子之一，是DNA、細胞膜和能量生產的重要組成部分。

科學家們一直不知道它從何而來，它在宇宙中很稀少，在地球表面也很稀少。

地球誕生之初，周圍的任何磷都被鎖在可溶巖石中，所以當時的生命是無法利用這些磷的。

如果巖石已經鎖定了所有的礦化磷，那么生物過程中所需的磷從何而來？

彗星67P給了科學家們答案，彗星上發現了生物可利用的磷，而且不僅僅是礦化的磷。

但彗星67P又是從哪里獲得磷的呢？

2020年1月天文學家將“羅塞塔”任務的數據與阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（簡稱ALMA）對恒星形成區域AFGL 5142的觀測數據相結合進行比對。

AFGL 5142是一個恒星的搖籃，它是一個氣團，在那里大大小小的恒星同時誕生，它離我們非常近。

恒星形成區域AFGL 5142

當然這個“近”是天文學意義上的“近”，實際這個氣團離我們有幾千光年遠。

但科學家們已經可以對它進行詳細的研究了。ALMA天文臺在離一顆剛剛形成的恒星非常非常近的地方拍攝了不同類型的塵埃和氣體的高分辨率圖像。

這樣就能看到恒星在形成過程中發生了什么。最大的恒星生命揮霍得很快，所以死得也早，然后在超新星的爆炸中消亡。

所以科學家們認為，磷元素是在大質量恒星中形成的。所以本質上，先創造了一顆恒星，直到它生命的結束，當這顆恒星變成超新星時它將磷噴射到星際介質中。

當中等大小的恒星爆發出生命時，它們會向星云發出沖擊波和輻射將磷轉化成生物可以利用的形式——一氧化磷。

一氧化磷會被凍結在恒星周圍的冰塵埃顆粒上。這些塵埃顆粒可以聚集在一起，形成鵝卵石以及巖石，最終彗星成為一氧化磷的運輸者。

科學家們追蹤磷和有機物的宇宙軌跡，從恒星到彗星到行星，直至生命, 至少在理論上，可以利用彗星中發現的化學物質來構建細胞。

很多時候，人們似乎認為天文學研究的是非常遙遠的事物，與我們的日常生活毫無關系。事實情況并非如此，天文學與我們每個人都息息相關。

自從人類有了文明以來，我們一直在探尋三個大命題：“我是誰？我從哪里來？我要到哪里去？”而天文學就是一直在致力于研究這三大命題。

研究生命的成分就是在尋找我們自己的起源，即“我是誰？”；研究宇宙、銀河系、太陽系及地球的起始就是在找“我從哪里來？”的答案；而研究宇宙、銀河系、太陽系及地球會如何終結那就是在找“我要到哪里去？”的答案。

【在彗星67P上著陸】

“羅塞塔”任務的下一階段是將著陸器送到彗星表面。這將是歷史性的首次登陸彗星表面。

將“菲萊”著陸器放置在彗星表面的最大挑戰之一是，不知道彗星表面是什么樣的。它會像巖石或冰一樣非常堅硬嗎？會很脆嗎？

設計師為“菲萊”設計了一個魚叉，可以戳進彗星柔軟的表面，另外在頂部有個推進器，可以阻止它從彗星上反彈。

然而正當在實施著陸時，遇到了一個問題，飛船的起落架壞了，著陸器小組發現那兩個系統都沒有正常工作。

盡管勝算不大，他們還是決定著陸。“菲萊”緩慢下降了19公里，持續了7個小時。當科學家們收到著陸的第一個信號時，都松了一口氣……著陸器已經降落。

但后來他們意識到事情并沒有完全按計劃進行，著陸器的數據是斷斷續續的。唯一可能的解釋是，“菲萊”在一遍又一遍地翻滾著。它可能一直在反彈，一會兒落在彗星上，一直反彈進入太空。

12分鐘后，出現了一線希望，著陸器按照程序發送數據回來了。著陸器停止了翻滾，但“菲萊”的太陽能電池板沒能完全運行。這就意味著，沒有足夠的電量讓“菲萊”來完成剩余的所有工作。

這艘微型飛船的電池只剩下60小時的電力，這是一場與時間賽跑的比賽。科學家們必須徹底放棄所有之前所做的計劃，然后必須重寫所有的計劃，期望在那60個小時內得到最大化的科學回報。

“菲萊”開始工作了，第一次發現彗星表面比預想的要陌生。彗星表面頂部40厘米是一種非常蓬松的材料。它的密度不高，巖石也不多……很松軟，可以想象像雪茄煙灰一樣的東西，它的強度只有聚苯乙烯泡沫塑料的一小部分。

“菲萊”的彈跳式著陸從另一方面幫助科學家們調查了表面。通過彈跳，科學家們實際上能夠對兩個點進行采樣，有趣的是這兩個點是不同的。

這告訴科學家們彗星不是均勻的，材料不完全一樣。“菲萊”的儀器顯示彗星67P不僅僅是兩個葉瓣融合在一起，而是由不同的塊體在引力的作用下聚集而成的。

“菲萊”上的攝像機也提供了著陸器最后安息處的重要線索。

著陸器拍攝的照片真的很神奇，因為從這些照片中，科學家們實際上可以確定“菲萊”是在它的一側。

“菲萊”著陸器拍攝的照片

但“菲萊”的位置點未知，它離計劃的著陸點很遠。沒多久，“菲萊”的電池就沒電了，無法與“羅塞塔”通信。

如果在彗星表面不知道確切位置，那么就會有問題。有些儀器需要知道準確的位置才能真正解釋數據，如果沒有這些信息結果就毫無意義。

當“羅塞塔”掃描彗星尋找丟失的著陸器時，它面臨著一個新問題，當這個臟雪球沖向太陽時來自太陽的輻射會把它加熱，所以它開始噼啪作響，變形。這就像一場煙花表演，巨大的氣流從地表噴射出物質。

當“羅塞塔”掃描這顆彗星尋找失蹤的探測器時，它飛到離彗星表面約3公里的地方，近得足以投下陰影。這個距離足以讓“羅塞塔”能夠嗅到彗星的表面的氣味。

羅西娜儀器讓我們能夠檢測彗星釋放出來的氣體的化學物質，所以科學家們可以用它們來制造彗星香水。

但并不是令人愉快的氣味，如果你能想象一些東西的混合物，比如臭雞蛋，和貓尿，還有苦杏仁等。而且味道很刺鼻，很難聞。

幾個月過去了，“菲萊”依然不見蹤影。彗星并不是很大它會藏在哪里呢？如果知道它藏在哪里，科學家們就能更好地理解它返回的圖像。

在某種意義上，“菲萊”就像是科學家們的朋友。所以幾個月以來，科學家們一直在努力尋找著“菲萊”。

一天終于迎來了好消息，一個目光敏銳的研究人員在圖像的角落里發現了一些東西。著陸器本來就是一個很小的斑點，你必須放大才能看到它。而現在“菲萊”就在懸崖下，在一個突出的巖架下側躺著，并且在陰影中。

失而復得的“菲萊”

確定了“菲萊”的位置，解決了一個最終的謎題：即幾個月前發回的數據，揭示了彗星的這一區域是固體的。

“菲萊”取得了驚人的成功，盡管有這些問題，我們還是成功著陸了，雖然著陸的樣子有些難看。

它在懸崖下停了下來，科學家們實際上得到了一些令人驚嘆的圖像，和關于彗星本身的氣體和結構的一些奇妙的數據。如果沒有嘗試把著陸器放在彗星上，將永遠不會得到這些圖像和這些數據。

【彗星67P巨大噴流之迷】

“羅塞塔”的任務還沒有結束，當彗星接近太陽時，混亂爆發了。突然之間，出現了一些噴射流，并從內部噴射出大量的物質。

當陽光加熱彗星表面時，冰直接變成氣體。彗星不平坦的表面使逸出的水蒸氣變成狹窄的氣體和塵埃噴射流。但“羅塞塔”也發現了巨大的暴力氣體爆發。

科學家們預計會看到彗星上的噴流隨著太陽的照射而逐漸上升和下降。但這些爆發完全不同，它們只會急劇上升，然后停止。并且這些爆發并沒有和太陽同步。它們出現的時間是隨機的，所以肯定有別的原因。

彗星上爆發的巨大噴流

這些爆發是突然的、短暫的高速事件。因為“羅塞塔”每5到30分鐘才拍一次表面的照片。當科學家們只在一張圖像中看到一次爆發時，便知道整個事件持續的時間比這段時間要短。這讓科學家感到非常神秘。

當彗星靠近太陽時，“羅塞塔”的相機在短短三個月內捕捉到了34次爆發，它們都很大。在短短幾分鐘的時間里，一個噴射流可以釋放多達260噸的材料。其中一個噴射流被發現每秒釋放40磅的材料。

是什么原因導致這個爆發呢？

在2014年9月，科學家們在彗星67P的特寫圖像上發現懸崖邊緣有一個230英尺長3英尺寬的裂縫。科學家們把這個裂縫稱為“阿斯旺”。

不到一年后，“羅塞塔”在彗星的同一區域拍攝到了一次大爆發。當探測器調查該區域時它發現了一片被毀壞的景觀。懸崖在一次巨大的滑坡中坍塌了。這就像犯罪現場，科學家們有之前的照片和之后的照片。

彗星67P上的“阿斯旺”裂縫

在“阿斯旺”裂縫同一區域的大爆發

坍塌后的懸崖

那么這個爆發和懸崖坍塌之間的聯系是什么？

科學家們認為這是一種多米諾骨牌效應，太陽加熱了地表深處的一些揮發物，它們升華并變成了氣體。然后只要有任何微小的裂縫或縫隙，就會從彗星上發射出去。但這一過程削弱了彗星表面的一部分，這將釋放更多的物質。當物質要從里面噴出來時，它將開始迫使氣體通過類似噴嘴的功能，就像噴氣機一樣。

隨著物質不斷地噴出，就會導致更弱的表面物質，就可能會導致大規模的坍塌，于是最終會導致巨大的爆發。

彗星67P揭示了這些骯臟的雪球中隱藏的地質活動。

【彗星67P上的“沙丘”】

“羅塞塔”發現了另一個令人驚訝的現象：在表面上移動的奇怪形狀——沙丘。

這些都是真正的沙丘，它們大約有6英尺高，向四面八方延伸數百英尺。

彗星67P上的“沙丘”

當科學家們第一次看到這些時，沒有人知道它們是怎么形成的。事實上，科學家們甚至懷疑它們是沙丘狀的地貌。因為在一個沒有大氣，更不用說有風的天體上，它們怎么可能形成沙丘呢？

在地球上，它有穩定的、厚重的大氣層，它有持續的太陽能加熱，可以收集氣團并將它們移動到表面，產生風。

67P彗星確實有大氣層，它是由太陽加熱其表面并釋放氣體形成的，但這種大氣的最大壓力比地球低10萬倍。

利用“羅塞塔”的圖像，法國的研究人員模擬了彗星表面氣體的運動。

他們認為已經找到了答案，研究人員發現彗星表面有風，并且是短暫的。它們的形成是因為氣體從陽光照射的那一面逃逸出來，然后它們穿過地表沖向寒冷的那一面，這種穿過地表的空氣運動帶走了沙子并形成了沙丘。

彗星上的顆粒比地球上的沙粒大得多。在地球上沙丘是由非常小的顆粒組成的，但在彗星上，沙丘顆粒的為乒乓球大小。

移動的顆粒在移動的過程中，引力也起著非常重要的作用。彗星的密度非常低，如果在周圍走動，可以很容易地飛進軌道。所以這么大但密度很低的顆粒很容易被那里非常稀薄的空氣拋起。

【“羅塞塔”的歸宿】

在與彗星67P圍繞太陽運行了兩年之后，“羅塞塔”的任務幾乎結束了。科學家們計劃是以一種可控的方式將軌道飛行器降落到彗星表面。這將可能拍攝非常高分辨率的圖像，也可以在彗星表面附近進行一些氣體檢測。

2016年9月30日，“羅塞塔”花了14個小時緩慢地以自由落體的方式向彗星墜落，并在墜落過程中拍攝照片。

隨著“羅塞塔”號降落，它接觸到彗星表面，然后與地球的聯系就中斷了，任務就此結束。

現在彗星67P上有了我們人類的一小部分。這顆彗星每隔6.5年就會繞木星轉一圈。彗星上將永遠有一些人類的影子。

最后，“羅塞塔”的故事還有一個小插曲。科學家們以為拿到了“羅塞塔”號在計劃任務結束前傳回的最后一張圖像。

但事實證明，就在著陸之前，在能夠完全把數據傳回地球之前，一個不完整的信息包被發送了回來。但計算機丟棄了這個不完整的數據包。

最近，人類專家重新檢查了這個數據包，結果……“羅塞塔”號所拍攝的最近的67P照片呈現在我們的眼前。

“羅塞塔”任務最后的照片

這張圖片很神奇，因為當你把它放大看著它，你會覺得你真的可以伸手去摸它的表面。

“羅塞塔”任務改變了我們對彗星的理解，可能會激發新的任務。科學家們可能會再次回到67P彗星，再次尋找關于我們生命的起源，關于我們自己還有很多有待發現的地方。還有很多東西要研究，還有很多謎團要揭開。