卡西尼土星探測器的十大新發(fā)現(xiàn)

□ 謝 懿/編譯

類似地球的景觀、獨一無二的風暴以及“陰陽臉”衛(wèi)星都僅僅是卡西尼土星探測器帶給我們眾多驚喜的一小部分。

卡西尼土星探測器將會以行星探測的一座里程碑被載入史冊。很難從它對土星及其系統(tǒng)所做出的發(fā)現(xiàn)進行排序。不過，在歷經(jīng)了7年的成功歲月之后，有必要回望過去，看一看我們對土星系統(tǒng)的認識有了哪些增進和改變?！翱ㄎ髂帷蹦壳罢趫?zhí)行第二個擴展任務(wù)階段——“卡西尼”冬至任務(wù)，它將持續(xù)到2017年。然后，它將飛入土星的大氣層，汽化燒毀，永遠地成為土星的一部分。

1.土衛(wèi)六的類地表面

在“卡西尼”之前，土衛(wèi)六的濃厚大氣層籠罩其表面，使其成為了太陽系中最大的一片看不見的“地塊”。但是，當2005年1月14日惠更斯探測器脫離“卡西尼”并降落在土星的這顆最大的衛(wèi)星上時，我們看到了分叉的溝壑以及被鵝卵石覆蓋表面的典型河床?！盎莞埂钡臏y量表明土衛(wèi)六的表面潮濕，“卡西尼”的后續(xù)觀測則首次在地球之外發(fā)現(xiàn)了無數(shù)個充滿液體的湖泊。土衛(wèi)六表面乙烷和甲烷的流動形成了這些河流和湖泊。

不過，土衛(wèi)六和地球在地質(zhì)上的相似之處還不止于此。風和液體的侵蝕和沉積也在土衛(wèi)六上也起到了關(guān)鍵的作用。從軌道上觀測發(fā)現(xiàn)，在土衛(wèi)六的赤道地區(qū)存在大面積的沙丘，類似于在地球上納米比亞沙漠氣候中的縱向沙丘。我們不知道土衛(wèi)六上的“沙子”是什么，不過碳氫化合物顆粒的可能性最大。

和地球一樣的，土衛(wèi)六的裸露面相對比較年輕，“卡西尼”只發(fā)現(xiàn)了少量的隕擊坑。土衛(wèi)六上的山脈和山脊表明，一些構(gòu)造活動可能也在發(fā)生，甚至有證據(jù)表明活火山的活動（至少在排出氣體）。如果這個猜想被證明是真實的，土衛(wèi)六將成為未來探測更令人興奮的候選地。

2.土衛(wèi)六的甲烷循環(huán)

這是惠更斯探測器拍攝到的土星最大衛(wèi)星土衛(wèi)六表面的拼接圖像，它在降落到土衛(wèi)六表面的過程中發(fā)現(xiàn)了霧、海岸線以及其他特征

長久以來就懷疑土衛(wèi)六上有液態(tài)海洋和湖泊，“卡西尼”不但證實了它們的存在，還發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六擁有一個和地球上水循環(huán)類似的“甲烷循環(huán)”。在這幅偽彩色圖像中，深藍色區(qū)域代表低反射率區(qū)，可能是碳氫化合物湖泊

土衛(wèi)六與地球的相似性并不只是停留在表面。它具有太陽系中固態(tài)天體所擁有的第二濃密的大氣（金星擁有最濃密的大氣），和地球一樣它的主要成分是氮。（“卡西尼”上的儀器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六大氣中復(fù)雜的碳氫化合物，但沒有發(fā)現(xiàn)自由的氧。）

除了吸引人的化學成分之外，大氣和地表之間的相互作用是土衛(wèi)六的地質(zhì)狀況與地球極為相似的原因。土衛(wèi)六還有會受到季節(jié)影響的云、雨和天氣。由湖泊和海洋蒸發(fā)出的甲烷和其他碳氫化合物液體構(gòu)成了和地球上水循環(huán)極為相似的甲烷循環(huán)。這是我們第一次能夠在地球之外研究種現(xiàn)象。

“卡西尼”的長期觀測甚至讓我們看到了這個循環(huán)的運作過程。當2004年夏“卡西尼”到達土星時，土衛(wèi)六的南半球正值夏季，它拍攝了其南極附近的一個湖泊。到2009年8月土星春分，“卡西尼”看到了它所經(jīng)歷的季節(jié)性變化，這個湖泊的大小較2004年略有收縮。

3.土衛(wèi)四的輻射帶

盡管一些行星周圍也有像地球的范艾倫帶這樣的輻射帶，但之前只在地球、木星和天王星上發(fā)現(xiàn)它們存在變化。在“卡西尼”任務(wù)的早期，它的磁層成像儀就在土星的上層大氣和它的D環(huán)之間探測到了一個令人驚訝的新輻射帶。

磁層成像儀之后又做出了另一個意外的發(fā)現(xiàn)，它探測到土星衛(wèi)星土衛(wèi)四和土衛(wèi)三附近——距離土星約377,000千米——高能帶電粒子的強度出現(xiàn)了突然的增加。2005年這些增加出現(xiàn)了三次，是太陽風暴轟擊土星磁層所致。它形成了一個新的、臨時的輻射帶，被稱為土衛(wèi)四輻射帶。這些輻射帶的壽命很短?？赡苁且驗橥列l(wèi)四和土衛(wèi)三會逐漸吸收新形成的帶電粒子，在每次突然出現(xiàn)之后土衛(wèi)四輻射帶只會維持幾個星期的時間。

有趣的是，那些更靠近土星的其他輻射帶在“卡西尼”多年的觀測下卻沒有發(fā)現(xiàn)變化。沿著土衛(wèi)三的軌道似乎存在一個永久的輻射縫隙，這也許是因為它阻礙了高能粒子的輸運。目前的理論認為土衛(wèi)三軌道以內(nèi)的輻射帶可能是由于土星的光環(huán)、大氣和銀河系宇宙線相互作用而產(chǎn)生的。（與太陽風粒子不同，宇宙射線具有非常高的能量和穿透能力）。如果真是這樣，內(nèi)輻射帶將只有在當?shù)氐挠钪嫔渚€強度發(fā)生顯著變化的時候才會跟著變化。

未來數(shù)年“卡西尼”將有更多的機會來觀察這些輻射帶的變化。隨著太陽活動高峰的來臨，土衛(wèi)三軌道外側(cè)輻射帶對它的響應(yīng)以及土衛(wèi)四的輻射帶是否有可能成為土星磁層盡管高度變化、但卻更持久的一部分都將會是有趣的研究問題。

4.土星環(huán)前所未見的細節(jié)

當2004年“卡西尼”進入圍繞土星的軌道時，它飛過了土星光環(huán)外圍暗弱的F環(huán)和G環(huán)。從那時起它源源不斷發(fā)回的有史以來最高分辨率的光環(huán)圖像，讓科學家看到了土星A環(huán)中數(shù)千米長類似麥稈的團塊結(jié)構(gòu)。自此，“卡西尼”觀測了土星光環(huán)演化，不僅發(fā)現(xiàn)了自“旅行者”任務(wù)以來幾十年間的變化，還發(fā)現(xiàn)了在數(shù)年甚至數(shù)周的時間上所發(fā)生的變化?？茖W家已經(jīng)在F環(huán)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了許多天體，它們可能只是暫現(xiàn)的碎片團塊。他們甚至還發(fā)現(xiàn)了鄰近的土星衛(wèi)星土衛(wèi)十六從F環(huán)中竊取粒子以及由此形成的物質(zhì)流動軌跡。

土星光環(huán)中絕大多數(shù)已知的結(jié)構(gòu)都是由于光環(huán)本身和土星以及光環(huán)中的小衛(wèi)星通過引力相互作用所產(chǎn)生的。這些小衛(wèi)星可以在它們周圍的物質(zhì)中開鑿出一條縫，例如“旅行者”2號首次拍攝到了土星光環(huán)的恩克環(huán)縫中的小衛(wèi)星土衛(wèi)十八（半徑僅14千米）?！翱ㄎ髂帷蓖ㄟ^在基勒環(huán)縫中發(fā)現(xiàn)小衛(wèi)星土衛(wèi)三十五（半徑4千米）進一步驗證了這一觀點。在土星春分時，“卡西尼”的圖像顯示，由光環(huán)中粒子組成的幕墻可以遠高出10米厚的光環(huán)4千米，而這只有當它們在光環(huán)上投下長長的影子時才能被看見。這些光環(huán)環(huán)縫的寬度和小衛(wèi)星的大小成正比，與理論的預(yù)言相一致。

5.土星的動態(tài)大氣

從“卡西尼”到達土星至今其最意想不到的發(fā)現(xiàn)之一是土星的整個北半球和當年“旅行者”號飛掠時大為不同。它的北半球大氣看上去呈意料之外的深藍色——與天王星和海王星的大氣十分相似?？赡艿慕忉屖枪猸h(huán)的陰子使得土星北半球降溫，造成云沉降到了土星大氣看不見的深處。

隨著土星北半球由冬季進入春季的季節(jié)變化，光環(huán)的影子開始向赤道移動，土星的北半球也失去了藍色的色調(diào)，回歸了其一貫的金黃色。在“卡西尼”7年的擴展任務(wù)結(jié)束時，正值土星南半球的冬季，光環(huán)的影子會落在南半球——它會隨著季節(jié)變化再次變成藍色嗎？

在“卡西尼”的眼中土星光環(huán)顯露出了前所未有的精致細節(jié)

2004年當“卡西尼”到達土星的時候，天文學家驚訝地發(fā)現(xiàn)土星的北半球具有藍色的色調(diào)。目前的理論認為這可能是由于土星光環(huán)投下的陰影所造成的

“卡西尼”還觀測到了土星上巨大的雷暴。它們可以突然出現(xiàn)并持續(xù)數(shù)周。2006年“卡西尼”上的儀器探測到了面積比美國還大的、迄今最強大的雷暴?！翱ㄎ髂帷碑斈戢@得的另一個“第一”是在土星南極附近發(fā)現(xiàn)了一個具有清晰“眼”結(jié)構(gòu)的臺風形風暴——這是在地球之外有史以來第一次看到。

“卡西尼”上的儀器研究了和這些雷暴有關(guān)的云的性質(zhì)，確定出了兩種主要類型。第一類是比較明亮的氨云，這是第一次在土星上探測到氨冰的源頭。第二類是成分中含有一部分碳的、不同尋常的烏云，它們是由于雷暴中的閃電而形成的。

6.土衛(wèi)二的羽狀噴發(fā)

直徑只有504千米的土星衛(wèi)星土衛(wèi)二從20世紀80年代的兩次“旅行者”探測器探訪之后便一直困擾著天文學家，因為它就位于土星稀疏的E環(huán)中。我們知道，光環(huán)物質(zhì)必須要獲得補充，而土衛(wèi)二表面缺乏隕擊坑且整體為明亮而白凈的冰所覆蓋說明它上面極有可能存在冰火山。

早在任務(wù)之初，“卡西尼”便捕捉到了土衛(wèi)二令人驚嘆的影像，顯示其南極地區(qū)存在幾條幾乎平行的長裂紋，它們之后被稱為“虎皮紋”。磁場數(shù)據(jù)則顯示它有稀薄的大氣，暗示偶爾會有氣體從這顆體型較小的衛(wèi)星上逃逸。

2005年“卡西尼”拍攝到了從它南極附近的裂紋中噴出數(shù)百千米高羽狀物的壯觀景象。紅外測量探測到了與“虎皮紋”重合的溫度較高區(qū)域，其他儀器則探測到了羽狀物中的水汽以及二氧化碳和氨這樣的氣體分子。

土星E環(huán)和土衛(wèi)二羽狀物之間的關(guān)聯(lián)隨后便行之有效地建立了起來。“卡西尼”上宇宙塵埃分析儀對E環(huán)顆粒的采樣發(fā)現(xiàn)了鈉，這說明在土衛(wèi)二表面的冰殼之下可能存在一個海洋?！翱ㄎ髂帷钡倪@些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)讓小小的土衛(wèi)二變成了今后行星際探測的主要目標。如果其表面之下隱藏著液態(tài)水，那么土衛(wèi)二就擁有了（我們已知的）所有生命要素：液態(tài)水，分子和熱量。

7.土星的神秘六邊形

大約30年前土星北極大氣中的六邊形結(jié)構(gòu)就第一次出現(xiàn)在了“旅行者”發(fā)回的圖像中，但是現(xiàn)在“卡西尼”讓我們知道這一特征有多持久且耐人尋味。當“卡西尼”于2004年抵達的時候，土星的北極地區(qū)正沉浸在黑暗里，但它的可見光和紅外探測分光儀卻發(fā)現(xiàn)這個“六邊形”還在那里，至少已經(jīng)存在了30年。和其他的云或者風暴結(jié)構(gòu)不同，這個“六邊形”幾乎是靜止的。我們知道它深入到了下層大氣中，每10小時39分24秒轉(zhuǎn)動一周，與土星的射電輻射周期相同——和土星內(nèi)部的自轉(zhuǎn)周期大致相當。這個六邊形的每條邊長接近14,000千米。

在春分之后，隨著土星北極地區(qū)逐漸被照亮，“卡西尼”的照相機拍攝到了“六邊形”的更多細節(jié)，其中顯示出了花邊形、圓圈形和飄帶形以及一個會改變位置的暗斑和一個位于“六邊形”內(nèi)部的極區(qū)旋渦。但是我們?nèi)匀粺o法確定是什么原因產(chǎn)生了這一結(jié)構(gòu)以及為什么它會如此持久。

大多數(shù)科學家認為這是在大氣中一些駐波模態(tài)的結(jié)果，在實驗室中利用轉(zhuǎn)動的水桶來模擬土星大氣也產(chǎn)生了類似的結(jié)構(gòu)。隨著未來越來越多細節(jié)的出現(xiàn)，大氣科學家希望他們能夠解開這個謎。目前已經(jīng)清楚的是，土星的北極有一個奇異而獨特的天氣系統(tǒng)，它將會推進我們對行星科學的知識。

8.生銹的光環(huán)？

土星的光環(huán)與其他巨行星的有所不同，這不僅因為它們更大、更壯觀，而且還因為它們冰粒子的純度。其他的光環(huán)系統(tǒng)則要“更臟”一些，含有更多的巖石和碳——富含有機物質(zhì)。土星A環(huán)和B環(huán)中的顆粒幾乎完全是水冰，但看上去卻是紅色的。早期的理論認為這是由一種特殊的有機化合物所造成的，它在紫外線的照射下會呈紅色，也正是它使得土衛(wèi)六大氣呈紅色，不過“卡西尼”并沒有發(fā)現(xiàn)它們。另一個合乎邏輯的假設(shè)是，在某些衛(wèi)星上看到的一些冰和有機物（例如氨和二氧化碳）會出現(xiàn)在光環(huán)中，但是“卡西尼”還是什么也沒發(fā)現(xiàn)。

土星的小衛(wèi)星土衛(wèi)二最有可能通過其噴射出的冰粒子、水蒸氣以及恒量的有機物質(zhì)為土星E環(huán)補給物質(zhì)

土星大氣中的“六邊形”以其獨特的形狀長期困擾著科學家

“卡西尼”所拍攝的土星及其光環(huán)的偽彩色拼接照片。它正在為土星系統(tǒng)最古老的謎題提供解答

“卡西尼”發(fā)現(xiàn)，A環(huán)和B環(huán)比土星的任何衛(wèi)星都更紅得多，但其成分仍是個謎。在一些光環(huán)周圍出乎意料的發(fā)現(xiàn)了氧激起了“生銹的光環(huán)”的想法，其中有兩種候選物質(zhì)：碳和赤鐵礦（鐵的氧化物或鐵銹，也正是它讓火星具有了紅色）?！翱ㄎ髂帷币苍S會給我們一個重要的答案，因為它會提供光環(huán)形成和演變的關(guān)鍵線索。

9.土衛(wèi)九：被捕獲的衛(wèi)星

2004年當“卡西尼”接近土星的時候，它飛過了土星的小衛(wèi)星土衛(wèi)九。土衛(wèi)九長期以來被都視為“不同”于土星其他衛(wèi)星的異類，因為它逆行的軌道（即公轉(zhuǎn)方向與土星自轉(zhuǎn)方向相反）暗示它是被土星的引力所捕獲，而非和其他衛(wèi)星一樣都形成于同一片原始物質(zhì)。擺在“卡西尼”面前的一個問題是，土衛(wèi)九究竟是一顆被捕獲的小行星、柯伊伯帶天體（位于海王星軌道以外的天體，包括了冥王星和鬩神星）還是半人馬型小天體（位于土星和天王星之間的小行星和彗星）。

“卡西尼”的圖像顯示土衛(wèi)九是一個遭到過嚴重撞擊的古老天體，有大片的表面為明亮的水冰所覆蓋，此外還擁有散布的硅和有機物質(zhì)。紅外光譜分析表明，土衛(wèi)九的表面粗糙且多塵，暗示它曾經(jīng)釋放出過氣體。再加上表面的冰層，這些都告訴我們，土衛(wèi)九在成為土星引力的奴隸之前必定形成于太陽系的外圍。“卡西尼”沒有探測到它上面具有和彗星活動相似的揮發(fā)性物質(zhì)（例如在半人馬型天體喀戎上所檢測到的），所以土衛(wèi)九極有可能是一個我們可以近距離研究的柯伊伯帶天體。

土衛(wèi)九因其逆行的軌道有別于土星其他較大的衛(wèi)星，它可能是被土星引力俘獲的一個柯伊伯帶天體

10.土衛(wèi)八：“雙面”衛(wèi)星

土衛(wèi)八有兩張迥然各異的面孔，其前導(dǎo)面（指向運動方向）比尾隨面暗了約10倍。2004年“卡西尼”飛越土衛(wèi)八時，發(fā)現(xiàn)了它另一個令人費解的特點：在其赤道上有一道由明亮物質(zhì)組成的山脊，高約19千米，這使得它看上去就像一個核桃。雖然有人認為這是它早先因為高速自轉(zhuǎn)而留下的扁球形遺跡，但這道山脊的起源仍然不明。

不過，“卡西尼”卻為它的“兩面性”提供了線索。它發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)八和土衛(wèi)九的表面成分具有相似性，并且土衛(wèi)八的深色表面是由一個只有幾厘米厚的薄物質(zhì)層所致。顏色較深的區(qū)域溫度也較高，所以深色的物質(zhì)是水冰升華成氣體后所遺留下來的物質(zhì)。整個過程是，深色的冰吸收較多的陽光進而升華，然后在極區(qū)和尾隨面顏色較淺的地方重新凝聚成霜。隨著時間的推移，這一對比會更加明顯，最終形成了我們看到的陰陽臉。

那么這些深色物質(zhì)來自哪里？2009年10月當斯皮策空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞土星的巨大光環(huán)——被稱為“土衛(wèi)九環(huán)”，是最大、距離土星最遠的光環(huán)——之后，土衛(wèi)八和土衛(wèi)九之間可能的聯(lián)系得到了佐證。土衛(wèi)九環(huán)中的粒子可能來自微流星體對土衛(wèi)九的撞擊。在過去數(shù)千年的時間里，陽光將這些顆粒向內(nèi)推，落到了土衛(wèi)八的身上。于是，土衛(wèi)九不僅是來自太陽系外圍的闖入者，而且為慢慢為土衛(wèi)八“畫”了一張臉。

雖然許多難題仍然存在，但這清楚地表明，土星系統(tǒng)比任何人想像得都更復(fù)雜。而“卡西尼”還將進一步為我們帶來有關(guān)土星的新發(fā)現(xiàn)和新認識。

土衛(wèi)八具有風格迥異的兩面，這極有可能是水冰在其全球范圍內(nèi)的逐步遷移而造成的，它使得土衛(wèi)八的一側(cè)越來越冷、越來越亮而另一面則越來越熱、越來越暗