罗塞塔探彗项目不久前刚刚打败了大把一流的科研项目，被美国《科学》杂志评选为2014年十大科学突破之首。1月23日，《科学》杂志再发特刊，向世人展示“罗塞塔”所取得的主要探索成果。
此前，这颗凝聚了人类最高智慧成果的探测器经历了长达10年的星际旅行，在2014年8月飞抵目的地彗星67P/GC，并于11月12日发射了登陆器菲莱以对彗核的表面性质和周围气体进行更深入的分析。
此次《科学》特刊发布的7项新的研究报告，它们对该彗星的形状、组成和表面特征等作了描述，彗星的神秘面纱正在被慢慢揭开。
一、花费14亿欧元值不值？
“罗塞塔”对彗星形成及太阳系的起源等秘密进行了前所未有的近距离探索。整个项目的投入达14亿欧元。
彗星是太阳系形成伊始的古老遗迹，“罗塞塔”此行探索彗星对研究太阳系的物质组成和起源至关重要。根据太阳系形成的“星云假说”，约46亿年前，一片由星际尘埃和气体组成的分子云在引力作用下坍缩、温度上升、自转加速并平坦化形成盘状星云。其中99.8%的星云物质在星盘中心聚集形成原恒星。原恒星核聚变产生恒星，与此同时，星盘外围温度降低，导致冰、甲烷、氨等气体凝聚，与其它星际颗粒随机增生，形成微行星。微行星再碰撞聚集，逐渐演化成我们现在的行星系统。而彗星，则可以看做是能产生彗发和彗尾等特征结构的微行星。彗星往往来自寒冷黑暗的太阳系外缘轨道，很可能良好保存着太阳系形成之初的信息。
与此同时，彗星探索将有助于揭示地球生命起源之谜。彗星是由水冰和固体物质组成的“脏雪球”。根据天体撞击起源假说，在地球早期，大量彗星撞击地球表面，不仅带来了丰富的水源，形成了原始海洋，而且与彗星携带的各类烷烃、氨基酸、脂肪酸、多环芳烃和卟啉等有机化合物一起，在适宜的地球温度、大气层等环境条件下诞生了最初级的生命。而对彗星物质成分的分析有望回答地球上的水是否来自彗星、为什么地球上的氨基酸都是左旋形式、彗星是否为地球开启了生命之门等关键问题。
不仅如此，了解慧核的结构和物质组成、精确掌握轨道运动规律将有助于应对彗星撞击地球的灾难性事件。在地球演化的历史中，小天体撞击多次导致地球气候环境灾变和生物灭绝事件，如6500万年前的恐龙大灭绝、100多年前的通古斯大爆炸等。2013年2月15日还有小天体撞击俄罗斯车里雅宾斯克并导致人员受伤和大量建筑物受损。我们并不能排除彗星再次撞击地球的可能性，因此有必要增加对彗星的了解。
二、10年“追星”路
“罗塞塔”在2004年3月发射后，于2005年3月第一次绕地球加速；2007年2月进行绕火星加速；同年11月第二次绕地加速。三次变轨加速后，“罗塞塔”于2008年9月飞掠了小行星Steins。2009年11月，“罗塞塔”进行了最后一次绕地球加速变轨。2010年10月飞掠小行星Lutetia。随后，“罗塞塔”在2011年6月进入休眠状态，直到2014年1月复苏，同年8月“罗塞塔”与彗星成功对接，11月12日向彗星发射了登陆器菲莱。据计算，彗星67P/CG将于2015年8月到达近日点，而“罗塞塔”和菲莱计划将会对这一时期内彗星活动的变化进行密切的监测分析。整个项目将会在2015年12月31日正式结束。
科学家们关于探索彗星的最初构想始于上世纪80年代早期，而宇航器Giotto在1986年发回的哈雷彗星的彗核照片则促使罗塞塔项目被提上了正式议程。“罗塞塔”的建造和测试完成于2002年，发射时间原定于2003年初，但在发射前月所发现的发射台故障使得“罗塞塔”的发射时间推迟到了2004年3月，探测目标也由原定的彗星46P/Wirtanen更改为67P/CG。
在发射后长达十年的游历中，“罗塞塔”旅行了约65亿公里的距离，它并不是直接从地球飞往彗星67P/CG的，而是经历了三次绕地球加速和一次绕火星加速。另外，彗星也不是“罗塞塔”的唯一研究对象，“罗塞塔”在旅途中还飞掠了两颗小行星：Steins（2008年9月）和Lutetia（2010年10月），提供了关于小行星的大小、形状和表面特征的信息，增加了我们对小行星的了解，同时也为研究彗星提供了比对物。
“罗塞塔”在完成了对小行星Lutetia的观测后便以54,000公里每小时的速度开始了对彗星67P/CG的追寻，但即便是这样高的速度，“罗塞塔”仍面临四年的漫漫征途，而且在它接近彗星的过程中，67P/CG处于远日区，这使得“罗塞塔”收集不到足够太阳能以维持其正常运行——科学家们最终决定从2011年6月起让“罗塞塔”进入长达两年零七个月的休眠。在休眠期中，除了机载电脑，一些内部加热系统和唤醒“罗塞塔”所需的计时装置，其它一切设备都被关闭，直到2014年1月20日“罗塞塔”与地球的通讯系统才被重新开启。在与彗星对接之前，“罗塞塔”上有21个设备被一一激活并检测。
2014年8月6日，“罗塞塔”与彗星67P/GC成功对接，进入彗星的引力场，成为绕彗星运行的卫星。“罗塞塔”对彗星的勘测任务包括测量彗星的形状、自转速率、方向、重力场、星体反照率、彗表特征及彗表温度、彗发中的气体密度及颗粒物喷发速率等。
在经过对登陆地点几轮紧张地筛选后，“罗塞塔”于11月12日向彗星发送了登陆器菲莱。“菲莱”重约100千克，是一个洗衣机大小的“多边形三明治结构”探测器，它负载了罗塞塔登陆器成像系统（ROLIS）、彗星取样及组分解析仪设备（COSAC）、多功能表面及亚表面感受装置（MUPUS）等十项科研设备。“菲莱”所携电池的寿命约为64小时，其“第一阶段科研序列”是在所携的电池耗尽之前的科研任务，包括拍摄彗星表面的高清图和着陆环境的全景图，对彗表组分进行原位分析，测量彗核表面的热学、机械和电学特性等。与之相对的则是持续到2015年3月的“长期科研序列”——如果“菲莱”可以接收到足够的阳光以进行充电，它将与“罗塞塔”一起监测彗星67P/CG在向近日点运行过程中的活性变化，给出局部和全局相参的信息。
不幸的是，“菲莱”第一次着陆时并没有顺利锚定在彗核表面，而是从彗表反弹了两次，即进行了三次触地。“菲莱”最终的着陆地点至今仍未确定，而且由于最终着陆点不充足的光照条件，“菲莱”在着陆后的短时间内几乎不可能获得支撑其继续工作的电量。“菲莱”在2014年11月15日与地球指挥中心失联，至今仍杳无音信。无论如何，“菲莱”第一阶段的科研任务基本完成了，尽管科学家们指出“菲莱”的钻探器可能没有成功的嵌入彗表取样，但菲莱已经收获了清晰的彗表图片和可观的实验数据。“菲莱”所获得的实验数据目前还在解析中，《科学》特刊上最新发表的内容全部来自“罗塞塔”。
三、告诉你彗星的模样
《科学》特刊登选了8篇科研文章，包括：来自德国马克斯·普朗克太阳系研究所的Holger Sierks和同事所撰写的关于彗核结构及活性的报告，来自罗马国家天体物理研究所的Fabrizio Capaccioni和同事对彗星表面有机分子种类及含水量的报道，来自瑞士伯尔尼大学的Nicolas Thomas和同事关于彗表地形多样性的报告，同样来自伯尔尼大学的Kathrin Altwegg和同事关于彗表同位素比率的报告，以及Samuel Gulkis，Myrtha H?ssig，Alessandra Rotundi，Hans Nilsson的科研团队分别从冰升华通量，彗发中水、一氧化碳和二氧化碳的分布，彗核周围尘埃与气体比率，水电离电磁层等方面对彗核活性及其动态变化所做的分析报告。
“罗塞塔”在去年8月与彗星67P/GC成功对接后便对其展开了各项研究。科学家们收获的第一个惊喜是“罗塞塔”的可见光及红外遥控成像系统 OSIRIS (Optical Spectrocopic and Infrared Remote Imaging System) 于8月3日所拍摄的彗核高清照片，人们通过该照片才了解到67P/GC的外形是大小两个半球以一窄颈相连的“玩具鸭形”，而不是之前预想的“土豆形”。这一发现意味着选取适宜着陆地点的难度将有所增加，但同时，这样一个形状特别的研究对象又将为我们了解彗星的形成过程提供更为丰富的信息。
67P/GC的双半球结构是由一个完整天体被侵蚀而成，还是在45亿年前由两个小天体碰撞聚合而成尚无定论。科学家们根据所收集的图像资料将67P/GC的表面形态归纳为尘埃覆盖（dust-covered）、硬性材料形成的坑洞和环状结构（brittle materials producing fine fragments with pits and circular structures）、大型洼地（large-scale depressions）、平滑区域（smooth）以及暴露的坚固表面（exposed consolidated surfaces）五类，并据地貌特征将彗表划分为19个不同区域（图3）。表面形态的多样性似乎暗示着67P/GC可能是由小天体或星际残体碰撞聚集而成，尤其是彗核表面还发现了一些被称为“恐龙蛋”的3米左右的瘤状结构，被认为是通过撞击合并到彗表的岩块。但另一方面，不同的彗表区域在波长550nm所测得的星体反照率都为5.9%左右，也就是说，虽然彗表形态不均一，但其色度很一致。因此，有科学家认为67P/GC的彗核是由星际尘埃缓慢聚集（hierarchical accretion）形成的原始微行星，但在漫长的演化过程中，与其他星体的碰撞以及太阳蚀刻等作用导致了彗星表面结构的多样性。
一致的星体反照率暗示了彗核外层物质的相似性，彗核的内部结构则只能通过总体密度及自旋方式加以了解和推测。“罗塞塔”的射电科学检测仪（RSI, Radio Science Investigation）根据射频信号振幅、频率和极性的变化对彗核的内部结构、重力场和运行轨道都进行了一系列的表征。根据RSI的测量，67P/GC的质量约为1013千克，仅为地球的六千亿分之一。彗核较小的“头部”为2.6×2.3×1.8公里，较大的“身体”为4.1×3.3×1.8公里，总体积约21.4立方公里。据此计算，彗核的平均密度约为470千克/立方米，与木头的密度相似。这意味着67P/GC的内部结构是相对疏松的，紧实的冰尘混合物密度大概为1500~2000千克/立方米，据此估计，67P/GC彗核的孔隙度为70~80%。另外，彗核以12.4小时为周期自转，其自转轴的方向与在彗核密度均匀的假设条件下所导出的最大转动惯量轴的方向一致。简而言之，67P/GC的内核应该是结构松散而密度均匀的。这再次支持了彗核是由气体冰和星际尘埃在微弱的引力作用下逐渐聚集而成的理论假说。
“罗塞塔”机载的成像系统OSIRIS展示了彗表结构的多样性，射电设备RSI反映了核内结构的均一性，而可见及红外热成像光谱仪VIRTIS（Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) 则通过特征吸收光谱对彗核表面的化学成分进行了检测。根据VIRTIS的测量数据，彗核表面有种类丰富的碳氢、氧氢和氮氢分子，但水冰的含量却很低。尤其值得注意的是，VIRTIS通过红外吸收光谱在67P/GC的表面鉴别出了可作为氨基酸前体的羧酸分子。这一发现其实并不令人意外，因为早在2006年NASA的科学家们就从星尘号航天器在81P/Wild 2彗发区所收集的样品中鉴别出了氨基酸，但此次“罗塞塔”所在67P/GC所发现的有机分子更为原始和多样，暗示了其更古老的起源。
“罗塞塔”上的离子和中子分析仪ROSINA（Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis）对同位素检测非常灵敏，通过测量比较氢和氘的相对比例，我们可以推知地球上的水是否来自彗星——彗星67P/GC表面的氘/氢比为5.3±0.7×10-4，是地球值的3倍，这意味着像67P/GC这样的彗星并没有在地球海洋形成过程中起主要作用。
正如前面所提到的，67P/GC的表面结构非常多样，布满了坑洞、沟壑、断层和涟波样结构。彗表的岩层断面似乎是彗壳运动的结果，物质从断岩的边缘掉落并积累在崖脚，断面则暴露出新鲜的冰尘物质；坑洞和洼地是比较稳定的区域，但科学家也在一些坑洞中发现了流出物所形成的三角洲地貌，被认为是彗核内部压力积累导致的喷发事件所形成的；还有被描述为“恐龙蛋”的瘤状结构……科研人员感兴趣的问题之一就是，67P/GC这些丰富的表面结构是如何形成的。“罗塞塔”项目的科学家Nicolas Thomas指出，“太阳的作用不大可能独自造成我们今天所见的彗核所具有的层状的、表面的和化学组成的所有多样性”，也许早期太阳系中的彗星形成环境比多数科学家所认为的更混乱动荡、组成更为丰富，但这样的假说很难被证实。
值得期待的是，在67P/GC向近日点运行的过程中，“罗塞塔”将对其进行持续不断的观测，通过分析在此过程中太阳对彗星活性变化的影响，科学家们也许可以揭示太阳在彗星的演化过程中扮演了怎样的角色。
【参考文献】
[1] Taylor, M. G. G. T., et al. "Rosetta begins its Comet Tale." Science 347.6220 (2015): 387-387.
[2] Sierks, Holger, et al. "On the nucleus structure and activity of comet 67P/Churyumov- Gerasimenko." Science 347.6220 (2015): aaa1044.
[3] Capaccioni, F., et al. "The organic-rich surface of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko as seen by VIRTIS/Rosetta." Science 347.6220 (2015): aaa0628.[4] Thomas, Nicolas, et al. "The morphological diversity of comet 67P/Churyumov- Gerasimenko." Science 347.6220 (2015): aaa0440.
[5] Altwegg, K., et al. "67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio." Science 347.6220 (2015): 1261952.[6] Hand, Eric. "Comet close-up reveals a world of surprises." Science 347.6220 (2015): 358-359.
