羅塞塔號彗星探測器

羅塞塔號彗星探測器

羅塞塔號彗星探測器是歐洲空間局組織的無人太空船計畫,格林尼治時間2004年3月2日7時17分(台北時間3月2日15時17分)發射,研究67P/楚留莫夫·格拉希門克彗星。羅塞塔號由兩個主元件組成:羅塞塔探測器及菲萊登入器。探測器以羅塞塔石碑為命名,希望此次任務能幫助解開行星形成前的太陽系的謎。登入器以尼羅河中小島的名字菲萊命名,有一塊方尖碑在那裡被發現且協助解讀羅塞塔石碑。歐洲航天局2014年1月20日宣布,格林尼治時間20日18時18分(台北時間21日2時18分),美國航天局位於加利福尼亞州的地面站接收到“羅塞塔”彗星探測器向地球傳回的信號,這意味著“羅塞塔”號順利從31個月的休眠中甦醒,開始對一顆彗星進行探測。台北時間2014年11月13日零時5分成功登入彗星。2016年9月2日,羅塞塔號彗星探測器拍攝到子號“菲萊”號的長眠之地。2016年9月29日,羅塞塔號以自由落體運動撞向彗星“67P/丘留莫夫-格拉西緬科”(下稱“67P”)表面。向這顆已圍繞運轉長達兩年的彗星獻上“謝幕之吻”後,“羅塞塔”將長眠於彗星表面,結束自己長達12年的探索旅程。

基本信息

簡要概述

羅塞塔號彗星探測器羅塞塔號彗星探測器

“羅塞塔”探測器於2004年升空,它的最終目標是於2014年追上“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星並在彗核上著陸進行探測,提供有關太陽系形成和生命起源的信息。

但由於沒有足夠大的動力系統將其直接送往目的地,探測器只能藉助地球和火星的引力,4次調整速度和軌道,迂迴抵達目的地。

羅塞塔號彗星探測器攜帶著將在“楚留莫夫—格拉希門克”彗星上登入的“菲萊”號彗星登入器,花費10年時間、行程50億公里,到達它的目的地。

科學家為了節省動力,不是讓“羅塞塔”直接飛往“楚留莫夫—格拉希門克”彗星,而是讓它先後3次繞過地球(分別在2005年、2007年和2008年)及一次繞過火星飛行(2007年),利用地球和火星的重力,獲得更大的推力,來完成它的10年太空之旅。

歷史背景

羅塞塔號羅塞塔號

1799年,羅塞塔石碑(Rosetta Stone)在埃及被發現。石碑上鐫刻了三段分別用埃及象形文字、通俗體文字和希臘文書寫文字。由於文字的內容完全相同,科學家終於在1822年破譯出了古埃及的象形文字,打開了通向古埃及歷史文明的大門。

1991年,“羅塞塔彗星彗核取樣計畫”被列入了ESA美國宇航局(NASA)的計畫之中。一個以“羅塞塔”命名的彗星探測器將把一個著陸器和一個返回艙送到特定彗星上面。然後,著陸器將在彗星表面提取樣品,返回艙把這些樣品帶回地球。科學家希望“羅塞塔”號成為天文學的“羅塞塔”石碑,提供彗星保存了數十億年之久的太陽系初期信息,通過研究這些信息,科學家可以打開通向太陽系古老歷史的大門。

2004年3月,羅塞塔號終於由庫魯航天中心發射升空。它將用10年的時間去追趕丘留莫夫-格拉西緬科彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko),並最終在彗星的上空停留,成為這顆彗星的人造衛星。

發射計畫

“羅塞塔”號探測器“羅塞塔”號探測器

在1986年哈雷彗星來臨時,曾有一群國際太空探測器被送去探測彗星系統,其中最重要的是歐洲空間局非常成功的喬托號

美國國家航空航天局及歐洲空間局員先有個別開發探測器的計畫,NASA的探測器是CometRendezvousAsteroidFlyby(CRAF)任務。NASA在1992年因預算限制放棄CRAF後,歐洲空間局決定自行研發太空船。

1993年野心勃勃的樣本取回任務對於歐洲空間局預算明顯地不切實際,所以重新設計任務,最終的任務類似原本已經取消的CRAFT任務:小行星飛越,接著彗星會合及實地調察(in-situ),包括一個登入器。

羅塞塔號依照COSPAR規則在無塵室建造,但根據羅塞塔號計畫科學家的訊息,“殺菌一般並不是關鍵,因為彗星通常被視為能找到prebiotic分子的物體,也就是生命前導的分子,但不是活的微生物

發射

原本它會在2003年1月12日發射,而在2011年與彗星46P會面。然而這個計畫因為2002年12月11日一場亞利安五號運載火箭的失敗而取消。新的計畫目標改為彗星67P,在2004年2月26日發射,並在2014年會面。因更多的質量及隨之增加的撞擊速度使登入器設備必須修改。兩次嘗試發射取消後,羅塞塔終於在2004年3月2日格林威治時間7:17發射。除了發射時間與目標的改變外,這個任務幾乎保持一樣。

巡航

拍攝燈火通明的大陸夜景時,羅塞塔號拍攝燈火通明的大陸夜景時,羅塞塔號

2007年2月25日,羅塞塔號安排了一次低高度通過火星,因為第一次發射被拖延了一年而必須修正軌道。這並不是沒有風險的,因為估計飛越高度僅僅只有250公里(155英里)。

此外,因為太空船在火星的遠端,在那裡它將有15分鐘無法接收到任何太陽光,因此不能使用太陽能板。所以太空船因此將進入待命模式,不可能進行通訊,必須靠並不是為了這個工作設計的電池飛行,因此這項火星附近的調動被暱稱為“十億美元的賭博”。幸好,飛越在03:15中央歐洲時間(CET)成功了,目前任務仍持續進行中。

在2014年5月,羅塞塔號將進入一個非常慢的軌道環繞彗星並且漸漸降速,準備放出登入器接觸彗星本身。登入器被命名為“菲萊”,將會以相對速度1m/s接近並接觸表面,兩個魚叉將被投射至彗星以避免登入器彈跳出去。為更進一步將登入器固定在彗星上,將會利用幾次鑽孔。

科學任務

一旦附著在彗星上,預計將在2014年11月發生,登入器將開始科學任務:

1、描述彗星核;

2、確定存在的化合物;

3、研究彗星活動及隨時間的發展。

裝置設備

“羅塞塔”探測器“羅塞塔”探測器

歐洲“羅塞塔”彗星探測器重約3噸,大小約12立方米。它共裝備了10個科學探測儀器,這些儀器將分析彗星的物理和化學構成及其電磁和引力的特性等。

羅塞塔號裝備了一對各長14米的太陽能電池陣列,有超過60平方米的面積最低可以提供400瓦的功率。羅塞塔號的著陸器“菲萊”將在丘留莫夫-格拉西緬科彗星的彗核表面鑽一個深度超過20厘米的洞,從彗核的表層以下提取物質,然後放到顯微鏡下研究。

“羅塞塔”接近彗星後,將分為軌道飛行器和登入器兩部分,是第一個登入彗核表面的探測器。彗星登入器將實地研究彗核的表面,以及表層下的成分構成、硬度、密度等,它還裝載了一個特殊的照相機,屆時將把它拍攝到的照片傳回地球的地面控制中心。

環繞彗核飛行的將近兩年時間裡,羅塞塔號還將目睹彗核逐漸接近太陽的時候,彗核上的物質(主要是冰)逐漸升華,形成彗發和彗尾的過程。整個任務將在2015年12月結束。

科學家將“羅塞塔”與彗星相會點選在了彗星距離太陽6.72億公里的軌道最遠處這一相會處與地球的距離為5億公里。預計2014年1月,“羅塞塔”將到達距彗星幾公里處,並在這一高度的軌道上圍繞彗星運轉。同年10月,它將向彗星發射登入器。此後,“羅塞塔”將與彗星共同度過17個月,雙方在此期間將不斷向太陽靠近,直至彗星到達距離太陽最近軌道處時,它的探測壽命也將隨即終結。

研究價值

彗星就如同時間膠囊,蘊藏著太陽系形成時期留下的原始物質;對彗星發散出的氣體、塵埃以及彗星核結構和其他相關有機物質進行詳細研究,將有助人類探清與太陽系形成、地球上水形成的奧秘,提供有關太陽系形成和生命起源的信息。

在“羅塞塔”彗星探測器傳回大量豐富有價值的科學資料後,可以明顯地需要增加更多探測器以了解複雜的彗星成份以及解決新增加的問題。

離開地球

跳板效應

歐洲航天局2005年3月7日發布公告稱,2004年3月發射的歐洲“羅塞塔”彗星探測器於5月4日首次飛經地球,“羅塞塔”利用了地球引力的拉扯效應,大幅度提升了飛行速度。專家們將這一現象比喻為“跳板效應”。

“羅塞塔”探測器計畫用約10年時間追上一顆名為丘留莫夫-格拉西緬科的彗星。如果一切順利,預計在2014年1月,“羅塞塔”將到達距這顆彗星幾公里處,並成為人類首個圍繞彗星運轉、進而施放登入器在彗星表面著陸的探測器。然而追趕彗星需要巨大的能量,“羅塞塔”探測器重達3噸,所攜帶的能量是有限的。因此,科學家專門設計了讓“羅塞塔”3次飛過地球,並且在2007年與火星“擦肩而過”的路程。這樣,在這幾次巧遇中,“羅塞塔”將利用地球或火星引力的拉扯效應,大幅度提升飛行速度,同時節省飛行能量。

飛躍火星

歐洲航天局發射的“羅塞塔”號彗星探測器2007年2月24日與火星“擦肩”而過,成功藉助火星引力改道,朝著歷時10年的“追星”之旅邁出關鍵性一步。

“羅塞塔”號將於10年內飛越地球3次和火星1次,藉助地球和火星引力場完成改道或加速,於2014年追蹤到“楚留莫夫-格拉希門克”彗星,鑽探取樣,協助科學家探索彗星。航天專家稱,“羅塞塔”號的這次火星改道成功是整個彗星探測計畫的“重要一步”。

“羅塞塔”號彗星探測器的無線電信號24日在靜寂近20分鐘時間後,位於德國西部的歐洲航天局控制中心終於再次收到它的信號。科學家聽到信號聲,不約而同鼓起掌來。

在近20分鐘的時間裡,“羅塞塔”號成功飛越火星,藉助引力場改道。“羅塞塔”彗星探測項目的負責人曼弗雷德·瓦爾豪特說:“‘羅塞塔’還在路上。”

最後一次加油

2009年11月13日,“羅塞塔”彗星探測器當天以最近距離飛掠地球,並藉助地球引力調整速度和軌道。這是它十年太空之旅中的第三次也是最後一次“回家”。

歐航局當天發表公報說,格林尼治時間2009年11月13日7時45分40秒(台北時間15時45分40秒),探測器以13.34公里/秒的速度從印尼爪哇島南部上空掠過,當時它處於距地球上空約2481公里,這次飛掠地球使其速度提高了3.6公里/秒。

此次飛掠地球是它到達目的地前的最後一次“加油”。

登入彗星

登入前期

這顆彗星的圖像就像一隻大黃鴨這顆彗星的圖像就像一隻大黃鴨

經過10年,超過40億公里的慢慢太空之旅過後,歐洲空間局(ESA)的羅塞塔探測器將在2014年月6日下午抵達它的目標——“67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星”(67P/Churyumov-Gerasimenko-簡稱C-G彗星)。

在不斷接近彗星的過程中,羅塞塔飛船上的相機也在不斷拍攝這顆小天體。其發回的圖像顯示這顆彗星的彗核直徑大約2.5英里(約合4公里),形狀非常不規則,看上去有點像一隻“橡皮鴨子”(rubberduck)。從外形判斷,其可能是由兩個冰凍塊體相互結合形成,或是在此前接近太陽的過程中不均勻“風化”導致的侵蝕不均形成的。

在2014年6月份,羅塞塔飛船對C-G彗星的水汽噴射率進行了觀測,結果發現其速率大約是每秒散失兩杯水的量,這樣它大約需要100天的時間可以填滿一個標準游泳池。隨著彗星不斷朝著太陽加速運行,其表面將會被加熱,水汽和其他揮發性物質的散失速度也將大大提升,從而形成壯觀的彗尾。

7月份,羅塞塔飛船對彗星進行了表面溫度測量,結果顯示其地表溫度約為94F,約合-70攝氏度。這一數字足夠高,證明其表面並非完全由水冰組成,有部分地表成分主要是塵埃或岩石,顏色較深,容易吸收熱量。

8月份,羅塞塔號探測器正在楚留莫夫-格拉希門克彗星62英里(約合100公里)內的軌道上運行。它的飛行時速是3.4萬英里(約合5.5萬公里)。

科學家們目前已經開列出一張包括5處候選地點的名單,這幾處地點中的一處將會成為人類首次登入彗星的著陸點。在2014年的11月份,羅塞塔飛船將會釋放其搭載的“菲萊”著陸器落向彗核表面,並使用特製的魚叉系統將自己固定在彗核表面之上,在地表進行各項科學實驗。

著陸點

“羅塞塔”探測器“羅塞塔”探測器

2014年9月15日,總部設在巴黎的歐洲航天局宣布,經過反覆研究“羅塞塔”探測器傳回的圖像及數據信息,專家們已經為著陸器“菲萊”找到了在彗星“丘留莫夫-格拉西緬科”表面的首選投放點。

彗星“丘留莫夫-格拉西緬科”外形看似由兩個組成部分“連體”而成,最大直徑約4公里,其不規則的外形條件並不利於著陸器的平穩投放。專家們起初在8月底選出5個候選著陸點,分別命名為A、I、B、J、C點,並通過分析每個候選地點的相關圖像與數據信息,於9月10日左右選出一個首選著陸點和一個備用著陸點。

被命名為“J點”的首選著陸點位於彗星“頭部”。與其他候選地點相比,J點所在區域的大多數斜面的傾角都小於30度,且周圍石塊數量較少,大大降低了“菲萊”在著陸時發生傾倒的風險;另外,該區域能吸收大量的太陽光照,可在“菲萊”電池初始電量耗盡後幫其充電,確保科學觀測活動繼續進行。備用著陸點C點位於彗星的“身體”部分。

與“羅塞塔”探測器分離後,“菲萊”將在德國宇航中心著陸器控制中心事先編輯並上載的指令控制下自主完成著陸;抵達彗星後,它將把自己固定在彗星表面,並傳回著陸點360度全景圖像,以幫助地面專家確定其最終著陸位置和方向。

首次登入彗星

2014年11月12日,經歷長達10年的太空之旅後,“菲萊”號登入器會嘗試降落在“67P/丘留莫夫-格拉西緬科”彗星表面,將是人類探測器首次登入彗星。

2014年11月12日凌晨3時30分,德國達姆施塔特的控制中心,分4次評估“菲萊”號登入器是否適合登入。“菲萊”號隨後會以時速3.5公里的速度,耗時7小時緩緩登入。

“菲萊”號著陸後會展開為期4個月的探測任務,分析彗星表面化學結構,觀察是否可能存在有機碳分子或水等能孕育生命的物質,以印證外層空間星體撞擊地球帶來生命的學說。

發現菲萊號

2016年9月2日,由“菲萊”號的母船“羅塞塔”號探測器拍攝的圖像清楚地展現了這架彗星著陸器及其三條“腿”中的兩條。這些圖像證實,“菲萊”號位於一個懸崖的陰影之下,它被卡在一條裂縫中,並且有一條“腿”懸在空中。ESA於9月5日對外公布了“羅塞塔”號探測器拍攝的這一批圖像。

失聯重回軌道

羅塞塔彗星探測器羅塞塔彗星探測器

歐洲空間局的官員表示,專注研究彗星的羅塞塔探測器上周末由於一個小故障而進行了一次緊急恢復。自2004年8月以來,羅塞塔探測器一直圍繞著67P/丘留莫夫—格拉西緬科彗星運轉,而就在上周六(5月28日),該探測器突然進入自保的“安全模式”,原因很可能是探測器無法鎖定遠程目標恆星,並且無法自行定位。ESA羅塞塔項目負責人PatrickMartin表示,上周六,他們與探測器失聯將近24小時。

航天飛行動力團隊的初步分析表明,探測器上的恆星敏感器鎖定了一個錯誤的恆星,也就是說,恆星敏感器被彗星周圍的塵埃干擾了。不過,研究團隊最終還是設法與羅塞塔重新取得了聯繫,使其功能重回正軌,穩定運行。羅塞塔探測器上裝載的恆星敏感器是使用自主恆星模式識別功能來控制探針的定位導航。當位置正確時,羅塞塔可以與地球上的地面控制基地進行相互交流溝通。而67P彗星不僅只是太空中的一塊岩石,它常常會噴射出許多塵埃與氣體,這些物質又會留存在冰態天體周圍的雲層中。

撞向彗星

太空遊歷12年,羅塞塔探索器的生命進入倒計時,開始執行最輝煌的使命—撞向彗星。當地時間2016年9月29日晚間,它以步行者的速度,開始緩緩下落,之後撞向彗星“67P/丘留莫夫-格拉西緬科”表面。

向這顆已圍繞運轉長達兩年的彗星獻上“謝幕之吻”後,“羅塞塔”將長眠於彗星表面,結束自己長達12年的探索旅程。在執行這個耗時約14小時的“終極任務”過程中,“羅塞塔”將站好最後一班崗,繼續向地面傳回其收集的各種數據,而科學家對這最後一段旅程中傳回的數據充滿期待。

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