圖解深空探測(cè)史

文/ 葉楠

彗星探測(cè)

彗星是太陽(yáng)系里的“流浪者”，它們的軌道大都非常扁平，其中大多數(shù)只會(huì)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近一次而后飄然遠(yuǎn)去。彗星以其獨(dú)具特色的彗尾而聞名，我國(guó)古代就有許多關(guān)于哈雷彗星的記載。近代研究表明，某些彗星擁有水冰，甚至還發(fā)現(xiàn)了某些氨基酸的蹤跡。彗星的研究對(duì)于生命起源、行星誕生、太陽(yáng)系演化等課題都有著極為重要的意義。但要想在茫茫太陽(yáng)系中追上一顆彗星并不是一件容易的事，所以我們都是在地球軌道附近等待彗星的來(lái)臨。

國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)：首探彗星

美國(guó)的國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)探測(cè)器于1978年8月12日發(fā)射升空，是第一個(gè)運(yùn)行在日地L1點(diǎn)暈軌道的探測(cè)器，它最初的任務(wù)是研究太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)的相互作用，后改道探測(cè)彗星。1982年6月開(kāi)始，“國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)”進(jìn)行了一系列變軌操作，從環(huán)繞L1點(diǎn)的暈軌道移出，進(jìn)入日心軌道；1985年9月11日，它穿過(guò)了21P/賈科比尼-津納彗星的離子彗尾，距離彗核7800公里，成為人類(lèi)歷史上第一個(gè)對(duì)彗星進(jìn)行探測(cè)的探測(cè)器。次年3月下旬，“國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)”正好運(yùn)行到哈雷彗星和太陽(yáng)之間，距離哈雷彗星彗核2800萬(wàn)公里。直到1997年，“國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)”才正式結(jié)束它的工作。但到了2014年7月，工程師們竟然還可以聯(lián)系上這個(gè)探測(cè)器。

“哈雷艦隊(duì)”探“哈雷”

當(dāng)“國(guó)際彗星探險(xiǎn)者號(hào)”從哈雷彗星與太陽(yáng)之間飛過(guò)的時(shí)候，還有5個(gè)來(lái)自于蘇聯(lián)、歐洲及日本的探測(cè)器在更近的距離對(duì)哈雷彗星進(jìn)行探測(cè)。這是人類(lèi)有史以來(lái)對(duì)一顆天體進(jìn)行的最為集中的探測(cè)，這些探測(cè)器也被統(tǒng)稱(chēng)為“哈雷艦隊(duì)”（左圖為郵票上的哈雷艦隊(duì)）。其中，蘇聯(lián)實(shí)施的“韋加計(jì)劃”于1984年底發(fā)射了兩個(gè)金星-哈雷彗星探測(cè)器 —— 韋加1號(hào)、2號(hào)，它們分別于1986年3月6日和9日飛掠哈雷彗星，最近距離分別為8890公里和8030公里，在接近彗核的3小時(shí)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了密集探測(cè)，包括其體積、形狀、溫度、氣體成分、塵埃組成等，共計(jì)傳回約1500張哈雷彗星照片（右圖是其中之一）。

先驅(qū)號(hào)與彗星號(hào)：日本首個(gè)深空探測(cè)器

日本的空間探索之路相較美國(guó)和蘇聯(lián)起步要晚一些，他們對(duì)太陽(yáng)系小天體的興趣顯得更為濃厚。1985年1月7日，日本發(fā)射了他們的第一個(gè)行星際探測(cè)器 —— “先驅(qū)號(hào)”（左圖），這使得日本成為了第三個(gè)成功發(fā)射深空探測(cè)器的國(guó)家。與“哈雷艦隊(duì)”的其他探測(cè)器不同，“先驅(qū)號(hào)”并未攜帶任何的攝影設(shè)備，它更多的任務(wù)是要為后續(xù)發(fā)射的“彗星號(hào)”做好準(zhǔn)備。

“彗星號(hào)”是日本發(fā)射的以探測(cè)哈雷彗星為主要目的的探測(cè)器，于1985年8月18日發(fā)射。1986年3月8日，“彗星號(hào)”從距離哈雷彗星彗核14.5萬(wàn)公里處飛過(guò)，拍攝了哈雷彗星彗核的紫外照片，并通過(guò)紫外光譜計(jì)算出彗核的自轉(zhuǎn)周期約為2.2天。右圖為印在郵票上的“彗星號(hào)”“喬托號(hào)”“韋加號(hào)”和挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)。

喬托號(hào)：近距離飛掠哈雷彗星彗核

“喬托號(hào)”（上圖）是歐空局于1985年7月2日發(fā)射的探測(cè)器，首要任務(wù)是探測(cè)哈雷彗星，也是“哈雷艦隊(duì)”成員之一。得益于韋加1號(hào)、2號(hào)的數(shù)據(jù)，“喬托號(hào)”于1986年3月14日以596公里的距離飛掠哈雷彗星彗核，并拍攝到了彗核的照片。在探測(cè)完哈雷彗星后，“喬托號(hào)”上的儀器于3月15日暫時(shí)關(guān)閉，直到1990年7月2日再次啟動(dòng)。借助地球引力的加速，“喬托號(hào)”于1992年7月10日接近格里格-斯基勒魯普彗星，這次飛掠距離僅有200公里。

通過(guò)“喬托號(hào)”的照片及其他探測(cè)數(shù)據(jù)我們終于可以看到哈雷彗星的真面目（下圖）：彗核的顏色非常深，甚至比煤還黑，據(jù)推測(cè)應(yīng)該是被一層厚實(shí)的塵埃所覆蓋；彗核的形狀類(lèi)似花生，長(zhǎng)15公里、寬7～10公里；彗核只有10%左右表面有地質(zhì)活動(dòng)，有數(shù)個(gè)噴射孔正在噴發(fā)物質(zhì)，其中包含80%的水、10%的一氧化碳、2.5%的甲烷與氨的混合物，以及其他烴類(lèi)、鐵和鈉元素；彗星的元素構(gòu)成與太陽(yáng)基本相同，這意味著組成哈雷彗星的成分與太陽(yáng)系的原始成分相同。

深空1號(hào)：首次使用離子推進(jìn)器

“深空1號(hào)”（左圖）是美國(guó)宇航局新千年計(jì)劃的一部分，旨在對(duì)一些新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試?！吧羁?號(hào)”是歷史上首個(gè)使用離子推進(jìn)器的探測(cè)器，于1998年10月24日發(fā)射。它的首個(gè)探測(cè)目標(biāo)是小行星9969，之后的拓展任務(wù)將它導(dǎo)向了19P/博雷利彗星。2001年9月22日，“深空1號(hào)”從距離博雷利彗星2171公里處飛掠，拍攝到清晰的彗星表面照片（右圖）。之后，“深空1號(hào)”還對(duì)火星進(jìn)行了遠(yuǎn)距離拍攝，其離子發(fā)動(dòng)機(jī)于2001年12月18日關(guān)閉，任務(wù)結(jié)束。

星塵號(hào)：采樣并返回

美國(guó)的星塵號(hào)探測(cè)器（左圖）于1999年2月7日發(fā)射，其首要目標(biāo)是對(duì)懷爾德2號(hào)彗星進(jìn)行采樣并返回。2004年1月2日，在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)兩圈之后，“星塵號(hào)”與懷爾德2號(hào)彗星相會(huì)并拍攝到照片（右圖）。由于懷爾德2號(hào)彗星的速度更快，此次相會(huì)實(shí)際上是彗星從后面追上并超越了“星塵號(hào)”，速度差達(dá)每秒6.1公里，最近距離237公里。在此期間，“星塵號(hào)”的氣凝膠收集器順利啟動(dòng)，收集彗星塵埃和星際塵埃。2006年1月15日，當(dāng)“星塵號(hào)”再次回到地球附近時(shí)，樣品返回艙與“星塵號(hào)”分離，以每秒12.9公里的速度進(jìn)入大氣層，成為進(jìn)入大氣層時(shí)速度最快的人造天體，最終通過(guò)降落傘在猶他州的沙漠中成功著陸。科學(xué)家們通過(guò)對(duì)彗星樣本的分析發(fā)現(xiàn)存在液態(tài)水的證據(jù)，以及組成生命基本化學(xué)物質(zhì)之一的甘氨酸。

深度撞擊號(hào)：以撞擊方式探測(cè)彗星

美國(guó)的深度撞擊號(hào)彗星探測(cè)器（左圖）于2005年1月12日發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)174天、4.29億公里的飛行，于2005年7月3日抵達(dá)坦普爾1號(hào)彗星附近并釋放撞擊器。約24小時(shí)以后，重達(dá)370千克的銅制撞擊器以每秒10.3公里的相對(duì)速度撞擊彗星，撞擊能量相當(dāng)于4.7噸TNT炸藥。撞擊后10分鐘，“深度撞擊號(hào)”飛越距離彗核500公里處對(duì)撞擊位置的物理特征進(jìn)行了探測(cè)?；趯?duì)彗星內(nèi)部化學(xué)組成的分析，天文學(xué)家推測(cè)坦普爾1號(hào)彗星可能形成于奧爾特云。右圖是撞擊后不久“深度撞擊號(hào)”拍攝到的照片。

飛越哈特利2號(hào)彗星

“深度撞擊號(hào)”在2005年完成對(duì)坦普爾1號(hào)彗星的探測(cè)后，開(kāi)始一系列新的擴(kuò)展任務(wù)。首先是計(jì)劃在2008年12月從700公里處飛越85P/波辛彗星，但由于波辛彗星過(guò)于暗淡，天文學(xué)家們無(wú)法確定它的位置，不得不放棄了此次飛越。又經(jīng)過(guò)了2年的飛行，抵達(dá)下一個(gè)任務(wù)目標(biāo)—— 哈特利2號(hào)彗星，2010年5月28日“深度撞擊號(hào)”進(jìn)行了一次11.3秒的點(diǎn)火，于11月4日成功飛越哈特利2號(hào)彗星并傳回了清晰的彗核照片（左圖），可以清晰看到花生狀的彗核及噴發(fā)。后續(xù)“深度撞擊號(hào)”還完成了對(duì)彗星C/2009 P1、小行星（163249）2002GT的觀測(cè)，并在2013年2月首次觀測(cè)到C/2012 S1這顆被人們寄予厚望卻又快速消失的彗星（右圖）。

星塵號(hào)再訪坦普爾1號(hào)彗星

“深度撞擊號(hào)”在成功撞擊坦普爾1號(hào)彗星后，由于撞擊塵埃的遮擋當(dāng)時(shí)并沒(méi)有拍到撞擊后的清晰圖像。2007年7月，“星塵號(hào)”飛向坦普爾1號(hào)彗星，開(kāi)啟新的擴(kuò)展任務(wù)，經(jīng)過(guò)三年半的飛行，2011年2月15日，“星塵號(hào)”在181公里處飛越坦普爾1號(hào)彗星并拍攝了照片（上圖）。3月24日，“星塵號(hào)”耗盡了它最后的燃料，從3.12億公里處發(fā)回了最后的確認(rèn)信號(hào)后便消失在茫茫宇宙中。下圖為“深度撞擊號(hào)”和“星塵號(hào)”拍攝的照片對(duì)比，后者可以看到撞擊產(chǎn)生的坑洞。

羅塞塔號(hào)：首次登陸彗星

由歐空局研制的羅塞塔號(hào)彗星探測(cè)器（左圖）于2004年3月2日發(fā)射，目標(biāo)是67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星。由于67P彗星軌道周期為6.44年，需要經(jīng)歷兩次回歸才能和“羅塞塔號(hào)”相遇，因此“羅塞塔號(hào)”飛行了10年，于2014年5月開(kāi)始降低自己的速度，9月10日進(jìn)入預(yù)定軌道，距離彗核只有30公里。

“羅塞塔號(hào)”的10年旅程并不只是為了近距離看一眼67P（右圖），它還攜帶了一個(gè)名叫菲萊的登陸器?！胺迫R”總重100千克，三維尺寸為1米×1米×0.8米。2014年11月12日，“菲萊”與“羅塞塔號(hào)”分離，登陸過(guò)程持續(xù)約7個(gè)小時(shí)。與彗星最親密的接觸為科研人員提供了非常寶貴的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)67P水蒸汽同位素的測(cè)定發(fā)現(xiàn)與地球水截然不同，67P水中氘和氫的比例大約是地球水的3倍，這說(shuō)明地球水不太可能來(lái)自于67P或與之類(lèi)似的彗星。隨著67P彗星距離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，“羅塞塔號(hào)”及“菲萊”的太陽(yáng)能電池板無(wú)法提供足夠的能量，2016年9月整個(gè)任務(wù)結(jié)束。