罗塞塔：与彗星共舞 | 科学世界·星际征途

自远古时期开始，彗星便以其壮观的面貌和神秘的行踪引起人类的大量关注。现在，科学家们认识到彗星中隐藏了大量太阳系形成时留下的秘密。彗星探测，从哈雷彗星上一次回归开始，至罗塞塔任务达到一个顶峰。本期星际征途，来自上海天文台的史弦研究员将为大家梳理人类彗星探测的过往。史弦研究员是罗塞塔任务团队成员，目前仍然继续在罗塞塔收集的海量数据中探寻彗星的奥秘。

专栏主持人：李荐扬

欧洲空间局（ESA）的罗塞塔（Rosetta）慧星探测任务是一次具有里程碑意义的深空探测任务，旨在研究彗星的成分、结构和活动，深入了解太阳系的早期历史。这个任务从1984年提出，到2016年成功完成，历时超过30年，是几代科学家和工程师的心血结晶，代表了现代航天技术和科学探索的巨大成就。

罗塞塔释放菲莱着陆器，部署至67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（效果图）

人类探索彗星的漫长历史

历史上的彗星记录

彗星，自古以来便吸引了人类的目光。它们像夜空中的孤独旅人，拖着辉煌的尾巴划过天际，带着远方的星尘与秘密。在科技尚不发达的时代，人类已经对彗星进行了长期详细的观测和记录。在古代，彗星的出现常常被认为是天象异常，通常与灾难、政变、战乱等事件联系在一起。在《史记》《汉书》《左传》《资治通鉴》等文献中都有彗星的记载，且常常伴随重大事件。在马王堆出土的西。汉帛书《天文气象杂占》中，还有对彗星丰富多彩的形态的刻画记录。

彗星的本质

尽管彗星的出现总是带来敬畏和担忧，但人类从没有停止对彗星本质的探索。

古希腊哲学家亚里士多德认为彗星是地球大气中的现象，而不是一类天体，这一观点深远地影响了欧洲直到中世纪的天文学研究。到了文艺复兴时期，科学家对彗星的研究逐步深入。

1543年，哥白尼的日心说提出后，人们开始重新思考彗星的本质。16世纪末，丹麦天文学家第谷·布拉赫利用视差法测量了1577年出现的一颗大彗星的距离，发现彗星远在大气层外，甚至比月球的距离更远。

之后，艾萨克·牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中通过万有引力定律解释了彗星的运动轨迹，发现这是一类在扁椭圆轨道上绕太阳运行的天体。

根据牛顿的理论，英国天文学家爱德蒙·哈雷计算了历史上出现过的大彗星的轨道，发现在1531、1607和1682年记录的3颗彗星拥有几乎完全一致的轨道参数。他论断这其实是同一颗彗星的3次回归，并预言下一次回归将发生在1758年。当这颗彗星在1758年如约回归时，哈雷已逝世多年了，为了纪念他的贡献，这颗彗星以他的名字命名，就是著名的哈雷彗星（1P/Halley，P指周期短于200年的彗星）。

即便知道了彗星是一类绕太阳运行的天体，它的结构和成分依然充满谜团，这很大程度上是因为彗星在被发现时通常包裹在巨大的彗发中，我们的观测都是“雾里看花”。20世纪50年代，美国天文学家弗雷德·惠普尔（Fred Whipple）提出了关于彗星本质的著名理论——“脏雪球（Dirty Snowball）”模型。根据这个理论，彗星的核心是由冰和尘埃组成的彗核，像一个巨大的脏雪球。当接近太阳时，太阳的辐射加热使彗核含有的冰升华，产生的气体带起尘埃，形成了彗发，并在太阳风的作用下形成了可长达上百万千米的彗尾。

然而，直到今天，最强大的空间望远镜依然无法透过彗发分辨彗核。要想一睹彗核的真容，我们必须飞到彗星去。

马王堆出土帛书《天文气象杂占》中对彗星形态的刻画

乔托号于1986年3月14日拍下的哈雷彗星彗核。图片显示出彗核的形状不规则，表面反照率极低。这个图像是由乔托号搭载的哈雷多色相机(HMC)拍摄的68幅图像综合得到的。

太空时代的彗星研究

20世纪中叶，人类进入太空时代，利用航天器对彗星进行探测不再是妄想。绝佳的机会出现在1986年，这一年，哈雷彗星再度回归。而这一次，人类不再仅仅将地球上大大小小的望远镜对准这位老朋友，而是派出不止一个探测器对它进行近距离的造访，这些由不同航天机构发射的探测任务组成了历史上著名的“哈雷舰队（Halley Armada）”。它们在不同距离上掠过哈雷彗星的彗核，其中以ESA的乔托号（Giotto）探测器的飞掠距离为最近。1986年3月14日，乔托号探测器在596千米的距离上掠过哈雷彗星的彗核，拍下了人类历史上第一张高分辨率的彗核照片。

在“哈雷舰队”之后，多个探测任务对不同的彗星目标进行了探测，包括首次对彗星实施撞击的深度撞击（Deep Impact）任务，和首次采集彗星喷发的尘埃颗粒返回地球的星尘号（Stardust）任务。但是，所有这些任务都只对目标进行了飞掠，它们获取的数据仅定格了彗星丰富的演化过程的某一瞬间。要想进一步了解彗星的起源和演化，必须伴随一颗彗星足够长的时间，见证它在逐渐靠近和远离太阳的过程中发生的一切。这就是罗塞塔任务的初衷，也是它前所未有的成就

罗塞塔——跨越三十年的梦想

从概念到发射

事实上，早在乔托号发射之前的1984年，ESA已在空间科学远景规划中将短周期彗星伴飞任务作为优先考虑的对象※。1993年11月，罗塞塔（Rosetta）任务正式立项，这也是ESA的第一个行星基石任务（Planetary Cornerstone Mission），将利用一次任务实现对目标彗星的长期伴飞监测和着陆探测。正如罗塞塔石碑（Rosetta Stone）为解开古埃及象形文字之谜提供了关键信息，科学家们希望这一任务成为行星科学的罗塞塔石碑，为解开太阳系形成与演化之谜打开一扇门。

罗塞塔探测器和菲莱（Philae）着陆器上分别携带了11个和10个载荷。其中，大多数仪器是专门为彗星开发的，仅用于研究彗星尘埃的仪器就有3个，分别针对不同尺寸的尘埃颗粒。

（※ 见ESA于1984年公布的《空间科学地平线2000》(Space Science Horizon 2000)报告。）

漫长的深空旅程

但是，任务还没发射就遇到了挑战。原定于2003年2月的发射由于火箭原因被迫取消，以致错过了前往目标彗星维尔塔宁（46P/Wirtnan）的时间窗口。任务团队不得不在短短的1年时间内重新选择目标和设计轨道。最终，2004年3月2日，阿丽亚娜5G+型火箭在法属圭亚那库鲁航天中心升空，成功将罗塞塔送上了去往新目标——彗星丘留莫夫-格拉西缅科（67P/Churyumov-Gerasimenko）的漫长旅程。

为了节省燃料并加速航行，罗塞塔利用3次地球和1次火星的重力助推逐步加速，向目标彗星靠近。期间，还在2008年和2010年分别对小行星斯坦因斯（Steins）和鲁泰西亚（Lutetia）进行了飞掠探测。2014年1月，罗塞塔在休眠半年后“醒来”，它即将迎来10年旅程的终点，开始与彗星67P展开长达两年半时间的共舞。

初遇67P——颠覆想象的彗核

2014年8月6日，罗塞塔成功进入了伴飞67P彗星的轨道，成为首个在绕彗星轨道上停留的航天器。随着罗塞塔的逐步接近，67P彗核呈现的形貌出乎所有人的意料。与利用地基观测数据所推测的形状大相径庭，67P彗核就像一只“小黄鸭”，呈双体（bi-lobe）结构，由约3千米直径的大头和约2千米直径的小头通过一个狭窄的颈部相连。

彗核整体极暗，平均反照率仅5%左右，与煤炭类似。彗核表面仅在局部区域分布水冰颗粒，事实上，67P的表层可以用干燥来形容，含冰量不到1%。同时，彗核表面呈现丰富的地质形貌，有大量较为平坦、被细颗粒覆盖的区域，也分布着坑洞、沟壑和悬崖。这些观测对解释67P的起源和演化提出了挑战，也提供了宝贵线索。

罗塞塔探测器在距离67P彗核10000(a)、1000(b)和100(c)千米位置上拍摄的67P彗核照片

首次彗星着陆与菲莱的遗憾

到达67P后不久，罗塞塔就开始了对彗核的高分辨率测绘工作，除了认识彗核外，主要目标就是为菲莱着陆器寻找合适的着陆点。着陆区的选择必须平衡工程安全与科学价值，最终选定的着陆点位于彗核“小头”。

由于高孔隙率和低体密度（67P的平均密度仅为550干克/米3），67P的表面引力仅为地球的五万分之一。在这种环境下，几乎不存在着陆器由于“刹车”不足导致的坠毁风险，但却存在着陆后如何固着于彗核表面的挑战。为此，菲莱着陆器携带了3套不同机制的固定系统。2014年11月12日，菲莱着陆器被成功地从罗塞塔上释放，并完美落于既定的着陆点阿吉尔基亚（Agilkia）。可惜的是，它携带的喷气反推装置和锚固冰爪双双出现故障，菲莱在与着陆点短暂接触后重新弹起，飞向未知的终点。

幸运的是，菲莱最终停留在了彗核的某个角落；不幸的是，这个角落在阴影之中，菲莱无法完全充电。尽管如此，菲菜上的多个载荷仍然成功采集并发送了重要的科学数据，包括彗核形貌、表层物理化学特性、成分等。菲莱成为了第一个在彗星表面成功软着陆并发送数据的探测器。

菲莱搭载的全景相机CIVA在着陆后的2014年11月12日拍摄的最终着陆点环境图像

值得一提的是，在罗塞塔任务结束前，轨道器上搭载的科学相机OSIRIS开展了寻找菲莱的行动，最终在67P“小头”的阿拜多斯（Abydos）区域的一个悬崖脚下发现了被卡住的菲莱。进一步结合菲菜上搭载的磁强计的数据，科学家们终于重构出菲莱的艰险历程，并发现菲莱擦过彗核表面的痕迹，揭示出彗核浅表层富含的冰类物质。

罗塞塔上搭载的OSIRIS相机在任务结束前不到1个月的2016年9月2日拍摄到了菲莱着陆器

在罗塞塔着陆前，OSIRIS相机回传的最后一张图像，显示了彗核表面碎石的丰富形态。

罗塞塔实现的多个“首次”

菲莱着陆后的近两年时间里，罗塞塔轨道器伴随67P经过近日点，出色完成了既定的科学探测计划，获得了大量高时空分辨率的不同类型数据，向我们揭示了彗星不为人知的一面，以及与之相关的太阳系形成与演化的秘密。

ROSINA质谱仪首次测得彗星67P释放的水蒸气中氢的同位素氚与氢的比值。氘/氢比被认为是确定地球上水的来源的重要指征，而罗塞塔测得67P的气/氢比是地球水的3倍。这表明地球上的水可能并非来自彗星。然而，2024年发表的最新研究对这一结果提出了异议，认为两个比值并没有相差这么多。地球上水是否来自彗星依然是一个开放议题，相关的讨论还在进一步深入。

ROSINA质谱仪还首次直接探测到了彗星释放的氧气，且发现氧气产率随时间的变化与水蒸气相关。虽然我们对于氧气在彗核里如何贮存又如何释放并不完全了解，但这一发现为我们理解彗星的物质组成和太阳系早期物质提供了新的视角。除此之外，ROSINA还发现了包括氨基酸在内的大量有机分子，这是否说明彗星可能曾为原始地球带来了生命诞生所需的物质?

VIRTIS光谱仪数据首次证实彗核上的确存在周日水冰循环。夜晚，彗核内部的温度高于表层，水蒸气在彗核表层凝华成霜；霜冻在太阳升起时迅速升华，带动尘埃颗粒的喷发，维持着彗发的形态。两年多的数据还揭示了67P存在季节性的颜色变化，彗核与彗发的颜色始终相反。在远离太阳时，彗核上覆盖的干燥表层使其偏红，而彗发偏蓝；随着彗核接近太阳，表层物质被剥离，露出富冰的次表层，彗核逐渐变蓝，而彗发则变红。

OSIRIS相机系统获得了前所未有的高时空分辨率彗星图像数据，揭示了很多之前从未见过的彗核活动形态。特别是，OSIRIS发现彗核喷发的物质并不是全部逃逸，其中有相当一部分会回落在彗核的其他区域，构成了彗核复杂的“物质循环”，这也许能够解释彗星在一次又一次经过近日点的过程中是如何保持活性的。

罗塞塔上搭载的GIADA，COSIMA和MIDAS三个尘埃分析载荷发现，彗核的尘埃颗粒的孔隙率可高达90%以上，它们的强度几乎与“粉雪”相当。这将直接关系到形成太阳系的原行星盘中物质是如何相互作用的。

任务结束与罗塞塔最后的“安息”

罗塞塔任务原定于2015年底结束，但探测器和载荷的出色表现让ESA决定将任务延长至2016年9月30日。这一天，罗塞塔按照既定轨道，缓缓落向它在67P彗核上的最终归宿——塞伊斯（Sais）区域。在这一下落过程中，探测器还持续回传了大量宝贵数据。

未来的彗星探测

罗塞塔和菲莱已永远地安息在彗星67P上，但对它们采集传回的宝贵数据的开采还远未穷尽。在任务已经过去快十年的今天，科学家们依然在不停获取关于彗星和太阳系的崭新发现。

罗塞塔任务的成功，不仅是人类航天史上的一大突破，也是天文学和行星科学的一次伟大飞跃。它不仅提供了对彗星的全新认识，还为未来的大量深空探测任务提供了宝贵经验。

与所有伟大的深空探测任务一样，罗塞塔回答了很多问题，但提出了更多问题，激发着人类进一步探索的热情。ESA计划于2029年发射下一个彗星探测任务“彗星拦截者”（Comet Interceptor），它的目标是来自奥尔特云的那些首次进入太阳系内部的彗星，此类彗星比67P更为原始，也将带给我们更多关于太阳系演化和生命起源的信息。

作者简介

史弦

2012年于中国科学院上海天文台获博士学位，之后在德国宇航局行星科学研究所和马克斯·普朗克太阳系研究所开展小天体活动与演化研究，是欧洲空间局罗塞塔探测任务科学相机载荷团队成员。2021年加入上海天文台，组建太阳系小天体探测与研究团组。

本文摘编自《科学世界》杂志2025年第4期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 范周桐