哈雷舰队：人类与彗星的伟大相遇 | 科学世界·星际征途

哈雷彗星无疑是最著名的一颗彗星。它已与人类结缘千年，深深刻入我们的文明史之中。在古代，它的出现，常被视为战争、灾难、政权更替的征兆；而在近代，它的每次回归，都成为推动现代科学和技术发展的契机。

本期星际征途，在哈雷彗星从远日点开始它的下次回归之行时，让我们一同回顾它的上一次内太阳系之旅，及其为行星科学和深空探测带来的辉煌。作者赵玉晖，紫金山天文台研究员，长年关注彗星物理性质和物质抛射机制，曾参与罗塞塔任务和新视野号任务探测目标的研究。

专栏主持人:李荐扬

乔托号探测哈雷彗星的艺术效果图

人类对哈雷彗星（1P/Halley）的观测已有两千余年历史。这位璀璨夜空中的“老朋友”，每隔约76年，便拖曳着明亮的长尾，穿越浩瀚宇宙，如约造访内太阳系。在古代，它的出现令人心生畏惧，常常被视为灾变的象征；到了近代，它化身科学启蒙的灯塔，照亮验证牛顿运动定律的道路；如今，它成为记录太阳系起源演化过程的“时间胶囊”，带领我们探索太阳系的历史，激发人类对宇宙和生命起源的无限好奇。

20世纪80年代，在哈雷彗星最近一次回归期间，来自多个国家的航天机构联合发起了一场规模空前的国际联合探测任务。包括苏联的维加1号（Vega-1）和维加2号（Vega-2）、欧洲空间局（ESA）的乔托号（Giotto）、日本的先驱号（Sakigake）和彗星号（Suisei），以及美国的国际彗星探测器（International Comet Explorer，ICE），共同组成了一支联合探测舰队，先后抵近并飞越如期而至的哈雷彗星。联合探测任务获取了丰富的科学数据，科学家们从中“解码”出哈雷彗星的大小、形状、成分以及活动特性，从而对彗星这一类太阳系天体有了更加深刻的理解。其中，维加1号实现了人类历史上首次与彗星的近距离相会，乔托号拍摄到了人类历史上首张彗星彗核的清晰彩色图像，证实了长期以来有关彗核构成的科学猜想。

哈雷彗星国际联合探测，不仅是太阳系天体探测历史上的重要里程碑，也是国际合作开展行星探测的杰出典范，自此拉开了一系列彗星探测任务的序幕，不断激发我们的好奇心与求知欲，拓展人类对这类太阳系原始小天体的认知边界。

从《史记》到艾萨克·牛顿

哈雷彗星名字的由来

对于哈雷彗星的观测历史至少可追溯至公元前240年，《史记》中记载了“彗星先出东方”的现象，这被认为是目前已知对哈雷彗星最早的记录。古巴比伦的泥板文献记录了公元前164年的哈雷彗星的出现场景。中世纪时期，哈雷彗星的多次回归被详细记录。公元837年，彗星逼近至距离地球仅0.03天文单位（AU），其彗尾横跨天际，被欧洲编年史家描绘为末日预兆。1066年，哈雷彗星恰好出现在诺曼征服英格兰前夕，其身影被刺绣在贝叶挂毯上，成为这场权力更迭的象征性标志。意大利画家乔托在1301年创作的《三博士来朝》中，将哈雷彗星融入背景，暗示其与神圣事件的关联。

贝叶挂毯局部，描绘黑斯廷斯战役场景，空中可见哈雷彗星。

乔托创作的《三博士来朝》壁画局部，圣诞星被认为是哈雷彗星。

在古代，彗星在民间常被视为天谴的象征，预示着战争和灾难的发生，而科学界则从古希腊时期起就被亚里士多德提出的“彗星是大气中物质燃烧的现象”的主流“科学”观点统治了近两千年。在1577年之前，人们对彗星的认识更多停留在观测层面。1577年大彗星出现时，天文学家第谷·布拉赫将自己在哥本哈根附近文岛（lslandof Hven）天文台进行的高精度定位与在布拉格获取的观测数据相结合，利用这一长基线，他计算出这颗彗星的视差小于15角分，进而推算出其距离地球至少为240个地球半径，比月球距离地球远4倍以上。

虽然第谷·布拉赫确定了彗星是在行星际空间中移动，但系统描述彗星运动的理论直到1687年才由艾萨克·牛顿提出，并在其著作《自然哲学的数学原理》中发表。在这本著作的第三卷中，牛顿基于万有引力定律概述了轨道确定的半解析理论。他收集并利用在英国、法国、德国和北美不同地点采集的1680年大彗星的观测数据，证明彗星是一类特殊的太阳系天体，它们在绕太阳的圆锥曲线上运动。牛顿提出了利用三组观测数据确定彗星轨道的方法，并在《自然哲学的数学原理》中展示了基于此方法计算的1680年大彗星的轨道（见下图），图中还清晰呈现了彗尾的形态。

《自然哲学的数学原理》中展示的1680年大彗星的轨道及相关记录

埃德蒙·哈雷运用牛顿运动定律，分析了1531年、1607年和1682年的彗星观测记录，推断它们为同一颗彗星，并预测它将于1758年回归。这是首个基于牛顿运动定律的预测，并在1758年圣诞节由德国天文学家约翰·帕利奇证实，标志着人类首次成功预测彗星回归。哈雷虽于1742年去世，未能亲眼见证这一重要时刻，但他在1705年发表的《彗星天文学概要》奠定了彗星周期性回归的轨道研究的基础。1759年，法国天文学家尼古拉·路易·德·拉卡伊将这颗彗星正式命名为“哈雷彗星”，以表彰哈雷的杰出贡献。

埃德蒙·哈雷肖像 作者：Thomas Murray

国际哈雷观测网

史诗级的国际天文观测合作

随着天文观测和天体测量技术的不断发展，天文学家对于彗星的研究，也逐渐从天文定位和轨道改进向探索彗星的物理和化学属性拓展。1910年哈雷彗星回归期间，美国天文和天体物理学会（现美国天文学会）成立了彗星特别委员会，组织全球天文台通过光学和光谱观测记录其彗发与彗尾的亮度及形态变化，旨在建立哈雷彗星连续观测数据档案。然而，由于参与单位缺乏足够合作意愿以及缺少足够经费支持，数据共享和后续科学研究遇到了较大的阻碍，联合观测的实施效果远未达到预期，采集的图像资料直到76年后的1986年才完整出版，但这次组织为后来国际哈雷观测网（IHW）的建立和哈雷彗星联合探测任务的成功实施提供了宝贵经验教训。

1979年秋，在美国航天局（NASA）喷气推进实验室的路易斯·弗里德曼提议下，国际天文联合会（IAU）牵头成立国际哈雷观测网（IHW），召集全球专业与业余天文学家，协调1986年哈雷彗星回归期间的观测。IHW这一史诗级合作以探测彗核、彗发和彗尾的结构、物理过程及化学成分及其随时间和日心距的变化为目标，组织了来自51个国家的逾1000名天文学家，利用多种技术实现连续监测，并在加利福尼亚帕萨迪纳和联邦德国班贝格设立数据中心。

IHW通过标准化观测技术和仪器、确保数据正确记录与存档、实时分发数据给团队科学家，并向公众公布相关信息，成功促成了历史上规模最大的国际天文观测合作。与此同时，在IAU、国际空间研究委员会（COSPAR）等国际学术组织的推动下，各航天大国先后对开展哈雷彗星近距离探测任务立项，并通过IHW平台和数据的支撑，在冷战背景下实现了史无前例的国际深空探测合作，谱写了科学无国界的华美篇章。

人类首次彗星之约：哈雷舰队

开展哈雷彗星联合探测的航天器来自四个航天机构或项目，分别是ESA、苏联科学院的国际宇宙计划（Intercosmos）、日本宇宙科学研究所（ISAS）和NASA。考虑到所有任务都有涉及任务规划、航天器设计、实验设计以及数据评估等不同方面，为统筹合作提高整体科学回报，四方于1981年秋成立了机构间咨询小组（IACG），协调与哈雷彗星空间任务相关事宜，并与IHW密切合作。1985年前后，探测任务密集发射，其中ESA发射了乔托号，国际宇宙计划发射了维加1号和维加2号，ISAS发射了先驱号和彗星号，NASA则使用了其已经在轨飞行的国际彗星探测器。

1986年3月，哈雷彗星联合探测任务进入高潮。在前后20天内，哈雷舰队（Halley Armada）的多个探测器如精心编排的太空芭蕾，依次飞越彗星。舰队克服了高速尘埃撞击和未知环境等多重挑战，采集了前所未有的科学数据，彻底革新了人类对彗星的认知。下表列出了哈雷彗星国际联合探测舰队组成航天器的情况，它们在飞越距离和飞越时间上相互补充，飞越距离从约600千米（乔托号）到约3000万千米（ICE），此间彗星日心距离从0.8变化到0.9天文单位。各航天器上的科学载荷联合工作，对彗星开展了多波段全方位探测。不同类型的载荷实现了科学目标、观测手段和观测波段的互补，相同类型设备则支撑了同类型观测数据的比较分析，同时联合探测任务延长了彗星环境中原位测量的总时间。

哈雷彗星国际联合探测舰队飞越情况

维加1号和维加2号

苏联的维加任务（Venera-Halley）是哈雷舰队中最具雄心的任务之一。这个计划由两个探测器组成，即维加1号和维加2号。

维加号模型

任务计划先对金星进行探测，再借助金星引力加速飞向哈雷彗星。彗星探测阶段任务的科学目标包括测量彗核的物理参数（尺寸、形状、温度、表面特性）、彗发结构与动力学特征、气体成分、尘埃分布与质量，以及彗星与太阳风的相互作用过程。两个探测器基于苏联成熟的金星号（Venera）平台设计，采用双层防尘盾结构以抵御高速尘埃撞击，载荷除具体参数外基本相同，载荷研制过程中开展了广泛的国际合作。

维加号航天器科学载荷

维加1号和维加2号分别于1984年12月15日和21日由质子运载火箭从拜科努尔发射场发射升空。它们的任务是作为"探路者"，提前定位彗核位置，为后续任务提供精确导航数据。

维加号的科学发现

注：弓形激波的形成是太阳风与彗星电离层相互作用的结果。当彗星接近太阳时，气体逸出速率的不断增加导致彗发膨胀，太阳光电离彗发中的气体。当太阳风穿过这层电离彗发时，弓形激波便会出现。

维加1号在完成金星探测任务后，利用金星引力加速飞向哈雷彗星，于1986年3月6日率先飞越彗核，最近距离为8890千米。维加2号于3月9日在最近距离8030千米处接续飞越，实现编队探测。由于飞越过程中探测器与彗星的相对速度高达约80千米/秒，彗星喷射出的尘埃颗粒频繁撞击探测器防尘盾，甚至导致天线短暂故障和信号中断。维加任务在飞越彗星的过程中克服了一系列严峻挑战，基本保证了载荷的正常工作。其中，成像系统拍摄了超过1500张图像，尘埃探测器记录了数千次撞击事件，质谱仪分析了彗发气体的成分。

维加2号拍摄的哈雷彗星

维加号传回的图像显示，哈雷彗星的彗核并不是想象中光滑的“脏雪球”，而是一个尺寸为14千米x7千米x7千米的形状不规则天体。它的表面非常黑暗，反照率仅2%~4%，温度却可以高达100多摄氏度。彗星只有不到10%的表面是活跃的“冰火山”，不断喷出气体和尘埃，喷发的气体包括水、一氧化碳和二氧化碳，尘埃中则含有丰富的碳、氢、氧、氮等生命关键元素，引发了科学家关于彗星与地球生命起源密切相关的猜想。维加2号得益于更优的飞越路径和更近的飞越距离，获得了更清晰的图像和更完备的尘埃及等离子体数据，为彗核自转、彗发成分、尘埃分布和磁场特性等研究提供了更进一步的支撑。

维加任务的成功实施，完成了历史上首次人类探测器与彗星的交会，革新了我们对于彗星的认识。此外，它还为乔托号近距离飞越哈雷彗星提供了及时和准确的导航信息，确保了乔托号任务的顺利完成。

彗星号与先驱号

日本为哈雷彗星联合探测贡献了两艘探测器：先驱号和彗星号。先驱号是日本首个深空探测任务，主要目标是测试M-3SII型火箭性能、实践地球引力逃逸技术，同时在远距离观测哈雷彗星，探测行星际介质和磁场。作为哈雷舰队的“探针”，先驱号将提前测量哈雷彗星周围空间环境的相关数据，为后续探测器的飞越路径优化提供支持。先驱号由ISAS开发，于1985年1月7日从鹿儿岛航天中心发射。探测器重138千克，主要载荷包括磁场传感器和太阳风探测器，但未搭载成像设备。

先驱号

彗星号

彗星号则专注于紫外波段观测，目标是拍摄哈雷彗星的氢冕结构、测量太阳风参数、研究太阳风与彗星离子层的相互作用。彗星号整体结构和质量都与先驱号相近，搭载CCD紫外成像系统和离子探测分析系统。彗星号于1985年8月18日由M-3SII型火箭发射升空。彗星号的紫外观测与维加的可见光观测、乔托的尘埃数据形成互补，共同揭示彗星氢云的动态变化。

1986年3月8日，彗星号从靠近太阳一侧距离彗核15.1万千米处飞越哈雷彗星，其搭载的CCD紫外成像系统于1985年11月26日首次拍摄到哈雷彗星氢云的图像，并于此后每日拍摄6张图像，记录氢分布在空间中的变化。彗星号观测到哈雷彗星的氢云延伸数百万千米，检测到彗发中水产率高达每秒1030个分子，同时紫外谱线显示彗发中存在OH、CS等分子成分，相关探测结果显示了彗星活动的不均匀性和演化过程，证实了彗星携带原始有机物，可能为地球上水的来源和生命起源提供线索。

彗星号搭载的离子能量分析仪提供了彗星离子与太阳风离子强烈交互作用的信息，与维加号的可见光数据和乔托号的尘埃分析数据协同互补，揭示了彗星彗尾的特性和演化过程。彗星号的科学数据体现了彗星作为太阳系演化的“时间胶囊”的重要研究价值，推动了日本后续的隼鸟1号和隼鸟2号小天体探测任务的立项和实施。

先驱号3天后从距离彗核约699万千米的位置飞越，成功测量了行星际磁场扰动和太阳风速度变化，发现了磁场堆积区*的存在，确认了彗星与太阳风的交互区无背景干扰，为理解彗星如何影响太阳系空间环境提供了相关信息，同时为后续任务如乔托号的顺利实施提供了宝贵校准数据。此外，先驱号验证了日本的深空通信和导航技术，标志着亚洲国家首次参与彗星探测，为日本后续深空探测任务积累了重要的经验。

注：磁场堆积区是彗星释放气体/离子后，与太阳风磁场相互作用形成的一个高强度磁场结构。

乔托号

乔托号艺术概念图

ESA的乔托号任务是本次国际联合探测中的亮点，它的科学目标是实现人类首次对彗核的近距离成像，并深入研究彗核和彗发中尘埃和气体的特性。乔托号基于GEOS（Geodetic Earth Orbiting Satellite，大地测量地球轨道卫星）卫星平台改进而成，呈直径2米、高1米的圆柱体构型（见上图）。为应对高速尘埃撞击，乔托号采用了弗雷德·惠普尔设计的双层防尘盾，可有效防护1克以下颗粒的撞击*。

注：假设1克微粒撞击速度为飞越哈雷彗星时相对彗星的速度，即68千米/秒，则产生的能量约为230万焦耳，约相当于0.55千克TNT炸药爆炸释放的能量。

乔托号去掉外侧面板后的样子。最下面相隔23厘米的两层防护板结构，就是惠普尔设计的双层防尘盾。外层是1毫米厚的铝板，可以击碎、汽化入射尘粒。内层是12毫米厚的凯夫拉纤维板，用于吸收穿透外层的碎片。双层防尘盾可以抵御质量达1克、速度是子弹50倍的颗粒的冲击。

乔托号搭载的科学载荷由ESA协调，由德国、英国、美国、法国和荷兰等国的科研机构联合研制，包括德国宇航局等负责研制的成像系统、德国科隆大学提供的质谱仪、英国肯特大学开发的尘埃分析仪、英国团队研制的多色相机、奥地利和英国合作研制的磁力计等。

乔托号搭载的负荷

乔托任务原计划由ESA与NASA联合开展，但因预算问题改为由ESA独立实施。在1980年完成设计整合后，探测器于1985年7月2日由阿丽亚娜1型火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。乔托号的目标是与维加号互补，利用后者提供的彗核位置数据，实现距离彗星600千米的近距离飞越，获取高分辨率图像和彗发成分的详细信息。

乔托号的哈雷彗星之约经历了最为惊险的旅程。1986年3月12日，探测器在780万千米外检测到氢离子并于22小时后穿越弓形激波。3月14日，乔托号从仅596千米处飞越哈雷彗星彗核，飞越速度约为68千米/秒。在飞越过程中，乔托搭载的成像系统持续跟踪彗核，传回超过2000张图像。

乔托号接近哈雷彗星过程中获取的图像序列

1986年3月，乔托号飞抵离哈雷彗星仅596千米处，首次揭示了近距离看到的彗核的模样。第一张（左上）拍摄于最接近彗星前约3小时，距离彗核766371干米；最后一张（右下）拍摄于最接近彗星前仅27秒，距离彗核1917千米。

此间，乔托号受到高达1.2万次尘埃高速撞击，其中一颗1克颗粒在最接近彗核前7.6秒击中探测器，导致自转失稳和32分钟通信中断。任务团队通过紧急指令恢复控制，挽回了70%的计划数据，保证了乔托号任务的顺利实施，获取了人类首张彗星彗核的高清图像，并取得了一系列探测成果。

乔托号的探测成果

1、确认了哈雷彗星尺寸为15千米x8千米，密度极低（0.55克/立方厘米），进一步表明其为由冰和尘埃组成的松散聚合体。

2、彗核表面较暗，反照率为2%~4%，说明覆盖着非挥发性物质尘埃。

3、彗核表面的7个主要活动区域贡献了90%的气体生产率，说明彗星活动极其不均匀。

4、成分分析显示水占80%，一氧化碳占17%，二氧化碳占3%~4%，并检测到甲醛、甲醇等有机物。彗星成为了解太阳系早期形成与演化以及地球水/有机物来源的重要“天然化石”。

5、精确测量了尘埃速度与大小分布。这些决定了彗星对太阳系空间环境物质传输的贡献。

6、磁场数据证实彗星无内禀磁场，太阳风受彗发粒子阻碍形成“披挂”效应彗星的活动性使其周围形成一个等离子体环境。

乔托号的这些科学发现不仅验证了维加任务的结论，还让人们看到彗核表面远比“脏雪球”模型（掺杂少量尘埃的冰体）复杂得多。实际观测中，哈雷彗星彗核密度极低，表面非常暗（反照率极低），并且近距离拍摄进一步揭示了彗核的复杂地形地貌（如局部的山丘和坑洞）。基于这些证据，现代天文学更倾向于用“冰-尘混合物”（冰和尘埃等其他物质混合组成的具有松散结构的聚合体）来形容彗核。

国际彗星探测器

美国的国际彗星探测器（ICE）在“哈雷舰队”中扮演了独特而重要的角色。ICE最初于1978年作为地球轨道卫星（ISEE-3）发射，旨在研究太阳风与地球磁层的相互作用。1982年，NASA通过多次巧妙的月球引力助推重新调整其轨道，并于1983年完成轨道优化，使其能够穿越哈雷彗星的尾部。ICE的主要任务是探索彗尾与太阳风的交互机制、磁场变化以及等离子体特性。由于未搭载相机，其核心仪器包括磁力计和等离子体分析仪，任务准备仅包括配套软件升级和轨道调整。

ICE于1986年3月28日前后成功穿越彗尾，距离彗核约3100万千米，观测过程未检测到任何因尘埃撞击造成的探测器损伤。探测结果显示，太阳风在彗尾中显著减速，磁场强度随之增强;离子拾取效应明显，即彗星气体在电离后融入太阳风，影响了太阳系空间环境；氢离子密度的变化进一步证实彗尾延伸超过1天文单位。这些远距离观测为“哈雷舰队”提供了宏观尺度的宝贵数据，与近距离任务的细致测量形成互补，共同勾勒出彗星与太阳系之间复杂而全面的相互作用图景。

协同合作  持续探索

哈雷彗星国际联合探测任务的制定与准备过程，彰显了科学无国界的卓越合作精神：维加号整合了多国研发的先进仪器，乔托号的设计经验得以广泛分享，IHW负责统筹地面观测和轨道参数确定，而IACG则协调各机构工作，避免冲突并最大化科学收益。在人类强烈好奇心与求知欲的推动下，此次盛事不仅取得了多项突破性成果，还克服了诸多技术难题。通过多任务协同（如维加号为乔托号提供导航数据），任务成功落地，数据共享进一步提升了整体价值，为后续罗塞塔号与深度撞击等彗星探测任务奠定了坚实的技术基础与合作模式。

哈雷舰队主要成果

1、乔托号首次拍摄到哈雷彗星彗核，确认其符合低密度、高孔隙率的“脏雪球”结构。

2、彗星号记录了氢云，估算水蒸气产率高达每秒1030分子，支持彗星可能为地球带来水源。

3、ICE探测到彗尾中太阳风减速和磁场增强，证实离子拾取效应。

4、维加1号和维加2号发现彗核表面喷发可能形成于太阳系初期的有机分子。

5、先驱号在700万千米外检测到磁场扰动，验证彗星对行星际环境的影响。

6、乔托号和彗星号数据显示彗核自转周期约52~53小时，活动受自转调控。

哈雷彗星国际联合探测不仅是人类行星科学与深空探测史上的里程碑，更是人类好奇心、求知欲与合作精神的胜利。在彼时美苏冷战的历史背景下，包括两国在内的东西方多国组成太空舰队协同努力，将人类从古代对彗星的迷信与恐惧引领至现代实证科学的广阔天地，揭开了太阳系起源与演化研究的关键篇章，彰显了科学超越政治与文化藩篱的理想，为未来全球合作树立了典范。

展望未来，哈雷彗星将于2061年再次回归，届时最先进的行星探测技术如样品返回、原位分析及人工智能辅助探测将推动对于彗星的认识更上一层楼，或许能让我们更进一步窥探宇宙与生命起源的深邃奥秘。哈雷彗星联合探测的成功告诉我们，通过相互合作与持续探索，人类能不断超越自我，走向更为浩瀚的星辰大海。

作者简介

赵玉晖，2012年于南京大学获天体测量与天体力学博士学位，目前在紫金山天文台从事航天器轨道力学、小天体动力学与演化和空间物体监测的相关研究。参与我国嫦娥二号小行星探测拓展任务、欧洲空间局罗塞塔彗星探测任务和欧洲空间局JUICE木星探测任务等行星探测任务，利用深空探测数据开展了多颗太阳系小天体的特性与演化研究。

本文摘编自杂志2026年第1期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 扶佳燕