探测器列传：40.星尘号
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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们书接上文呢 NASA 在上世纪 90 年代末发射了卡西尼惠更四号探测器这个探测器是非常贵的不仅仅是因为探测器本身很贵而且发射也很贵 维护运营也很贵毕竟它运行的年头多嘛前前后后它一共是花了 37 亿美元已经非常贵了

所以呢 NASA 就在卡辛尼探测器的后边排了一个比较便宜的探测器啊这也是一个多快好省的项目叫做星辰号它的主要工作呢就是从维尔特二号彗星的彗尾完成取样然后带回地球所以啊这个名字才叫星辰嘛啊星星的星辰吐的辰啊

这个维尔特二号彗星非常特殊这个家伙呢是在 1978 年被发现的它绕着太阳转一圈呢只要 6.4 年但是根据现在的轨道进行反推啊 1974 年的时候那个时候维尔特二号的轨道完全不是现在这个样子那时候它绕着太阳转一圈是 43 年但是

他一不小心就进入了木星强大的引力范围就被这个木星给拽了一下这轨道一下就改变了成了一颗靠近内太阳系的短周期彗星了

说白了在咱们太阳系之内你为土星木星这样的大家伙拉扯一下改变一下轨道想来也不是什么新鲜事了但是这个维尔特二号彗星无意之中就提供了一个绝佳的样本这个家伙以前是在太阳系的外圈运行它的轨道远地点是 25 个天文单位比海王星的轨道稍微要近一点

那儿的天体往往是比较古老这颗彗星有可能已经绕着太阳转了 45 亿年了因为它一直在太阳系外圈转悠这个地方比较冷所以这颗彗星才没有挥发殆尽如果它一天到晚靠近太阳地方飞那早就蒸发光了所以这颗彗星身上一定还携带着当初形成的时候留下来的那些原始的物质信息

过去人类想要对这种物质进行采样啊它是非常困难的因为这个探测器要飞到外太阳系它是一个非常漫长的旅程它往往是去了就回不来了

但是现在好了这是人家亲自送上门来了一个原本属于外太阳系的小天体被甩进了内太阳系而且距离地球还不太远从地球上派探测器去取样变得有可行性了所以呢 NASA 的科学家对这颗彗星就非常的重视那上一次专门发一个探测器去研究彗星还是 1986 年的哈雷彗星任务了

由于预算的原因后来的几个彗星探测器项目都被 NASA 高层给砍了所以这些科学家好说歹说把星辰号这个项目算是保下来了

星辰号探测器是洛克希德马丁公司研发的这个探测器不大大约是 1.7 米长 0.66 米宽当然了太阳能电池板伸开了就不是这个尺寸了但总体来讲是个比较小的探测器这个探测器上装了 16 个小发动机用于调整姿态和修正轨道一共是装了 80 公斤的燃料其他就是一些常规的科学仪器比如说粒子探测器比如说照相机

因为这个航天器本来尺寸就很有限了所以呢它和深空探测网络通信的那个天线呢直径也才 0.6 米比一口锅呀也大不了多少了哎对了这个探测器的头顶啊还顶着一个像闷烧锅一样的东西这个东西呢就是返回舱从彗星的彗化处收集的那些颗粒最终是要装在这个盒子里最后扔回地球反而呢

反正这个探测器呢也不算大啊咱就用德尔他二型运载火箭发射就够了这个运载火箭呢也要淘汰了就是打一次少一次了正因为这个火箭比较小因此呢这个星辰号还得戒除地球的引力玩几次引力弹弓所以呢这个过程也是相当漫长的

1999 年的 2 月 7 号这个探测器从卡纳维拉尔角发射了到 2000 年的 3 月份探测器上的这个气凝胶收集器就开始工作了开始收集星际尘埃要知道啊这个星际啊虽然是高度的真空但也不是空无一物多多少少还是有那么几颗尘埃颗粒的

这个过程呢就延续到了 2002 年的 12 月份这个探测器啊在此期间它一直举着个苍蝇拍一样的东西这个苍蝇拍上镶嵌着很多气凝胶如果碰上小颗粒的话这些小颗粒呢就会嵌在这个气凝胶之中这样的话呢就把这小颗粒作为样本给收集起来了而且吧这个苍蝇拍呢它也分正反面

收集星际尘埃只用了 B 面 A 面就没用上 2002 年的 11 月 2 号这个探测器从 3100 公里的地方掠过了一颗叫做 5535 的小行星而且还拍了照片这东西长得就像一颗巨大的草莓拜访这个家伙纯属是捞草打兔子烧的脚吧

到了 2003 年的年底也就是 12 月 31 号这个星辰号终于和维尔特二号就会合了这个星辰号就一头钻进了维尔特二号的会发所谓的会发呢就是围绕着彗星核心的一个巨大的尘埃和气体云

这个彗星不就是一颗脏雪球吗在阳光照射之下呢这个雪啊它是会直接升华的它会喷出大量的蒸汽顺便把很多尘土颗粒也就带到了彗星周围就像彗星长了一个一层毛一样所以叫彗发哟

又过了两天是 2004 年的 1 月 2 号美国东部时间 14 点 40 分星辰号在 240 公里的距离上就飞过了维尔德二号彗星的核心还拍了不少照片这个彗星的核心长得有点像个巧克力豆但是不知道被谁咬了一口有个大活口它大小不过才 5 公里

本来大家以为啊这么个小天体应该是个蓬松的脏血球现在看来不是看来这颗彗星的核心还是挺硬的

大家从后来传回来的照片上看见了房子大小的岩石而且呢在这个汇合上还有山峰还有陨石坑它每靠近太阳一次就会急剧的向外喷发所以很多地方呢出现了因为喷发侵蚀而形成的大坑最深的地方能有 100 多米而且这颗汇合上还有 20 多条活跃的喷流在向太空中喷热着气体和尘埃

星辰号在穿过这个喷发密集区的时候每秒就会遭到 100 万个粒子的撞击其中有 12 个还穿透了探测器的保护层由此可见这些微粒子速度有多快要捕获这些快速喷射的粒子咱就得把那个苍蝇拍的 A 面拿出来

这个苍蝇拍的面积其实不大有效的收集面积也就是 1000 平方厘米大家可能对这个数字没什么概念就是两张 A4 纸大小里边装满了纯二氧化硅制成的气凝胶这个气凝胶的密度只有玻璃的千分之一因为它浑身全是大窟窿小眼窟窿比较多

来自绘发的那些微小颗粒撞进气凝胶以后就被气凝胶给包裹住了这样的话呢就把粒子给捕捉下来了这个过程呢比较柔和不会改变尘埃粒子的形状也就是说呢这个尘埃粒子是不会被撞碎的也不会蒸发的

这个苍蝇拍一边捕获粒子一边把各种数据传回地球按照最初任务小组的预计这个探测器进入到绘发里边的时候这个粒子数就会均匀的增加离开绘发的时候粒子数就会减少这很符合大家的想象是吧但实际上传回来的数据就不是这样这个星辰号是先穿过一个粒子群然后经历了一个空白区而又遇上一群粒子它分两波这个

这个星辰号在维尔特二号彗星的汇发里边持续采样了六个小时然后探测器把这个舱硬盘啊藏进了返回舱里边等着两年以后路过地球的时候把它扔回老家 2006 年的 1 月 15 号这个星辰号有机会接近地球然后呢它就扔出了这个返回舱这个返回舱的速度就达到了 12.9 公里每秒它已经达到第二宇宙速度了呀

它是进入大气层最快的人造飞行器在地表上空 125 公里的高度开始了载入过程最后是开降落伞安全降落这颗返回舱就掉在了美国犹他州的大盐湖沙漠算是顺利的回收了这个探测器本身还有别的事呢它一拐弯奔着 Tamper 1 号彗星就去了主要工作是完成了但是后续还有很多工作要做

这个星辰号扔下来的返回舱并不大它的质量只有 43 千克说白了就是 86 斤也不需要什么特殊的回收装置只是这个返回舱表面几乎都被烧糊了穿过大气层的时候被烧的所以现在的温度还挺高你不能直接拿手摸你得戴个厚手套你得等它凉一会儿然后擦擦干净然后找三个壮汉一人拎着一个脚直接就给抬走了

然后把这个东西装上了直升机运走后续的工作就必须小心翼翼了在开箱取出样品之前你必须搭设一个临时的捷径式你千万不能让地球上的东西污染了这些样本取出样品罐以后就要连接到净化系统上整个净化系统会像这个气凝胶盒子里面不断的吹入超纯的氮气

等到一切处之妥当以后把整套设备空运到 NASA 的约翰逊航天中心在约翰逊航天中心呢有一个专门为星辰号建立的实验室可以对这些气凝胶进行光学扫描寻找那些捕获的颗粒以后所有的活动呢都必须在这个充满纯净氮气的环境下进行说白了还是怕外界有东西污染嘛

这个实验室是超级的干净达到了所谓的 100 级也就是每立方英尺空气中仅允许存在 100 个大小为 0.5 微米的颗粒所以呢叫做 100 级

气凝胶这个东西最早是 1931 年北加州太平洋学院的一个研究人员发明的他是先把二氧化硅和某种液体混合好了放在模具里面然后加热去掉液体剩下的二氧化硅呢就变成了一个中空的网状结构这个东西的密度非常非常非常小

美国的 NASA 呢经常要用到这个玩意儿所以他们就去自己制造了这种特殊的气凝胶这次呢星辰号的气凝胶收集装置还是一位华裔科学家设计的他叫邹哲啊

这种气凝胶呢就像是固化的蓝色烟雾早年间航天飞机就经常带着这种气凝胶呢到太空里面去收集各种颗粒因为它密度非常小所以它传热的效率非常非常非常非常低因此呢气凝胶后来还被用到火星漫游车上充当了隔热材料我们现在知道了这个星辰号收集的这些汇放喷出来的颗粒啊这些颗粒的速度其实非常非常非常快

相对速度达到了 6.1 公里每秒你要知道啊一颗步枪子弹它也没有这么快的速度步枪子弹的速度撑死了也就是一公里每秒的样子如果弹头真的有这么快速度那多厚的钢板都拦不住它而且子弹撞上以后直接就气化了所以大家也就明白要想在这种极高速度下把这些小颗粒拦下来你就不能让它随随便便气化了冒烟了这就不行

而且呢你不能让它撞变了形这件事还是很难的好在呢这些颗粒都非常非常小尽管它速度快但是它整体能量并不大它撞进氢凝胶以后这动能就很快会损失掉

这就会在气凝胶里面打出一个长长的轨迹这个轨迹的形状呢有点像个胡萝卜它的长度可以达到粒子尺寸的 200 倍所以呢只要你在气凝胶里面看到一个胡萝卜一样的轨迹它的顶端就一定能捕捉到一个颗粒

星辰号任务用的这个气凝胶它不是长得像一个蓝色的烟雾吗它的透明度还是不错的所以这种粒子留下的轨迹能够被看见只不过这事儿呢不能靠你肉眼来看得靠显微镜啊得靠扫描仪这个气凝胶收集到的颗粒非常非常小最小的一微米最大呢大概是一毫米科学家们就把注意力集中到了直径在 15 微米左右的那些颗粒

要从 130 多块气凝胶里边把这些颗粒一个一个的挑出来实在是一个非常枯燥的精细活儿

一般镊子还没这么细必须用乌丝纤维把它们一个个取出来前前后后要花很长很长的时间你操作的时候还得小心加小心呢你大气都不能出啊你这喘口气咳嗽一声那颗粒就跑了星辰号上用的那个苍蝇拍差不多是个圆形反正正反两面呢都有小方格子每个格子里面放着一块气凝胶

A 面和 B 面的快速是一样的但是 A 面的气凝胶厚度是 3 厘米 B 面的气凝胶是 1 厘米除此之外就没什么差别了把这些颗粒全取出来以后整个的研究过程是十分漫长的按理说这颗彗星是在远离太阳的地方生成的它是一个脏血球那么这颗彗星的主要成分应该是由比较轻的元素组成的星际尘埃

但是吧科学家发现吧这颗彗星的尘埃里边有硅酸盐颗粒后来呢又发现了橄榄石橄榄石就是硅酸铭和硅酸铁组成的晶体这种晶体必须是在高温下才能生成

咱们地球上那个橄榄石啊都是因为火山喷发给喷出来的后来呢他们又发现这些尘埃里边含有硅啊铝啊钛啊等等金属元素组成的盐类晶体

这玩意儿也只有在高温下才能生成它不是随随便便就能长出来的那么问题就来了在彗星产生的地方可全是天寒地冻啊它哪有这么热的环境呢所以这个发现很有可能就会改写彗星与行星的起源理论

现在呢有些科学家认为啊这个现象其实并不新鲜这些在高温下才能产生的颗粒其实来自于我们太阳系的前一代说白了咱们这个太阳啊

它不是个二代目就是个三代目反正不是一代目它并不是宇宙大爆炸以后形成的第一批恒星因为第一批恒星是非常非常非常非常干净的它们就是纯粹的氢和氦两种元素组成的锂元素大概还能有那么一点点也不是太多

这些恒星里边不可能存在其他的重金属元素当然了恒星内部它是有核聚变反应的会逐渐生产出更重的元素在这颗恒星生命的尽头最后它死了一般来讲呢它不是把所有的气体尘埃都抛出去就是发生超新星爆炸嘛反正是把东西都扔出去了

最后抛射出去的这些物质就为下一颗恒星的诞生做好了充足的准备这些气体和尘埃总归还是在引力的作用下会逐渐收缩最后在这一大片星云之中产生第二代恒星咱们的太阳有可能是二代也有可能是三代反正它不是第一代

现在呢维尔特二号彗星中残留的这些重元素成分很有可能就是前一代恒星的星系系统留下的某些残渣

但是吧这话又说回来咱们太阳系本身也是可以产生这种橄榄石晶体的最起码怎么地球上就有很多是吧那么这些微小的晶体有没有可能就是咱们太阳系自己制造出来的呢毕竟内太阳系不缺乏这样的高温环境你靠太阳近点嘛那温度不就高了吗

那么好了如何分辨这些成分是前一代星系留下来的还是这一代太阳系制造出来的呢这个嘛还是有办法的那就是分析这些元素的同位素的比例

最后呢大家发现从星辰号采集回来的那些尘埃里边有极少数来自咱们太阳系的前身有大多数还来自于内太阳系的物质那这可是按下葫芦起了瓢哦那么这些诞生于内太阳系高温环境下产生的物质是怎么跑到科伊波带那么老远的地方去呢

科学家们认为有可能是在咱们太阳系诞生的早期这个时候这片星云还处于混沌状态呢那个时候的太阳系可不是像现在这样一个个孤立的星球彼此之间离得老远那时候内外太阳系它是有物质交换的说白了就是有气体对流存在

当然了目前这种说法还只是一种猜测毕竟证据还是太少了另外呢科学家们还在这些尘埃之中找到了一些含硫成分的颗粒甚至还找到了黄铜矿的颗粒这个黄铜矿是不太可能在干燥的空间中自己产生它不可能

必须是在液态水里边才能生成而且温度还不低它必须达到 210 摄氏度也就是说它必须在一个温度远远超过地球上开水的湿乎乎的环境里边才能形成那麻烦了啊这个彗星不是脏雪球吗它温度都很低的呀它怎么可能出现液态水呢而且这温度还比开水高

所以科学家们怀疑是这颗彗星被撞了撞击产生的热量使得这个脏雪球的局部发生了融化出现了液态水而且温度还不低这颗小小的黄铜矿颗粒就是在这种情况下诞生的过一阵子这个彗星又被冻结成了大冰嘎的再次变成了大雪球那可完蛋了这下坏菜了呀

那为什么科学家们要研究彗星呢就是因为大家默认这颗彗星上保存着这些颗粒一定是来自于远古时代的太阳系它们被传承了这颗彗星以后呢这些颗粒本身就一如既往没有什么变化所以它们才能作为远古时代的样本被科学家拿来研究那现在倒好好彗星上某些成分可能是后来重新生成的它不是远古时代留下来的黄化石哦

哎这下坏了那么以后还得增加一道工序咯就得区分彗星上哪些成分是远古时代保留下来的哪些成分是后来生成的嘞

这不是平添了一道麻烦吗不是添堵吗这是不管怎么说吧科学家们对这些颗粒的研究还会继续他们还会考察这颗彗星上有没有有机物啊这个有机物跟咱们生命有没有关联呢他们还会继续寻找前太阳系的颗粒反正每一项工作都很复杂要再整理出点眉目可能还要再过个几十年

你别忘了啊到现在还有人在研究阿波罗计划时代从月球上扛回来的那些岩石呢这些岩石估计够科学家们再研究个几十年所以星辰号的这些尘埃颗粒啊再研究个几十年也不新鲜啊

当然了星辰号的旅程还在继续因为它还有一个目标要去拜访那就是坦普尔一号彗星它为什么要去拜访这颗彗星呢因为 NASA 在 2005 年执行了一次深度撞击任务有一颗探测器狠狠撞了这个家伙一下所以星辰号要飞过去看看到底撞成啥模样了有关这档子的事咱们下回再说

科学声音