圖解深空探測史

文/ 葉楠

彗星探測

彗星是太陽系里的“流浪者”，它們的軌道大都非常扁平，其中大多數(shù)只會經(jīng)過太陽附近一次而后飄然遠去。彗星以其獨具特色的彗尾而聞名，我國古代就有許多關(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。彗星的研究對于生命起源、行星誕生、太陽系演化等課題都有著極為重要的意義。但要想在茫茫太陽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臨。

國際彗星探險者號：首探彗星

美國的國際彗星探險者號探測器于1978年8月12日發(fā)射升空，是第一個運行在日地L1點暈軌道的探測器，它最初的任務(wù)是研究太陽風(fēng)與地磁場的相互作用，后改道探測彗星。1982年6月開始，“國際彗星探險者號”進行了一系列變軌操作，從環(huán)繞L1點的暈軌道移出，進入日心軌道；1985年9月11日，它穿過了21P/賈科比尼-津納彗星的離子彗尾，距離彗核7800公里，成為人類歷史上第一個對彗星進行探測的探測器。次年3月下旬，“國際彗星探險者號”正好運行到哈雷彗星和太陽之間，距離哈雷彗星彗核2800萬公里。直到1997年，“國際彗星探險者號”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)系上這個探測器。

“哈雷艦隊”探“哈雷”

當“國際彗星探險者號”從哈雷彗星與太陽之間飛過的時候，還有5個來自于蘇聯(lián)、歐洲及日本的探測器在更近的距離對哈雷彗星進行探測。這是人類有史以來對一顆天體進行的最為集中的探測，這些探測器也被統(tǒng)稱為“哈雷艦隊”（左圖為郵票上的哈雷艦隊）。其中，蘇聯(lián)實施的“韋加計劃”于1984年底發(fā)射了兩個金星-哈雷彗星探測器 —— 韋加1號、2號，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小時內(nèi)對其進行了密集探測，包括其體積、形狀、溫度、氣體成分、塵埃組成等，共計傳回約1500張哈雷彗星照片（右圖是其中之一）。

先驅(qū)號與彗星號：日本首個深空探測器

日本的空間探索之路相較美國和蘇聯(lián)起步要晚一些，他們對太陽系小天體的興趣顯得更為濃厚。1985年1月7日，日本發(fā)射了他們的第一個行星際探測器 —— “先驅(qū)號”（左圖），這使得日本成為了第三個成功發(fā)射深空探測器的國家。與“哈雷艦隊”的其他探測器不同，“先驅(qū)號”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”做好準備。

“彗星號”是日本發(fā)射的以探測哈雷彗星為主要目的的探測器，于1985年8月18日發(fā)射。1986年3月8日，“彗星號”從距離哈雷彗星彗核14.5萬公里處飛過，拍攝了哈雷彗星彗核的紫外照片，并通過紫外光譜計算出彗核的自轉(zhuǎn)周期約為2.2天。右圖為印在郵票上的“彗星號”“喬托號”“韋加號”和挑戰(zhàn)者號航天飛機。

喬托號：近距離飛掠哈雷彗星彗核

“喬托號”（上圖）是歐空局于1985年7月2日發(fā)射的探測器，首要任務(wù)是探測哈雷彗星，也是“哈雷艦隊”成員之一。得益于韋加1號、2號的數(shù)據(jù)，“喬托號”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。在探測完哈雷彗星后，“喬托號”上的儀器于3月15日暫時關(guān)閉，直到1990年7月2日再次啟動。借助地球引力的加速，“喬托號”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“喬托號”的照片及其他探測數(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)推測應(yīng)該是被一層厚實的塵埃所覆蓋；彗核的形狀類似花生，長15公里、寬7～10公里；彗核只有10%左右表面有地質(zhì)活動，有數(shù)個噴射孔正在噴發(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、鐵和鈉元素；彗星的元素構(gòu)成與太陽基本相同，這意味著組成哈雷彗星的成分與太陽系的原始成分相同。

深空1號：首次使用離子推進器

“深空1號”（左圖）是美國宇航局新千年計劃的一部分，旨在對一些新技術(shù)的應(yīng)用進行測試。“深空1號”是歷史上首個使用離子推進器的探測器，于1998年10月24日發(fā)射。它的首個探測目標是小行星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”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”還對火星進行了遠距離拍攝，其離子發(fā)動機于2001年12月18日關(guān)閉，任務(wù)結(jié)束。

星塵號：采樣并返回

美國的星塵號探測器（左圖）于1999年2月7日發(fā)射，其首要目標是對懷爾德2號彗星進行采樣并返回。2004年1月2日，在圍繞太陽公轉(zhuǎn)兩圈之后，“星塵號”與懷爾德2號彗星相會并拍攝到照片（右圖）。由于懷爾德2號彗星的速度更快，此次相會實際上是彗星從后面追上并超越了“星塵號”，速度差達每秒6.1公里，最近距離237公里。在此期間，“星塵號”的氣凝膠收集器順利啟動，收集彗星塵埃和星際塵埃。2006年1月15日，當“星塵號”再次回到地球附近時，樣品返回艙與“星塵號”分離，以每秒12.9公里的速度進入大氣層，成為進入大氣層時速度最快的人造天體，最終通過降落傘在猶他州的沙漠中成功著陸。科學(xué)家們通過對彗星樣本的分析發(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：以撞擊方式探測彗星

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

飛越哈特利2號彗星

“深度撞擊號”在2005年完成對坦普爾1號彗星的探測后，開始一系列新的擴展任務(wù)。首先是計劃在2008年12月從700公里處飛越85P/波辛彗星，但由于波辛彗星過于暗淡，天文學(xué)家們無法確定它的位置，不得不放棄了此次飛越。又經(jīng)過了2年的飛行，抵達下一個任務(wù)目標—— 哈特利2號彗星，2010年5月28日“深度撞擊號”進行了一次11.3秒的點火，于11月4日成功飛越哈特利2號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”還完成了對彗星C/2009 P1、小行星（163249）2002GT的觀測，并在2013年2月首次觀測到C/2012 S1這顆被人們寄予厚望卻又快速消失的彗星（右圖）。

星塵號再訪坦普爾1號彗星

“深度撞擊號”在成功撞擊坦普爾1號彗星后，由于撞擊塵埃的遮擋當時并沒有拍到撞擊后的清晰圖像。2007年7月，“星塵號”飛向坦普爾1號彗星，開啟新的擴展任務(wù)，經(jīng)過三年半的飛行，2011年2月15日，“星塵號”在181公里處飛越坦普爾1號彗星并拍攝了照片（上圖）。3月24日，“星塵號”耗盡了它最后的燃料，從3.12億公里處發(fā)回了最后的確認信號后便消失在茫茫宇宙中。下圖為“深度撞擊號”和“星塵號”拍攝的照片對比，后者可以看到撞擊產(chǎn)生的坑洞。

羅塞塔號：首次登陸彗星

由歐空局研制的羅塞塔號彗星探測器（左圖）于2004年3月2日發(fā)射，目標是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”相遇，因此“羅塞塔號”飛行了10年，于2014年5月開始降低自己的速度，9月10日進入預(yù)定軌道，距離彗核只有30公里。

“羅塞塔號”的10年旅程并不只是為了近距離看一眼67P（右圖），它還攜帶了一個名叫菲萊的登陸器。“菲萊”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”分離，登陸過程持續(xù)約7個小時。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)，通過對67P水蒸汽同位素的測定發(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，這說明地球水不太可能來自于67P或與之類似的彗星。隨著67P彗星距離太陽越來越遠，“羅塞塔號”及“菲萊”的太陽能電池板無法提供足夠的能量，2016年9月整個任務(wù)結(jié)束。