原创丨纪念逝去的“罗塞塔”号探测器
在漫长的航天任务之后，“罗塞塔”号彗星探测器按照指示，撞击到彗星表面，并开动探测仪器，录制自己坠向死亡的过程，传回彗星表面的特写镜头。
它万里独行的乐章即将终结，但要用华丽的音节作为结束：在漫长的航天任务之后，“罗塞塔”号（Rosetta）彗星探测器按照欧洲空间局的指示，撞击到彗星“67P/楚留莫夫-格拉希门克”（67P/Churyumov-Gerasimenko）的表面，并开动探测仪器，录制自己坠向死亡的过程，传回彗星表面的特写镜头。在撞击彗星几秒前，“罗塞塔”就彻底关闭，开始默默滑向宇宙深渊。英国《泰晤士报》引用欧洲航天局高级科学顾问马克•麦考林的话说：“这颗彗星将带着‘罗塞塔’前往木星以外。”
“罗塞塔”号彗星探测器
上一次“罗塞塔”这么受关注，还是在2014年。2014年11月12日，“罗塞塔”号探测器释放出命名为“菲莱”的着陆器，经历7个小时的着陆过程，成功登陆了彗星“67P/楚留莫夫-格拉希门克”（正是“罗塞塔”最终消亡之处）。“罗塞塔”号探测器在多年的飞行任务期间，进行了许多的科学探测，今天就来盘点一下这枚探测器。
所谓彗星，古人叫它“扫把星”，是一种绕太阳运动的天体，从远离太阳进入太阳系内部时，亮度和形状会随着它与太阳之间的距离的变化而变化，呈云雾状的独特外貌，在后面好像拖了条尾巴（扫把）。彗星“67P/楚留莫夫-格拉希门克”是一颗轨道周期为6.45年，直径约4公里的彗星。它于2015年8月13日到达近日点（其椭圆轨道离太阳最近的位置）。2004年3月2日，欧洲空间局发射了“罗塞塔”号彗星探测器，目标就是探测这颗彗星。
“罗塞塔”探测器的主成像仪拍摄的彗星颈部，摄于2014年9月5日
“罗塞塔”号的名字来源于“罗塞塔石碑”（Rosetta Stone）。该石碑于1799年在埃及的港湾城市“罗塞塔”发现，因而得名。石碑上镌刻了三段分别用埃及象形文字、通俗体文字和希腊文书写文字。由于文字的内容完全相同，科学家终于在1822年破译出了古埃及的象形文字，打开了通向古埃及历史文明的大门。罗塞塔石碑的发现是古埃及象形文字成功释读的关键。而说到彗星，它是由太阳系诞生初期的物质构成的，由于它自身的温度极低并处在温度极低的宇宙空间，因此在太阳系诞生46亿年来，彗星几乎始终保持着形成初期的状况，对它进行研究将有助于人类揭开太阳系形成之谜。欧洲航天局希望这个仪器通过探测彗星也能在太空探测中、特别是理解太阳系天体起源的研究中，起到突破性的作用，因此用“罗塞塔”给它命名。至于着陆器“菲莱”，它的名字来源于尼罗河中小岛的名字，曾有一块方尖碑在那里被发现且协助解读罗塞塔石碑。
罗塞塔石碑
早在1991年，“罗塞塔彗星彗核取样计划”就被列入了欧洲空间局（ESA）和美国宇航局（NASA）的计划之中。科学家计划用彗星探测器把一个着陆器和一个返回舱送到特定彗星上面。然后，着陆器将在彗星表面提取样品，返回舱把这些样品带回地球。他们希望这一探测器能提供彗星保存了数十亿年之久的太阳系初期信息，从而研究太阳系形成之谜。
“罗塞塔”号探测器原本计划在2003年1月12日发射，并在2011年与彗星46P会面，然而这个计划因为2002年12月11日一场亚利安五号运载火箭的失败而取消。由于错过了这一发射实机，新的计划将目标改为彗星67P，探测器计划在2004年2月26日发射，并在2014年会面。然而随着计划的改变，由于彗星更大的质量及随之增加的撞击速度，登陆器设备必须修改。“罗塞塔”号探测器在两次尝试发射取消后，终于在2004年3月2日的英国格林威治时间7:17（所谓世界时）于库鲁航天发射中心（位于南美洲北部法属圭亚那中部的库鲁地区，紧靠赤道）发射。
“罗塞塔”号的目标是彗星67P——但抵达之前需要经过4次轨道调整。它不仅要在环地球轨道上完成变轨制动，3次飞过地球，并且在2007年还与火星“擦肩而过”。在这几次飞越星体的行动中，“罗塞塔”利用地球或火星的引力，采用相对运动的原理，好像弹弓一样，在飞离时大幅度提升飞行速度，节省飞行能量。
“罗塞塔”号的轨迹
在这4次轨道调整中，2007年，“罗塞塔”号以仅仅250公里的高度飞越火星。当它在火星远端时，有15分钟无法接收到任何太阳光，因此不能使用太阳能板，因此整个航天器进入待命模式，无法通讯，依靠电池飞行——然而这次变轨与延期发射和改变目标有关，电池并没有为这次变轨进行设计，因此当时也被称为“十亿美元的赌博”。幸好，飞越非常成功，“罗塞塔”号得以继续执行任务。
2014年8月6日，经过10年的时间和60亿公里的飞行距离，“罗塞塔”号终于与彗星67P接轨，以最高每小时13.5万公里的速度绕太阳飞行，与彗星相距不到100公里，成为人类史上首个进入彗星轨道的太空飞行器。它携带的照相机拍摄了彗星表面的照片。由于远离太阳难以给太阳能板充电，2014年1月之前，“罗塞塔”号经历了31个月的“休眠”。接轨之后，“罗塞塔”号就着手准备拍出登陆器登陆彗星。
这枚“罗塞塔”号探测器重约3吨，大小约12立方米，共装备了10个科学探测仪器，用于分析彗星的物理和化学构成及其电磁和引力的特性等。它装备了一对各长14米的太阳能电池阵列，有超过60平方米的面积最低可以提供400瓦的功率。罗塞塔号的着陆器“菲莱”将在彗星的彗核表面钻一个深度超过20厘米的洞，从彗核的表层以下提取物质，然后放到显微镜下研究，从而实地研究彗核的表面，以及表层下的成分构成、硬度、密度等，它还装载了一个特殊的照相机，届时将把它拍摄到的照片传回地球的地面控制中心。同时，罗塞塔号环绕彗核飞行时，还观测了彗核逐渐接近太阳的时候，彗核上的物质（主要是冰）逐渐升华，形成彗发和彗尾的过程。
欧洲航空航天局( ESA )向探测器下达指令后，11月12日下午4点35分（北京时间），“罗塞塔”探测器距彗星22.5公里的上空投放着陆器“菲莱”，由于罗塞塔飞船与地球之间的距离超过5亿公里，因此罗塞塔飞船与地球之间的通讯延时长达28分20秒。那么，科学家发出的指令，大概要等待1个小时才能知道登陆器执行的如何。在证实了着陆器已经彗星上发送信号后，科学家着实欣喜，但旋即发现着陆器上的两个“鱼叉”并没有如预期“抛锚”。着陆器设计“鱼叉”的原因是该彗星的引力只有地球的十万分之一，探测器不得不锚定在彗星上。“鱼叉”系统的故障使得着陆器的初次降落发生了反弹。
着落器下降过程中拍到的彗星照片
着陆器最初接触彗星表面的地点被称作“ Agilkia ”，随后发生反弹并在空中悬浮了2个多小时，最终在67P彗星较小那一头的一个名为“ Abydos ”的区域停留下来。然而。着陆之后经过3天，“菲莱”很快便耗尽了它的蓄电池中仅剩的电力并开始进入深度休眠状态，后来只是在2015年6月和7月之间，随着彗星抵达近日点附近，“菲莱”的太阳能电池板获得更多电力时，曾经短暂苏醒并和“罗塞塔”号探测器建立了通讯联系，但随后便很快再次中断。着落器遇到了巨大的困难，竟长期与地球失去联系。
然而，2016年9月5日，欧洲空间局宣布，“罗塞塔”号探测器的高分辨率相机拍摄于9月2日拍摄到“菲莱”号着陆器被卡在67P彗星的一条黑暗裂缝中。当时“罗塞塔”距离67P彗星只有2.7公里，也因为距离如此之近，照片分辨率达到了惊人的5厘米/像素，科学家能够很清晰的辨别出菲莱号登陆器的主体以及三条着陆腿。
“菲莱”着陆器的位置
这张照片让科学家终于确定了“菲莱”在67P彗星上的精确位置，并弄清了为什么菲莱号自2014年11月12日登陆彗星以后，与罗塞塔号通信一直困难重重——“菲莱”位于一处峭壁的阴影中，每天（一个彗星日为12.4小时）只能获得一个半小时的太阳光照，在日照不足的情况下，着陆器的太阳能电池无法为其继续工作提供足够电能。
识别“菲莱”着陆器的主体以及三条着陆腿
来自罗塞塔号光谱与红外遥感系统(OSIRIS)成像团队的塞西莉亚•蒂比亚纳表示：“虽然罗塞塔号只有一个月就要结束使命，但终于能够拍到菲莱号让我们非常开心，而且能够看到如此惊人的细节。”而欧空局罗塞塔号任务经理帕特里克•马丁（Patrick Martin）表示：“在这场漫长、艰苦的搜寻末尾，我们终于有了惊人的发现。而之前我们认为要这样永远失去菲莱了，但难以置信的是，我们在最后时刻拍到了它。”
虽然发现了“菲莱”，但罗塞塔号的寿命毕竟已经走到尽头。此前，罗塞塔号与彗星之间的距离最近不少于1.9公里。现在，它向着彗星一往无前的飞去。罗塞塔号下降轨道的设计最大限度地利用了太阳能，大约通过13.5小时的自由落体下降19公里左右（最后阶段大约每秒下降1米），它将没有机会再看一眼“菲莱”号。但是其最后一次低空飞掠探测有望看到彗星其他地方的优质图像，可能会在距离彗星表面15米左右的地方获得毫米级像素的高分辨率图像。科学家们希望利用机载相机看到“马特坑”坑壁的有趣结构，那里可能隐藏着67P/丘留莫夫—格拉西缅科彗星如何形成的秘密。其他的设备将被史无前例地用于探测气体、尘埃以及电离粒子。在撞击地面的最后几秒前，“罗塞塔”努力传回珍贵的数据信息。
罗塞塔向彗星飞去
虽然着落器长期失联，但罗塞塔号依旧完成了多种科学探测任务。除了大量的照片用于彗星的演化过程研究，罗塞塔号在彗星67P发现了分子氮。科学家认为分子氮的发现暗示太阳系在形成早期就已经拥有一些生命分子。由于该彗星来自太阳系的边缘地区，极低的温度使得分子氮可保存在冰封的环境中，同时科学家此前也在太阳系外侧轨道的卫星和行星上发现过类似的分子氮，由此可以推测格拉西门克彗星背后还拥有一个更大的彗星家族，氮分子是该家族的基本特征之一。早期的探测中，科学家主要在土卫六、冥王星以及海王星的卫星上的氨或者氰化氢的化合物中检测到氮，而本次发现的分子氮则是第一次。
此外，罗塞塔发现彗星67P没有磁场，使得科学家们将能够排除一部分有关地球形成机制的理论。罗塞塔还发现67P彗星上含有与地球不同的水：67P向外喷射的气体很多都是水汽，且这些水汽中氘的含量相比地球水体更高(氘是氢的同位素，其原子核中多了一个中子) 。罗塞塔的高分辨率图像显示彗星喷射的大量气体和尘埃云团都来自彗星表面巨大的塌陷空洞和悬崖崩塌过程，这也解释了为何彗核表面会如此千疮百孔。
罗塞塔近距离拍摄的彗核表面喷流
来源：中国科学院国家空间科学中心
作者王铮，系中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室博士生