放大镜下的彗星尘埃（上）

简报：

Ÿ   ●  探测器罗塞塔在67P/丘留莫夫-格拉西缅科的身边环绕了超过两年之久。而着陆器菲莱则用于探索来自67P喷流出的尘埃颗粒。

Ÿ    ●  收集到的尘埃颗粒虽然在性质上有所不同，但是所有的颗粒都由小微粒聚成，而这些微粒还由更小的微粒组成的。

    ●   这些最小的微粒数十亿年来未曾改变过。通过这些微粒，科学家们可以知道在太阳系形成初期，这些微小的粒子是如何变成巨大的天体的。

“我们都来自宇宙的尘埃”一个流行音乐组合在他们的歌曲“我们来自同一个星球”中唱到。在这个诗意的句子里蕴含着许多的事实。因为科学家们在很久之前就已经确定，我们的太阳系是从更古老恒星的余烬中诞生的。但是我们的地球月亮具体是怎么在气体和尘埃中诞生的，我们对此的了解还是不够的。

最近对于金属物质的研究认为，这些物质在太阳系形成之初就几乎不再改变了。这也是欧洲空间局向彗星发射探测器的一个原因。彗星总是因为它们飞向太阳，或多或少谱线发生移动，在良好的条件下甚至能用肉眼观察到而受到关注。然而在大部分时间它们并非如此耀眼的在太阳系的外围运行着。彗星在偏远的，寒冷的地方诞生。据推测，那里存在着巨大的冰和尘埃凝成的碎片。由于引力，它向着太阳运行，接下来它就有可能作为彗星被发现。

欧洲空间局的彗星探测器罗塞塔在它执行任务的两年间（2014-2016），为了解开彗星的奥秘，对67P/丘留莫夫-格拉西缅科进行了精密的探索。对于数据的解读还会持续好几年。一个更重要的方面是组成彗星的最小微粒—彗星尘埃。它的结构能推断出天体形成的第一步。残余的尘埃和气体首先凝聚成一小团，然后变成更大的，所谓的微行星，最终变成我们熟知的天体，比如行星、卫星或者彗星。

罗塞塔的测量

罗塞塔使研究彗星尘埃成为可能，是因为它是前所未有的接近彗星。它在约两年的时间里，在距离彗星67P/丘留莫夫-格拉西缅科十至数百千米的距离环绕飞行。因此探测器能够在临近的位置对于彗星的核和其活动情况进行观测。

随着彗星不断靠近太阳，彗星表面和冰的温度开始升高。在宇宙中彗星表面的冰不会融化，而是直接变成气态的——不是蒸发而是升华，由此产生的气体会将能够反射阳光的尘埃微粒带起。罗塞塔搭载的相机传回了大量的展示此过程的图片。除此之外，罗塞塔还尽可能小心的收集了许多尘埃颗粒，并用探测器上搭载的仪器进行了分析。其中的三台仪器专门用于分析彗星尘埃。而测得的数据科学家们将会用于探索，彗星尘埃对于太阳系的起源和彗核形成的意义。

一台叫做GIADA（Grain Impact Analyser and Dust Accumulator）的仪器用于测定尘埃颗粒的速度，动量和大小。测得的尘埃颗粒的大小从几百微米到几毫米不等，这个大小微粒是能被肉眼看见的。然而由于彗星表面黑色的颜色变得难以分辨。而在显微镜COSIMA（COmetary Secondary）的成像下尘埃微粒的结构清晰可见，其主要用于研究几十到几百微米的颗粒。

最终COSIMA的质谱仪会分析出微粒的化学组成。更加细小的微粒在COSIMA的成像上只有几个像素大小。这些微粒会在仪器MIDAS（Micro-Imaging Dust Analysis System）中再次被分析。MIDAS运用了一项特别的技术叫做“原子力显微镜”，其原理是用一个极细的探针扫描微粒的表面并且生成三维的结构示意图。

尘埃微粒的组建

构建彗星最小的素材看起来怎样？来自哥廷根马克思-普朗克学院太阳系研究的Yves Langevin和他的合著者在学术期刊《Icarus》上发表了一篇文章，讲述了关于COSIMA显微镜的记录分析结果和尘埃微粒和微粒在不同区域的分布。图三是一个例子。在这个记录图片下我们可以看到，只有“a”区域是没有被分散的。

那些从彗星喷射出的，相对于罗塞塔的速度大约几米每秒的尘埃颗粒，好像就是跑步者。这些尘埃颗粒击打在COSIMA 的收集板上，就好像跑步者撞向一堵墙壁。只有那些高硬度的颗粒，比如说那些在撞击中成功幸存下来的颗粒，就像“a”区域，有一个清晰的样子，而且没有碎裂的迹象。

Yves Langevin的团队认为，即使“a”还由更小的微粒组成，但它们结合的十分紧密，因此撞击不能使它们分散。相对的，b/c/d区域显示出了碎裂的迹象。这些来自尘埃表面，或者在收集板上肉眼能见的更小微粒的集群，成为“簇”（Cluster）。来自新币贝格慕尼黑联邦国防大学的Klaus Hornung近期在学术期刊《行星课空间科学》上发表的文章，解释道：这些微粒本身比它们结合起来的状态要坚固，因此尘埃在收集撞击的同时就碎裂了，而这些微粒本身却安全的留了下来。

为什么图中的三个簇归属于不同的分类？有可能在收集的过程中它们带有不同的撞击速度，从而产生了不同的结构。或者说这些尘埃本身就由不同的物质和元素组成。

彗星尘埃又是由什么构成的？同样来自哥廷根马克思-普朗克学院太阳系研究，主要负责COSIMA研究的Martin Hilchenbach分析了尘埃的组成。虽然尘埃的成分如同预期的一样，是硅酸盐（地球上通常的岩石的成分）和硫化铁（在早期太阳星云时期形成的物质）的混合物。然而这其中却没有有机物的踪迹（化学组成是基于碳元素的物质）。在确定的分析后，巴黎东克雷泰伊大学的Nicolas Fray能够确定失踪的成分：令人意外的是有机物质的成分相当的复杂，以至于科学家们不能给出物质化学式。