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[组图]罗塞塔探测器今日降落彗星:十年磨一剑
发布日期:2014-11-12 13:37:44  稿源:凤凰网科技

针对彗星进行的研究非常少,它们仍有很多秘密等待揭开。其中一项理论认为彗星将水(甚至可能是生命)带至地球。尽管太空探测器能够进行独立的调查,但这些调查只发生在彗星飞经时。

直到现在,欧洲航天局与很多欧洲机构合作研发了罗塞塔号太空探测器,这将成为第一个不仅收集“实时”的测量数据,还能够伴随彗星甚至在彗星上着陆的探测器。

2004年3月罗塞塔号轨道器发射升空,旨在分析和观察67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星(67p/Churyumov-Gerasimenko)的地核和环境。轨道器车载设备包括集成在两个质谱仪内的高度复杂的金属陶瓷传感器。这些设备能够测量彗星附近的气体粒子。

针对彗星进行的研究非常少,它们仍有很多秘密等待揭开。其中一项理论认为彗星将水(甚至可能是生命)带至地球。尽管太空探测器能够进行独立的调查,但这些调查只发生在彗星飞经时。直到现在,欧洲航天局与很多欧洲机构合作研发了罗塞塔号太空探测器,这将成为第一个不仅收集“实时”的测量数据,还能够伴随彗星甚至在彗星上着陆的探测器。

探测器上很多车载设备将在长达2年的时间内测量、绘制和分析彗星以及它环境里存在的气体和分子,甚至还包括67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星的内部。一个专门设计的“着陆器”将在彗星表面登陆并调查它的特性和内核。

这一项目涉及很多科研机构,包括伯尔尼大学,它主要负责研发罗塞塔号轨道器离子和中性分析光谱仪(ROSINA)。这些设备包括两个质谱仪和一个压力传感器。伯尔尼大学的研究人员在探测器内装配了电子探针(Empa),为两个质谱仪研发和制造离子光学传感器。它们不仅需要轻量化,还必须能够忍受太空的恶劣环境。在与彗星顺利“会师”后,ROSINA将分析67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星极其“稀薄”的大气层和电离层里的离子和中性气体粒子。

这将帮助科学家们得出有关太阳系是如何形成的结论。双聚焦质谱计(DFMS)有两个不同的操作模式,测量中性气体粒子的气体模式和分析电离粒子的电离模式。飞行时间质谱仪(RTOF)增加了整个设备的敏感性,从而提高了DFMS。质量分析将利用飞行时间技术来进行。这导致极其高的质量和时间分辨率的结合变为可能,从而能够拍摄整个测量范围,也就是从1到1000个原子质量单位的快照。

瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的工程师汉斯·鲁道夫·埃尔森纳(Hans Rudolf Elsener)带领的研究小组已经研发并制造了两个质谱仪的离子光学模块。他们面临一个重要的挑战便是将天体物理学的想法和要求转化为多功能的“太空级别的”产品,以满足最高的要求:它必须是极其轻量化的,机械上非常坚固,能够抵抗高压且非常精确。除了进行设计调整,埃尔森纳还研发了不同的过程以结合“罕见”的材料,例如金属和陶瓷。单个部件将不再像正常情况下利用螺丝拧紧,而是在真空炉里用铜焊接。在这个过程中,利用铜材料,这些材料部件将形成化学键的结合。这需要大量不同的涂层,而所有的都需要事先进行测试。相互结合的部分将以固态形式存在——只有铜材料是焊接的,它将与涂层或者基材发生反应。

Empa研发的方法和技术是如此成功以至于进一步的太空项目随后将很快出现。埃尔森纳和他的研究小组目前正在为一种更小更轻的质谱仪研发新的离子光学探测器,这一质谱仪将用于俄国/印度“LUNA”月球任务,近期Empa工程师也为前往水星的欧盟/日本比皮科伦坡(BepiColombo)项目研发了一些高度复杂的模块和传感器。

在前往彗星的途中,质谱仪分析了罗塞塔号排放的气体和标准气体的组成部分。近期进行的设备测试非常成功,没有任何会给67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星造成影响。罗塞塔彗星探测器已经为它的菲莱着陆器在彗星67P/Churyumov-Gerasimenko表面上选择了一个着陆目的地。彗星67P/Churyumov-Gerasimenko外形看似由两个组成部分“连体”而成,最大直径约4公里,其不规则的外形条件并不利于着陆器的平稳投放。

专家们起初在8月底选出5个候选着陆点,分别命名为A、I、B、J和C点(均位于一个面积为1平方公里的椭圆形区域内),并通过分析每个候选地点的相关图像与数据信息,于上周末在法国图卢兹召开的一次为期2天的会议上选出了一个首选着陆点和一个备用着陆点。

被命名为“J点”的首选着陆点位于彗星“头部”。与其他候选地点相比,J点所在区域的大多数斜面的倾角都小于30度,且周围石块数量较少,大大降低了菲莱着陆器在着陆时发生倾倒的风险;另外,该区域能吸收大量的太阳光照,可在菲莱着陆器电池初始电量耗尽后帮其充电,确保科学观测活动继续进行。

菲莱着陆器着陆负责人Stephan Ulamec在柏林市德国空间局(DLR)表示:“这并不是一个完美的平面。即使在这里着陆风险也很高。”他说:“没有一个候选着陆点能100%满足全部操作条件,但J点显然是最佳方案。”备用着陆点C点位于彗星的“身体”部分,一旦更多的分析表明J点并不适于着陆,C点将取而代之。

据项目组介绍,在释放着陆器之前,罗塞塔探测器将稍微远离彗星。在一系列复杂的操控之后,探测器将在美国东部标准时间本周三上午4:03从距离彗星22.5公里的高空释放菲莱着陆器。随着着陆器的释放,菲莱将开始无动力飘落,在大约7个小时之后以步行的速度降落在彗星表面。如果一切顺利,项目组希望着陆器能够在11:02成功降落在彗星上。(而实际的着陆过程应该发生在此前的半个小时,这一延误是因为无线电信号到达地球需要的时间所造成的。)

莱菲探测器在其3条腿中都配备了鱼叉和旋转螺丝,从而能够帮助其抓紧地面。罗塞塔项目科学家Matt Taylor表示,之前由罗塞塔探测器传回的数据显示,彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的表面比预期略微“暖和”一些,这意味着其表面除了冰可能还覆盖着更多的尘埃。这将帮助着陆器能够更顺利地降落在这颗彗星的表面,而不是被弹向空中。

如果一切顺利,这一历史性的时刻也意味着一次接力棒的成功传递——它被从将罗塞塔和菲莱送往彗星的工程师和项目管理者手中交到了接下来将开始采集数据的科学家那里。“在此之前我们从事的科学工作一直都好像是在做兼职。”Taylor说,“从这一周开始,我们将成为故事的主角。”

科学家表示,他们想在这颗彗星上找到黑色、富含有机质的尘埃。研究人员相信,这些尘埃代表了自从太阳系在45亿年前形成以来从未改变过的物质。

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