Philae 的非凡彗星着陆：十年回望

背景

2014年11月12日，在经历了长达十年的太阳系旅程、跨越超过5亿公里的空间跋涉后，欧空局（ESA）“罗塞塔”（Rosetta）探测器的着陆器“菲莱”（Philae）成功在彗星表面着陆，创造了太空探索的历史。这是人类首次实现探测器在彗星表面的软着陆。

值此这一非凡壮举十周年之际，我们回顾“菲莱”在67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko）上取得的令人印象深刻的成就。

“罗塞塔”号于2014年8月6日抵达彗星，随即开始了为着陆器“菲莱”寻找合适着陆点的竞赛。着陆点需要在安全性和科学潜力之间取得平衡。经过对候选着陆点图像的仔细审查和辩论，几周后确定了最终选择：彗星两个瓣中较小瓣上一块看起来平滑的区域，后来被命名为“阿吉基亚”（Agilkia）。

核心内容

着陆前的危机与准备

尽管进行了紧张的准备工作，但在着陆前夜发现了一个问题：“菲莱”的主动下降系统（旨在提供向下的推力以防止着陆时反弹）无法激活。这意味着“菲莱”必须依靠其三只脚上的鱼叉和冰螺钉将其固定在彗星表面。

尽管如此，发射绿灯依然亮起。“菲莱”与“罗塞塔”分离后，开始了为期七小时的下降过程。在下降过程中，“菲莱”开始“感知”彗星周围的环境，并在第一个着陆点进入视野时拍摄了令人惊叹的影像。

着陆过程：从“阿吉基亚”到“阿比多斯”

“菲莱”在“阿吉基亚”的着陆看似完美。其脚部的传感器感受到了着陆震动，生成了人造物体与彗星接触的首次录音。但很快人们发现，“菲莱”的鱼叉并未发射，它在着陆后再次弹起。

最终，“菲莱”与表面接触了四次。得益于由第一次着陆信号触发的自动序列，“菲莱”在飞行过程中仪器仍在运行，收集了独特的数据，这些数据后来产生了重要结果。此外，在多个位置收集数据也是一个意想不到的惊喜，提供了表面特征的首次直接测量，并允许对比不同着陆点的数据。

例如，“菲莱”在从一个地点弹跳到另一个地点时，“感觉”到了表面质地和硬度的差异。在第一个着陆点，它检测到了几厘米厚的柔软层，几毫秒后遇到了更硬的层。

在与悬崖碰撞后，“菲莱”擦过第二个着陆点，提供了对彗星巨石内部冰尘柔软度的首次原位测量。“菲莱”在数十亿年历史的冰面上“踩”出的印记显示，该巨石比卡布奇诺咖啡上的泡沫还要蓬松，孔隙率约为75%。

随后，“菲莱”跳跃了约30米到达最终着陆点，命名为“阿比多斯”（Abydos）。其CIVA相机拍摄到了人造物体接触46亿年太阳系遗物的首张图片。该着陆点在彗星上的确切位置在近两年内一直未被发现。

在“阿比多斯”，“菲莱”的MUPUS锤穿透了一层软层，随后在表面下几厘米处遇到了意想不到的坚硬表面。“菲莱”用脚“听”到了锤击声，记录了穿过彗星的震动。这是自1972年阿波罗17号登月任务以来，首次在天体上进行主动地震测量。

MUPUS还携带了一个热传感器，测量了局部温度变化，范围约为-180ºC至145ºC，与彗星12.4小时的昼夜周期同步。这是首次测量彗星表面的温度循环。

与此同时，CONSERT实验通过在彗星内部在“罗塞塔”和“菲莱”之间传输无线电波，进行了首次彗星探测实验，揭示彗星内部是非常松散堆积的尘埃和冰混合物，具有高孔隙率（75–85%）。

飞行中的科学发现

在弹跳过程中，“菲莱”的COSAC和Ptolemy仪器“嗅探”了彗星的气体和尘埃，这些是早期太阳系原始物质的重要示踪剂。COSAC揭示了一系列16种有机化合物，包括许多富含碳和氮的化合物，如异氰酸甲酯、丙酮、丙醛和乙酰胺，这些化合物此前从未在彗星中被检测到。COSAC和Ptolemy检测到的复杂分子在合成生命所需成分方面起着关键作用。

“菲莱”的弹跳还使其能够测量表面不同高度的磁场，显示该彗星几乎没有磁性。此前任务中探测彗星磁场一直很难，因为它们通常以高速飞掠，距离彗核相对较远。“罗塞塔”轨道与彗星的近距离以及“菲莱”在更近处和表面进行的测量，提供了对彗星核磁特性的首次详细调查。

最终，在从“罗塞塔”分离后的64小时内，在着陆器进入休眠之前，“菲莱”完成了约80%的计划科学序列。

休眠与遗产

在“菲莱”休眠期间，“罗塞塔”继续从彗星传回前所未有的丰富信息，随着彗星围绕太阳运行，观察其活动达到峰值然后缓慢消退。“菲莱”曾在2015年6月至7月短暂恢复联系，但无法重新激活。随后，随着“罗塞塔”任务按计划结束，其自身大胆地降落在一个名为“赛斯”（Sais）的地点，“菲莱”的最终着陆点通过轨道器影像得以揭示，为这一太空探索史上最伟大的故事之一画上了最后的转折。

关键要点

• 技术故障与适应：着陆器“菲莱”因主动下降系统故障，依赖鱼叉和冰螺钉固定，导致着陆后反弹，最终在三个不同地点（Agilkia, 第二个未命名点, Abydos）接触表面。
• 独特的数据收集：反弹过程意外地在多个位置收集了数据，提供了表面特征的直接对比测量。
• 物理特性发现：
  • 彗星巨石内部极其蓬松，孔隙率约75%，比卡布奇诺泡沫更软。
  • 彗星内部是松散堆积的尘埃和冰，孔隙率高达75–85%。
  • 彗星表面温度在-180ºC至145ºC之间剧烈变化。
  • 彗星核几乎无磁性。
• 有机化合物检测：COSAC和Ptolemy仪器首次在彗星中检测到16种有机化合物，包括异氰酸甲酯、丙酮等，这些分子对生命合成至关重要。
• 地震测量突破：这是自1972年阿波罗17号以来首次在天体上进行主动地震测量。
• 任务完成率：在休眠前64小时内，完成了80%的计划科学序列。

意义与影响

欧空局的小天体探索遗产

欧空局在小天体探索方面拥有令人印象深刻的遗产，“罗塞塔-菲莱”的组合启发了新一代彗星和小行星追逐者。

• 历史脉络：1986年，欧空局的Giotto任务飞掠哈雷彗星，是首个拍摄彗星表面的任务。“罗塞塔”任务是自然的下一步，成为首个环绕彗星并部署着陆器的任务，也是首个跟随彗星绕太阳运行、监测其活动的任务。
• 未来任务：
  • Comet Interceptor（彗星拦截器）：“罗塞塔”为即将进行的Comet Interceptor任务铺平了道路。与先驱者不同，它将探测首次访问我们太阳系的彗星。这类彗星包含经过最少处理的物质，提供了太阳系黎明时期原始物质的“更纯净”视角。该任务由一艘主航天器和两个探测器组成，提供多角度视图。
  • Hera（赫拉）：欧空局正在访问小行星，其旗舰“行星防御者”Hera正在前往调查Dimorphos