2015年2月3日

揭開太陽系與生命之謎團 菲萊登陸彗星

作者/林忠義( 2007年畢業於國立中央大學天文所,2008~2011年為西班牙CSIC-IAA的博士後研究員! 2011年回臺灣,目前於中央大學天文所擔任助理研究學者,專長為太陽系小天體的觀測與研究,在Rosetta任務中為OSIRIS與COSIMA兩項儀器的associate scientist)

經過十年的飛行之後,臺北時間2014年11月12日晚上,歐洲太空總署(ESA)羅賽塔太空船所攜帶的登陸器「菲萊」(Philae),成功軟著陸編號第67號彗星楚留莫夫– 格拉希門克(67P/Churyumov-Gerasimenko),成為人類史上首次著陸彗星的探測器。

人類曾經成功登陸在行星、衛星以及小行星的表面,但從未嘗試過在一顆彗星上著陸。因為彗星的引力場很弱,是由非常鬆散的冰和少量岩石組成的小天體,外形也非常不規則,登陸的難度很高。此次菲萊登陸器成功登上彗星,意味著人類在太空探險中又向前邁出一大步。

羅賽塔的太空任務
2004年3月, 羅賽塔太空船(Rosseta)順利發射升空,經過幾次引力加速(三次地球,一次火星),先後成功飛越小行星Stein(2008年9月) 與Lutetia(2010年7月)。在此之後,為了節省能源,太空船在2011年6月距離太陽約8億公里遠(約5.3天文單位)進入深度睡眠。在休眠31個月後,羅賽塔太空船於2014年1月20日UT 18時18分(臺北時間1月21日凌晨2時18分),成功收到被ESA喚醒的訊號(距離太陽約6.7億公里遠,距離彗星約9百萬公里)。此後,太空船展開這趟任務最關鍵也是最後的旅程。

其實,羅賽塔任務原定在2003年發射,2011年到達彗星46P/Writanen,但是2002年底,即將搭載太空船設施的亞利安五號(Ariane 5)火箭發射失敗造成了羅賽塔任務的延誤。ESA因此更換探測目標,編號第67號彗星楚留莫夫– 格拉希門克成為人類探索史上的幸運兒。

2014年3月底由OSIRIS(光學、分光與遠紅外成像系統)拍得第一張彗星照片(距離彗星約5百萬公里)。在不斷接近彗星的過程中,太空船上的相機拍攝了大量彗星的照片,也由於距離縮短,使得太空船在7 月(距離彗星約1萬2千公里)得以解析到彗星的形狀,一只橡皮鴨子(rubber duck)形態的彗星被OSIRIS捕獲到。從外形判斷,其可能是由兩個緊密的個體相連而成,或是在此前接近太陽的過程中不均勻「風化」導致的侵蝕不勻。8月6日為任務歷史性的一刻,因為這一天太空船終於進入彗星楚留莫夫– 格拉希門克軌道中,而這一刻科學家等了10年5個月又4天,總共飛了近64億公里!

進入彗星軌道之後,太空船上的儀器全力為另一個富有野心計劃的任務做足準備,這計劃就是讓菲萊登陸器直接降落在彗星上!經由數個月詳細探測,綜合考量著陸地形、可抵達性、危險係數(大小石塊分佈)以及潛在科學價值後,ESA於9月中從五個候選地點中選定J點為登陸點,這是有史以來科學家第一次嘗試「輕輕地接觸彗星」,此地點最後被命名為阿吉爾奇亞(Agilkia)!

菲萊的登陸「劇場」
羅賽塔太空船在11月12日UT 8時35分(臺北時間11月12日下午4時35分)與菲萊登陸器成功分離,並以接近步行速度(每秒鐘1公尺)向彗星而去,此時距離彗核中心22.5公里。出發大約兩小時後,菲萊與羅賽塔建立聯繫,並傳回相片與科學資料。在7小時的下降過程中,菲萊拍攝照片,並且對靠近彗星的塵埃、氣體和電漿環境進行調查。在安全抵達彗星表面後,菲萊的任務是要對附近環境進行全景拍攝和其它調查。

菲萊於當天晚上11時34分「第一次」登陸彗星。由於訊號傳到地球需要28分20秒的時間,位於指揮中心的科學家們在11月12日 UT 16時3分,才能得知是否安全抵達彗星表面(臺灣時間11月13日凌晨0時3分)。

事實上菲萊在釋放前曾有過一番掙扎。登陸前一晚,控制系統電腦出現故障訊息,重新開機後,故障被修復,此菲萊團隊決定按照計劃登陸彗星。不過此時第二個問題又出現,菲萊的推進器(thruster)出現故障訊息(這推進器所噴出的氣體,會讓菲萊因噴氣的反作用力而被壓在彗星表面),而另一個保護措施魚叉(harpoons)在著陸後也沒有按計劃射出固定,於是乎菲萊就在彗星上彈跳兩次才順利降落。這降落地點比預期的阿吉爾奇亞登陸點還要遠約一公里,從傳回的全景照片看到菲萊處於在彗星上一處峭壁陰影中,且三個用於支撐與鑽探彗星表面的支架,其中一個可能是懸空。由於處在陰影中,菲萊的主電池只能維持64小時,在那之後,菲萊必須依靠太陽能電池才能持續工作。

而目前所在位置在每天(一個彗星日約12.4小時),只能有一個半小時的太陽照度(原先預期有6~7小時),無法讓第二顆電池充電,只能看主電池電力一點點耗盡,終於菲萊在臺北時間11月15日早上8點36分進入休眠狀態。所幸休眠前菲萊有兩小時「清醒」時間,菲萊把著陸後所獲取的實驗數據都傳回地球,也趁最後一次通訊把面積較大的太陽能電池板旋轉35度後朝向陽光,菲萊團隊預計2015年春天,登陸點有充足的陽光後,能重啟菲萊。

菲萊科學結果
資料蒐集至2014年12月。
羅賽塔著陸器成像系統(ROLIS)從預定登陸點傳回的影像,得知阿吉爾奇亞表面附近有覆蓋著塵埃、碎屑,以及分佈著各大小岩石(從5公尺到影像解析力可達到的1公分大小分佈)。一些碎屑顯示可能為石塊裂解而來,另一區看起來有凹陷的地方則是被懷疑為彗星表面物質揮發後的所造成坍縮的證據。

表面與表面下科學多用途探測儀(MUPUS,地表及地下多用途科學傳感器)在3.5小時的採集工作中的帶來了驚奇。MUPUS的錘柄能夠深入到彗星表面以下約40公分,然而從它傳回的數據中,在10~15厘米厚的塵埃層之下,似乎存在堅硬的冰塊讓錘柄無法再深入其中!這些堅硬的物質(密度類似於壓實的雪或者粉末)與科學家所期待的較鬆散的地層(彗星密度顯示約為水的一半不到)有顯著的差別,但也可能這麼硬的冰塊,是菲萊最終落腳的這片寒冷黑暗的區域所獨有的。

托勒密∕彗星採樣與成分實驗件(Ptolemy/COSAC)受益於菲萊在彗星上的彈跳,在彗星兩個地點做了八次樣本採集,這個設備設計利用地表下的採樣樣本分析其化學物質,測量同位素的相對豐度。資料顯示水與有機分子為樣本主要成分。Ptolemy/COSAC團隊未來會將結果與地球上的測量數據做比較,藉以分析彗星的成分是不是地球生命來源,例如胺基酸和水是否是彗星帶到地球。 

羅賽塔著陸器磁強計與電漿體監測儀(ROMAP)的資料顯示,三次降落都明顯的讓磁力計發生變化。除此之外還可以從儀器資料,量得菲萊登陸器的自轉速度(spin rate)。從分離的5分鐘轉一次到降落前的8.5分鐘,而第一次降落後自轉速度提升到13秒轉一次,原因可能是因為菲萊登陸器單腳先觸地或者碰到凹谷邊緣,而讓自轉速度增快,第二次觸地後再彈起時自轉一次時間則為24秒。

結語
多年來,科學家努力藉由太空探測尋找彗星、小行星、月球、火星等天體的水和有機物質的訊息,羅賽塔任務也不例外,其中的菲萊登陸器更從「太陽系的時間膠囊」中直接取得數據,科學家相信藉由菲萊登陸器休眠前的探索及持續繞行彗星的羅賽塔上儀器所獲得的科學成果,可以讓人類對於46億年前太陽系的起源與地球生命誕生時所需的關鍵成分(水和有機物質)有更新的認知。

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