人类第一次访问彗星：60个小时的生死时速

彗星从古至今都充满了神秘。我国古代往往认为彗星是不吉利的，所以又把彗星称为“扫帚星”。当然现在我们已经知道，彗星是一个由水、氨、甲烷等冻结的冰块和夹杂许多固体尘埃粒子的“脏雪球”。当接近太阳时，彗星在太阳辐射作用下分解成彗头和彗尾，状如扫帚。
每当天空中出现美丽的彗星时，你是否有想过近距离去观察彗星甚至在彗星上登陆呢？科学家们也同我们一样，非常想近距离观察彗星并登陆彗星一探究竟，事实上他们不仅想这么做，而且已经付诸行动了。那就是美国国家航空航天局的“罗塞塔”任务。是人类的首次访问彗星的任务。

从科学角度上讲，彗星比纯金更珍贵，因为它们是真正的太阳系的时空胶囊。它们保存了我们太阳系形成时的化学物质和环境。它们还保存了组成我们生命的化学物质如何到达地球的线索。彗星是现存最有价值的科学宝藏之一。然而要找到一颗适合用来研究的彗星并非易事。
为了能找到合适的彗星，科学家们对很多颗彗星进行论证，就有点像一场彗星的“选秀活动”。当一颗彗星进来了，似乎觉得可以，哦，轨道不行；嗯，这一个轨道OK，但它不是科学家们想要的；哦，这个太大了；这个又太小了；这个太活跃了……科学家们真正想看到的是那颗来自太阳系的外层部分的彗星。它们接近太阳时加热，接着绕过太阳，然后掉头回到外太阳系。所以你需要在太阳系中找到一条合适的轨道，并在彗星进入的路上抓住它。最后科学家们终于找到了一颗合适的彗星：彗星67P。
彗星67P公转周期是6.5年，它的公转轨道并没有让它离太阳很远，只到木星轨道那么远的地方。由于其公转周期并不长，使得科学家们有更多的机会到达这颗彗星轨道并成功与它会合。“罗塞塔”任务的目标大约只有3.2公里宽，这个目标并不仅仅只是“小”，而且它是一个移动的目标。彗星67P以每小时约53000公里的速度穿越太阳系。
所以要“抓”住这个小目标，其精确度令人难以置信,就像从纽约把高尔夫球打到旧金山并且一杆进洞一样。
但捕捉67P彗星并不是一次简单的发射，航天器的速度必须与彗星相同,而目前的推进系统无法通过直接飞向彗星来实现这一目标。所以“罗塞塔”进行了一次弹弓式运行，耗时了10年之久。它实际上所做的是从行星带走了一些能量，即它让行星慢下来一点,然后把这些能量传递给探测器。
当“罗塞塔”飞过木星后，在距离温暖的太阳将近1.6亿公里远的地方，进入了旅程中最危险的部分——休眠。尽管“罗塞塔”上安装了太阳能电池板，但它仍然必须体眠。原因是它必须在67P飞向太阳的时候去追踪它。所以对于“罗塞塔”号飞船来说，它所需要做的就是静静地等待。
让宇宙飞船进入体眠状态是正常操作，但科学家们还是非常担心“罗塞塔”状况。因为在之前探测器还从来没有那么长的休眠时间。31个月的休眠让“罗塞塔”的团队有足够的时间来担心可能出现的问题。太空里又黑又冷，有很多事情在发生。
2014年1月20日，在太空中漂流了近10年后，“罗塞塔”号终于该醒来了，重新启动通讯系统，并打电话回家。这一刻，科学家们异常紧张，就怕收不到“罗塞塔”号电话，就怕它会在太空中永远休眠。当峰值出现在了图表上之后，科学家们悬着的心终于放了下来。“罗塞塔”号开始发回其目标的图像。刚开始，它在远处，只是一个小点。几个月后，这颗彗星慢慢变得清晰起来。
这颗彗星，晶莹剔透，随着它越来越近，科学家们看到了越来越多的细节。然后事情开始变得非常奇怪。科学家们以为67P应该是土豆形状的东西，然而图像显示了一个形状像橡皮鸭的东西。这样奇怪的形状给“罗塞塔”带来了麻烦。

绕彗星轨道运行比任何人想象的都要困难得多。如果是绕行星轨道运行，行星有很大的引力，所以你可以把宇宙飞船送到那里，然后用火箭助推让它稍微慢一点，然后它就会掉入轨道。但对于67P彗星来说，你面对的是一块非常小的岩石。宇宙飞船感觉不到那块岩石的引力。
所以工程师们需要自己画出轨道，那是一组非常复杂的运动。一旦进入轨道，“罗塞塔”就可以开始工作了。它的第一个任务就是弄清楚67P是如何形成的，即这颗彗星是怎么形成这种奇怪形状的呢？
目前主要有两个观点：一是它的中心被侵蚀了，所以它一开始是一个更球形的东西，通过一些未知的过程变成了今天的形状。另一种观点是，它一开始是两个独立的物体。太空岩石通常会相互猛烈撞击，它们的平均碰撞速度超过每小时17000公里，这比步枪子弹快五倍。67P有可能与连环相撞有关？
线索来自彗星表面的不同层，彗星67P上的层有点像洋葱的层。如果你看到它们排成一行，那就说明也许这个物体是作为一个单一的实体形成的，只是后来被侵蚀成了现在的形式。但如果你看到这些层错位了，就像我们在彗星上看到的那样，这是一个很大的线索。说明它最初是两个独立的物体形成的，后来粘在一起形成了我们今天看到的彗星。最终，彗星上的层证明了67P最初是两个分开的物体融合在一起的。


知道67P彗星是从两个不同的部分，组合在一起的过程很重要。因为它可以告诉我们太阳系早期发生了什么。所以据我们所知，这两个独立的物体一定是在同一区域形成的，它们在成分上非常相似，但它们非常轻，非常蓬松。如果它们快速撞击的话，就会互相摧毁，但如果他们低速相撞，就像两个湿雪球一样黏在一起，于是就形成了我们现在看到的“丑小鸭”形状的彗星67P了。
随着一个谜题的解开“罗塞塔”开始研究67P的化学组成。这颗小彗星可以回答行星科学中最大的问题之一，我们这颗蓝色星球的水是从哪里来的？这颗彗星是太阳系自身形成时的残留物，因此，这是一个打开时间胶囊的机会让科学家们一睹古代太阳系的风采。
关于地球的最大的谜团之一是水从何而来？今天，水覆盖了地球表面的三分之二的面积。但早期的地球并不是这样的。46亿年以前太阳系内部遍布着大量岩石碎片，温度非常高。早期地球上的水都蒸发掉了，证据告诉我们，地球上的水是在地球形成后到达地球的。而科学家们认为主要机制是彗星。因为彗星基本上就是由冰和灰尘组成的大雪球。
“罗塞塔”任务的主要目标之一是分析这颗彗星上的水，看看它是否与地球上的水相匹配。彗星来自太阳系最外围的两个区域——奥尔特云和柯伊伯带。柯伊伯带位于我们太阳系的一个平面上，大多数人都知道的冥王星就在其中。奥尔特云是球形分布的冰体，它是一个彗星库。离太阳的距离比地球到太阳的距离远数十万倍。它是一种巨大的球状云，围绕着太阳。
对于很多大彗星来说，这是一种深度冻结的状态。数以十亿计的冰冻天体在太阳系混沌的外面安全地运行。它们锁住了原始的水。在40多亿年的时间里，彗星可能什么都不做，直到它们的轨道发生了一些的改变，或许是行星的引力改变了一切，突然之间它们来到了一条通往太阳的道路上。数十亿年来深冻的冰开始升温。
天文学家认为，彗星67P以前的主场是柯伊伯带，直到有什么东西把它拉到了太阳系的内部。至于是什么东西，科学家们认为极大的可能性还是那个恶霸“木星”。木星是一个巨大的行星，是它吸引了彗星，把它拉进了太阳系内部。现在，67P围绕太阳运行的轨道是6.5年，它的运行距离远至木星，近至火星。当它靠近太阳时，其冻结的冰开始升温，导致了一个著名的效应——彗星的尾巴。
阳光射进彗星的表面并加热，然后热量转移到彗星内部，那里有很多冰，于是冰被加热，然后冰蒸发并到达彗星表面。一旦来到彗星表面，太阳风就会轰击彗星，它会把所有的物质从彗星剥离于是形成了一条美丽的长尾巴。“罗塞塔”飞入其尾部，并分析水蒸气。结果表明，它和地球上的水是同一种类型。水确实有不同的类型，这里的类型并不是指水是咸水或淡水，而是指由什么组成的，即它的分子。虽然水分子都是由两个氢原子和一个氧原子构成，但组成水分的氢原子，它的质子有可能会有一个额外的中子，我们把它叫做氘[dāo]。所以这样的水分子就比普通的水分子来得重，这样的水分子又叫重水。在地球上，水的比例大约是160个重水分子比100万个普通水分子。“罗塞塔”在彗星周围移动时测量了水蒸气中氢与氘的比例。如果与地球的比例精确匹配将证实彗星是海洋的来源。
但“罗塞塔”发现了一些令人惊讶的事情，氘与氢的比例是地球海洋中水的三倍。这意味着像67P这样的彗星不可能是地球水的来源。如果和海水的测量结果是一样的，那么我们可以说这些彗星可能是我们在地球上看到的水的输送机制。但它高出了三倍，这表明，像67P这样的彗星并不是我们今天在地球上看到的水的来源。然而，尽管像67P这样的彗星没有给地球提供水，但我们不能排除所有彗星。彗星有不同的系列，这些系列有不同的组成成分。所以可能有些彗星有类似地球的水，是它们把水带到地球上。
“罗塞塔”号分析完水后，开始寻找构成生命的元素——基本有机化合物。科学家们一直认为彗星可能携带有机物质，但在“罗塞塔”号之前无法证实这一点。“罗塞塔”检测到了脂肪族化合物，这是一种富含碳和氢的有机物，这是首次在彗星表面检测到这种物质。这些材料是制造蛋白质的原始材料。而蛋白质是所有生命所必需的。这表明这些物质可能是由彗星送到地球的。
彗星在整个太阳系中携带着生命的基石的观点，被称为分子生源说。当彗星在外太空形成时，所有这些物质都是和它们一起形成的。然后彗星把它们带到地球上，就像是太空运输卡车。当然，我们现在可不希望这些送货卡车再次送货上门。现在有另一个问题：彗星从哪里得到这些成分的呢？答案可能在太空深处。在恒星系统和星系之间遭受辐射的漂浮物质被称为星际介质。科学家们分析了彗星67P的总体组成，发现其中有一些成分与科学家们在星际介质中发现的两种物质非常相似。这些物质漂浮在恒星之间的气体和尘埃中。
如果这种有机化学在地球上很常见，那么它很可能在整个星系中都很常见。即这种制造生命的化学工具是通用的。因此生命本身可能是通用的，有了这个通用的化学工具包，在充满生命的太空中，可能会有很多潮湿的岩石。所以，如果有外星生命，很有可能，组成它们的基本化学物质与我们地球生命的化学物质是相似的。然而，在星际物质中科学家们无法找出另一种重要元素的起源——磷。磷是生命所必需的原子之一，是DNA、细胞膜和能量生产的重要组成部分。科学家们一直不知道它从何而来，它在宇宙中很稀少，在地球表面也很稀少。地球诞生之初，周围的任何磷都被锁在可溶岩石中，所以当时的生命是无法利用这些磷的。如果岩石已经锁定了所有的矿化磷，那么生物过程中所需的磷从何而来？彗星67P给了科学家们答案，彗星上发现了生物可利用的磷，而且不仅仅是矿化的磷。但彗星67P又是从哪里获得磷的呢？2020年1月天文学家将“罗塞塔”任务的数据与阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（简称ALMA）对恒星形成区域AFGL 5142的观测数据相结合进行比对。AFGL 5142是一个恒星的摇篮，它是一个气团，在那里大大小小的恒星同时诞生，它离我们非常近。
当然这个“近”是天文学意义上的“近”，实际这个气团离我们有几千光年远。但科学家们已经可以对它进行详细的研究了。ALMA天文台在离一颗刚刚形成的恒星非常非常近的地方拍摄了不同类型的尘埃和气体的高分辨率图像。这样就能看到恒星在形成过程中发生了什么。最大的恒星生命挥霍得很快，所以死得也早，然后在超新星的爆炸中消亡。所以科学家们认为，磷元素是在大质量恒星中形成的。所以本质上，先创造了一颗恒星，直到它生命的结束，当这颗恒星变成超新星时它将磷喷射到星际介质中。
当中等大小的恒星爆发出生命时，它们会向星云发出冲击波和辐射将磷转化成生物可以利用的形式——一氧化磷。一氧化磷会被冻结在恒星周围的冰尘埃颗粒上。这些尘埃颗粒可以聚集在一起，形成鹅卵石以及岩石，最终彗星成为一氧化磷的运输者。科学家们追踪磷和有机物的宇宙轨迹，从恒星到彗星到行星，直至生命, 至少在理论上，可以利用彗星中发现的化学物质来构建细胞。很多时候，人们似乎认为天文学研究的是非常遥远的事物，与我们的日常生活毫无关系。事实情况并非如此，天文学与我们每个人都息息相关。自从人类有了文明以来，我们一直在探寻三个大命题：“我是谁？我从哪里来？我要到哪里去？”而天文学就是一直在致力于研究这三大命题。
研究生命的成分就是在寻找我们自己的起源，即“我是谁？”；研究宇宙、银河系、太阳系及地球的起始就是在找“我从哪里来？”的答案；而研究宇宙、银河系、太阳系及地球会如何终结那就是在找“我要到哪里去？”的答案。
“罗塞塔”任务的下一阶段是将着陆器送到彗星表面。这将是历史性的首次登陆彗星表面。将“菲莱”着陆器放置在彗星表面的最大挑战之一是，不知道彗星表面是什么样的。它会像岩石或冰一样非常坚硬吗？会很脆吗？设计师为“菲莱”设计了一个鱼叉，可以戳进彗星柔软的表面，另外在顶部有个推进器，可以阻止它从彗星上反弹。然而正当在实施着陆时，遇到了一个问题，飞船的起落架坏了，着陆器小组发现那两个系统都没有正常工作。尽管胜算不大，他们还是决定着陆。“菲莱”缓慢下降了19公里，持续了7个小时。当科学家们收到着陆的第一个信号时，都松了一口气……着陆器已经降落。
但后来他们意识到事情并没有完全按计划进行，着陆器的数据是断断续续的。唯一可能的解释是，“菲莱”在一遍又一遍地翻滚着。它可能一直在反弹，一会儿落在彗星上，一直反弹进入太空。12分钟后，出现了一线希望，着陆器按照程序发送数据回来了。着陆器停止了翻滚，但“菲莱”的太阳能电池板没能完全运行。这就意味着，没有足够的电量让“菲莱”来完成剩余的所有工作。
这艘微型飞船的电池只剩下60小时的电力，这是一场与时间赛跑的比赛。科学家们必须彻底放弃所有之前所做的计划，然后必须重写所有的计划，期望在那60个小时内得到最大化的科学回报。“菲莱”开始工作了，第一次发现彗星表面比预想的要陌生。彗星表面顶部40厘米是一种非常蓬松的材料。它的密度不高，岩石也不多……很松软，可以想象像雪茄烟灰一样的东西，它的强度只有聚苯乙烯泡沫塑料的一小部分。“菲莱”的弹跳式着陆从另一方面帮助科学家们调查了表面。通过弹跳，科学家们实际上能够对两个点进行采样，有趣的是这两个点是不同的。这告诉科学家们彗星不是均匀的，材料不完全一样。“菲莱”的仪器显示彗星67P不仅仅是两个叶瓣融合在一起，而是由不同的块体在引力的作用下聚集而成的。“菲莱”上的摄像机也提供了着陆器最后安息处的重要线索。着陆器拍摄的照片真的很神奇，因为从这些照片中，科学家们实际上可以确定“菲莱”是在它的一侧。

但“菲莱”的位置点未知，它离计划的着陆点很远。没多久，“菲莱”的电池就没电了，无法与“罗塞塔”通信。如果在彗星表面不知道确切位置，那么就会有问题。有些仪器需要知道准确的位置才能真正解释数据，如果没有这些信息结果就毫无意义。当“罗塞塔”扫描彗星寻找丢失的着陆器时，它面临着一个新问题，当这个脏雪球冲向太阳时来自太阳的辐射会把它加热，所以它开始噼啪作响，变形。这就像一场烟花表演，巨大的气流从地表喷射出物质。当“罗塞塔”扫描这颗彗星寻找失踪的探测器时，它飞到离彗星表面约3公里的地方，近得足以投下阴影。这个距离足以让“罗塞塔”能够嗅到彗星的表面的气味。
罗西娜仪器让我们能够检测彗星释放出来的气体的化学物质，所以科学家们可以用它们来制造彗星香水。但并不是令人愉快的气味，如果你能想象一些东西的混合物，比如臭鸡蛋，和猫尿，还有苦杏仁等。而且味道很刺鼻，很难闻。
几个月过去了，“菲莱”依然不见踪影。彗星并不是很大它会藏在哪里呢？如果知道它藏在哪里，科学家们就能更好地理解它返回的图像。在某种意义上，“菲莱”就像是科学家们的朋友。所以几个月以来，科学家们一直在努力寻找着“菲莱”。一天终于迎来了好消息，一个目光敏锐的研究人员在图像的角落里发现了一些东西。着陆器本来就是一个很小的斑点，你必须放大才能看到它。而现在“菲莱”就在悬崖下，在一个突出的岩架下侧躺着，并且在阴影中。

确定了“菲莱”的位置，解决了一个最终的谜题：即几个月前发回的数据，揭示了彗星的这一区域是固体的。“菲莱”取得了惊人的成功，尽管有这些问题，我们还是成功着陆了，虽然着陆的样子有些难看。它在悬崖下停了下来，科学家们实际上得到了一些令人惊叹的图像，和关于彗星本身的气体和结构的一些奇妙的数据。如果没有尝试把着陆器放在彗星上，将永远不会得到这些图像和这些数据。
“罗塞塔”的任务还没有结束，当彗星接近太阳时，混乱爆发了。突然之间，出现了一些喷射流，并从内部喷射出大量的物质。当阳光加热彗星表面时，冰直接变成气体。彗星不平坦的表面使逸出的水蒸气变成狭窄的气体和尘埃喷射流。但“罗塞塔”也发现了巨大的暴力气体爆发。
科学家们预计会看到彗星上的喷流随着太阳的照射而逐渐上升和下降。但这些爆发完全不同，它们只会急剧上升，然后停止。并且这些爆发并没有和太阳同步。它们出现的时间是随机的，所以肯定有别的原因。

这些爆发是突然的、短暂的高速事件。因为“罗塞塔”每5到30分钟才拍一次表面的照片。当科学家们只在一张图像中看到一次爆发时，便知道整个事件持续的时间比这段时间要短。这让科学家感到非常神秘。
当彗星靠近太阳时，“罗塞塔”的相机在短短三个月内捕捉到了34次爆发，它们都很大。在短短几分钟的时间里，一个喷射流可以释放多达260吨的材料。其中一个喷射流被发现每秒释放40磅的材料。
是什么原因导致这个爆发呢？
在2014年9月，科学家们在彗星67P的特写图像上发现悬崖边缘有一个230英尺长3英尺宽的裂缝。科学家们把这个裂缝称为“阿斯旺”。不到一年后，“罗塞塔”在彗星的同一区域拍摄到了一次大爆发。当探测器调查该区域时它发现了一片被毁坏的景观。悬崖在一次巨大的滑坡中坍塌了。这就像犯罪现场，科学家们有之前的照片和之后的照片。



那么这个爆发和悬崖坍塌之间的联系是什么？
科学家们认为这是一种多米诺骨牌效应，太阳加热了地表深处的一些挥发物，它们升华并变成了气体。然后只要有任何微小的裂缝或缝隙，就会从彗星上发射出去。但这一过程削弱了彗星表面的一部分，这将释放更多的物质。当物质要从里面喷出来时，它将开始迫使气体通过类似喷嘴的功能，就像喷气机一样。随着物质不断地喷出，就会导致更弱的表面物质，就可能会导致大规模的坍塌，于是最终会导致巨大的爆发。彗星67P揭示了这些肮脏的雪球中隐藏的地质活动。
“罗塞塔”发现了另一个令人惊讶的现象：在表面上移动的奇怪形状——沙丘。这些都是真正的沙丘，它们大约有6英尺高，向四面八方延伸数百英尺。

当科学家们第一次看到这些时，没有人知道它们是怎么形成的。事实上，科学家们甚至怀疑它们是沙丘状的地貌。因为在一个没有大气，更不用说有风的天体上，它们怎么可能形成沙丘呢？
在地球上，它有稳定的、厚重的大气层，它有持续的太阳能加热，可以收集气团并将它们移动到表面，产生风。67P彗星确实有大气层，它是由太阳加热其表面并释放气体形成的，但这种大气的最大压力比地球低10万倍。利用“罗塞塔”的图像，法国的研究人员模拟了彗星表面气体的运动。
他们认为已经找到了答案，研究人员发现彗星表面有风，并且是短暂的。它们的形成是因为气体从阳光照射的那一面逃逸出来，然后它们穿过地表冲向寒冷的那一面，这种穿过地表的空气运动带走了沙子并形成了沙丘。彗星上的颗粒比地球上的沙粒大得多。在地球上沙丘是由非常小的颗粒组成的，但在彗星上，沙丘颗粒的为乒乓球大小。移动的颗粒在移动的过程中，引力也起着非常重要的作用。彗星的密度非常低，如果在周围走动，可以很容易地飞进轨道。所以这么大但密度很低的颗粒很容易被那里非常稀薄的空气抛起。
在与彗星67P围绕太阳运行了两年之后，“罗塞塔”的任务几乎结束了。科学家们计划是以一种可控的方式将轨道飞行器降落到彗星表面。这将可能拍摄非常高分辨率的图像，也可以在彗星表面附近进行一些气体检测。
2016年9月30日，“罗塞塔”花了14个小时缓慢地以自由落体的方式向彗星坠落，并在坠落过程中拍摄照片。随着“罗塞塔”号降落，它接触到彗星表面，然后与地球的联系就中断了，任务就此结束。 现在彗星67P上有了我们人类的一小部分。这颗彗星每隔6.5年就会绕木星转一圈。彗星上将永远有一些人类的影子。
最后，“罗塞塔”的故事还有一个小插曲。科学家们以为拿到了“罗塞塔”号在计划任务结束前传回的最后一张图像。但事实证明，就在着陆之前，在能够完全把数据传回地球之前，一个不完整的信息包被发送了回来。但计算机丢弃了这个不完整的数据包。最近，人类专家重新检查了这个数据包，结果……“罗塞塔”号所拍摄的最近的67P照片呈现在我们的眼前。
这张图片很神奇，因为当你把它放大看着它，你会觉得你真的可以伸手去摸它的表面。“罗塞塔”任务改变了我们对彗星的理解，可能会激发新的任务。科学家们可能会再次回到67P彗星，再次寻找关于我们生命的起源，关于我们自己还有很多有待发现的地方。还有很多东西要研究，还有很多谜团要揭开。