如何在一颗彗星上着陆

作为罗塞塔号任务的管理人，佛瑞德·詹森负责了一个探测器在2014年成功登陆67P/丘留莫夫彗星的项目。在这场精彩幽默的演讲中，詹森披露了一些为了让菲莱探测器登陆一颗距地球5亿公里外的彗星上而作的复杂计算——并且分享了在此过程中所拍摄的一些不可思议的照片。

我想带你们进入罗塞塔号
史诗般的探险中去。

护送这个探测器在一颗彗星上着陆，

是我过去两年以来的热情所在。

为了实现这个目标，

我需要向你们解释
关于太阳系起源的一些东西。

让我们回到45亿年前，

有一个充满气体和灰尘的云团。

在这个云团的中心，
我们的太阳在那里形成并燃烧。

与此同时，那些现在被我们称为行星、
彗星和小行星的天体也形成了。

随后，根据理论，

在地球形成并且温度
开始降低了一些的时候，

彗星极大地影响了地球，
并向地球输送了水分。

它们可能还向地球输送了
复杂的有机物质，

而那有可能诱导了生命的出现。

你们可以将这一过程与完成一个
250块的拼图相比，

而不是完成一个2000块的拼图。

然后，像木星和土星这样的大行星，

它们当时并不在今天所处的位置，

它们会通过引力相互作用，

并将整个太阳系内部打扫干净了，

而我们现在称为彗星的天体

最终到了一个叫做“柯伊伯带”的地方，

这是一个海王星轨道以外的天体聚集带。

有时这些天体会相互碰撞，

并且发生了重力转移，

木星的引力随后将它们拉回了太阳系。

然后它们就变成了
我们在天空中所见到的彗星。

需要注意的重点是，在此期间，

这45亿年间，

这些彗星一直安坐在太阳系之外，

并且从没变过——

深沉、冻结版的太阳系。

在空中，它们看起来是这样的。

我们通过它们的尾巴认识它们。

这里事实上有两条尾巴。

一条是尘埃尾，是被太阳风吹出来的。

另一条是离子尾，是带电粒子，

它们受太阳系磁场的影响。

可以看到慧发，

还有慧核，小到几乎看不见，

但是你们要记住在罗塞塔号的案例中，

航天器就在那个中心像素上。

我们距离这颗彗星
只有20、30、40千米。

那么需要记住哪些关键点呢？

彗星中含有来自太阳系
形成时的原始物质，

因此它们是用来研究

地球和生命起源时
所出现的成份的理想对象。

彗星还很可能

带来了那些引发了生命起源的元素。

1983年，欧洲航天局开始了
长期的地平线2000计划，

它包含了一个基础项目，
可能是一个造访彗星的任务。

同时，一个小的造访彗星的任务，
就是你们在这里看到的乔托号，启动了，

1986年，它与其它航天器组成的
舰队飞经了哈雷彗星。

那次任务的结果清晰地表明，

彗星是用来研究太阳系的理想天体。

因此，1993年，罗塞塔任务被批准，

最初它被设定在2003年发射，

但是后来由于阿里亚娜火箭
出现问题而被取消。

然而，我们的公关部门，充满热情，

他们已经制作了1000个
代尔夫特蓝色瓷盘，

并印上了那些错误的彗星名字。

因此从那以后我没有买过任何的瓷器。
这是积极的一面。

（笑声）

在所有的问题被解决之后，

罗塞塔在2004年离开了地球，

飞向重新被选定的彗星，
丘留莫夫·格拉西缅科彗星。

这颗彗星是被特别选中的，

因为首先，你得能够到达它，

其次，它没有在太阳系待太长时间。

这颗特别的彗星在1959年进入太阳系。

那是它被木星偏转后第一次来到太阳系，

并且它跟太阳的距离近到
足够让它发生变化。

所以这是一颗非常新的彗星。

罗塞塔取得了很多历史性的突破。

它是首个进入彗星轨道的人造卫星，

并且伴随彗星走过了
它的整个太阳系之旅——

到达了距离最短的近日点，
这个我们将会在8份看到，

然后重新离开太阳系。

这是第一次有航天器在彗星上着陆。

我们实际上在罗塞塔号上
使用了一些通常不会在其他航天器上

使用的彗星轨道环绕技术。

通常，你们看看天空，
就会知道方位和坐标。

但是在这个案例中，那还不够。

我们通过观察彗星上的地标来导航。

我们辨别那些特征——卵石、环形山——

然后我们就知道我们处在彗星上
哪个对应的区域。

当然，这也是第一次
使用太阳能电池飞跃

木星轨道的航天器。

这听起来比事实更称得上是壮举，

因为那时放射性同位素热电机的技术

在欧洲尚未得到应用，所以当时别无选择。

但是这些太阳能电池板很大。

这是它的一个侧翼，
下面这些可不是特意挑选的矮小的人。

他们是跟你我一样的正常人。

（笑声）

我们有两个这样的侧翼，65平米。

随后，当然，当我们飞向这颗彗星时，

你们会发现扬着一个65平米的帆

向一个正在排气的天体靠近，
并不总是一个便捷的选择。

我们是怎么到达这颗彗星的呢？

因为我们得去一个十分遥远的地方
去完成罗塞塔号的

科学目标——
是地球到太阳距离的4倍——

而且以一个我们用普通燃料
无法达到的速度。

因为我们得携带六倍于
航天器本身重量的燃料。

那要怎么做呢？

在一个非常低的高度，大概几千公里，

经过一个行星时，
利用引力的拉扯效应和

弹力作用，

你就会直接获得跟那颗行星同样的
绕日运行速度。

我们尝试过很多次。

在地球上，火星上 ，
然后又在地球上试过两次，

我们还飞掠了两颗小行星，
鲁特西亚和斯坦斯。

到了2011年，我们已经距离太阳太远了，
如果这个航天器遇到问题，

我们根本没办法挽救它了，

所以我们进入了冬眠状态。

除了一个计时器，所有的仪器都关掉了。

这里你们看到白色的是它的轨道，
以及运动轨迹。

可以看到从一开始的这个圆，

这条白线，
我们可以得到越来越多的椭圆，

最终我们在2014年5月靠近了这颗彗星，

然后我们得开始做会合减速。

在途中，我们飞经地球并拍了一些照片
以测试我们的相机。

这是月球在地球另一侧升起，

这是我们现在所称的自拍，

顺便说一下，那个时候“自拍”
这个词还不存在。（笑声）

这是在火星上， 由彗星红外与可见光分析仪
相机拍摄的。

那是着陆器上的一台相机，

它看起来处在太阳能电池板的下方，

你们能看到火星和太阳能电池板
出现在远处。

当我们在2014年1月从冬眠中被唤醒后，

我们开始前进，并在5月份

到达了距离这个彗星
200万公里的地方。

然而，这个航天器的速度太快了。

我们的时速要比这颗彗星快2800公里，
因此我们需要刹一刹车。

我们得做8次减速，

可以看到，
其中的一些减速幅度真的很大。

我们的第一次减速需要
将速度每小时降低数百公里，

事实上这个过程花了7个小时，

消耗了218公斤的燃料，

这也是令人心惊胆战的7小时，
因为在2007年，

罗塞塔号的推进系统出现了一处泄漏，

我们不得不关掉了一个分路，

因此推进系统是在超出设计能力的

压力下运行的。

然后我们到达了这颗彗星的附近，
这是我们看到的第一批照片。

这颗彗星真实的自转周期是12.5个小时，

所以这是加速播放的，

但是你们肯定能够理解我们的
飞行动力学工程师的想法，

这不是一个容易登陆的东西。

我们曾经幻想过它是某种
形状像土豆一样的

容易登陆的东西。

但我们扔抱着一线希望：
也许它比较平坦。

不，它的表面还很粗糙。（笑声）

因此，当时我们迫不得已
做出了如下选择：

我们得利用收集到的所有细节
去绘制这个天体的地图，

因为我们得找到一块直径500米的平地。

为什么是500米？
这是我们让探测器着陆时的误差。

于是我们立即采取行动
并绘制出了彗星表面的地图。

我们采用了一种叫做
照相测斜术的技术。

利用太阳拋下的阴影。

你们现在看到的是一块
位于彗星表面的岩石，

而阳光从上面照下来。

透过阴影，我们用大脑，

可以立刻大致判断出这块岩石的形状。

你可以编一套那样的程序，

然后覆盖整颗彗星，
就可以绘制出它表面的形貌图了。

为此，我们从8月份开始沿着
一种特殊的轨迹飞行。

首先，在100公里外的地方沿着一个

边长为100公里的三角形飞行，

然后将三角形的边长改为50公里，
再重复整个过程。

那时候，我们已经通过所有的角度
观察过这颗彗星了，

我们也可以利用这一技术绘制出
整个彗星的表面形貌。

现在，到了选择登陆地点的时候了。

我们要做的就是在60天内，
通过绘制这颗彗星的形貌图，

来找到一个最终的登陆地点。

我们没有更多的时间。

对比一下，平均来说，火星上的任务

需要成百上千的科学家花数年的时间

去找到一个登陆地点。

但我们只有60天，就那么多了。

我们最终选定了一个登陆点，

并且让罗塞塔号发送菲莱号的
指令也准备好了。

不过前提条件是罗塞塔号
得处在空中的正确位置，

并且瞄准这颗彗星，因为着陆器是被动的。

它需要被推出并飞向彗星。

罗塞塔号得转过身，

以便使它的相机在
菲莱飞离的过程中能对着它，

并且能与它进行交流。

整个着陆过程花了7个小时。

简单的计算一下：

如果罗塞塔号的速度误差是1厘米每秒，

7个小时就是25000秒，

那就意味着着陆器
登陆彗星时的误差是252米。

因此我们得将罗塞塔的速度误差

精确到小于1厘米每秒，

而它在太空中远离地球5亿公里的位置，

误差要精确到100米以内。

那不是一件易事。

让我快速的介绍一下
其中的一些科学理论和仪器。

我不会介绍所有仪器的细节，
以免你们听得一头雾水，

但想帮助你们了解一些概念。

我们可以检测气体，测量粉尘，

测它们的形状和成分，

这里有磁力仪等等我们需要的一切。

这是一部仪器所测到的
罗塞塔号所处位置的

气体密度的结果，

这是从彗星上释放出来的气体。

下面的图是去年9月份的。

这是一个长期的变化，
对于它本身来说可能不算什么，

但是看看那些尖峰。

这就是彗星上的一天。

你们可以看到太阳对于气体蒸发的影响，

以及彗星是旋转的这一事实。

这里有一个点，很明显地，

很多东西都出自那里，

它被太阳加热，然后在背面冷却。

我们可以看看这里的密度差异。

这些是我们已经测量到的

气体和有机化合物。

看得出这是一份令人印象深刻的列表，

并且还会有更多更多的东西出现在上面，

因为我们还进行了更多的测量。

事实上，这会儿正有一个
在休斯顿举行的会议，

这些数据会在会上被展示出来。

我们还测量了尘粒。

对于你们来说，这可能没什么太大的意义，

但是当科学家们
看到这个的时候都非常激动。

两颗尘粒：

右边的他们叫它鲍里斯，
他们用钽去射击它，

以便能够分析它。

我们发现了钠和镁。

而这也说明了这就是当太阳系刚形成时

这两种物质的浓度，

因此我们知道了当行星形成时

存在着哪些物质。

当然，最重要的因素之一就是成像。

这是罗塞塔号上的一个相机——
奥西里斯相机——拍摄到的，

而这实际上是《科学》杂志

今年1月23日那一期的封面。

没有人想到它看起来会是这样的。

大卵石，岩石——相比于其它任何地方，

它看起来更像是约塞米蒂的半屏岩。

我们还看到了这样的东西：

沙丘，还有在右手边，
看起来像一些被风吹动的影子。

我们在火星上发现过这些，
但是这颗彗星没有大气层，

所以要制造一个被风吹动的
影子是有点困难的。

这可能是局部的出气，

有什么东西上升然后落下来。

我们还不清楚，
所以还要进行很多调查。

这里有两张同一地点的图像。

左手边这张，中间有一个坑。

右手边这张，如果你们仔细看，

有三股气流从那个坑的底部喷出。

所以这就是这颗彗星的活动。

显然，这些坑的底部就是活动区域，

也是物质蒸发到空中去的地方。

这颗彗星的脖子上
有一个非常有趣的裂缝。

就在右手边。

它有1公里长，2.5米宽。

有些人提出，事实上

当我们向太阳靠近的时候，

这颗彗星可能会一分为二，

然后我们不得不做出选择，

我们要去跟踪哪一半的彗星？

这个着陆器——
一样的，携带了很多仪器，

除了一些打钻用的装置，
其他大部分跟航天器上的差不多。

与罗塞塔携带几乎一样的仪器是因为要把

太空中发现的物质跟这颗彗星上的做比较。

这被称为“地面实况调查”。

这些是奥西里斯相机拍摄的

着陆下降时的图像。

可以看到着陆器离罗塞塔号越来越远。

右上角，是着陆器在60米外拍的照片，

彗星表面60米以上。

那个大卵石直径大约10米。

这是我们在彗星上着陆之前
所拍的最后一张照片。

换个角度，再看一遍这整个过程，

大家可以看到从图中的
左下角到中间有三幅

着陆器飞过彗星表面时的放大照。

然后，在顶部有
着陆之前和之后的对比照。

唯一的问题就是在着陆后的照片中
没有出现着陆器。

但是你们仔细观察这张图像的右手边，

我们看到着陆器仍然在那，
但是它被反弹了。

又离开了彗星表面。

现在，有点滑稽的是，

本来在罗塞塔号的设计中，
它会携带一个能反弹的着陆器。

但是因为成本太高所以就放弃了。

我们已经忘记了这件事，
但是着陆器还记得。

（笑声）

第一次反弹期间，在磁力仪上，

你们可以看到来自X、Y、Z
三个坐标上的数据。

半途中，你们可以看到一条红线。

这条红线表示有变化产生。

发生了什么呢？
很显然是在第一次反弹期间，

着陆器的一条腿在某个地方
碰到了一个坑的边缘，

然后着陆器的旋转速度被改变了。

所以我们很幸运

是处在当时的位置。

这是罗塞塔号拍的标志性的图片之一。

那是一个人造物体，着陆器的一条腿，

站在一颗彗星上。

对我来说，这是我见过的
最棒的空间科学的照片之一。

（掌声）

未来的任务之一就是要找到这个着陆器。

蓝色区域是我们知道的
它应该所处的位置。

我们还没能找到它，但是搜索仍在继续，

同时我们也在努力让着陆器重新工作。

我们每天都仔细监听，

希望从现在到4月份的某个时候，

这个着陆器会重新开始工作。

我们在这颗彗星上的发现是：

这颗彗星可以在水上漂浮。

它的密度是水的一半。

因此它虽然看起来像一块大岩石，
但实际上不是。

去年6到8月间我们看到

它的活跃性提高了4倍。

当我们靠近太阳时，

每秒种将会有100公斤的物质
离开这颗彗星：

气体、灰尘等等。

1天的话就是1亿公斤。

最终，到了着陆的那一天。

我将永生难忘——大家都疯狂了，
在德国有250名电视台工作人员争相报道。

在BBC采访我的同时，

另一家电视台全天都在
跟踪报道我的工作人员

也拍下了我的访问过程，

那种状况持续了一整天。

探索频道的工作人员

在我离开监控室时找到了我，

并且提出了正确的问题，

我当时激动得流下了眼泪，
而那种感觉依旧挥之不去。

此后的1个半月里，

每次想到着陆日我都会热泪盈眶，

并到现在那种情绪在我心中仍然存在。

我想用这张这颗彗星的照片
来结束今天的演讲。

谢谢。

（掌声）