彗星探測(cè)與生命起源之謎

□ 國(guó)家天文臺(tái) 鄭永春

彗星探測(cè)與生命起源之謎

□ 國(guó)家天文臺(tái) 鄭永春

彗星一般主要由碳、氫、氧、氮、硫化合物構(gòu)成，成分包括水冰、氨、甲烷、一氧化碳和少量的復(fù)雜有機(jī)物。最新的探測(cè)結(jié)果顯示，彗星中含有硫化氫和氨，這會(huì)讓它聞起來(lái)有點(diǎn)像臭雞蛋和尿液的氣味。當(dāng)遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)，彗星是黑暗的冰球，直徑只有數(shù)千米，當(dāng)接近太陽(yáng)時(shí)則開(kāi)始“熔化”，展示出彗發(fā)和彗尾，彗發(fā)甚至可以延伸到距彗核10萬(wàn)千米以遠(yuǎn)。

在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以前，對(duì)彗星只能進(jìn)行裸眼觀測(cè)，古人將之視為不祥天象；在牛頓力學(xué)出現(xiàn)后的200年，人們開(kāi)始研究彗星的軌道和周期，并成功預(yù)測(cè)了哈雷彗星（1P/Halley，編號(hào)中的P表示周期彗星）。1985年，喬托行星際探測(cè)器（Giotto）飛掠哈雷彗星，首次拍到彗核照片，而我們下一次再見(jiàn)到哈雷彗星則要等到2061年了。

2014年8月，羅塞塔探測(cè)器抵達(dá)67P/楚留莫夫－格拉希門克彗星（簡(jiǎn)稱楚－格彗星）；11月13日，其攜帶的菲萊著陸器成功著陸，成為人類歷史上首次登陸彗星表面的航天器。這次彗星探測(cè)任務(wù)成功吸引了全世界數(shù)十億公眾的眼球和長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)注，集中展示了歐洲的航天能力和未來(lái)雄心。

楚－格彗星的直徑為4千米左右，引力只有地球的萬(wàn)分之一，飛行速度達(dá)每小時(shí)13.5萬(wàn)千米，菲萊要在距離地球5億千米的太陽(yáng)系一角跟上并登陸彗星表面，技術(shù)難度幾乎不可思議。羅塞塔彗星探測(cè)任務(wù)開(kāi)始于1993年，2004年3月發(fā)射，2014年11月登陸，歷時(shí)21年；探測(cè)器在太空中飛行10年8個(gè)月，其中3次飛越地球，1次飛越火星，太空飛行距離超過(guò)60億千米；整個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)探測(cè)壽命為4個(gè)月，耗資13億歐元，幾乎耗費(fèi)了數(shù)千名精英科學(xué)家和工程師的心血。付出如此巨大的代價(jià)去探測(cè)彗星，究竟意義何在？

表 人類探測(cè)彗星的歷史

羅塞塔軌道器上的科學(xué)儀器1.ALICE：紫外成像光譜儀；2. CONSERT：彗核雷達(dá)探測(cè)器；3. COSIMA：二次離子質(zhì)譜儀；4. GIADA：顆粒撞擊分析和集塵器；5. MIDAS：顯微成像分析系統(tǒng)；6.MIRO：微波探測(cè)器；7.OSIRIS：軌道器成像系統(tǒng)；8. ROSINA：質(zhì)譜儀；9. RPC：等離子分析設(shè)備；10. RSI：無(wú)線電探測(cè)器；11. VIRTIS：可見(jiàn)和紅外成像光譜儀；12.Philae：菲萊著陸器。

首先，彗星探測(cè)對(duì)研究太陽(yáng)系的物質(zhì)組成和起源至關(guān)重要。彗星是太陽(yáng)星云凝聚形成太陽(yáng)和行星之后的殘留物，彗星上沒(méi)有地震、火山等地質(zhì)活動(dòng)，且遠(yuǎn)離太陽(yáng)照射，長(zhǎng)期被保存在又冷又暗的“冷庫(kù)”中，幾乎完美地保存了太陽(yáng)系最初形成時(shí)的信息。彗星來(lái)自寒冷、黑暗的太陽(yáng)系邊緣，其中短周期彗星可能來(lái)自距離太陽(yáng)40~50個(gè)天文單位以外的柯伊伯帶，長(zhǎng)周期彗星多來(lái)自距離太陽(yáng)約5萬(wàn)~10萬(wàn)個(gè)天文單位的奧爾特云。奧爾特云被稱為彗星的老家，那里聚集著數(shù)萬(wàn)億顆彗星。

其次，彗星探測(cè)有望回答地球上的水是否來(lái)自彗星、為什么地球上的氨基酸都是左旋形式、彗星是否為地球開(kāi)啟了生命之門等關(guān)鍵問(wèn)題，從而揭開(kāi)地球生命起源之謎。自人類開(kāi)始探索世界以來(lái)，始終被一個(gè)基本問(wèn)題困擾著：我們來(lái)自哪里？即生命是如何起源的。根據(jù)現(xiàn)有認(rèn)識(shí)和大量證據(jù)，生命的產(chǎn)生需要水和有機(jī)物。目前，地質(zhì)學(xué)家傾向于認(rèn)為地球上的水是原始地球巖漿分異產(chǎn)生的，而天文學(xué)家則傾向于認(rèn)為地球上的水體是彗星撞擊地球帶來(lái)的。彗星是由水冰和石塊組成的“臟雪球”。在地球早期歷史中，大量彗星撞擊地球表面，不僅帶來(lái)了豐富的水源，形成了原始海洋，而且彗星攜帶的各類烷烴、氨基酸、脂肪酸、多環(huán)芳烴和卟啉等有機(jī)化合物也一起在海洋中熬成一鍋有機(jī)“濃湯”。“濃湯”在適宜的地球環(huán)境條件下孕育了最初級(jí)的生命。

最后，從地球生物演化歷史看，彗星等小天體的撞擊多次導(dǎo)致地球氣候環(huán)境災(zāi)變和生物滅絕事件，如6500萬(wàn)年前的恐龍大滅絕、100多年前的通古斯大爆炸等。1994年舒梅克-列維9號(hào)彗星連串撞擊木星，帶去了巨量的含硫、含氮物質(zhì)及其他金屬元素，釋放的能量大約相當(dāng)于20億顆原子彈爆炸的能量；而2013年2月15日撞擊俄羅斯車?yán)镅刨e斯克并導(dǎo)致人員受傷和大量建筑物受損的小天體直徑還不到20米。可以預(yù)料彗星撞擊地球的災(zāi)難性事件未來(lái)必然會(huì)再次發(fā)生。因此有必要通過(guò)彗星探測(cè)，了解彗核的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，精確掌握軌道運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如果今后觀測(cè)到可能撞擊地球的彗星，我們就可以運(yùn)用航天器引導(dǎo)改變彗星運(yùn)行軌道，防止其撞擊地球和危害人類安全。

左下圖 菲萊著陸器著陸彗星表面示意圖

右下圖 菲萊著陸器上的科學(xué)儀器

我們?cè)谔剿麇缧菚r(shí)，也聽(tīng)到了反對(duì)的聲音，有人認(rèn)為我們還有人連溫飽都沒(méi)解決，為什么要去做這些沒(méi)有經(jīng)濟(jì)回報(bào)、無(wú)助改善民生的事情呢？然而，作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，中國(guó)人應(yīng)該對(duì)全人類的知識(shí)增長(zhǎng)和安全福祉有所貢獻(xiàn)。隨著探月工程的成功實(shí)施，我國(guó)未來(lái)將開(kāi)展火星、木星等行星探測(cè)任務(wù)，直接威脅人類生存繁衍的彗星和小行星也將成為中國(guó)未來(lái)深空探測(cè)的重要目標(biāo)，目的是回答太陽(yáng)系的起源、生命起源等基本科學(xué)問(wèn)題，并保護(hù)地球和人類的安全。這些深空探測(cè)任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸、測(cè)控精度、航天器設(shè)計(jì)以及任務(wù)實(shí)施的時(shí)間跨度都將不斷觸及我國(guó)航天技術(shù)能力的極限。對(duì)太空探索的好奇心和冒險(xiǎn)精神將激勵(lì)我們的雄心和信心，通過(guò)實(shí)施科學(xué)牽引的太陽(yáng)系探測(cè)，突破和掌握長(zhǎng)壽命航天器設(shè)計(jì)、核同位素電源、長(zhǎng)期行星際飛行、行星借力飛行、穿越小行星帶、遠(yuǎn)距離測(cè)控等關(guān)鍵技術(shù)，中國(guó)航天必將實(shí)現(xiàn)新的跨越。

超鏈接：

長(zhǎng)周期彗星的發(fā)源地

奧爾特云（Oort cloud）是一個(gè)理論上假設(shè)的、包圍著太陽(yáng)系的球狀星云團(tuán)。奧爾特云與太陽(yáng)的距離約為5萬(wàn)～10萬(wàn)個(gè)天文單位，幾乎等于1光年，相當(dāng)于太陽(yáng)與比鄰星距離的四分之一。

短周期彗星的發(fā)源地

柯伊伯帶（Kuiper belt）位于距離太陽(yáng)約40～50個(gè)天文單位的黃道面附近（海王星位于距離太陽(yáng)約30個(gè)天文單位的軌道上），是一個(gè)小天體密集的圓盤狀中空區(qū)域。冥王星則是柯伊伯帶中最大的天體。

小行星的發(fā)源地

小行星帶是位于火星與木星軌道之間的小行星密集區(qū)域。在已發(fā)現(xiàn)的約12萬(wàn)顆小行星中，98.5%位于小行星帶。小行星由巖石或金屬組成，也有一些小行星可能是從彗星演化而來(lái)的，是彗核中的揮發(fā)性物質(zhì)丟失后的殘留物。