追踪彗星

彗星拦截器及其释放的两颗人造卫星探测彗星(艺术效果图)。

人们曾经以为,彗星是天空中的幽灵或扫帚星,它们预示着灾难或疾病。而今天,科学家已经知道,彗星这种神秘天体是太阳系早期历史的记录者,能告诉我们行星形成时期的情况。彗星还能揭示早期地球上存在的一些化学成分,因而有助于我们探索地球生命的起源。

因此,全球多家太空机构热衷于用飞船(探测器)探测彗星。一项名为“彗星拦截器”的飞船任务正在筹划中,定于2028年发射的这艘飞船将近观彗星这种含冰天体。但彗星拦截器并非是造访彗星的第一艘飞行器。

1986年,欧洲、苏联和日本都向经过地球的哈雷彗星发射了探测器。其中,飞得最靠近哈雷彗星的是欧洲空间局(简称“欧空局”)的“乔托号”探测器。它拍摄的有史以来第一幅彗核照片显示,彗星表面的射流把气体喷射到太空。

欧空局最近的一艘彗星飞行器是“罗塞塔号”,它与67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星(以下简称“67P彗星”)会合,并在2014~2016年追踪该彗星达两年之久。“罗塞塔号”首次揭示了彗星在飞近太阳,然后又跳进深空期间的变化情况。有一点因此变得很明确:彗星表面各层发生着许多演化过程。实际上,在“罗塞塔号”观测67P彗星期间,这颗彗星的表面一直在变化:一些区域被侵蚀掉,另一些区域被坠回彗星表面的物质掩埋。虽然科学家一直知道彗星会遭侵蚀,但通过“罗塞塔号”的探测,他们才明白了彗星在靠近太阳期间被侵蚀的程度如此之大。

空前任务

在探测目标都没有的情况下设计探测任务,这是第一次。

上述认识对科学家来说既是好事也是坏事。一方面,“罗塞塔号”的发现让我们对彗星运行机制的认识比之前都多。另一方面,我们也知道了彗星表面并非是对行星初始构建材料的纯净记录。迄今为止,人类探测器造访过的所有彗星都是短周期彗星。它们是形成于太阳系外围比巨行星(木星、土星、海王星和天王星)所在地更远的地方,然后落入距离太阳更近轨道的古老天体。在这样的轨道中,彗星被太阳周期性地炙烤、修改,因此今天它们的样子可能已经与当初完全不同。

幸好,还有另一类彗星——长周期彗星有助于我们理解行星怎样形成。这类彗星的轨道极其巨大。1997年,海尔-波普彗星出现在地球天空中,连续18个月肉眼可见。基于它目前所处的轨道,科学家推测它在大约4000年前更接近地球。1996年,百武彗星经过地球附近。这颗彗星所处的轨道意味着它要花大约7万年才能在轨道中转完一圈。科学家推测,正因为长周期彗星的轨道如此巨大,它们距离太阳比短周期彗星远得多,受太阳影响小,所以所有长周期彗星现在的表面都很可能很接近原始状态。

偶尔还有彗星首次坠向太阳。为了破译早期太阳系之谜,科学家需要调查的正是这种彗星。科学家认为,这种彗星不仅原始,而且当初形成于巨行星之间,因而它们在最初的行星构建材料方面非常具有代表性。它们与新形成的行星之间的引力相互作用导致它们被甩到很远很远的距离外,这些地方的极寒让它们的原始状态得以保留至今。

如果我们能近距离探测一颗这样的彗星,那么就有机会检验早期太阳系一个至今尚未被探测过的新区域。但科学家并不知道这样的彗星何时会出现在地球天空中,而探测器的设计和建造一般要花10年时间,因此,就算这样的彗星出现了,如果我们没有做好准备,那么等我们造好探测器时它们早就消失无踪了。如此一来,怎样才能近观这样一颗彗星呢?

这就是彗星拦截器的研发目的。欧空局已经为该任务划拨了专项资金。如果彗星拦截器在2028年按时发射,那么之后它将在太空中待一段时间,等待目标彗星被发现。该任务的设计和实施都很另类,因为在科学家心目中尚无任何目标彗星。迄今为止,没有任何人在探测目标都没有的情况下设计过任何探测任务。所以说彗星拦截器的设计开辟了一片新天地。

太空任务通常都有一个具体目标,这样一来,工程师才能算出探测器的最佳轨道,由此决定需要多少燃料和燃料箱大小,也就能算出探测器能搭载的科学仪器质量。换句话说,探测目标决定探测器。

与目标天体会合的计划,决定着展开太阳能电池板和打开仪器的最佳位置。而这些因素对彗星拦截器任务设计团队来说皆未知。他们不知道该让彗星拦截器从哪个方向、在什么地方——在距离太阳多远处或在接近地球多远处接近目标。因此,他们要设计的是一项极度灵活的任务。

系外客人

彗星拦截器的潜在探测目标中,也许有太阳系之外的彗星。

彗星拦截器要拍摄的彗星照片的质量必须与“罗塞塔号”拍摄的67P彗星照片的质量相当,前者还要调查这两颗彗星之间的不同之处。科学家推测,这两类彗星的化学组成会有很大差异。这是因为67P彗星之类的彗星形成于距离太陽近得多的地方,彗星表面的有机分子类别和数量无疑会因此大受影响。

长周期彗星不仅能揭示与短周期彗星不同的化学组成,而且能揭示行星的形成过程很暴烈还是很温和。“罗塞塔号”探测67P彗星的五大结果之一是彗星的形状。分析表明,67P彗星的哑铃形态是两颗独立彗星融合形成的。这之所以是一大结果,是因为它表明多颗完全成型的彗星会以温和的方式合并,其碰撞速度和走路一样慢。与之对比,科学家认为行星的形成过程要狂乱得多。如果行星形成过程与长周期彗星的一样温和,那就意味着科学家有关行星形成过程的理论必须重写。

对彗星拦截器探测目标的找寻将始于2022年。届时,一部大型望远镜——大型巡天望远镜将正式运作。这部望远镜2020年在智利基本建成。镜面直径达8.4米的大型巡天望远镜,将能仅花几个夜晚就扫描完整个天空。预计它能发现比目前已知数量多上千甚至上万颗的太阳系彗星和小行星。甚至,在彗星拦截器2028年升空之前,大型巡天望远镜就能为它找到一个探测目标。

科学家不期望彗星拦截器的可选探测目标太多,这是因为彗星拦截器的设计、建造和运行时间都不长,所以只需为数不多的可选目标供考察就够了。就算是在这不多的潜在目标里,依然可能存在一个罕见目标——来自另一个恒星系统的一颗彗星(星际彗星)。科学家已经识别了两颗星际彗星——2017年的奥陌陌彗星和2018年的鲍里索夫彗星。这两颗彗星的轨道都表明,它们不受太阳的引力束缚,它们只不过是在经过太阳系途中被太阳引力扭偏了方向。

67P彗星的哑铃形态是两颗彗星合并的结果。图为“罗塞塔号”2015年拍摄的67P彗星。

虽然几乎不可能确定星际彗星形成时环绕的是哪颗恒星,但通过近观星际彗星,可能会揭示其他恒星周围的天体形成过程是否与太阳系中的这些过程相似。科学家认为,如果真的能看见来自太阳系以外的天体,看到它与太阳系以内的天体不同或者相似,那将多么有趣。如果其中有一个天体我们能够前去拜会,科学家就绝对不会放过这个机会。

星际访客

两年内就辨识了两颗星际彗星,但这是常态吗?

2017年,科学家识别了一颗来自另一个恒星系统、经过太阳系的彗星。该彗星是通过位于美国夏威夷哈莱阿卡拉天文台的泛斯塔尔斯望远镜发现的,科学家依据当地土语“侦察者”的发音把它称为奥陌陌。开始时,这颗彗星看上去就像是小行星,这是因为它没有彗尾,也没有彗发——环绕彗核的气体。

但后来,奥陌陌开始以无法由太阳或行星引力解释的方式加速。因此,奥陌陌当时被一些喜欢耸人听闻的西方媒体说成是外星飞船。而实际上,奥陌陌的“反常”行为恰恰就是彗星的行为——来自太阳的热量导致彗星表面下的冰释放气体,而逃逸的气体就像是一部火箭发动机。

2018年,另一颗经过太阳系的星际彗星——鲍里索夫彗星被发现。据估计,2019年12月它在最接近太阳时,每秒丢失2千克尘埃和60千克水。

很明显,对Pg6P928q2VdCI0xTFEVE64kIUxdjSW5AcBL11IvniCE=科学家来说,运用彗星拦截器近观太阳系外的彗星的想法很诱人。但另一方面,科学家对实现这个想法的难度之大也很清楚。有科学家说,这种可能性很低,因为我们对星际彗星经过太阳系的频率多高根本无法确定。两年内能辨识两颗星际彗星也许纯属幸运,以后多年完全有可能碰不到任何星际彗星。不过,当大型巡天望远镜2022年升空后,科学家将了解到这方面的更多信息。

彗星取样

把彗星材料送回地球,是科学家梦寐以求的大事之一。

不管彗星拦截器将前往哪颗目标彗星,科学家都已开始筹划在那以后要回答的问题了。其中最重要的问题之一是:彗星在地球生命起源中起了什么作用?要想回答这个问题,就必须查明彗星表面的化学组成。科学家将重点调查含碳分子。它们也被称为“有机分子”,原因是它们对地球上的生命来说很重要。正因为有机材料的成分很重要,所以需要查明彗星表面的有机化合物有哪些。要想查明这一点,唯一办法就是把彗星样本带回地球,运用现有的实验室设备进行全方位检验。

正是出于这个目的,一些科学家希望把“雄心”任务纳入欧空局2050年长期计划。如果被选中,“雄心号”探测器将登陆一颗彗星,提取彗星表面含冰物质,装进液氮囊中送回地球。实际上,把彗星物质送回地球是科学家梦寐以求的大事之一。

但就目前来看,彗星拦截器风头正劲。毕竟,该任务一旦实施,就意味着我们首次近观真正第一次进入太阳系的彗星,它的表面将和几十亿年前的一样。但要实现这个目标,需要改写现有的太空任务设计和执行方式。虽然这样做的难度很大,但科学家相信,他们对这一任务前景的期望将激励他们去克服困难。

殴空局2050航天计划海报。

系外彗星奥陌陌的太阳系之旅

一项新的彗星任务

1  發射

2028年,彗星拦截器升空。这是欧空局阿里尔望远镜的次级负载。

2  等待

彗星拦截器进入引力稳定点L1周围的一条停泊轨道。

3  巡航

一旦一颗合适的彗星被辨识,拦截器就提速,进入拦截轨道。

4  释放立方卫星

两颗小型立方卫星(微型卫星)被释放。其中一颗由欧空局制造,另一颗由其他机构制造。两颗卫星所搭载的仪器互补。

5  最近距离

拦截器以10~80千米/秒的速度和大约1000千米的距离经过彗星。立方卫星前往、靠近彗星,并且传输数据给拦截器。

6  数据传输

与彗星相遇后,拦截器把数据传回地球。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午12:17。
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