在罗塞塔的彗星之内

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-10 21:52:03 | 作者:Melipal 译 | 来源:ESA | 浏览:945次 ]

原文标题:Inside Rosetta’s comet

原文来自:ESA   Posted: 2016. 2. 4

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星内部没有大型空穴。ESA的罗塞塔号探测器进行的测量清晰地证明了这一点,由此解决了一个长久的谜题。

67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星。(图片版权:ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0)

彗星是46亿年前行星形成过程留下的冰态残余。现在探测器已经造访了8颗彗星。在这些探测器的帮助下,我们已经勾勒出了此类宇宙时间胶囊的基本特性。然而在一些问题得到回答的同时,另一些问题又出现了。

人们知道,彗星是由尘埃和冰态物质组成的混合物。如果它们拥有真正的致密结构的话,它们的密度会大于水分。然而先前的测量表明,一些彗星密度非常低,要比水冰低得多。低密度意味着彗星必然是高度多孔的。

但是这种多孔是由于彗星内部存在巨大的空穴,还是说它有着更为均匀的低密度结构?

在本周发表于《自然》杂志的一项新研究中,一个由来自德国莱茵环境研究所以及科隆大学的马丁·帕佐尔德(Martin Pätzold)领导的小组证明,67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星也是一个低密度天体,不过他们还排除了内部空穴存在的可能性。

这个结果与罗塞塔号的CONSERT雷达仪器得出的早期结论相符,后者说明这颗双瓣状彗星的“头部”在数十米的空间尺度上相当均匀。

这样看来,最合理的解释就是,彗星的多孔特性必然就是与组成内部的冰态物质相混合的尘埃颗粒的内禀性质了。实际上,早期的探测器测量结果说明,彗星的尘埃通常并不是坚实的固体,而是“蓬松”的集合体,这样就为尘埃带来了高度多孔且低密度的特性。罗塞塔号的COSIMA与GIADA仪器也说明,67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上也存在同类的尘埃颗粒

帕佐尔德的小组使用射电科学实验仪器(RSI)作出了他们的发现。这台仪器研究的是罗塞塔号轨道探测器是如何被彗星引力(由彗星的质量产生)拖动的。

引力对罗塞塔号运动的影响是通过地面接收到的探测器信号频率来测量的。这是多普勒效应的表征,只要信号源和观测者之间存在相对运动,就会出现这样的效应。出于同样的原理,执行紧急任务的车辆警笛在路过时声调会发生变化。

这次,罗塞塔号被彗星的引力拖动着,因此就改变了地球上接收到的无线电信号的频率。在常规运营期间,与罗塞塔号的通信是使用ESA设在澳大利亚新诺西亚(New Norcia)地面站的35米天线进行的。通过分析天线接收到的信号频率变化,可以给出整个彗星引力场的图像。大型内部空穴会对探测器的加速过程留下可以察觉的踪迹。

新诺西亚地面站。(图片版权:ESA)

ESA的罗塞塔号探测器第一次对彗星进行了这种困难的测量。

RSI仪器的首席研究员帕佐尔德说:“牛顿的引力定律告诉我们,罗塞塔号探测器本质上会被一切事物拖动。

“实际操作起来,这意味着我们必须要扣除太阳和所有行星(从巨大的木星到矮行星)以及内小行星带中大型小行星对罗塞塔号运动的影响,只留下彗星的影响。幸亏我们很好地了解了这些效应,而对当代航天器操控来说,这是标准流程。”

接下来我们必须要扣除太阳辐射压以及彗星外流气体尾的影响。这些因素都会将航天器“吹离”航线。这次罗塞塔号的ROSINA仪器尤其帮了大忙,它测量了流过探测器的气体。这使得帕佐尔德与同事可以计算并扣除这两种效应。

剩下的运动就是由彗星的质量导致的了。对于67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星来说,由此得出的彗核质量是不到100亿吨。OSIRIS照相机拍摄的图像被用于开发彗星形态的模型,并由此给出了彗星的体积——18.7立方千米左右,这意味着彗星密度是每立方米533千克。

提取彗星内部的细节信息纯粹是通过宇宙好运气实现的。

考虑对彗星活动认知的不足,人们设计了一条谨慎的交会路径,以确保探测器的安全。哪怕在最好的情况下,罗塞塔号都不会靠到距离彗星10千米之内的地方。

不幸的是,在2014年之前,RSI小组预计,他们需要抵达距离彗星不到10千米的地方才能测量彗星的内部物质分布。这是根据地面观测推测出的,这些观测认为彗核呈球形。在10千米之上,我们只能测量到总质量。

随后,当罗塞塔号继续靠近彗星时,彗星奇特的形态被揭示了出来。对于RSI来说幸运的是,双瓣状结构意味着引力场的差异变得更为明显,因此从远方进行的测量更容易进行了。

帕佐尔德说:“我们在30千米之外就已经看到了引力场的变化。”

当罗塞塔号进入10千米高度轨道时,RSI可以进行详尽的测量。这是让他们对结果如此自信的原因,而且结果会变得更好。

9月,罗塞塔号将被导向受控的彗核表面撞击。这次机动将对德国达姆施塔特(Darmstadt)的ESA欧洲航天指挥中心(ESOC)的飞行动力学就提出独特的挑战。当罗塞塔号距离彗星复杂的引力场越来越近的时候,导航将变得愈发困难。但是对于RSI来说,它的测量精度将会提升。这将使得小组得以搜寻宽度只有数百米的空穴。

编者注

M·帕佐尔德等人的论文《根据引力场推断的67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的均匀彗核》已在《自然》杂志上发表。

(全文完)

Tags:罗塞塔 彗星结构

责任编辑:Melipal

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