□ 國家天文臺 鄭永春

彗星探測與生命起源之謎

□ 國家天文臺 鄭永春

彗星一般主要由碳、氫、氧、氮、硫化合物構成，成分包括水冰、氨、甲烷、一氧化碳和少量的復雜有機物。最新的探測結果顯示，彗星中含有硫化氫和氨，這會讓它聞起來有點像臭雞蛋和尿液的氣味。當遠離太陽時，彗星是黑暗的冰球，直徑只有數(shù)千米，當接近太陽時則開始“熔化”，展示出彗發(fā)和彗尾，彗發(fā)甚至可以延伸到距彗核10萬千米以遠。

在望遠鏡發(fā)明以前，對彗星只能進行裸眼觀測，古人將之視為不祥天象；在牛頓力學出現(xiàn)后的200年，人們開始研究彗星的軌道和周期，并成功預測了哈雷彗星（1P/Halley，編號中的P表示周期彗星）。1985年，喬托行星際探測器（Giotto）飛掠哈雷彗星，首次拍到彗核照片，而我們下一次再見到哈雷彗星則要等到2061年了。

2014年8月，羅塞塔探測器抵達67P/楚留莫夫－格拉希門克彗星（簡稱楚－格彗星）；11月13日，其攜帶的菲萊著陸器成功著陸，成為人類歷史上首次登陸彗星表面的航天器。這次彗星探測任務成功吸引了全世界數(shù)十億公眾的眼球和長時間的關注，集中展示了歐洲的航天能力和未來雄心。

楚－格彗星的直徑為4千米左右，引力只有地球的萬分之一，飛行速度達每小時13.5萬千米，菲萊要在距離地球5億千米的太陽系一角跟上并登陸彗星表面，技術難度幾乎不可思議。羅塞塔彗星探測任務開始于1993年，2004年3月發(fā)射，2014年11月登陸，歷時21年；探測器在太空中飛行10年8個月，其中3次飛越地球，1次飛越火星，太空飛行距離超過60億千米；整個任務設計探測壽命為4個月，耗資13億歐元，幾乎耗費了數(shù)千名精英科學家和工程師的心血。付出如此巨大的代價去探測彗星，究竟意義何在？

表 人類探測彗星的歷史

羅塞塔軌道器上的科學儀器1.ALICE：紫外成像光譜儀；2. CONSERT：彗核雷達探測器；3. COSIMA：二次離子質(zhì)譜儀；4. GIADA：顆粒撞擊分析和集塵器；5. MIDAS：顯微成像分析系統(tǒng)；6.MIRO：微波探測器；7.OSIRIS：軌道器成像系統(tǒng)；8. ROSINA：質(zhì)譜儀；9. RPC：等離子分析設備；10. RSI：無線電探測器；11. VIRTIS：可見和紅外成像光譜儀；12.Philae：菲萊著陸器。

首先，彗星探測對研究太陽系的物質(zhì)組成和起源至關重要。彗星是太陽星云凝聚形成太陽和行星之后的殘留物，彗星上沒有地震、火山等地質(zhì)活動，且遠離太陽照射，長期被保存在又冷又暗的“冷庫”中，幾乎完美地保存了太陽系最初形成時的信息。彗星來自寒冷、黑暗的太陽系邊緣，其中短周期彗星可能來自距離太陽40~50個天文單位以外的柯伊伯帶，長周期彗星多來自距離太陽約5萬~10萬個天文單位的奧爾特云。奧爾特云被稱為彗星的老家，那里聚集著數(shù)萬億顆彗星。

其次，彗星探測有望回答地球上的水是否來自彗星、為什么地球上的氨基酸都是左旋形式、彗星是否為地球開啟了生命之門等關鍵問題，從而揭開地球生命起源之謎。自人類開始探索世界以來，始終被一個基本問題困擾著：我們來自哪里？即生命是如何起源的。根據(jù)現(xiàn)有認識和大量證據(jù)，生命的產(chǎn)生需要水和有機物。目前，地質(zhì)學家傾向于認為地球上的水是原始地球巖漿分異產(chǎn)生的，而天文學家則傾向于認為地球上的水體是彗星撞擊地球帶來的。彗星是由水冰和石塊組成的“臟雪球”。在地球早期歷史中，大量彗星撞擊地球表面，不僅帶來了豐富的水源，形成了原始海洋，而且彗星攜帶的各類烷烴、氨基酸、脂肪酸、多環(huán)芳烴和卟啉等有機化合物也一起在海洋中熬成一鍋有機“濃湯”?！皾鉁痹谶m宜的地球環(huán)境條件下孕育了最初級的生命。

最后，從地球生物演化歷史看，彗星等小天體的撞擊多次導致地球氣候環(huán)境災變和生物滅絕事件，如6500萬年前的恐龍大滅絕、100多年前的通古斯大爆炸等。1994年舒梅克-列維9號彗星連串撞擊木星，帶去了巨量的含硫、含氮物質(zhì)及其他金屬元素，釋放的能量大約相當于20億顆原子彈爆炸的能量；而2013年2月15日撞擊俄羅斯車里雅賓斯克并導致人員受傷和大量建筑物受損的小天體直徑還不到20米?？梢灶A料彗星撞擊地球的災難性事件未來必然會再次發(fā)生。因此有必要通過彗星探測，了解彗核的結構和物質(zhì)組成，精確掌握軌道運動規(guī)律。如果今后觀測到可能撞擊地球的彗星，我們就可以運用航天器引導改變彗星運行軌道，防止其撞擊地球和危害人類安全。

左下圖 菲萊著陸器著陸彗星表面示意圖

右下圖 菲萊著陸器上的科學儀器

我們在探索彗星時，也聽到了反對的聲音，有人認為我們還有人連溫飽都沒解決，為什么要去做這些沒有經(jīng)濟回報、無助改善民生的事情呢？然而，作為一個負責任的大國，中國人應該對全人類的知識增長和安全福祉有所貢獻。隨著探月工程的成功實施，我國未來將開展火星、木星等行星探測任務，直接威脅人類生存繁衍的彗星和小行星也將成為中國未來深空探測的重要目標，目的是回答太陽系的起源、生命起源等基本科學問題，并保護地球和人類的安全。這些深空探測任務的數(shù)據(jù)傳輸、測控精度、航天器設計以及任務實施的時間跨度都將不斷觸及我國航天技術能力的極限。對太空探索的好奇心和冒險精神將激勵我們的雄心和信心，通過實施科學牽引的太陽系探測，突破和掌握長壽命航天器設計、核同位素電源、長期行星際飛行、行星借力飛行、穿越小行星帶、遠距離測控等關鍵技術，中國航天必將實現(xiàn)新的跨越。

超鏈接：

長周期彗星的發(fā)源地

奧爾特云（Oort cloud）是一個理論上假設的、包圍著太陽系的球狀星云團。奧爾特云與太陽的距離約為5萬～10萬個天文單位，幾乎等于1光年，相當于太陽與比鄰星距離的四分之一。

短周期彗星的發(fā)源地

柯伊伯帶（Kuiper belt）位于距離太陽約40～50個天文單位的黃道面附近（海王星位于距離太陽約30個天文單位的軌道上），是一個小天體密集的圓盤狀中空區(qū)域。冥王星則是柯伊伯帶中最大的天體。

小行星的發(fā)源地

小行星帶是位于火星與木星軌道之間的小行星密集區(qū)域。在已發(fā)現(xiàn)的約12萬顆小行星中，98.5%位于小行星帶。小行星由巖石或金屬組成，也有一些小行星可能是從彗星演化而來的，是彗核中的揮發(fā)性物質(zhì)丟失后的殘留物。