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深入撞击:彗星探索的速成班

(2005年03月26日 13:19:04)
来源:《太空探索》

□作者: 国 太

[1]

  
  2005年1月12日,举世瞩目的“深入撞击”(DeepImpact)彗星探测器发射升空了。它之所以吸引了全球众多的眼球,是因为这一价值3.3亿美元的彗星探测器,将在飞行4.31亿千米之后,于2005年7月4日,撞击名叫“腾佩尔”(Tempel)的彗星,以研究彗星内部秘密的计划。用该项目主要负责人赫恩教授的话说就是:“从太阳系形成至今,只有彗星的内部物质是一直没有变化的。在这之前,我们并不了解彗星内部的情况,因此我们希望通过这次‘深入撞击’来收集彗星内部的信息。”此举是人类第一个实际接触并探索彗星的空间计划
  
  最亲密的接触者——撞击舱
  
   "深入撞击"探测器犹如一辆中型面包车大小,重650千克,由轨道器(也叫飞越舱)和撞击舱组成。它们各自携带有仪器,如高、中分辨率成像设备,红外光谱仪,光学导航装置等,用于完成不同的科学任务,并能独立地接收和发送信息。轨道器使用34米长的X波段无线电与地球和撞击舱保持通信。当撞击舱撞上彗星的小段时间内,测器上的初始数据将立刻被传输至地面,随后的数据将在一个星期内传输完毕。在撞击发生后,轨道器对“弹坑”和彗星内部物质的碎片同时使用光学成像和红外线频谱扫描。
  名叫“撞击者”的撞击舱主要由铜(49%)和铝(24%)制成,上面布满铜钉,只有茶几大小,材质采用铜的目的是不会在撞击后混淆彗星的组成,因为彗星的成分中不含铜元素,这样科学家能够更容易地区别检测出彗星成分。如果一切顺利,这一重约370千克的小型撞击舱,可于2005年7月4日在轨道器接近“腾佩尔”彗星前24小时释放它,24小时后它撞击彗星。撞击舱被释放出去以后,轨道器将会降低速度,改变航线,在距“腾佩尔”彗星500千米以内观测撞击过程。在记录撞击过程和收集彗星内部物质样本的同时,它还会对彗核结构和组成进行分析。其主要任务是,考察撞击后10多秒内彗核的变化,对撞击过程、撞击坑的形成及坑内部成像,获取彗核及撞击坑内部的能量谱,并存储、发送图像和能谱数据,它还接收撞击器发回的数据。在此过程中,其高增益天线向地球发回近实时图像。
  按计划,“撞击者”在脱离轨道器后,将实施独自操作,通过自身导航和动力装置撞向彗星,其上的相机此时开始运行,在撞向彗星彗核的前2秒钟,拍下绝无仅有的最近距离彗核的照片。“撞击者”自身重量并不大,因此在撞向彗星后不会改变彗星的运行轨道。
  
  随后,彗星将从轨道器头顶飞过。此时轨道器调转角度从后面继续对彗核进行跟踪分析。其保护盾将保护其免遭彗尾破坏。当彗星远离后,轨道器则大功告成,将记录的数据传输回地球。按照计划,假如轨道器还能工作,它还将继续飞向另一颗彗星,执行下一项探测任务。
  “深入撞击”面临的最大挑战是在距离“腾佩尔”彗星8.64×105千米远,以37000千米/小时的高速撞击到直径不到6千米的彗核,而且该区域必须被太阳照射,以便科学仪器能对撞击过程及结果进行拍照。为此,“撞击者”携带了1台名叫“撞击者目标遥感器”(ITS)的高精度星跟踪器,并使用曾深空1号探测器上试验过的自主导航系统进行导航。它还携带能提供25米/秒推进速度的肼推进系统,以进行必要的轨道修正和姿态控制。
  “撞击者”冲向彗核时产生的动能相当于4.5吨 TNT炸药爆炸的能量。由于“撞击者”和彗星之间的相对运动速度很大,两者相撞时会产生巨大的爆炸力,故而铜制探测器将被熔解蒸发,产生焰火般的绚丽景象。预计会在彗核上撞出一个大约7~15层楼深(深达30~50多米)、横截面相当于一个足球场大小的大洞,直达彗核。弹起的灰尘将反射出大量太阳光线,使得彗星看起来更亮。此时撞击舱内一片刻满全球天文爱好者名字、大小像迷你CD般的光盘,也将同时穿入彗星内部,永远留存在彗星上。大约撞击发生一天后,轨道器将拍摄出灰尘与弹坑的可视和红外图像,对它们的结构和组成进行研究。
  
  美国航宇局说,希望这次撞击能至少撞下彗星的一块表层,以达到探视彗星内部情况、确定彗星的物理特性和了解彗星尘埃的目的,。科学家们表示,这是人类第一次尝试撞击彗星,以削落它的表层,分析其物质。这次撞击应该不会改变彗星的行进路线。但科学家们并没有把握一定能将彗星撞出个深洞,有人认为,这种碰撞可能只会达到擦撞效果。即使撞击成功,也可能有5种结果:①按预定推算,在彗核上形成一个足球场大小的撞击弹坑;②.如果彗核是由固态的冰物质构成,撞击后会形成一个普通的房间大小的弹坑;③若彗核由一些与泡沙岩类似的坚硬多空的岩石组成,则碰撞只能把彗核物质进一步挤压紧密。④假如彗核是由高密度的粉末状物质组成,撞击舱有可能会“穿星而过”;⑤彗星在撞击后被冲碎瓦解。
  
  
  距离最近的旁观者——轨道器
  
  “深入撞击”的轨道器不仅“扮演”母船的“角色”,把撞击舱送至撞击舱“滕佩尔”彗星附近,而且还是目睹和记录这场空前大撞击的最近的旁观者。
  撞击舱与“滕佩尔”彗星撞击后,巨大的能量会使坑中的一部分物质喷射出来,一些吸热性化学反应发生。当喷射物从撞击坑中喷射出来时,最早喷出的是彗星最表层的物质,它会喷射在离撞击坑最远的地方,而越晚喷射出的物质,原本埋藏在彗核的越深处,这些物质会喷射在离撞击坑越近的地方。“深入撞击”探测器的轨道器将观察撞击坑的形状、测量撞击坑的深度和直径、确定撞击坑及其喷出物的内部结构、监测由撞击喷发出的气态物质的变化,对这些喷射物成像。通过对最早的喷射物与后来的喷射物的比较,可能会确定出原始物质埋藏在彗核内部有多深?
  在轨道器上装有1个固定的太阳帆板及小的镍氢电池、1幅高增益天线、碎片防护装置、“高分辨率成像仪”(HRI)和“中分辨率成像仪”(MRI),它们用于成像、红外光谱及光学导航。轨道器设计的关键是对碎片的防护。当其飞过彗发时,将有被小的粒子撞击的危险,这可能会导致探测器的控制、成像和通信系统遭到破坏。为了尽可能的减少损害,轨道器飞过彗发时要旋转,以便使碎片防护装置对探测器及其仪器实施全面的保护。
  
  第1次在行星探测领域使用的“高分辨率成像仪”,由1台30厘米孔径的望远镜、1台红外分光计及1台多光谱CCD相机组成,视场角为0.118o。红外分光计成像比例为10米/像素,在撞击过程中及撞击坑形成后,它将探测释放出来的能量气体及喷射物的红外能量。当轨道器在距离彗星700千米远时,CCD相机能以小于2米/像素的分辨率对彗星成像,所以适合观察彗核,能拍到彗星更清晰、更详细的照片。这些数据被收集后,通过分析,并与宇宙中已发现的已知物质的能谱相比较,就可以实现对未知物质的认识。
  “中分辨率成像仪”与“高分辨率成像仪”的不同之处在于所装载的望远镜的视场角和分辨率的同。“中分辨率成像仪”的望远镜是1台卡塞格伦望远镜,孔径为12厘米,焦距为2.1米。由于其视场角宽,为0.587o,最大分辨率为10米/像素,所以可观测到彗星周围更多的星体,产生彗星的大幅照片,并通过彗星周围的气体和尘埃粒子导航,从而更适合在撞击前最后10天的导航。“中分辨率成像仪”还将作为“高分辨率成像仪”的备份观测设备。
  2005年8月开始,由轨道器拍摄的照片及收集的数据将陆续地传回地球,整个数据传输将持续1个月;2006年4月,科学家们分析完这些照片和数据后,该项目最终结束。
  虽然这次撞击会改变“腾佩尔”彗星的轨道,而且是在“腾佩尔”彗星运转到距离地球最近(约15000万千米)时进行,但不会使它威胁地球的安全。相反,该计划的另一个重要任务就是研究如何使彗星和流星体改变方向。如果地球面临天体撞击威胁,这一实验获得的资料将非常宝贵。
  不过,彗星探测器的飞行之路并不平坦。 2002年7月3日,美国曾发射了“彗核之旅”探测器,但它在同年8月15日与地面失去联系。但愿“深入撞击”一路顺风。



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