罗塞塔号彗星探测器

2004年发射的科学探测仪器

罗塞塔号彗星探测器是 欧洲航天局 组织的无人 航天飞机 计划, 格林尼治 时间2004年3月2日7时17分(北京时间3月2日15时17分)发射,研究楚留莫夫-格拉希门克彗星 代号为67P。 罗塞塔 号由两个主元件组成:罗塞塔探测器及 菲莱登陆器 。 探测器 以 罗塞塔石碑 为命名,主要任务是探索46亿年前 太阳系 的起源之谜,以及 彗星 是否为 地球 “提供”生命诞生时所必需的水分和有机物质。登陆器以 尼罗河 中 小岛 的名字菲莱命名,有一块方尖碑在那里被发现且协助解读罗塞塔石碑。

2014年11月13日凌晨,在经历了长达7个小时的漫长等待后,由罗塞塔彗星探测器释放的“菲莱”着陆器成功登陆67P/Churyumov-Gerasimenko(67P/ 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 )彗星。

2016年9月30日,罗塞塔号彗星探测器撞向67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星,罗塞塔号与地面失去联系,正式结束了长达12年的“追星”之旅。

历史背景

罗塞塔号

1799年, 罗塞塔石碑 ( Rosetta  Stone)在埃及被发现。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。

名字由来

罗塞塔石碑的发现是古埃及象形文字成功释读的关键, 欧洲航天局 希望这个仪器也能在太空探测中起到关键性突破的作用。

美国航空航天局 计划

1991年,“ 罗塞塔 彗星彗核取样计划”被列入了 ESA 和美国宇航局( NASA )的计划之中。一个以“罗塞塔”命名的 彗星 探测器将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 。科学家希望“罗塞塔”号成为 天文学 的“罗塞塔”石碑,提供彗星保存了数十亿年之久的 太阳系 初期信息,通过研究这些信息,科学家可以打开通向太阳系古老历史的大门。

2004年3月,罗塞塔号终于由库鲁航天中心发射升空。它将用10年的时间去追赶丘留莫夫-格拉西缅科 彗星 (67P/Churyumov-Gerasimenko),并最终在彗星的上空停留,成为这颗彗星的 人造卫星 。

2014年11月,“菲莱”脱离“ 罗塞塔 ”并成功登陆目标 彗星 。

2015年4月14日,“罗塞塔”彗星探测项目最新观测结果显示,其目标彗星“67p/丘留莫夫-格拉西缅科”上没有 磁场 ,这或许会让科学家重新认识 太阳系 的构成。

设备介绍

“罗塞塔”号探测器

罗塞塔号装备了一对各长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 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 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。环绕彗核飞行的将近两年时间里,罗塞塔号还将目睹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。整个任务将在2015年12月结束。

欧洲 “ 罗塞塔 ”彗星探测器重约3吨,大小约12立方米。它共装备了10个科学探测仪器,这些仪器将分析 彗星 的物理和 化学 构成及其电磁和 引力 的特性等。 “罗塞塔”接近彗星后,将分为 轨道飞行器 和登陆器两部分,是第一个登陆 彗核 表面的 探测器 。彗星登陆器将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。科学家将“ 罗塞塔 ”与彗星相会点选在了彗星距离 太阳 6.72亿公里的轨道最远处这一相会处与地球的距离为5亿公里。预计2014年1月,“罗塞塔”将到达距 彗星 几公里处,并在这一高度的轨道上围绕彗星运转。同年10月,它将向彗星发射登陆器。此后,“罗塞塔”将与彗星共同度过17个月,双方在此期间将不断向太阳靠近,直至彗星到达距离太阳最近轨道处时,它的探测寿命也将随即终结。

提速原理

欧洲 航天局 2005年3月7日发布公告称,2004年3月发射的欧洲“ 罗塞塔 ”彗星探测器于5月4日首次飞经 地球 ,“罗塞塔”利用了 地球引力 的拉扯效应,大幅度提升了飞行速度。专家们将这一现象比喻为“跳板效应”。

“罗塞塔”探测器计划用约10年时间追上一颗名为丘留莫夫-格拉西缅科的 彗星 。如果一切顺利,预计在2014年1月,“罗塞塔”将到达距这颗彗星几公里处,并成为人类首个围绕彗星运转、进而施放登陆器在彗星表面着陆的 探测器 。然而追赶彗星需要巨大的能量,“ 罗塞塔 ”探测器重达3吨,所携带的能量是有限的。因此,科学家专门设计了让“罗塞塔”3次飞过 地球 ,并且在2007年与 火星 “擦肩而过”的路程。这样,在这几次巧遇中,“罗塞塔”将利用地球或火星的 引力 助推作用(借力飞行),大幅度提升飞行速度,同时节省飞行能量。

地球的引力好比是一个跳板,而探测器好比石子,在跳板的弹力作用下,石子的运动速度可以大大提高。“ 罗塞塔 ”探测器本次是以每小时38000公里的速度在距地面约1954公里的高度飞经地球,此后它的速度还将不断增大。预计在 地球 和火星引力的多次拉扯下, 探测器 最终将得以飞行50亿公里路程,赶上 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 。

天文学家认为, 彗星 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。

研究进程

探测计划

“ 罗塞塔 ”号探测器

在1986年 哈雷彗星 来临时,曾有一群国际太空探测器 被送去探测彗星系统,其中最重要的是 欧洲航天局 非常成功的 乔托号 。在 探测器 传回大量丰富有价值的科学资料后,明显地需要增加更多探测器以了解复杂的 彗星 成份以及解决新增加的问题。

美国航空航天局 及欧洲空间局员先有个别开发探测器的计划, NASA 的探测器是CometRendezvousAsteroidFlyby(CRAF)任务。NASA在1992年因预算限制放弃CRAF后,欧洲空间局决定自行研发 航天飞机 。1993年野心勃勃的样本取回任务对于 欧洲空间局 预算明显地不切实际,所以重新设计任务,最终的任务类似原本已

经取消的CRAFT任务: 小行星 飞越,接着 彗星 会合及实地调察(in-situ),包括一个登陆器。

罗塞塔号依照COSPAR规则在无尘室建造,但根据罗塞塔号计划科学家的讯息,“杀菌一般并不是关键,因为 彗星 通常被视为能找到prebiotic分子的物体,也就是生命前导的分子,但不是活的微生物。

发射

原本它会在2003年1月12日发射,而在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。新的计划目标改为 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 ,在2004年2月26日发射,并在2014年会面。因更多的质量及随之增加的撞击速度使登陆器设备必须修改。两次尝试发射取消后, 罗塞塔 终于在2004年3月2日格林威治时间7:17发射。除了发射时间与目标的改变外,这个任务几乎保持一样。

巡航

拍摄灯火通明的大陆夜景时,罗塞塔号

2007年2月25日,罗塞塔号安排了一次低高度通过 火星 ,因为第一次发射被拖延了一年而必须修正轨道。这并不是没有风险的,因为估计飞越高度仅仅只有250公里(155英里)。

因为 航天飞机 在火星的远端,在那里它将有15分钟无法接收到任何太阳光,因此不能使用 太阳能板 。所以太空船因此将进入待命模式,不可能进行通讯,必须靠并不是为了这个工作设计的电池飞行,因此这项火星附近的调动被昵称为“十亿美元的赌博”。幸好,飞越在03:15中央 欧洲 时间(CET)成功了,任务仍持续进行中。

在2014年5月,罗塞塔号将进入一个非常慢的轨道环绕 彗星 并且渐渐降速,准备放出登陆器接触彗星本身。登陆器被命名为“菲莱”,将会以相对速度1m/s接近并接触表面,两个鱼叉将被投射至彗星以避免登陆器弹跳出去。为更进一步将登陆器固定在彗星上,将会利用几次钻孔。

科学任务

一旦附着在彗星上,预计将在2014年11月发生,登陆器将开始科学任务:

描述彗星核;确定存在的化合物;研究星活动及随时间的发展。真确的彗星表面并不知道,而轨道船于登陆器分离前将描绘地表。虽然地表几乎没有任何已知细节,但还是期待能找到合适的登陆地点。

完成调整

从事“罗塞塔号” 彗星 探测器 飞行指挥工作的科学家们完成 了对探测器轨道的调整,这一调整将使得“罗塞塔号”将于2007年2月飞越 火星 。

欧洲航天局 “罗塞塔号”彗星探测器的最终考察目标是“楚留莫夫-格拉希门克彗星”号彗星,其代号为67P。在抵达目标之前,探测器总共需要经过四次类似的轨道调整,这次调整是探测器进入其预定轨道前的第二次。

“罗塞塔号” 彗星 探测器于2004年发射升空,2005年3月在环 地球轨道 上完成首次变轨制动。预计到2007年11月,它又重新回到环地球轨道来旅行。为了让 探测器 顺利飞越火星,欧洲宇航局的专家们在2006年9月29日---11月13日期间不停地校正着其飞行轨道。经过专家们的这些努力后,“罗塞塔号”探测器届时将在距离 火星 表面250公里的高度上飞越火星。

在绕火星飞行期间,“罗塞塔号”还将对自己随机搭载的一系列科研仪器进行调试并收集部分有关火星的资料信息。在飞到火星背面时,探测器将处于节能状态,届时将只有其携带的“菲莱”行星登陆舱处于正常工作状态。因为这个登陆舱装备了独立电源。

“罗塞塔号” 彗星 探测器 2007年的第一个太空探测目标是位于火星和 木星 间的一颗 小行星 ,主要是研究该小行星的旋转方向。之后科学家们将通过对该小行星的特征进行初步判断从而制定出探测器在2010年左右对该小行星进行详细探测的计划。

在近距离飞过 火星 时,“罗塞塔号”将对火星展开约20个小时的探测。届时探测器携带的 照相机 和光谱分析仪将收集火星大气、火星表面以及火星化学构成情况的资料。此外,“罗塞塔号”探测器还将提取火星大气与 太阳风 相互作用的信息,并对火星的两颗天然 卫星 “ 火卫一 ”和“ 火卫二 ”进行拍摄。在对火星的探测完成后, 欧洲航天局 的科学家们还将检测 探测器 飞行特征及其速度指数是否与专家们预定的相吻合。

飞跃火星

罗塞塔 探测器成功飞掠 小行星

欧洲航天局 发射的“罗塞塔”号彗星探测器2007年2月24日与 火星 “擦肩”而过,成功借助火星引力改道。

“罗塞塔”号将于10年内飞越 地球 3次和火星1次,借助地球和火星 引力场 完成改道或加速,于2014年追踪到“ 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 ” 彗星 , 钻探 抽样 ,协助科学家探索彗星。航天专家称,“罗塞塔”号的这次火星改道成功是整个彗星探测计划的“重要一步”。

“罗塞塔”号彗星探测器的 无线电 信号24日在静寂近20分钟时间后,位于 德国 西部的欧洲航天局控制中心终于再次收到它的信号。科学家听到信号声,不约而同鼓起掌来。

在近20分钟的时间里,“ 罗塞塔 ”号成功飞越 火星 ,借助引力场改道。“罗塞塔”彗星探测项目的负责人曼弗雷德·瓦尔豪特说:“‘罗塞塔’还在路上。”

“罗塞塔”号重约3吨,它这次飞越火星的轨道与航天局控制人员预设的轨道非常接近,一度与火星表面距离不足250公里。完成火星飞越的“罗塞塔”号将于2007年和2009年两次飞越 地球 ,再次加速。

“罗塞塔”号2004年3月2日由“阿里安—5”号运载火箭携带,从法属圭亚那库鲁基地升空。经过4次地球或火星引力拉扯后,“ 罗塞塔 ”号将大幅提升速度,预计飞行71亿公里,于2014年进入“楚留莫夫-格拉西门克”彗星轨道。之后,“罗塞塔”号将向 彗星 表面发送“菲莱”号着陆器,在彗星 冰盖 探测。这将是人类有航天史以来的首次彗星“软着陆”。

探测彗星

格林尼治 时间2014年1月20日18时18分(北京时间21 日2时18分), 美国航空航天局 位于 加利福尼亚州 的 地面站 接收到“罗塞塔”彗星探测器向 地球 传回的信号,这意味着“罗塞塔”号顺利从31个月的休眠中苏醒,将开始对一颗彗星进行探测。

欧洲航天局 网站在2014年1月20日发表的公报称,2004年3月2日,欧洲航天局的“罗塞塔”彗星探测器升空,开始追逐“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星。 探测器 抵达 木星 轨道附近后,其装载的 太阳 能电池已经无法从太阳获得足够的能量。

为了给最后阶段的追逐保留电力,研究人员从2011年6月8日开始,让“ 罗塞塔 ”号进入休眠状态。 格林尼治 时间1月20日10时,“罗塞塔”上装备的“闹钟”让探测器的电脑启动,跟踪导航系统开始逐渐升温,大约6个小时后恢复正常工作。随后,“罗塞塔”向 地球 传回信号宣告“醒来”。

美国航空航天局 2014年1月20日消息说,根据此前计划,在此次被唤醒后,“罗塞塔”将进行一系列机动变轨,从后方逐渐追赶上 彗星 ,进入环绕彗星运行的轨道,然后为着陆器“菲莱”选择安全的着陆点,向 彗核 发射着陆器。着陆日期预计为2014年11月11日。

如果一切顺利,“ 罗塞塔 ”将成为人类首个近距离绕彗星运行并在彗星表面投放着陆器的 探测器 。它将持续向地球回传数据,直到电池耗尽或被从彗星上脱落的物质击毁。

彗星是 太阳系 形成的时候留存至今的碎片,因此那里保存着45亿年前原始太阳系的信息。这次探测有助于解开太阳系的起源之谜,同时回答地球上的水及构成生命的有机物质是否来自于 彗星 的问题。

接轨彗星

接轨: 10年5个月又4天,2014年8月6日,彗星探测器“ 罗塞塔 ”号经过10年时间,航行60亿公里后终于与“ 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 接轨,以每小时最高13.5万公里的速度绕 太阳 飞行,与彗星相距不到100公里,它自带的 照相机 拍摄了彗星表面的照片,呈现了大若房屋的巨石。成为人类史上首个进入彗星轨道的 未来航天飞机 。

“由于远离太阳难以给 太阳能板 充电,“罗塞塔”还经历了长达31个月的“ 深度睡眠 ”,直到2014年1月才被唤醒。

拟着陆点

2014年8月27日, 欧洲航天局 的“ 罗塞塔 ”探测器飞行了10年后将在67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星着陆,是“罗塞塔”携带的一个着陆器着陆,它名叫“莱菲”。前不久,“罗塞塔”探测器抵达 彗星 后开始了环绕拍摄,对彗星表面进行了详细观测,为“莱菲”寻找一个合适的着陆场。

2014年9月15日,罗塞塔彗星探测器已经为它的菲莱着陆器在 丘留莫夫-格拉西缅科彗星 /Churyumov-Gerasimenko表面上选择了一个着陆目的地。彗星67P/Churyumov-Gerasimenko外形看似由两个组成部分“连体”而成,最大直径约4公里,其不规则的外形条件并不利于着陆器的平稳投放。

专家们起初在8月底选出5个候选着陆点,分别命名为A、I、B、J和C点(均位于一个面积为1平方公里的椭圆形区域内),并通过分析每个候选地点的相关图像与数据信息,于上周末在法国 图卢兹 召开的一次为期2天的会议上选出了一个首选着陆点和一个备用着陆点。

被命名为“J点”的首选着陆点位于 彗星 “头部”。与其他候选地点相比,J点所在区域的大多数斜面的 转轴倾角 都小于30度,且周围石块数量较少,大大降低了菲莱着陆器在着陆时发生倾倒的风险;另外,该区域能吸收大量的 太阳 光照,可在菲莱着陆器电池初始电量耗尽后帮其充电,确保科学观测活动继续进行。

备用着陆点C点位于彗星的“身体”部分,一旦更多的分析表明J点并不适于着陆,C点将取而代之。

目前,科学家和工程师们正在设计向J点投放菲莱着陆器的确切路线。 欧洲航天局 说,之所以要在11月中旬以前完成菲莱着陆器的着陆操作,是因为 彗星 会因接近太阳而变得更加活跃,从而影响罗塞塔彗星探测器在轨道中的位置,给菲莱着陆器着陆带来困难。

登录彗星

2014年11月12日 欧洲太空总署 称,“菲莱”号探测器12日已经与母船分离,“菲莱”号探测器于 格林尼治 标准时间 12日8点35分(北京时间下午4点35分)被从运载飞船上弹出。开始踏上首次登陆彗星之旅。

欧洲太空总署称,“菲莱”号探测器已经与“ 罗塞塔 ”号飞船分离,现在即将成为在 彗星 上登陆的首个航天器。着陆预计在大约7个小时后展开。

能源危机

2014年11月14日,位于德国 达姆施塔特 的 欧洲航天局 表示,彗星着陆器“菲莱”主电池的电量即将耗尽,按照设计,“菲莱”在主电池电量耗尽后将依靠 太阳能电池 供电,但根据“菲莱”传回的照片,科学家推测,“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如果不进行调整,着陆器的太阳能电池将无法为其继续工作提供足够 电能 。

着陆器项目主管斯特凡·乌拉迈克表示,一旦重新与“菲莱”建立联系,地面控制人员将尝试让“菲莱”调整角度或跳出阴影,以获取更多的 太阳 光照。

乌拉迈克还确认,“菲莱”已经启动了一个 钻探 设备,以获取 彗星 内部的物质样本,但样本提取情况目前尚不清楚。原因是“菲莱”必须借助正在围绕彗星运转的母船“ 罗塞塔 ”才能与地面建立联系,但由于“罗塞塔”已经进入彗星 地平线 以下位置,“菲莱”获取的数据无法传送至 地球 。预计下一次建立联系的时间是 欧洲中部时间 14日晚10时(北京时间15日清晨5时)。但“菲莱”的主电池电量可能会在重新建立联系之前就耗尽。

同日, 欧洲航天局 还确认,“菲莱”着陆后完成了一些实验,已传回 彗星 表面和浅层物质的分析数据。

研究成果

欧洲空间局罗塞塔飞船在对格拉西门克 彗星 进行探测 时发现了分子氮,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。由于格拉西门克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。

对于太阳系外侧轨道 天体 上出现的分子氮,科学家认为其来源可能为太阳系边缘的 彗星 ,当这些 彗星 往太阳系内侧轨道方向移动时,就会把太阳系边缘的物质带入其中。根据 欧洲航天局 的科学家介绍:我们在大气稠密的 土卫六 、 冥王星 以及 海王星 的 卫星 上都发现了类似的物质。早期的探测中,科学家主要在氨或者 氢氰酸 的化合物中检测到氮,而本次发现的分子氮则是第一次。

罗塞塔 探测器发现格拉西门克彗星可能存在氮分子的时间为去年10月,探测器上携带的ROSINA仪在距离彗星表面10公里的地方发现了该物质。出乎科学家意料的是,分子氮与一氧化碳在 彗星 上比例明显要小于基于早期 太阳系 模型的预测。 欧洲空间局 的解释是分子氮在零下220 摄氏度 至零下250摄氏度之间时,会被“笼状”水冰包合物困在其中。在实验室的研究中,分子氮在零下253摄氏度时可能被困于冰物质中。

随着彗星逐渐接近太阳,彗星表面的冰物质开始融化,困在内部的分子氮开始被释放出来,于是 罗塞塔 探测器检测到分子氮的信号。

参考资料

  1. 欧空局探测器成功抵达彗星 国家自然科学基金委员会 2024-07-10
  2. 欧空局探测器抵达彗星 11月释放小型着陆器(图) 人民网 2024-07-10
  3. “罗塞塔”结束12年追星 欧洲空间局公布撞击彗星前拍摄图像 观察者 2024-07-10
  4. 人类探测器首次成功登陆彗星,为到那遥远处已飞行了10年 澎湃新闻 2024-07-10