「菲萊」著陸器登錄彗星後將展開哪些調查?以及如何通俗的理解這些調查的實際意義? | 知乎問答精選

 

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「菲萊」著陸器登錄彗星後將展開哪些調查?以及如何通俗的理解這些調查的實際意義?

2019年01月10日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【Feliscatus的回答(37票)】:

各種儀器的佈置 / Source: 各種儀器的佈置 / Source: ESA

  • APXS (Alpha Particle X-ray Spectrometer) α 粒子 / X-射線光譜儀:通過檢測彗星表面物質反射的 α 粒子和 X-射線分析其組成。

  • COSAC (COmetary SAmpling and Composition) 彗星採樣及成分檢測:使用氣相色譜-飛行時間質譜聯用檢測彗星表面的揮發性物質成分。

  • Ptolemy 托勒密:分析彗星表面揮發性物質中的同位素比例(例如 D/H、

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    )。

  • ?IVA (Comet Nucleus Infrared and Visible Analyzer) 彗核紅外可見分析儀:由五個相同的單鏡頭攝像頭和一個 3D 攝像頭組成可見光拍攝部分,用於拍攝彗核表面全景圖像,每個攝像頭分辨率 1024 × 1024;紅外分析儀包括兩個紅外光譜儀,分辨率 128 × 128。

  • ROLIS (Rosetta Lander Imaging System) Rosetta 登陸器圖像採集系統:在下落至彗核表面的過程中拍攝圖像,在著陸之後拍攝著陸位置附近的圖像,以及拍攝樣本採集區域的高清圖像。分辨率 1024 × 1024,視野 75°(下落過程中)/ 50°(著陸後)。

  • CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) 彗核無線電聲學實驗:分析由 Rosetta 探測器上搭載的雷達發射無線電波穿過彗核後的變化,研究彗星內部結構。

  • MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science) 多用途表面 / 亞表面科學探測器:使用位於 Philae 登陸器的 「錨」 上的探頭測定彗核表面的密度、熱學和機械性質。

  • ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) Rosetta 登陸器磁強計 / 等離子體監測器:探測彗核的磁場,研究它和太陽風的相互作用。

  • SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiments) 表面電測深 / 聲學監測實驗:包括 CASSE (Cometary Acoustic Sounding Surface Experiment) 彗星表面回聲實驗,研究聲波穿過彗星內部的情況;PP (Permittivity Probe) 電容探測器,研究彗星表面的電性質;和 DIM (Dust Impact Monitor),監測落回彗星表面的灰塵。

  • SD2 (Drill, Sample, and Distribution subsystem) 鑽孔 / 取樣 / 收集系統:在彗星表面 0 ~ 23 cm 深度範圍內採集樣本,並送至 Ptolemy、COSAC 和 ?IVA 系統分析。包括鑽頭、傳送帶、烘箱和容量檢測器,共有 10 個中溫(180 ℃);16 個高溫(800 ℃)鉑電爐。

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聽不懂,說中文:

一直以來科學家認為彗星是太陽系(地球)的生命之源,是彗星不斷對地球的轟擊最早給地球帶來了生命賴以生存的水 [1]。更重要的是,在地球形成初期,地球表面存在大量的甲烷、氨、水和二氧化碳等物質,它們是如何演變成氨基酸、多肽、蛋白質和核酸這些構建生命的基石的呢 [2]?模擬地球早期環境的實驗 [3] 發現,通過用高壓電弧模擬閃電轟擊甲烷、氨、水和氫氣,最終可以產生氨基酸。但是這樣的反應有沒有可能發生在太陽系深處,甚至是別的行星上,之後瀰散到星際空間,最後被彗星帶到地球上來呢?如果 Rosetta 探測器和 Philae 登陸器能夠在彗星表面上檢測到氨基酸等關鍵物質,將會給地球生命的起源這一 「人類終極問題」 帶來新的認識。

Rosetta 探測器 [5] 以羅塞塔石碑 [4] 命名,是希望就像羅塞塔石碑的發現為對古埃及文明的研究帶來了突破性的進展一樣,解開地球生命起源之謎。Philae [6] 是發現羅塞塔石碑的小島的名字。

據說這個著陸器的中文名字應該叫 「韭菜」?(誤)

【ShuyingYang的回答(8票)】:

謝 @袁霖邀請回答這題。

其實大家的討論都很全面了,我再狗尾續貂個。

這兩年去了三月份在休斯頓附近幾公里的一個叫landwood的小鎮舉行的Lunar and Planetary Science Conference,都沒有聽到或看到關於韭菜的報告,或者是有我沒有太注意。它都在天上跑了十年了,十年前我剛有了動感地帶的手機號,彩鈴是周傑倫很屌的「在我地盤這就得要聽我的」。十年後我的動感地帶手機號都被移動吊銷了,傑倫也不跟依林好了,我也開始了學習cosmochemistry並且買不起回國機票的第四年。

相信明年韭菜一定是LPSC的熱點。

先簡單的說一下歐洲的科學家們為什麼要送韭菜去彗星呢,官方的解釋是「"element, isotopics, molecular and mineralogical composition of the cometary material, the characterization of physical properties of the surface and subsurface material, the large-scale structure and the magnetic and plasma environment of the nucleus (Birbring et al., 2007)."翻譯一下就是「也不知道到底能搞出啥來,反正錢有富裕,再碰碰運氣,要能著陸的話就什麼都測一下,有了數據再解釋」。

那為什麼要研究彗星呢?

因為彗星是在太陽系剛誕生的時候(45億)年前由宇宙顆粒聚集壓實在一起形成的,所以蘊含著最原始,最古老的太陽系的信息。彗星跟地球不一樣,地球在45億年之間不斷的演化,滄海桑田不斷交替,所以地球上已經沒有,或者說很難採集到太陽系最初形成時的信息。所以彗星能提供給我們一些線索讓我們去想想45億年前到底發生了什麼事情。還有一說就是彗星在早期地球大氣層的形成以及生命的起源中扮演著重要的角色,不過這一點誰也不知道也不確定,所以也不好說。其實這些除了跟一小撮研究宇宙起源演化的科學家有關,跟我等草民並無多大關係。我們比較擔心的是,彗星是有可能撞到地球的,比如恐龍滅絕理論之一。基於這一點,我們去分析彗星運行的軌道,研究它的物理化學性質,也還是有必要的。

韭菜是通過什麼來獲取反應彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的物理化學特徵的數據的呢?

其實跟我們做地球化學和地球物理的手段差不多,韭菜的過人之處就是把這些儀器都組裝在了一起並且追上了彗星並且還能把數據傳回來。

首先韭菜上有一個小鑽頭,它是用來取樣的,雖然只能取到表面0-2毫米,取下來的樣品會被送到一系列的質譜儀那裡去:

它們分別是(1)X-RAY質譜儀,通過X射線去激發彗星表面物質裡的元素的電子躍遷,然後不同的元素發出不同波長的X光,通過接受到的光信號就可以分析出不同元素的含量;(2)氣體色譜質譜儀,我不做有機物,所以我不太懂,這個大概就是分析土壤裡的有機物,好像有機物裡不同的元素會有不同的峰值,然後就能得到有機物的化學式(不好意思啊,真心沒用過這種質譜儀);(3)一個測穩定同位素(O,C,H,N,S它們都很易揮發)的質譜儀,它的工作原理大概是通過幾個爐子把固體的樣品加熱,然後把裡面揮發出來的揮發份離子化送進質譜儀。

所以通過這幾個質譜儀,我們大概就可以得到彗星的化學成分,有機物組成以及穩同配分。

除此之外,韭菜上面還有幾個照相機,拍完了發facebook, instagram, 朋友圈及微博。

一個磁異常的檢測器,一個探測彗星內部結構的電磁波發射器,一個聲波檢測器以及一個可以測量密度,熱力學性質和動力學性質的多功能傳感器。這些儀器能給我們彗星表面及內部的物理特徵的信息。

至於數據回來了大家怎麼講故事呢?

待我去了明年的LPSC再回來update答案吧。

【李德的回答(19票)】:

首先要說明彗星中有神馬東西。

彗星由大量的冰物質和塵埃混合而成,看起來黑不溜秋的。冰物質中除大部分是水冰之外,還有一氧化碳冰、二氧化碳冰(乾冰)、氨冰和甲烷冰等。

因此在彗星上要展開的調查就包括:彗星散發的氣體和塵埃組成成分,彗星核結構和其它有機物質的詳細信息。簡單來說,展開的調查包括彗星上能看得到的、看不到的東西都要盡可能的收集和分析。

第二個問題,這些調查的實際意義。

彗星個頭很小,自身不會有地質活動。更重要的是,由於受到太陽輻射的作用少,彗星受到寒冷的高層宇宙空間的保護,歷經數十億年未變。柯伊伯帶和奧爾特星雲如一個巨大的冷庫,保存了太陽系形成初期的原始物質,儲藏著太陽系的秘密。

所以對彗星的氣體、塵埃一級彗星和結構等物質的研究有助於探清太陽系形成初期的原始物質,探索太陽系中隱藏的密碼。這項研究不但可以幫助科學家瞭解太陽系的起源,還可能解開地球生命的起源(比如說在彗星上發現的完整氨基酸等物質)。

第三個,我還想說說探索的主要技術。

由於彗星探測器此次此行程是有去無反的,不可能將彗星上的物質帶回地球進行研究。所以數據採集多採用高光譜傳感器採集高光譜影像,在地球上對光譜進行對比分析識別彗星上所存在的物質。

【獵狗先生的回答(9票)】:

謝邀,由於對行星科學瞭解甚少,就結合我自己的認知扯一扯~

首先,如之前的答案所說,按照歐航局的規劃目的本次韭菜著陸彗星的主要目的是為了驗證彗星是否為地球上生命起源的根源。這個涉及到地球上水以及其他有機大分子來源的兩種假說,一種認為是自身活動合成,且因為有氣態大氣層和地球表面及近地表水層的存在使得這些合成之後的水被俘獲在地球上,為有機分子之間的複雜反應提供溫床。另一種則是彗星來源假說,認為是批量隕石上帶來的水冰及有機大分子,才能在短時間內聚集足夠多的生命起源的材料。

兩種假說都各有問題,因此目前還沒有定論,其實之前對於彗星來源假說已經借助於地球上可以搜集到的隕石進行過初步研究,但是很可惜,我們在隕石中發現水乃至氨基酸等生物大分子,但無法排除地球本身的污染,而此次登陸彗星則是提供一個直接手段,對尚未進入大氣層的彗星進行接觸並進行樣本的處理,即通常意義上的原位測試,這樣可以最大程度的避免干擾因素。如果能夠發現有客觀的有機大分子存在那麼不但能夠給彗星來源假說提供證據,也給予了其他相似宇宙環境下有生命存在的新的支持。也許這次的資料將成為未來一段時間內行星科學炙手可熱的研究對象了。

其次,從隕石學和行星地質學的角度講,因為彗星體積、質量都較小(不排除從母體撞擊分離),因此並沒有經歷熔融分異過程(如地球等具有核幔分異的星體所經歷的過程),可以說其化學組成與早期太陽星雲基本一致,因此對於我們瞭解太陽系演化歷史具有著重要的指示作用。韭菜搭載的設備可以做的測試可以檢測出的結果及其意義如下:

1、彗星釋氣的成分。目前已經得出的結論是釋氣中除了CO、CO2外還存在氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛等,已經成為彗星擁有有機分子的有力證據。

2、彗核的岩石學特徵。如是否存在水指示礦物(硫化銅、磷灰石等),從而揭示水環境來源;是否有蝕變礦物的存在(石鹽、蒙皂石、蛇紋石等)從而判斷蝕變的化學和同位素效應、蝕變發生的位置和時間以及蝕變的環境因素和溫度。水冰的狀態與岩石學特徵結合可以提供給我們當時彗星吸積的狀態,以便於推測整個彗星庫的吸積歷史和維持條件。

3、彗核元素組成及同位素組成。通過主微量元素的分析以及REE圖解的對比可以瞭解彗核內元素的核反應及演化程度。惰性氣體成分、基性礦物中Fe/Mn比值、40Ar/14N同位素比值等都可以成為重要的比對資料。其中最為重要的是氧元素同位素分異,因為太陽系彗星的產生可能與太陽系同時(約45.67Ma)由前太陽物質組成,或者來自於系外物質,而同位素定年和氧同位素的分餾情況則有助於我們瞭解彗星組成物質的來源和時間。O元素在太陽系內出現了16O/17O/18O的分異,故如果彗星物質出現了氧同位素發生非質量分餾效應那麼可以解釋為CO在遠紫外光解過程中的同位素自屏蔽效應的結果從而推測其形成環境(太陽星周盤內緣、太陽系母分子雲環境、原行星吸積盤的外表面區域環境)。與我們已經獲得的隕石樣品中CAI(富鈣鋁難熔包體)及球粒的氧同位素分餾情況進行對比也可以精確其生成區域和環境。

4、恆星塵埃顆粒的存在與分析。這些顆粒可能包含碳化物、氧化物、硅酸鹽等前太陽物質,包含有與現在太陽系物質截然不同的同位素組成,反應恆星所經歷的各種核反應。可以幫助我們更深入地瞭解星系化學演化趨勢、恆星內部的核反應過程、恆星大氣層的化學物理特性、太陽原始星雲的物質來源、和母體甚至彗星自身內部的變質過程。

綜上,這次羅塞塔任務承擔著探尋生命起源、發掘星系歷史的重任。這次任務不論是對於大眾還是對於我們這種地質學的後輩來說都是一個不錯的機會去更多的瞭解這些遠離我們無數光年的瑰麗宇宙傳奇,也希望能帶給我們更多第一手的資料。相信這次羅塞塔的經驗能夠使得我們製作出更加高效穩定的飛行器做下一步工作。

最後附上一張今天傳回來的第一張CIVA照片:

【directus的回答(2票)】:

我就知道一點...彗星類似於太陽系的化石,它完好地保存了整個太陽系形成時的物質化學構成和物理狀態(非嚴格的,可能受到太陽風的影響)。

因此研究彗星可以幫我我們瞭解太陽系的起源(比如物質的構成等等)。如果在其上發現有機物,甚至可以幫我我們回答

「我們是誰,從哪裡來?」

的問題。因為這些東西都是地球形成之前或在形成過程中產生的,遠遠早於地球生命形成的時間。所以,如果發現有機物,將對人類來說意義非凡。

【王猛的回答(2票)】:

謝邀,看來這裡還是搞化學的回答多一點,不管地球化學還是天體化學,我還是從地球(行星)物理角度來說。

先廢話幾句。據說韭菜(這倆字打起來順手多了)立項的時候口號很大,終極目標是探索太陽系起源以及生命起源信息,甚至討論宇宙的演化問題。話說這類科學問題總是猶如一場不知道終點在何處的馬拉松比賽,只能分階段進行,盡可能多地收集有能力獲取的數據,逐步地解決一些前提條件,如上次的深度撞擊項目。

既然著陸了,地表的物質成份分析是少不了,受登陸器鑽探深度和範圍的限制,不得不採取對彗星內部進行物理探測。

前面Felis catus列齊了韭菜搭載的儀器功能,補充一下地球物理儀器的用途,地球物理儀器無非是通過物理手段獲取行星內部的各種物理參數,並利用這些參數恢復出行星內部的物質成分和狀態,彌補地表化學分析的不足:

· CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment byRadiowave Transmission) 無線電波彗核測深儀:這種方法在地球物理中叫無線電磁波測深法(The radio-magnetotellurics,簡稱RMT),原理是在地面測量受來自太空的10~1000KHz頻率範圍的無線電遠區電磁場傳播至彗核上受感應出來的電場與磁場的變化比值,可以計算出0.5~100m 左右不同深度的電導率變化,通過這種物理參數研究彗星內部結構。

· MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-SurfaceScience) 多用途表面 / 亞表面科學探測器:使用位於 Philae 登陸器的 「錨」 上的探頭測定彗核表面的密度、熱學和機械性質。

· ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and PlasmaMonitor) Rosetta 登陸器磁強計 / 等離子體監測器:探測彗核的磁場,研究它和太陽風的相互作用。有無磁場、磁場的強度、磁場的穩定性與行星內部物質成分及動力學過程密不可分。

· SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic MonitoringExperiments) 表面電測深 / 聲學監測實驗:包括 CASSE (CometaryAcoustic Sounding Surface Experiment) 彗星表面回聲實驗,研究聲波穿過彗星內部的情況;PP (PermittivityProbe) 電容探測器,研究彗星表面的電性質;和 DIM (Dust Impact Monitor),監測落回彗星表面的灰塵。

· 通過獲取上述這些綜合物理參數更精確地確定地表以下的物質成份。為討論大彗星的成因提供物質基礎。

【顧琦烙的回答(1票)】:

謝邀,前面幾位都從各方面講得挺清楚了其實。。。

韭菜君這次的目的說的直白一點就是探究地球生命的起源。彗星的核可以想像成一個大冰庫,整個柯伊伯帶和奧爾特雲(彗星的兩個最主要來源地,一個短週期,一個長週期)就是太陽系誕生初期的巨大精子庫,裡面蘊藏著有關於太陽系起源與演化的秘密,甚至是關於地球生命誕生的秘密。韭菜此行將是對生命起源於地外的假說的一次探索和檢驗,上升到哲學高度就是研究「從哪裡來」的終極問題。此外,比較現實的意義在於對彗星結構和成分的研究,從中或能一窺太陽系初生的奧秘。

小白看法,還需要相關的大神們來補充。。

【知乎用戶的回答(0票)】:

這顆目標彗星保存著太陽系的早期環境,甚至可以追溯到46億年前(地球現在46億年,太陽大約50億歲),希望可以揭開太陽系的演化之謎,除此之外,還有一個更重要的任務,即尋找生命物質。人類已經在其他彗星上發現了氨基酸等物質,氨基酸可以形成蛋白質,而蛋白質可以形成生命。還有一種觀點,太陽系的生命細胞最早在彗星上演化,一旦進入適合的行星,衛星等天體表面就開始復甦繁衍。

信息來自中國空間技術研究院網站

【非典型土人的回答(0票)】:

為了探索彗星上有沒可能攜帶生命的環境。最終是為了驗證地球生命是從外太空帶來的假說。

至於這個事件,最關鍵的是逮住它了,彗星的軌道本來就不固定,探測器的軌道就需要實時調整,就像一個狙擊手坐在波濤洶湧海面上的船中射擊1公里外島上飛著的海鳥。

【pefa的回答(0票)】:

登陸彗星,這個比登陸月球難多了吧?

【DoloresShan的回答(0票)】:

只有我一個人看成了「韭菜」麼

【ashleywho的回答(0票)】:

看成"韭菜"的我默默自pia。。。。

【花嘻的回答(0票)】:

sorry看成了韭菜

【王若楓的回答(3票)】:

謝邀。

歐洲當局是這樣解釋他們的行動目的:希望在彗星上找到有機碳分子及氨基酸等早期生命物質,協助解釋地球生命之源。

也就是說,此次登陸彗星,是為了驗證一個假說。

假說是這樣的:地球上本來沒有生命,只有岩石和水,最早的核酸是從外太空來的,由隕石帶到地球上,遇上了合適的環境,於是大量繁殖起來。

對於早期生命形式的產生,最初的假說是:閃電擊中了水分子,以空氣裡的氮和水為基材,產生了核酸。但這個假說一直沒被廣泛認可,畢竟太偶然了,而且雷暴的高溫對生命原始形態並不是最恰當的條件。於是,新的假說開始流行。

能驗證了這個假說當然好,但也會面臨一個問題:即使外太空的隕石上有生命元素,也並不是每個隕石每顆星球上都有,也許他們登陸的這個彗星恰好沒有呢。就算有,它跟人類顯然也沒關係,地球生命產生的時候,這顆彗星還在幾百萬光年之外尿床呢。

於是,科學家就會面臨更多的問題:地球生命是哪兒來的?這顆彗星不具備生命條件,何以能夠攜帶生命元素?彗星可以有生命,地球為什麼不可以有、憑什麼認為地球生命不是地球自己產生的?

個人認為,最後這個問題才是最要命的。

探測彗星這錢基本上等於白花。

當然,要是能順便探測到一些什麼其他無機物,對地球經濟發展有好處,由此發了也未可知。

標籤:-天體物理學 -航天 -航天器 -太空探測器 -彗星


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