深度撞擊號

深度撞擊號（Deep Impact）是美國國家航空航天局的彗星探測器，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，如喬託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。

美國太空總署 2013 年 9 月 20 日宣佈深度撞擊號因軟體故障，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裝置，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

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。透過對撞擊及其餘波的觀測，天文學家希望確定彗星核心與外層的差異，以探究彗星的形成過程

該任務由馬里蘭大學的天文學家主持。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。

任務簡介

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）。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。撞擊器為重 370 千克的銅質射彈，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。但撞擊坑的真實大小在撞擊後的一年內仍舊未知。

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 射線天文臺、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。

該任務與 1998 年一部描述彗星撞擊地球的電影《天地大沖撞》同名（深度撞擊）。}}，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。

探測器設計和儀器

深度撞擊號由兩個主要部分組成：用於撞擊彗星的銅核心 “智慧撞擊器” 和在安全距離外拍攝坦普爾一號彗星的飛越探測器。

3.1 飛越探測器

飛越探測器長 3.2 米、寬 1.7 米、高 2.3 米，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絡。飛越探測器和撞擊器之間則以 S 波段溝通，上行速度為 125 位元 / 秒，下行速度達 175 位元 / 秒。飛船獲取的科學資料儲存在兩臺互為備份的 RAD750 型電腦之中，這種電腦以 IBM 的 PowerPC 750 為基礎，各擁有 309 兆位元組的空間，且經過防輻射處理以防禦宇宙射線。

探測器還攜帶了兩個相機：高解析度相機（HRI）和中解析度相機（MRI）。高解析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 “光譜成像模組（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。高解析度相機主要用來觀測彗核。中解析度相機是備用裝置，主要用於抵達前最後 10 天的導航。中解析度相機也有由一組略有差異的濾光片組成的濾光輪。

3.2 撞擊器

深度撞擊號的撞擊器部分有一個名為 “撞擊目標感測器（ITS）” 的裝置，它和中解析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析度照片（高達 0.2 米 / 畫素）並即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。

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。此外，相對於爆炸物來說，使用銅作為荷載更加廉價。

任務歷程

4.1 發射前

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。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援。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整合。開發探測器所需的軟體共用時 18 個月，應用程式程式碼由 2 萬行和 19 個不同應用程式執行緒組成。航天器製造與任務執行總共花費 3.3 億美元。

4.2 發射和試執行階段

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體而推遲了這次發射 。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 。

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。

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。試執行階段確認所有儀器均已啟用並正常工作。測試期間，發現高解析度相機在經歷高溫階段後對焦不準。任務成員在 6 月 9 日宣佈可以使用圖片處理軟體和數學的反捲積方法來修正到預期的解析度。

4.3 巡航階段

“巡航階段” 在 2005 年 3 月 25 日試執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。

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。美國航天局噴氣推進實驗室的該專案負責人裡克・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”。

4.4 抵達階段

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析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）。該里程碑標誌著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。

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。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。噴氣推進實驗室的任務合作負責人唐・約曼斯指出 “訊號傳到地球需要 7½ 分鐘，所以不能即時操控探測器。你得使得飛越探測器和撞擊器具有智慧，在做事情之前有提前判斷的智慧”。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 千米寬的視窗內。。撞擊器攜帶的儀器拍攝的第一張照片是在分離 2 小時後。

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訊聯絡工作完全正常。撞擊器在撞擊前的 2 小時內執行了 3 次軌道修正。

按照計劃，撞擊器將迎頭撞向坦普爾 1 號彗星。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，單程通訊時間為 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。大部分的資料儲存在飛越探測器上，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。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。

撞擊結果

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。得到成功撞擊的訊息後，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”；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”。

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影像。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。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”。雨燕衛星的資料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 以及 1000 萬到 2500 萬千克的塵埃。

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。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。粘土和碳酸鹽需要液態水才能形成，而鈉在太空中很罕見。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。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。

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 號彗星有著類似成分的彗星，很可能與之形成於同一區域。

5.1 環形山

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。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。

公眾關注點

6.1 媒體報道和反應

這次撞擊成為網路、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。他們討論著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裡表示，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裡，超過一萬人在夏威夷威基基海灘的大螢幕觀看這次撞擊。

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”。

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”。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，然後聯絡我們”。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 釐米”。

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，以贏得公眾的支援，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”。在任務成功的 2 天后，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。

6.2 把名字送往彗星

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。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”。該設想是為了增加任務的趣味性。

6.3 慶祝活動

深度撞擊號任務與在洛杉磯舉行的的歌曲登上搖滾單曲銷售排行榜榜首 50 週年慶祝同時進行。隨著 24 小時任務的成功進行，創作了一個 2 分鐘的音樂影片，影片使用撞擊圖片與深度撞擊號探測器的電腦動畫，伴隨著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。這個影片在隨後幾個星期放到了 NASA 網站上。

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。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。

6.4 業餘天文學家的貢獻

僅有專業的大望遠鏡如凱克天文臺或哈勃太空望遠鏡是不夠的，深度撞擊號的科學家們呼籲 “高階業餘愛好者、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”。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。

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，透過網路操作夏威夷的北霍基斯望遠鏡進行即時拍攝。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。另一名愛好者由 NASA 的圖片製作了撞擊區域的地圖。

擴充套件任務

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

7.1 飛越 Boethin 彗星

它的第一個擴充套件任務是飛越 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。

原計劃定於在 2008 年 12 月 5 日在 700 千米處飛越 Boethin 彗星。深度撞擊專案組的組長邁克爾・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”。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資訊量，但是成本卻只是其零頭。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。

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。

7.2 飛越哈特雷 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。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。

11 月 4 日，深度撞擊擴充套件任務 EPOXI 從距離哈特雷 2 號彗星 700 千米處發回照片 ，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析度儀器拍攝。