深度撞擊號

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深度撞擊號
深度撞擊號撞擊器分離的一刻（藝術想像圖）
所屬組織美國太空總署 / 噴氣推進實驗室
主製造商鮑爾航天公司（英語：Ball Aerospace & Technologies Corp.），噴氣推進實驗室
任務類型飛越探測器 / 撞擊器
掠過對象坦普爾一號彗星, 哈特雷二號彗星
發射時間2005-01-12 18:47:08.574 UTC
(19年3個月12日之前) [1][2]
發射手段Delta II-7925
發射地點卡納維拉爾角空軍基地
17號航天發射複合體
任務時長後續任務進行中 (EPOXI)
預定任務完成（18年9個月2日之前）
 坦普爾1號彗星（9P/Tempel）飛越
 (2005-07-04完成)
 哈特雷二號彗星（103P/Hartley）飛越
 (2010-11-25完成)
COSPAR ID2005-001A
SATCAT no.28517在維基數據編輯
官方網站Deep Impact at JPL
質量650千克 飛越探測器
370千克 撞擊器
功耗620 W （太陽能陣列 / 鎳氫電池）

深度撞擊號（英語：Deep Impact）是美國太空總署的彗星探測器，設計用於研究坦普爾1號彗星核心的成分。探測器於2005年1月12日成功發射，同年7月3日釋放撞擊器，並於2005年7月4日05時44分（UTC時間）成功撞擊坦普爾1號彗星的彗核，地球在8分鐘後接收到撞擊事件的發生。

此前針對彗星的太空任務，如喬托號和星塵號都是飛掠任務，僅僅進行拍攝和遠距離彗核探測。深度撞擊號是第一個激起彗星表面的物質的探測任務。任務引發了公眾媒體、科學家和業餘天文愛好者的廣泛關注。在主要探測任務結束後，深度撞擊號被EPOXI任務用於研究地外行星和哈特雷2號彗星[3]。

美國太空總署2013年9月20日宣佈深度撞擊號因軟件故障，未能控制太陽能板正對太陽，搭載的電池消耗殆盡，寒冷的氣溫破壞機載設備，基本上凍結它的電池和推進系統。在失去聯絡一個月後，美國太空總署唯有將彗星研究任務結束。

科學目標[編輯]

深度撞擊號任務旨在幫助解答關於彗星的基本問題，諸如彗核的成分、撞擊造成的撞擊坑深度、彗星的形成地點等[4][5]。通過對撞擊及其餘波的觀測，天文學家希望確定彗星內核與外層的差異，以探究彗星的形成過程[6]

該任務由馬里蘭大學的天文學家麥克·阿赫恩（英語：Michael A'Hearn）主持[7]。他領導的科研小組成員來自康奈爾大學、馬里蘭大學、亞利桑那大學、布朗大學、貝爾頓太空探測計劃（Belton Space Exploration Initiatives）、噴氣推進實驗室、夏威夷大學、科學應用國際公司、鮑爾航天公司以及馬克斯·普朗克地外物理學研究所（英語：Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik）[8]。

任務簡介[編輯]

深度撞擊號準備搭載德爾塔II型火箭發射
撞擊器撞擊13秒後拍摂到的彗核

在2005年1月12日發射之後，深度撞擊號經過174天長達4.29億千米的飛行抵達坦普爾1號彗星，平均巡航速度為28.6千米/秒（10.3萬千米/小時）[4]。探測器在2005年7月3日抵達彗星附近時，自動分成撞擊器和飛越探測器兩部分。撞擊器利用推進裝置向彗星靠近，在24小時後以10.3千米/秒（3.7萬千米/小時）的相對速度撞擊彗星[4]。撞擊器為重370千克的銅質射彈[9]，動能達1.96×1010 焦耳，相當於4.7噸TNT釋放的能量。科學家相信高速撞擊的能量足以鑿出100米寬的坑[4]。但撞擊坑的真實大小在撞擊後的一年內仍舊未知[10]。

撞擊後十分鐘，飛越探測器在距離彗核500千米的近距離飛掠並拍攝了彈坑位置、噴出物和彗核。整個撞擊事件都被地基望遠鏡（位於夏威夷及美國本土西部的觀測站）和軌道望遠鏡（包括哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文台、斯皮策空間望遠鏡、XMM-牛頓衛星、星系演化探測器、亞毫米波天文衛星）所記錄；同時撞擊事件也被撞擊時距彗星8000萬千米的歐洲羅塞塔太空探測器的相機和分光儀觀測到，撞擊激起的塵埃和氣體的成分也得到測定[11]。

該任務與1998年一部描述彗星撞擊地球的電影《末日救未來》同名[註 1]，但這只是巧合。任務背後的科學家和電影的製作者幾乎在同一時間獨立地想出了這個名字[12]。

探測器設計和儀器[編輯]

深度撞擊號由兩個主要部分組成：用於撞擊彗星的銅核心「智能撞擊器」和在安全距離外拍攝坦普爾一號彗星的飛越探測器[11]。

深度撞擊號探測器結構

飛越探測器[編輯]

鮑爾航天公司的工作人員正在對飛越探測器的儀器進行熱真空測試。其中右邊為高解像度相機，左邊為中解像度相機

飛越探測器長3.2米、寬1.7米、高2.3米[4]，擁有兩塊太陽能電池板、一個碎片盾以及數個科學儀器。科學儀器分別用於成像、紅外光譜探測和靠近彗星的光學導航。科學儀器的質量為90千克，相遇時消耗的功率達92瓦。為使飛越探測器保持三軸穩定，它還裝備有一個聯胺推進器，可以提供5000牛·秒的總衝量，燃料質量則佔到了86千克。飛越探測器使用一個直徑1米、工作在X波段的拋物線天線與地球聯繫。飛越探測器和撞擊器之間則以S波段溝通，上行速度為125比特/秒，下行速度達175比特/秒。飛船獲取的科學數據存儲在兩台互為備份的RAD750型電腦之中，這種電腦以IBM的 PowerPC 750為基礎，各擁有309兆字節的空間，且經過防輻射處理以防禦宇宙射線[13]。

探測器還攜帶了兩個相機：高解像度相機（HRI）和中解像度相機（MRI）。高解像度相機是由一個帶有濾光輪的可見光波段相機以及一個稱作「光譜成像模塊（SIM）」的紅外分光儀組成，其中紅外分光儀工作在1.05～4.8微米波段。高解像度相機主要用來觀測彗核。中解像度相機是備用設備，主要用於抵達前最後10天的導航。中解像度相機也有由一組略有差異的濾光片組成的濾光輪。[14][15][16][17]:44-45

撞擊器[編輯]

深度撞擊號的撞擊器部分有一個名為「撞擊目標傳感器（ITS）」的裝置，它和中解像度相機光學部分相同，但是沒有濾光輪。該儀器有雙重作用：檢測撞擊器的軌道和近距離拍攝彗星。從釋放到撞擊的這段時間內，撞擊器共需調整四次軌道。當撞擊器接近彗星表面時，相機會拍攝彗核的高解像度照片（高達0.2米/像素）並實時傳送到飛越探測器，直至撞擊器撞毀。撞擊器的最後一張照片是約在38km外所拍下，當時距撞擊彗星還有3.7秒[18]。

撞擊器的有效載荷稱為彈坑質量（Cratering Mass），完全由銅製成，佔到撞擊器總質量的49%。之所以用純銅製作，是因為科學家們預期彗星內不會有銅的存在，如此可以從分光儀中排除銅元素的影響，同時也能減少撞擊時產生的碎片，以免干擾科學儀器工作[19]。此外，相對於爆炸物來說，使用銅作為荷載更加廉價[5]。

任務歷程[編輯]

深度撞擊號任務臂章

發射前[編輯]

使用天文軟件Celestia模擬深度撞擊號撞擊器與坦普爾1號彗星相撞。太陽和地球在右側。注意：深度撞擊號面朝錯誤的方向。太陽能電池板應該面向太陽；高增益天線應該指向地球。

彗星撞擊任務由NASA在1996年首次提出，但那時NASA的工程師對於是否能撞擊到目標尚持懷疑態度[20]。1999年，原計劃經過改進和技術升級後，以「深度撞擊」的名稱提出，並得到NASA的低成本探測器探索計劃的認可和資金支持。探測器的兩個組成部分（撞擊器和飛越探測器）和三個主要儀器由美國科羅拉多州博爾德的鮑爾航天技術公司製造和集成[21]。開發探測器所需的軟件共用時18個月，應用程式代碼由2萬行和19個不同應用程式線程組成[4]。航天器製造與任務執行總共花費3.3億美元[22]。

發射和試運行階段[編輯]

探測器原本計劃在2004年12月30日發射，但是NASA官員為了有更多時間測試軟件而推遲了這次發射[23] 。之後在2005年1月12日美國東部時間13:47（UTC時間18:47）在卡納維拉爾角由德爾塔II號火箭發射成功[24] 。

深度撞擊號在發射後第一天的狀態不穩定。在進入太陽軌道並展開太陽能電池板之後不久，探測器便進入安全模式。問題產生的原因只是探測器的RCS推進器催化劑床的溫度限制保護邏輯出現小錯誤。推進器用於在第三階段分離時防止探測器翻滾。NASA隨後宣佈探測器一切正常並脫離安全模式[25]。

2005年2月11日，深度撞擊號攜帶的火箭按計劃點火，以修正探測器的路線。由於這次修正足夠精確，預定在3月31日的修正被取消。試運行階段確認所有儀器均已激活並正常工作。測試期間，發現高解像度相機在經歷高溫階段後對焦不準[26]。任務成員在6月9日宣佈可以使用圖片處理軟件和數學的反卷積方法來修正到預期的解像度[27]。

巡航階段[編輯]

「巡航階段」在2005年3月25日試運行階段結束後馬上開始，此階段持續了60天直到靠近坦普爾1號彗星。4月25日，探測器在6400萬千米之外獲取到彗星的第一張照片[28][17]:37。

5月4日，探測器進行了第二次軌道修正。火箭引擎工作95秒後，探測器的速度改變了18.2千米/小時[29]。美國航天局噴氣推進實驗室的該項目負責人里克·格萊美爾（Rick Grammier）評論這次軌道修正時說，「探測器狀態好極了，這次點火一絲不差，堪稱範本」[29]。

抵達階段[編輯]

抵達階段是交會前60天到前5天的時期。60天是深度撞擊號探測器的高解像度相機預期能夠探測到彗星的最早時刻。實際上探測器在撞擊前69天就已經提前於計劃捕捉到彗星了（參見上述巡航階段）。該里程碑標誌着一個密集獲取彗星軌道、研究彗星自轉、活動和塵埃環境時期的開始。[16][17]:38

6月14日和22日，深度撞擊號探測到彗星的兩次爆發活動，其中的後者比前者大6倍[30]。探測器根據不同距離的恆星的影像確定它當前的軌道和位置[4]。噴氣推進實驗室的任務合作負責人唐·約曼斯指出「信號傳到地球需要7½分鐘，所以不能實時操控探測器。你得使得飛越探測器和撞擊器具有智能，在做事情之前有提前判斷的智慧」[31]。6月23日，倒數第二次的軌道修正成功完成。探測器以6米/秒的速度變化足以調整抵達彗星的飛行路徑，使撞擊器的目標限制在100千米寬的窗口內。[32][33]

深度撞擊號位於不同位置時拍攝的坦普爾1號彗星影像
  • 2005年4月25日拍攝，距撞擊還有69天
    2005年4月25日拍攝，距撞擊還有69天
  • 2005年5月30日拍攝，距撞擊還有35天
    2005年5月30日拍攝，距撞擊還有35天
  • 2005年6月15日拍攝，距撞擊還有19天
    2005年6月15日拍攝，距撞擊還有19天
  • 2005年6月21日拍攝，距撞擊還有13天
    2005年6月21日拍攝，距撞擊還有13天
  • 2005年6月27日拍攝，距撞擊還有7天，抵達階段終點
    2005年6月27日拍攝，距撞擊還有7天，抵達階段終點
圖片由NASA/JPL拍攝

撞擊階段[編輯]

深度撞擊號與彗星的交會時序圖

撞擊階段開始於撞擊前的5天，即2005年6月29日。在7月3日6時整（地面接收時間為6:07 UTC）撞擊器和飛越探測器成功分離[34][35]。撞擊器攜帶的儀器拍攝的第一張照片是在分離2小時後[36]。

為了避免毀壞，飛越探測器採取了兩種預案之中的一種規避機動措施。報告顯示，減速火箭工作14分鐘後，飛越探測器和撞擊器的通信聯繫工作完全正常[25]。撞擊器在撞擊前的2小時內執行了3次軌道修正[37]。

按照計劃，撞擊器將迎頭撞向坦普爾1號彗星[5]。撞擊發生在7月4日05:45 UTC（地面時間05:52 UTC，誤差小於3分鐘，單程通信時間為7分26秒） ，與預定撞擊時間相差不到1秒。

撞擊器在撞擊前的3秒發回了影像資料。大部分的數據存儲在飛越探測器上，在接下來的數天內，地球一共接收到HRI、MRI、ITS相機拍攝的約4,500張照片[38][39]。撞擊產生的能量接近引爆5噸TNT炸藥，使得彗星比平時要亮6倍[40]。

撞擊階段影像資料
  • 撞擊器剛分離時，飛越探測器拍攝的撞擊器的影像
    撞擊器剛分離時，飛越探測器拍攝的撞擊器的影像
  • 撞擊器在撞擊前不久拍攝的彗星，距離彗星150千米
    撞擊器在撞擊前不久拍攝的彗星，距離彗星150千米
  • NASA TV播放的撞擊瞬間
    NASA TV播放的撞擊瞬間
  • 撞擊動畫
    撞擊動畫
  • 撞擊時的HRI Visual CCD動畫
    撞擊時的HRI Visual CCD動畫

撞擊結果[編輯]

撞擊成功後，任務小組成員互相慶祝

直到撞擊後的5分鐘，即美國東部時間01:57（06:57 UTC），任務控制才宣告成功[22]。得到成功撞擊的消息後，任務控制小組的成員鼓掌並互相擁抱以慶祝這一喜訊。唐·約曼斯（Don Yeomans）向媒體宣佈結果時說，「我們撞上的位置正是我們想要的」[41]；噴氣推進實驗室主任查爾斯·葉拉奇（Charles Elachi）宣佈「成功超出我們的預期」[42]。

在UTC時間2005年7月4日08:00公佈的撞擊後簡報中展示了第一張處理過的彗星撞擊坑圖像。NASA科學家聲稱他們看不到撞擊後形成的撞擊坑，但之後發現撞擊坑直徑100米，深30米[43]。任務的合作研究者之一露茜·麥克法登（Lucy McFadden）說：「我們事先沒有預料到任務成功的一部分（明亮的塵埃雲）會影響另一部分（看見生成的撞擊坑）。但遇到沒有預見的事情，這就是科學之所以有趣原因之一」[44]。雨燕衛星的數據分析顯示彗星持續釋放了13天的氣態物質，在撞擊後第5天達到巔峰。撞擊使得彗星一共失去500萬千克的水[45] 以及1000萬到2500萬千克的塵埃[43]。

初步的分析結果表明彗星含有比預期中更多的塵埃以及更少的冰，這讓研究者感到驚訝。天文學家能夠明確排除的彗星模型只有會使彗星變得鬆散的多孔模型。另外，構成彗星的材料顆粒更加細小，科學家們把這比作滑石粉而不是沙子[46]。其他在撞擊光譜中發現的成分有粘土、碳酸鹽、鈉以及矽酸鹽結晶[10]。粘土和碳酸鹽需要液態水才能形成，而鈉在太空中很罕見[47]。同時觀測顯示彗星大約75%的體積都是空的，有天文學家把彗星的外表面的組成比作防雪堤[10]。天文學家還表現出對不同彗星的興趣，確定它們是否有類似的組成或在太陽系形成時期產生的存在於彗核深處的不同材質[48]。

基於對彗星內部化學的分析，天文學家推測該彗星可能形成於天王星和海王星之間的奧爾特雲。在遠離太陽的地方形成的彗星有更多的低凝固點冰，如出現在坦普爾1號彗星內的乙烷。與坦普爾1號彗星有着類似成分的彗星，很可能與之形成於同一區域[49]。

環形山[編輯]

深度撞擊號和星塵號拍攝的照片對比，右圖可以看到撞擊產生的坑洞。

由於深度撞擊號任務拍攝的照片品質不盡如人意，2007年7月3日，NASA批准了坦普爾1號新探測任務（New Exploration of Tempel 1，縮寫為NExT）。該任務利用了2004年探測過懷爾德2號彗星的星塵號探測器。在2011年2月15日04:42（UTC時間），進入新軌道的星塵號離坦普爾1號彗星只有約200千米[50]。這是人類首次對一顆彗星進行重訪，為研究深度撞擊號的產生的撞擊坑、以及最近一次彗星接近太陽的變化提供了絕佳的機會。

2011年2月15日，NASA的科學家從星塵號拍攝到的照片中分辨出了深度撞擊號產生的撞擊坑。坑洞直徑估計約150米，在中心有明亮的中心山，很有可能是深度撞擊號的銅製撞擊器撞入後形成的[51]。

公眾關注點[編輯]

媒體報道和反應[編輯]

撞擊後不久的彗核。該圖在媒體中廣為使用。

這次撞擊成為網絡、電視和書報雜誌關注的焦點。對於撞擊的結果，專家們持有迥異的態度。他們討論着撞擊器是會直接撞上彗星並從另一邊穿出，還是產生撞擊坑，還是在彗星內部打出一個洞或者其他可能。撞擊前24小時，噴氣推進實驗室的飛行隊私下裏表示，如果不發生任何不可預見的技術故障，他們深信探測器能夠攔截到坦普爾1號彗星。一名資深人員說「我們所有能做的只有坐下來等。所有從技術上保證撞擊的事情我們都做了」。在撞擊前的最後幾分鐘裏，超過一萬人在夏威夷威基基海灘的大屏幕觀看這次撞擊[40]。

專家用一小段話向公眾簡介了該任務。倫敦瑪麗王后大學的艾文·威廉姆斯（Iwan Williams）說「這就像蚊子撞上了波音747。我們發現那蚊子不只是在表面刮擦，實際上它已經穿透了擋風玻璃」[52]。

撞擊發生一天後，俄羅斯占星家瑪麗娜·貝（Marina Bay）要求NASA支付3億美元，因為「破壞了宇宙的自然平衡力」[53]。她的律師要求公眾幫助譴責「撞擊改變了彗星的磁性，這可能影響地球上的手機通話。如果你的電話今天上午宕機了，問問你自己這是為什麼，然後聯繫我們」[54]。2005年8月9日，莫斯科普列斯妮婭區法院駁回瑪麗娜·貝的訴訟。一名俄羅斯物理學家說撞擊對地球毫無影響，「彗星在撞擊後的軌道變化只有10厘米」[55]。

中國的研究人員以「深度撞擊」任務為例，強調美國科學的高效率，以贏得公眾的支持，從而保證獲得長期研究資金的可能性。但中國空間技術研究院研究員龐之浩也坦承「在中國，公眾對我們的科學家在做什麼毫不知情，科普經費的緊缺也降低了公眾對科學研究的熱情」[56]。在任務成功的2天後，中國披露了一個「更加聰明」的任務版本：發射一個探測器到彗星或小行星上，並把它推離軌道。該計劃會在中國發射探測器到月球之後開始執行。[57]

把名字送往彗星[編輯]

某維基人參與「把名字發送到彗星上」活動的證明

該任務由於它的一個推廣活動而廣為人知：「把你的名字送往彗星（Send Your Name To A Comet）！」。在2003年5月到2004年1月份之間噴氣推進實驗室網站的訪客都會受邀留下他們的名字，最後總共達62.5萬個名字被刻錄在一張迷你CD上，並搭載深度撞擊號的撞擊器升空[58]。探測器科研組的唐·約曼斯博士聲稱「這是一個成為地外太空任務一部分的機會…… 當探測器在2004年12月發射時，你和你所愛的人的名字能夠被搭載進入這個旅程，並可能成為歷史上最美麗的太空焰火的一部分」[59]。該設想是為了增加任務的趣味性[60]。

慶祝活動[編輯]

深度撞擊號任務與在洛杉磯舉行的比爾海利與彗星合唱團（英語：Bill Haley and His Comets）的歌曲圍着時鐘搖擺（英語：Rock Around the Clock）登上搖滾單曲銷售排行榜榜首50周年慶祝同時進行。隨着24小時任務的成功進行，馬丁·劉易斯（英語：Martin Lewis (humorist)）創作了一個2分鐘的音樂視頻，視頻使用撞擊圖片與深度撞擊號探測器的電腦動畫，伴隨着比爾海利與彗星合唱團在1955年的表演，以及其存世成員在2005年3月的表演。這個視頻在隨後幾個星期放到了NASA網站上。[61]

7月5日，為了慶祝任務的成功進行，彗星合唱團還在世的原始成員（從71歲到84歲）為噴氣推進實驗室的數百員工舉行了一場免費音樂會。這件事情受到全世界的廣泛關注[62]。之後在2006年2月，國際天文學會在命名小行星79896比爾海利的評論中提到了這場音樂會[63]。

業餘天文學家的貢獻[編輯]

撞擊器搭載的該CD里有625,000個名字。

僅有專業的大望遠鏡如凱克天文台或哈勃太空望遠鏡是不夠的，深度撞擊號的科學家們呼籲「高級業餘愛好者、學生和專業天文學家」使用小型望遠鏡對彗星撞擊前後進行長期觀測。這些觀測的目的是尋找「氣體噴發、彗髮演變、塵埃產生率、彗尾演變以及噴射活動」[64]。到2007年中期，業餘天文學家已經提交超過1000張彗星的CCD照片[65]。

一個值得注意的業餘發現來自夏威夷某學校的學生，他們和英美科學家合作，通過網絡操作夏威夷的北霍基斯望遠鏡（英語：Faulkes Telescope North）進行實時拍攝。這是最先拍攝到撞擊影像的小組之一。一名業餘天文學家報告發現彗星周圍的無結構亮雲，估計在撞擊後增加了2星等[66]。另一名愛好者由NASA的圖片製作了撞擊區域的地圖[67]。

擴展任務[編輯]

主條目：EPOXI

深度撞擊任務在2005年完成坦普爾1號任務之後，被擴展為一個叫做EPOXI（Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation，太陽系外行星觀測和深度撞擊擴展研究）的彗星探索任務[68]。

飛越Boethin彗星[編輯]

它的第一個擴展任務是飛越Boethin彗星，但是出了一些問題。2005年7月21日，深度撞擊號進行了一次軌道修正，使得探測器利用地球的引力向另外一顆彗星進發[69]。

原計劃定於在2008年12月5日在700千米處飛越Boethin彗星。深度撞擊項目組的組長米高·阿赫恩（Michael A'Hearn）解釋說「我們建議，不管在坦普爾1號彗星的結論是特有的還是類似於其他彗星，探測器都直接飛越Boethin彗星進行探測」[70]。這項價值達4千萬美元的任務能夠得到與坦普爾1號彗星撞擊約一般的信息量，但是成本卻只是其零頭[70][71]。深度撞擊號將使用其分光儀研究彗星表面的組成，並用望遠鏡觀測彗星的表面地貌[69]。

然而當地球的重力助推效應到來時，天文學家卻無法定位Boethin彗星。彗星可能碎裂成多塊，變得過於暗淡而無法觀測，這使得它的軌道難以精確計算，並不得不放棄進行探測器飛越。?[72]

飛越哈特雷2號彗星[編輯]

2010年11月4日拍攝的哈特雷2號彗星

噴氣推進實驗室小組把哈特雷2號彗星作為飛越目標。深度撞擊號又需要經過2年的飛行[73]。2010年5月28日進行了一次11.3秒的點火，以保證6月27日的交會和11月4日的飛越[74]。

11月4日，深度撞擊擴展任務EPOXI從距離哈特雷2號彗星700千米處發回照片[68] ，揭示了其花生形狀的彗核和幾處噴發。照片由探測器的中解像度儀器拍攝[68]。

參見[編輯]

註釋[編輯]

  1. ^ 二者英文名都為deep impact（深度撞擊）。

參考文獻[編輯]

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