探测器列传：41.深度撞击
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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这个星辰号把返回舱扔回地球以后它自己一拐弯就奔着 Tamper 1 号彗星去了这是它的下一个观测目标而且是重复观测这个 Tamper 1 号彗星刚刚遭到了一次撞击 NASA 发射的深度撞击号探测器扔出一个铜嘎的狠狠的撞进了这个脏血球

这个探测器只能一掠而过拍摄照片的时间窗口是不长的因此就有必要派星辰号拐个弯再去看一趟那么这个深度撞击探测器又是什么来头呢您别急您就容我慢慢说咱们先前在讲星辰号的时候已经讲到了研究彗星的意义

主要是研究彗星不需要花太多钱成本相对比较低那个时候 NASA 和欧空局都策划了彗星探测项目 NASA 有星辰号有深度撞击欧空局也有罗塞塔号日本人对小行星和彗星的探测也有兴趣他们就搞了一个损鸟号探测器

这个罗塞塔号计划非常精彩欧洲人计划让这个探测器放出一个着陆器降落到一颗彗星的表面这个探测器本体也不离开就跟着这个彗星绕着太阳转圈就看看这个脏血球到底是如何蒸发的如何膨胀成那么巨大一个彗发从头到尾的咱们观摩一遍

正因为这个计划太大太复杂了所以这个探测器是又大又重它只能用当时欧洲最大的火箭阿里亚纳五五型重型运载火箭来发射但偏偏这个阿里亚纳五五型运载火箭它一拖再拖它始终搞不利索原本这个罗塞塔号计划是在 2003 年发射但是没想到硬给错过了发射窗口期了所以这时候你想拜访原来的那颗既定目标就已经不可能了

欧空局后来就找了另外一个彗星作为探测目标这个家伙的名字叫做楚留莫夫·格拉西门克彗星罗塞塔号是 2004 年发射预计要在太空里飞行 10 年才能和这个家伙碰头这是一个漫长的等待过程所以有关罗塞塔号我们暂且按下不表以后再来讲它

这个深度撞击任务是从 1996 年开始策划的当时的技术还不成熟工程师们对这个目标还有些犹豫咱们真的能够准确的让探测器撞上 TEMPUR-1 号彗星吗到了 1999 年工程师们大致已经确定这个目标是可以实现的技术上没问题

这个计划就被列入了 NASA 的低成本探测计划这也就意味着这东西又是用那个德尔塔二号来发射啊这个探测器大也大不能让你去啊执行的任务相对来讲也是比较简单的这个坦普尔一号彗星啊是 1867 年 4 月份由德国的天文学家叫恩斯特威廉勒伯莱西特坦普尔发现的当

当初在发现的时候呢这个坦普尔一号彗星呢是 5.68 年就绕着太阳转一圈

后来大家发现这个坦普尔一号彗星的轨道有时候会非常接近木星轨道它时不时就会和木星遇上以至于它的轨道周期经常会受到木星引力的影响而发生改变这种情况在 1881 年就发生了一次结果轨道周期就延长为 6.5 年而且近日点也发生了改变距离还增长了 5000 万公里

这次轨道变化就导致这颗彗星从地球的角度观测变得相当困难当年的天文学家再想继续跟踪它的轨道就变得不太可能了所以这颗彗星就被弄丢了有人猜测是不是这颗彗星它已经解体了它碎了所以我们找来找去找不到呢

一直到上个世纪的 60 年代美国的天文学家叫布莱恩·马斯登在考虑到木星的扰动之后借助精确的彗星轨道计算重新找到了这颗坦普尔一号彗星啊它当时的轨道周期是 5.5 年啊所以这个家伙的轨道还真的有点怪所以啊坦普尔一号彗星这个目标还是挺有意思的啊

深度撞击探测器分为两个部分一部分就是探测器本体另一部分就是撞击器了这个探测器交给科罗拉多的一家公司去研发整个研发过程大概要花 3.3 亿美元这笔钱对于深空探测器来讲已经算是比较便宜了其中有很大一部分时间都花在写代码上最后这颗探测器还是交由帕萨迪诺的喷气推进实验室去进行管理和运营

想当年 1986 年的时候哈雷彗星回归很多国家都专门发射了哈雷彗星探测器包括日本发了两个苏联发了两个欧洲还有一个美国人是临时调动了一颗探测器去探测哈雷彗星这档子事咱们以前都讲过

经过一系列的近距离观察大家发现哈雷彗星的表面相当的黑它的反射率只有可怜的 4%月亮的反射率还有 12%哈雷彗星闹了半天只有月亮反射率的 1%这个亮度是很可怜的一般来讲像岩石、尘埃这些东西的反射率都不高尤其是粗糙表面会导致反射率更低

你要想提高反射率呢就得物质比较白比较亮比如说冰雪就符合反射率高这一条而且冰雪还特别平整它反射更厉害

可是呢有一条冰雪特别容易挥发特别是这个彗星啊它不就是个脏雪球吗它每次靠近太阳就要蒸发一次每次靠近太阳就蒸发一次你绕的圈数多了呢那很多物质就已经蒸发光了哈雷彗星为什么会这么黑呢就是因为它那冰雪都已经蒸发殆尽了

所以我们由此反推哈雷彗星的岁数是非常大的尽管这颗彗星名气大但是它已经不具备彗星的典型特性了它是一颗比较老的彗星而且科学家们也在哈雷彗星上看到了陨石坑也看到了山峰同样星辰号在彗核上也看到了陨石坑的存在

有些人认为这个彗星的核心是有一整块粘性物质组成的这样的一整块石头它还是比较结实的有些人认为彗星的核心实际上是一堆碎渣子松散的粘在了一起它一碰就碎到底哪一种理论是正确的呢目前看来彗星的内核还是比较硬的多新鲜呢你都让人撞出这么大一坑了你还没散架子这就说明你的核心还是比较瓷实的

可惜我们都没有目睹过这种形成陨石坑的全过程如果能够亲眼一见那不就更好了吗美国人发现你要想从里到外把一颗彗星的整个结构都搞清楚对彗星的内核有一个更深的了解那就只能靠撞击的方式在彗星上主动制造一个大的撞击坑把彗星的内部物质给它翻出来

因此呢才有了这个深度撞击计划科学家们就在地面上做了很多计算模拟做了很多撞击实验借此呢就发展出了一整套仿真理论他们最后得到一个结论只要这个撞击器以每秒 10.2 公里的速度撞击行

形成的这个陨石坑就一定是个圆坑咱们的地球和月亮都是非常庞大的行星它们遇到小行星撞击的时候整个地面会因为撞击的高温而产生融化它会产生一个巨大的涟漪这个涟漪的中心呢它是个波啊它是在振动啊它是先凹下去然后再反弹它中间会出现一个小间接

恰好在这个时刻大地差不多就已经冷下来了凝固了于是这个小尖尖鼓起来以后它就下不去了它就保留下来了所以我们在环星山的中心经常是可以看到一座小山峰的但是话又说回来这个彗星它实在太小了如果我们用一个弹丸去撞击它的时候它是不会有中间这座小山峰的而是得到一个比较圆的比较深的坑就像一个大锅底

在撞击的时候会产生大量的热量所以表面是会发出闪光很多冰雪也会被蒸发变成蒸汽抛洒到太空之中我们根据喷出来的物质根据发出的闪光就可以断定它到底是什么成分它的软硬到底如何当然了如果你这个撞击器打得非常准你完全是对着中心打的那么对整个彗星的自转就不会造成什么影响了

如果你打歪了有可能彗星的自转都会被人类轻微的改变

这种事会不会发生我们不知道那只有撞了以后再说了这个探测器上的仪器相对来讲比较简单它拥有太阳能电池板有通讯天线有可见光相机有红外线探测器还有光学导航中制因为彗星很小你要经过精确的导航才能靠近它因此这个探测器上还装了一个火箭发动机用来提供变轨的动力

对了这个探测器还得带一个防尘装置这毕竟要深入到彗星的彗发之中这个彗发的尘埃颗粒实在是有点多它得防一防你别看彗星的核心只有几公里大但是整个彗发的范围可以达到上万公里这个防尘罩它是必备的

这个撞击器的直径有一米多整个差不多就是个大铜块底座是铜的它的重量达到了 372 公斤这个大铜块的重量就占了整个撞击器重量的 50%这家伙他外形像一口水缸里边装了一个摄像头是用来引导和拍照的屁股后边也有火箭发动机

科学家们根据光谱就确定了这颗彗星的主要成分发现这颗彗星上是缺乏重金属物质的彗星的内核非常小它不太会形成分层也就是说它的表面成分和内心里边的成分差不多是完全一致的像地球和月亮这种大行星那就另当别论了它的表面和内核成分就不太一样

他不管怎么说吧科学家们就认定这颗彗星表皮上是肯定没有含铜的物质的想来内核里面也不会含铜所以呢你弄个大铜块撞到上面

我们观察的时候就很容易区别哪些成分是人类给撞上去的哪些成分是原来彗星自己就有的这有利于观测这个撞机器的体积和重量都不算大所以不会把彗星撞碎

充其量它只能在彗星的表面留下一个撞击坑而且也不太会影响这颗彗星的轨道因为这颗彗星的直径有 6 公里所处的地带又非常寒冷所以即使冲击产生大量的热制造了大量的水蒸气它也很快就会凉下来撞击以后喷发出的各种物质和残骸覆盖的范围充其量也就是 200 米范围吧

这个探测器本来是 2004 年底发射因为要进一步调教软件代码所以发射时间就推迟到了 2005 年的 1 月份到了 2 月份就完成了第一次轨道修正到了 4 月份探测器在 6400 万公里的距离上拍到了 Tamper 1 号彗星的照片

5 月份他就完成了第二次轨道行程到了 6 月中旬这个探测器已经靠近了坦普尔一号彗星还拍摄了彗星的两次爆发也就是喷出大量的尘埃和气体到了 6 月 29 号这时候离撞击差不多还有五天时间了

探测器本体上带的摄像头一刻不停的就盯着这个 Tamper 1 号全世界各大天文台的大口径望远镜也都对准了这颗彗星大家都在等着拍摄撞击以后发出闪光的那一刻

这颗彗星呢是有自转的所以撞击以后那个撞击痕迹会随着彗星的自转转到反面去这样的话呢就没有办法观测了所以观测的机会转瞬即逝大概只有 14 分钟的窗口期你得抓紧时间去拍照片

到了 7 月 3 号这探测器本体就把撞击器给扔出去了在扔出去的同时这探测器自己本身也发生了轨道偏移从正对着坦普尔一号彗星变成了擦肩而过了

撞击器自己带着小发动机前面开着摄像头就开始精准的对准 Tamper 1 号彗星这个撞击器就是一边拍照一边靠近 Tamper 1 号它拍摄的照片要通过探测器本体回传到地球就在 7 月 4 号的凌晨 5 点 35 分撞击器撞上了 Tamper 1 号彗星在撞击之前的三秒钟撞击器还回传了最后一张照片

接下来的几天里边探测器本体就要把这些照片全部发回地球一共是 4500 多张发送的过程也得花上好几天时间正因为撞击速度足够快所以这次撞击产生的能量达到了 5 吨 TNT 当量这是一个非常大的能量撞击时刻这颗彗星比平时亮了 6 倍产生了强烈的闪光

按照以往的程序这个喷剂推进实验室的科学家们又一次在控制大厅里面鼓掌欢呼他们又成功了

这是一次精确的迎面正碰误差还不到一米效果远好于预期撞击产生的巨大火光给探测器本体的两个照相机提供了非常好的拍摄光源那叫一个亮你别看闪光时间只维持了一秒但是那个 372 公斤的大铜块在这次撞击过程中已经彻底蒸发了

根据探测器发回来的照片这个 Tamper1 号的外形是不规则的而且还分布着一些坑长得就像一个坑坑洼洼的大土豆

这次撞击在彗星上留下一个坑有可能这个坑都有 30 米深科学家们后来再去分析研究发送回来的数据就发现这次撞击造成的爆发实际上是两次第一次产生了很小的物质喷发很容易被大家忽略掉紧接着又产生了第二次喷发就变得特别明显而且亮度一下提高了好几倍

这个现象证明了 Tamper 一号彗星的彗合实际上是分层的表面一层是非常松散的物质这一层被撞到的时候很快就挥发了而且不太显眼但是彗合的内部是一些比较坚硬的物质所以撞击器撞到这一层比较坚硬的物质的时候就发生了强烈的闪光

科学家们推测这内核比较坚硬的这一层物质才是来自于太阳系诞生之初的原始物质 7 月 4 号是美国的国庆日按理说这天应该放假但是这天喷气推进实验室的人肯定都在加班这天早上 8 点钟地面上的科学家就给出了最基本的简报撞出来的那个大坑深度大概 30 米直径大概是 100 米这次撞击的威力实在是不小

负责伽玛射线观测的宇燕卫星也发挥了不少数据根据数据分析 Tamper 1 号彗星冒烟冒热气足足冒了 13 天第五天是冒得最厉害的一天所以呢这件事就说明了多波段观测的重要性在可见光领域的现象可能并不是事情的全部你觉得这烟一冒一阵就完了过去了

实际上你换到伽马视线波段可能就不是这么短有可能冒很长时间这次撞击也证明了这颗彗星还有更多的尘埃颗粒更少的冰这与科学家们事先的预料是不一样的

而且科学家们也发现这颗彗星有 75%的体积都是空的这就说明它的表面疏松而且多孔这层浮土还是比较厚的特别磁石的内核其实体积不大当然了科学家们对深度撞击后拍摄回来的照片还是不太满意觉得分辨率不够高而且灰尘干扰也比较大

所以后来科学家们就又调动星辰号对 Tamper 1 号彗星进行了第二次拜访这个星辰号拍摄到了相对比较清晰的照片那个灰都散掉了根据比较精确的测量那个坑的直径不是 100 米是 150 米而且隐隐约约在这个坑的中心能看到一个小尖尖

按理说呢这种规模的撞击是不会产生这个中心锥的

会不会是那个撞击器也就是那一大块铜啊它还没完全蒸发它多多少少剩下点残骸恰好就在这个位置上呢那这个就没准了不过目前的照片上实在是看不太清楚至于深度撞击探测器本体它还有后续的扩展任务它后来呢又进行了几次轨道修正去拜访了两颗彗星一颗呢叫做伯伊廷另外一颗呢叫哈特雷二号

后来这个深度撞击探测器在利用地球做引力弹弓拐弯的时候科学家们突然发现这个伯伊廷彗星啊它没了找不着了有可能这颗彗星它碎了所以这次拜访任务就只能告吹了至于哈特雷二号这趟拜访倒是挺顺利还拍摄到了不少照片从照片上可以看得出这颗彗星长得像个花生这腰上明显细了一大圈

而且这颗彗星上还有好几个喷发点正在向外喷发气体和尘埃不过呢话又说回来啊干这些后续的任务不过是这颗探测器在发挥余热罢了它的主要工作早就完成了

当然了科学家们手头还有一大堆的数据要处理整个项目一直持续到了 2006 年 3 月份才宣告结束也就是说 NASA 不再往这个项目上投钱了这项目也就 game over 了总的来说这个深度撞击探测器项目从头到尾执行的还是非常顺利非常成功的甚至有点超出预期

相比之下这个日本人的损鸟号呢就打了折扣了这个损鸟号啊是第一个从小行星上采样返回的航天器尽管这一路上走得磕磕绊绊时不时就掉链子但是我们依然得承认呢日本人在这方面是走到了前面的

日本人遇到的难题非常多这颗名字叫做斯川的小行星啊它引力太弱了你也不可能像美国的星辰号那样从绘发里边捞点粒子回来就行因为这个家伙是小行星小行星它不长毛它没有绘发

所以这颗探测器实际上是要不断的接近接近再接近然后保持跟小行星同步找机会伸个爪子在小行星上抓一把土然后就磨头就跑

我们说起来容易你真要做起来就太难了因为这个小行星的外形啊它不太规则比如说吧这颗名字叫做斯川的小行星它的外形就长得像个烤白鼠它细长条中间还打了个弯它的引力场分布就不太均匀呢你还得先绕着它多转几圈对它的重力环境进行探测否则你真的很难降落

同时呢这家伙还在自转你还得搞清楚他到底让哪个走转呢你只有把这些事情都搞清楚了都算明白了你才能一点一点的靠近他另外呢日本人这次真的是走了霉运就连太阳都跟他们过不去这到底是怎么回事呢咱们下回再说科学声音