互动科普

漫长、艰险而勇敢的旅程

欧空局（ESA）的罗塞塔（Rosetta）项目自1993年立项以来，经历了漫长的研发和任务周期，直到2016年9月30日，以罗塞塔飞船受控撞击彗星表面为最后任务，终于宣告了任务的结束。

罗塞塔是一项极具挑战的计划，它是首次伴飞探测彗星，首次着陆彗星，首次采用微波辐射计和紫外光谱仪探测彗星，并且是第一个仅靠太阳能电池为主要能源飞往木星轨道的探测器。像任何一个人类历史上的伟大探险一样，这项任务带着无与伦比的雄心，过程惊心动魄，有波折也有惊喜。

20世纪80年代，早在飞越哈雷彗星的乔托（Giotto）探测任务之前，科学家们就开始酝酿彗星登陆了。乔托成功传回了首张彗核的照片，这给后续的罗塞塔项目注入了希望。

近20年后的2002年，罗塞塔号终于准备就绪，但由于阿利亚纳五号火箭出现问题，不得不推迟到2004年出发，并放弃了原定的目标彗星46P/维尔塔宁（Wirtanen）。罗塞塔经历了10年漫长飞行，抵达目标彗星67P/楚留莫夫-格拉希门克（67P/C-G）。途中，罗塞塔号经历了3次地球重力场借力和1次火星借力，并执行了多项科学探测任务，包括2005年参与协助深度撞击（Deep Impact）任务对彗星坦普尔一号（9P/Tempel^-1）的观测。

图1.罗塞塔项目

2007年2月，罗塞塔在火星借力轨道调整中途观测火星。当它从250千米高度飞越火星时，项目再次遭遇困难，因为目标彗星的更改而导致飞船必须要在火星的阴影里飞行24分钟。控制团队不得不重新编写程序，教会飞船在飞越过程中不会因为“担心”缺少光照而启动错误的工作模式。当飞船成功完成飞越、传回信号的一刹那，整个团队才松了一口气。罗塞塔不仅成功拍摄了火星及其卫星，还在飞越后的几天拍摄了木星及其卫星。

2008年9月，罗塞塔飞越小行星斯坦斯（2867 Steins），为了获取足够的科学数据，不得不让飞船的一面暴露在太阳辐射下过久，超过安全限制的时长。好在控制团队站在了科学家的一边，决定冒险一试。这次飞越拍照并不顺利，暴露出科学相机和导航相机工作程序的问题，但这为后续小行星司琴星（21 Lutetia）飞越任务的巨大成功奠定了基础。2010年，飞越司琴星时，罗塞塔拍摄了当时世界上最高空间分辨率的小行星表面照片，而且还在飞越过程中捕获到了土星和这颗小行星的珍贵合影。

罗塞塔是一台非常精密的机器。但当飞船抵达目标彗星的时候，它已经出厂超过10年，不可能一直保持完美的状态，而是有了自己的“脾气”。不过这漫长的10年飞行，正好给了控制团队足够的时间来磨合，针对各种问题定制新的控制方案。发射出去的飞船已经无法维修硬件，出现的问题都要通过软件来弥补。除了之前提到的程序更改和控制方案改变，还有比如2006年由于反应控制系统的泄漏问题导致燃料箱不能被重新加压，控制团队便选择通过略微降低推进器效率进行补偿。

在经历了2年7个月零12天的休眠之后，罗塞塔号在2014年1月20日醒来。由于卫星计算机重启，导致信号传输比预定晚了18分钟。唤醒当天，团队在紧张窒息的等待后终于收到罗塞塔发来的消息，现场的每一个人都激动不已。

随着离目标越来越近，大家发现，67P比起科学家们预想的土豆形状要复杂许多。这颗彗星形似一只巨大的橡皮鸭，表面地形复杂而险峻。这给行星学家带来了惊喜，同时也给任务控制团队带来了巨大的压力，因为这无疑给菲莱（Philae）着陆器的彗星登陆任务增加了难度。

2014年8月6日，飞船抵达彗星。在100千米的距离，彗星的微弱引力根本不足以“拉住”飞船，必须通过一系列的变轨动作将飞船减速，让其以金字塔形轨道伴飞彗星。在这个过程中，科学家通过观测飞船受到的彗星引力摄动，研究彗星奇特形状导致的异常重力场。接下来，罗塞塔逐渐接近彗星，直到9月10日在距离彗核表面30千米的高度被彗星重力场捕获。

人类首次着陆探测彗星的直播引起全球关注，“登陆彗星”也成为轰动一时的热门话题。从接近这颗彗星开始，罗塞塔任务就接连遭遇各种意外的状况。彗星的形状复杂、地形凶险，让负责着陆点选择的团队很纠结，而菲莱着陆的过程也十分惊险。11月12日，飞船释放出的菲莱着陆器虽然成功着陆，也发回了探测数据，但却由于着陆锚没能正确打出，出现了意料外的两次弹跳而失踪了。由于落进了阴影区域，太阳翼无法获得足够的光照为电池充电，菲莱工作到电池电量耗尽后就失联了。不过菲莱的气体分析仪（Ptolemy）和采样及成分分析实验设备（COSAC）检测了彗星表面的气体和尘埃，检测到富含碳氮的有机物成分，其中有一些是首次在彗星表面检测到，这些发现为探索地球的生命起源提供了新的线索。

菲莱终于找到了！

菲莱在彗星表面工作了2.5天后，因为缺乏太阳光照为其第二电池组充电而陷入休眠。菲莱休眠后，罗塞塔一直没有放弃唤醒它的努力。菲莱共9次醒来，但最长的一次和罗塞塔也不过建立了几十分钟联系，并且没有再传回新的科学数据。 虽然从菲莱失踪后搜寻就开始了，但是在罗塞塔伴飞彗星的大部分时间里，团队还是一直无法确认它的准确位置。

仅仅靠检查罗塞塔拍摄的照片是无法找到着陆器的。为了寻找菲莱，几个小组采用不同的数据和方法展开多线合作：除了在罗塞塔的高分辨率影像中仔细搜索，还通过着陆器和飞船上的雷达数据进行三角定位；利用着陆器红外和可见光分析仪（CIVA）拍摄的着陆点影像确认地面关键地貌特征；还有，通过菲莱和罗塞塔的通信链接时间和菲莱的充电时间来确认菲莱对罗塞塔和对太阳的可见性，进而分析可能的着陆位置和地形遮挡。图像分析团队在雷达估计的落点区域找到了很多可疑的点，但是绝大部分都通过成分分析或多次成像而排除了。寻找菲莱，就好像在八个篮球场大、堆满垃圾的垃圾场里扔了一个小冰箱，然后要在数千米的高空用望远镜把它找到。

但大家一直没有放弃。终于，2016年9月2日，罗塞塔下降到距离彗星表面2.5千米的高度时，拍摄到了一处峭壁下阴影里被标记为疑似菲莱的物体影像。9月4日，数据传回地球，分析团队第一时间认出了藏在图像边缘的菲莱。

图2. 最终公布的菲莱影像。右上图中的红点表示了菲莱在彗星上的位置。  左图和右下图/ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA，右上图/ESA/Rosetta/NavCam

找到了！一图胜过千言万语。在离罗塞塔任务结束不到一个月的时候，罗塞塔的高分辨率相机从距离彗星表面2.7千米的空中终于拍到了菲莱的清晰画面。那份“终于找到了”的欢欣和感动在我们同事间、在研究所的群发邮件中、在整个彗星和小天体研究圈以及行星学界和社交平台上迅速蔓延开来。着陆点的确认不仅仅是建立菲莱的科学发现与整个彗星表面环境之间联系的关键，也让大家心里那个打了许久的心结，终于解开了。能在告别之前再清楚地看菲莱一眼，真好。

最后的重任

2015年8月通过近日点之后，罗塞塔离太阳已经越来越远，很快它将无法获得足够的能源继续工作。于是，在最后阶段，任务团队决定控制罗塞塔慢速撞向彗星67P的表面，与它的小伙伴菲莱汇合。罗塞塔最后的任务是在接近彗星的过程中持续观测和传回数据，直到生命的最后一秒。考虑到电量限制和设备的工作效率，撞击彗星阶段罗塞塔只能打开部分探测仪器，除了显微成像灰尘分析仪（MIDAS）、二次离子质谱仪（ COSIMA）与可见光和红外成像光谱仪（VIRTIS），其他科学仪器都坚持工作到最后时刻。光学光谱和红外成像系统（OSIRIS）的广角和窄角相机近距离拍摄了彗星表面的细节，最高分辨率达到2毫米（下页图）。

将最贴近彗星表面的数据传回地球是一个非常大的挑战，因为飞船一旦撞上彗星，通讯链路就会受到破坏。罗塞塔最后一次“撞击机动”是在距离彗星表面19千米的高度，之后会在微重力环境下缓慢撞向“橡皮鸭头”上一个大撞击坑的边沿。根据最终机动动作完成后导航相机拍摄的5幅图像，上传最后的指令，调整飞船指向。在这一阶段，将进一步确认罗塞塔的撞击时间，将时间窗口精确到4分钟范围内。这个步骤对于最后阶段的成功接收数据至关重要。

罗塞塔撞击的最后信号抵达地球后，任务主管帕特里克·马丁（Patrick Martin）宣布，罗塞塔最终驻留的地点被命名为“赛易斯”（Sais）——罗塞塔石碑的来源地。

图3. 罗塞塔最终任务撞击彗星的飞行路径

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）