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天体生物学·黄姤

关于太空生物学最基本的一个问题，就是生命的起源源自于哪里，或者地球的生命是如何起源的。关于地球生命起源的说法有很多个版本，其中一个版本是：彗星撞击地球，彗星携带着生命的种子一起堕落在地球上，从而造成了地球生命的出现。

有一些人对彗星特别感兴趣，是因为彗星隐藏着太阳系诞生初期和地球生命起源的秘密。

彗星·恒星系统成员

50亿前太阳系刚刚诞生时，距离太阳最近的几颗类地行星形成了岩石行星，它们分别是：水星、金星、地球、火星。

在岩石行星的外围则形成了类木行星“土星、木星”和冰巨星“天王星、海王星”。

无数个由冰冻气体和尘埃组成的碎片则被抛洒到了太阳系的外围，一部分停在了太阳风的边缘“柯伊伯带”，在这片冰冷的区域中拥有上万颗彗星。另一部分则被抛射到了太阳系引力的边缘“奥尔特云”在这里拥有数十万亿颗彗星。

这些彗星保存着太阳系诞生以来最原始的物质信息，对于研究生命起源有着非常大的意义。但是这些彗星离地球太远很难近距离观察到，但由于一些彗星会在太阳引力的作用下，意外地进入到内太阳系而被观察到。尤其是存在于“柯伊伯带”的短周期彗星，在经过地球时甚至能用肉眼观察到。这里面其中最有名的就是“哈雷彗星”。

短周期彗星

“哈雷彗星”是一颗环绕太阳运行的短周期彗星，76.1年绕太阳一周，是第1颗被记录运行周期的彗星，由英国物理学家“爱德蒙·哈雷（Edmond Halley)”首先测定其轨道并成功预言回归时间而得名，同时人的一生中唯一可以最多两次用肉眼看到的彗星。

在1986年回归太阳系的时候，人类连续发射了4个探测器去跟踪“哈雷彗星”，近距离拍摄到了哈雷彗星的彗核照片，哈雷彗星的彗核是一个大小16×8km的天体，表面裂纹非常多、表面看起来呈现黑色，估算质量约为3000亿吨。

哈雷彗星的彗核密度很低，由于彗星核基本是由水冰和干冰组成的，在冰升华后大部分尘埃都留下来，形成了这样的多孔结构。

哈雷彗星在接近太阳时，彗核的冰物质会升华成气体，在太阳风和太阳辐射的压力下产生长长的“彗尾”。

彗核内部压力增大，气体冲破表壳，并且喷射出尘粒，形成一团包围彗核的气体云，导致在彗星前端位置形成“彗发”。

每一次哈雷彗星接近太阳时就会挥发掉1.5亿吨物质，按照这样的挥发率计算，大概100万年之后哈雷彗星就不复存在了。

哈雷彗星核体的反射率只有4%，比煤炭的反射率还要低，所以看起来是黑色。因为彗核中存在复杂的含碳有机分子，而且这些有机分子在地球形成初期坠落在地球的海洋中，通过极其复杂的演变，形成了地球上的生命。

图解：“哈雷彗星”

彗星探测器

人类发射的探测器已经成功登陆过行星及卫星，但是要登陆一颗高速移动并不断喷发物质的彗星，难度是相当大的。

1993年，欧洲航空航天局ESA公布了一项“罗塞塔计划”，和之前近距离观察彗星的探测器不同，该计划将发射一个探测器进入彗星的轨道，环绕的彗星进行伴飞，然后再释放一个登陆器登陆彗星表面，通过登陆器上的有机分子分析仪器，对彗核的物质进行分析，如果登陆成功，对于解开地球生命的起源将有巨大的帮助。

“罗塞塔”石碑，是1799年在埃及的罗塞塔港口城市发现的一块花岗岩的石碑，制作于公元前196年上面用三种文字，分别是古希腊文字，古埃及文字和当时的通俗文字篆刻了相同的内容，虽然内容平平无奇，但是当时的古埃及文字已经失传了千年，石碑对于解读出古埃及文字做出了里程碑式的贡献。

图解：“罗赛塔”号

欧空局也希望探测器能够像罗塞塔石碑，对于古埃及文字那样解开太阳系甚至地球生命起源之谜，因此取名为“罗赛塔”号，而探测器中携带的登陆器取名为“菲莱（Philae）”。

“菲莱”是尼罗河中的一个小岛，小岛上有一座“菲莱庙宇”，里面有一座飞来方尖碑，上面用古埃及文字和古希腊文字雕刻的两段铭文。文字学家通过研究菲莱方尖碑上的古希腊文字，为确定古埃及辅音字母带来了极大的启发，因此这个探测器被命名为“罗赛塔”号，登录器被命名为“菲莱”号是非常有寓意的。

图解：“菲莱”号

罗赛塔号的主要任务就是探索50亿年前太阳系的起源之谜，以及彗星是否为地球提供了生命诞生时所必须的有机物质和水分。

探测彗星的难度

有史以来第一次登陆彗星是一个很大难度的挑战，下面给大家展示一下：“罗赛塔”号与“菲莱”号是如何克服重重困难成功登陆彗星的全过程。

• 第一部分：运载火箭助推器失灵

“罗赛塔”号重约三吨，由一对长28米的太阳能帆板提供能源，帆板打开后相当于9层楼的高度，是一个非常巨大的探测器，罗塞塔号携带了10多种仪器，比如检测彗核物质的质谱仪和光谱仪，查看地形的高分辨率相机，同时还携带了一个100公斤重的“菲莱”登陆器。登录器上有一个采样系统，能在彗星表面钻一个20厘米深的洞收集样本，并且就地对样本进行检测，检测结果将发送给“罗塞塔”号，再由罗赛塔号传回地球。

罗塞塔号的目标是一颗叫做“46P”的彗星，这是一颗短周期的木星族彗星，这颗彗星和太阳系的其它彗星一样，上面保留了太阳系形成初期的物质。

罗塞塔号计划于2003年1月发射，在2011年时和彗星汇合，但是在2002年，原本用来发射罗塞塔号的欧航局的“Ariane5”运载火箭，在一次常规发射卫星的任务中，助推器失灵，发射三分钟后自行爆炸，两颗价值6.3亿欧元的卫星也随之报废。

事故发生后，Ariane航天公司进入了调查取证阶段，停止了一切的发射活动，原本计划于一年以后发射的罗塞塔号，因此错过了发射窗口期，于是欧空局把目标转向了另一颗叫做67P的彗星。

该卫星是1969年由两名苏联天文学家“克利姆·伊万诺维奇· 丘留莫夫”和“斯维特拉娜·伊万诺夫娜·格拉西缅科”发现的，这颗彗星和46P一样，同属于木星族彗星，但是更大更重一些，这样登陆的难度也随之增加。

• 第二部分：漫长的旅行时间

2004年3月2日罗塞塔号发射升空，开始了长达10年的历程，“67P”这颗彗星的运行速度相当高，达到了每小时135000公里/小时，依靠罗塞塔号上的推进器和电力，是无法追上如此高速的彗星，所以只能借助行星的重力场进行加速或者减速，这就是“引力弹弓效应”。

图解：“引力弹弓效应”示意图

利用地球、火星和木星这些行星的引力，让罗赛塔号一级级加速或者减速，靠近67P彗星罗赛塔号在2005年的时候利用地球重力场加速，由于推迟了一年发射，罗赛塔号在2007年飞到火星利用火星的重力场进行减速，但是这次减速过程非常危险，距离火星表面仅250公里，稍有不慎就会机毁，而且在飞跃过程中，探测器完全处于火星的阴影里面，太阳能帆板无法使用，这样罗赛塔后就必须待机，以便飞跃后重新启动。由于探测器本身的电池容量有限，所以一旦飞跃的时间过长，电池电量完全耗尽将会无法开机。

罗赛塔号不负众望，传回了火星大气层的照片，2007年罗塞塔号飞回地球，利用地球引力弹弓进行第2次加速。

2009年罗塞塔号最后一次绕回地球，这次将获得最大的动力，接近67P彗星，2014年罗塞塔号终于来到了67P彗星的身边，这时才真正看到了这个彗星的样子，这是一颗双星结构的彗星，也就是早期有两颗彗星撞击融合而成，体积是4×3×1.3km，表面结构非常复杂，到处都是悬崖和峭壁。

彗星并不是人们所想的那样是一个松软蓬松的雪球，而是非常坚硬的。在彗星接近太阳的时候会不断地喷发，这会给登陆加大了难度。

原定计划是让罗塞塔号找到一个相对平坦的位置，在降下“菲莱”号之前要对彗星的地形进行全面扫描，建立完整的3D结构。

图解：红标就是原定的登陆地点

• 第三部分：登陆发生意外

在2014年11月12日，罗塞塔号释放了“菲莱”号进行登录，将在彗星面对太阳的位置登陆，在一处相对平坦的表面上，还有大量的光照，同时要保证“菲莱”号之后的电力供暖应。

“菲莱”号的底部有两个鱼叉一样的装置，会在降落时插入彗核表面进行固定，因为彗星表面的逃逸速度只有每秒一1m/s，这意味着如果是人登陆彗星，轻轻跳起来就有可能会飞向太空，再也无法回来，因为这颗彗星的引力实在是太微弱了。

在长达7小时的登陆过程中，罗塞塔号要一直和彗星伴飞，“菲莱”号在登陆过程中也无法人工干预，完全要依靠程序的设定，最终经过7个小时的等待，罗塞塔号终于发回了消息，“菲莱”号成功登陆彗星，但随之而来的坏消息是飞来号的鱼叉并没有启动，这就意味着飞来号没有降落在预定地点，而“菲莱”号传回的第1张照片就是一张剧烈翻滚的照片。后来才知道“菲莱”号降落在彗星表面后，由于彗星的表面和之前设想的不一样，登陆器立刻反弹，然后一直翻滚，此期间“菲莱”号的鱼叉一直尝试固定在彗星表面，但都没有成功。根据后来发回的数据显示，“菲莱”号曾经一度腾空飘荡在太空中，幸运的是弹跳时速度仅为每秒38CM/S，在长达两小时的翻滚中，最后“菲莱”号滚到了狭缝中，才停止了下来，这时的“菲莱”号离预定的登陆地点非常远，也无法接受的太阳光，由于“菲莱”号的电池容量有限，所以两天后飞来号电池耗尽进行了关机保护。

图解：红标是鱼叉的位置

• 第四部分：“菲莱”号的苏醒

罗塞塔号一直跟随着彗星伴飞，等待同伴“菲莱”号的苏醒，终于在长达7个月的漫长等待，于2015年6月，由于彗星更加接近了太阳，“菲莱”号登陆器的狭缝处也迎来可以接收到阳光，因此“菲莱”号的太阳能接收器也获得了动力重新开机发回的信号，但是预计飞来号只有不到60个小时的工作时间，所有的工作都要争分夺秒，罗塞塔号后来拍摄的照片中显示“菲莱”号以横躺式登陆，这样它的鱼叉发射器是处于腾空状态而无法工作，但是它的采样仪仍然可以钻孔工作。

彗星拥有生命的基本化学元素

通过分析研究团队发现“67P彗星”上有16种不同的有机化合物，这终于证明了之前科学家的猜想。虽然有机化合物并不意味着一定是生命，但是却是构成生命的重要物质.

同时“菲莱”号还发现彗星上会下着一种夹杂着灰尘的尘埃雾霾类型雪一样，这说明彗星还有微弱的大气，同时罗赛卡号在彗星67P周围的尘埃中发现了磷和甘氨酸等有机化合物，而甘氨酸是构成DNA和细胞膜的关键化学元素，同时首次在67P彗星上发现的磷，是地球上所有生物体内都有的一种关键元素存在于DNA和RNA的结构框架上。这一发现表明彗星，非常有可能会将这些生命原材料带进地球，从而帮助地球产生生命。

地球上的水是来自于彗星吗？

早期地球刚形成时被无数颗携带水源的彗星轰击，形成的海洋，如果彗星的水成分和地球水成分一致，那么说明现在的水，全部都来自于彗星。

“菲莱”号通过对彗星灰尘微颗粒的分析，发现里面包含有：碳、钠、镁、铝、硅、钙、铁，以及大量的氢和氧。

由于彗星一直都是远离太阳，所以上面的物质就是太阳系形成初期的分子云成分，代表了最早期太阳系的物质构成，而大量的氢元素和氧元素就是液态水的来源，而液态水则是形成碳基生命，不可缺少的物质。

经过“菲莱”号对彗星上水蒸气的检测，发现彗星上的水的氘含量和地球上有很大的不同。

氘是氢的同位素，通过对哈雷彗星和67P彗星的水蒸气研究表明，发现哈雷、67P彗星的氘含量和地球上的水的氘含量都不同，这说明了地球上的水并不是来自于彗星。

结语·使命

“菲莱”号在电池耗尽前完成了对彗星的探测研究，随着彗星不断远离太阳，一直在彗星周围伴飞的“罗塞塔号”也将能量耗尽，欧空局做出了一项举措，就是让“罗塞塔号”坠毁在离“菲莱”号不远的地方，让两个探测器永远在一起，。

在罗塞塔号最后的坠落过程中拍摄了很多清晰的核合表面照片，直到它最终坠毁在彗星表面，传回了最后一张照片后，罗塞塔号失去了联系，永远停留在了彗星表面。

它们将随着67P彗星永远的运行下去，它们的任务无疑是伟大的，为人类生命起源带来了更多的证据。

在地球诞生初期，无数颗携带生命物质的彗星飞向地球，最终一颗彗星携带的生命物质经过极其复杂的过程孕育出了地球的生命。

作者：黄姤

95后·女·科普新星培训营学员，创作有关：天文、地质、化学、生物、物理等一些科学领域的作品，欢迎关注互相学习。