遇見，土星“卡西尼”的土星新發(fā)現

作為第一架專門用于研究土星的行星探測器，卡西尼號于2004年夏進入了環(huán)繞土星的軌道，并開始進行為期4年的預定探測計劃。2008年，在預定計劃完成之際，美國宇航局（NASA）又宣布將探測活動延長27個月，即卡西尼春分任務（Equinox Mission），其中包括60次土星飛掠、21次近距離土衛(wèi)六飛掠以及若干次其他大型土衛(wèi)的飛掠；隨后在2010年卡西尼號的工作時間又再度被延長，開展夏至任務（Solstice Mission），要再度飛掠土星155次，飛掠土衛(wèi)六54次。

在 2004年卡西尼號抵達土星之時，土星北半球剛剛度過冬至日；在春分任務期間正逢北半球的春分；而如果不出意外，探測器將于2017年北半球夏至過后受控墜入土星大氣，結束持續(xù)十余年的探索使命。延長任務的重點是監(jiān)測土星大氣的季節(jié)性活動，與最初的4年任務一道，將揭示出太陽系第二大行星在半個軌道周期內的風云變幻，這可以算得上是空前的壯舉。在2008年開始從事擴展任務之后，卡西尼號又作出了一系列重要的發(fā)現，我們將對此逐一梳理。

卡西尼號在2012年12月拍攝的土星北極，上圖覆蓋了從近紅外到近紫外的波段。如果只在可見光波段拍攝，這里的顏色應該是黃中帶藍的。（圖片提供：NASAJPL-CaltechSSIHampton University）

怪異的六邊形云帶

從外觀上看，土星最顯著的特征就是色彩柔和的條帶了。絕大多數條帶雖然伴有起伏，但大致的形態(tài)當然是環(huán)形。為什么說是絕大多數？因為凡事皆有例外，比如土星的北極。

不用懷疑，右圖不是人工繪制的圖像，也不是數據處理誤差或特殊投影方式導致的扭曲變形，這就是土星北極的真實景觀。這道怪異的六邊形云帶最早是旅行者號探測器在上世紀80年代初發(fā)現的，其邊長將近14000千米，比地球要大得多。隨后地面望遠鏡的觀測也證實了這一點。這一結構沒有在任何其他星球上發(fā)現過，它的成因以及維系機制就此也就成了一個謎。不過由于旅行者號以及地面拍攝的圖像普遍視角不佳，只能斜瞥極區(qū)，無法揭示六邊形云帶的整體，因此難以系統(tǒng)地對其進行研究。

卡西尼號最早在2006年10月底11月初拍攝了六邊形云帶的全貌。當時陽光并沒有全部照亮星球北極，因此第一批照片是在紅外波段拍攝的，展現了云帶的熱輻射。這里紅外亮度較高，說明霧霾量相對較少，霧霾層之下75千米左右的云團可以從中顯露出來。在10余天的觀測中，六邊形形態(tài)相對經度基本保持不變，且自轉周期與土星內部的射電信號變化周期相同，說明它可能是由環(huán)繞土星北極且深入行星內部的持久波動維持的。

2009年，卡西尼號第一次在可見光波段拍下了全部被日光照亮的土星北極；隨后又在北極再一次被照亮的2012年底到2013年中期拍下了這里從紫外到紅外波段的一系列影像?？梢姽庀碌脑茙е袏A雜著大量的湍流，波紋不斷地從六邊形的角落中涌現出來，帶中還存在不少旋轉方向與云帶中的風力相反的小型旋渦。射流帶中的風速相當快，時速超過300千米，中心（對應土星北極附近）還存在龍卷風。射流帶內外的大氣成分也有差異：其內側較大的霧霾顆粒較少，小型顆粒偏多，而外側情況相反，射流帶本身似乎形成了一道屏障，阻礙了內外側的物質交換，這頗類似于地球上南極臭氧洞的情況，只是后者周圍射流的形態(tài)并非六邊形。在迎接2017年土星北半球夏至的過程中，星球北極區(qū)域的日照條件會愈發(fā)好轉，因此人們對這一奇異現象的研究會繼續(xù)下去，畢竟對于土星這樣一顆氣體巨行星，我們有待認識的問題還有很多。

土星的北極。（圖片提供：Cassini Imaging Team, SSI, JPL, ESA, NASA）

光環(huán)新探

土星的光環(huán)向來都是太陽系中獨特的風景。在最初的幾年里，卡西尼號已經發(fā)現過若干新的土星環(huán)弧，確認了光環(huán)上的輻條結構，在光環(huán)中找到了密度波引發(fā)的現象，并發(fā)現了一類螺旋槳狀環(huán)縫結構。進入延展任務后，探測器繼續(xù)研究著明亮的土星環(huán)，發(fā)現了環(huán)系先前不為人知的一面。

比如對螺旋槳結構的跟蹤觀測表明，它們的塑造者是尺度介于常規(guī)土衛(wèi)與光環(huán)顆粒之間的小衛(wèi)星，這些小衛(wèi)星體積過小，難以清空整個軌道進而形成完整的環(huán)縫，只能在其附近掃出局部的間隙。這樣的結構典型長度是數千千米，寬數千米，多半集中在從恩克縫到A環(huán)外邊緣的范圍內，現在已經發(fā)現了百余個，其中最為明顯的那些以航空先驅命名。名為布萊里奧（Blériot）的那個更是被觀測過上百次，它的運動有些難以預料，經常提前或錯后，這可能是由于小衛(wèi)星受土星本身、大型土衛(wèi)或者光環(huán)顆粒等多方面影響所導致。螺旋槳結構的發(fā)現最重要的意義并非增加土衛(wèi)的數量（實際上其中的小衛(wèi)星體積過小，連卡西尼號都不能清晰地辨認出來，因此小衛(wèi)星本身沒有被正式定名），而是第一次追蹤了埋藏在天體盤中的單個小天體軌跡，為天體演化的研究提供了重要的線索。另外這些較普通光環(huán)粒子更大的小衛(wèi)星說明，土星光環(huán)更有可能是大型衛(wèi)星瓦解的產物，而非原初行星形成時殘留的碎片。

土星F環(huán)中扇形結構，說明其中存在較大的天體。（圖片提供：NASA/JPL/SSI）

土星A環(huán)中的布萊里奧螺旋槳結構。（圖片提供：NASA/JPL/Space Science Institute）

又一個為天體演化提供線索的新發(fā)現是F環(huán)中的大型冰雪團塊。在較大土衛(wèi)引力的影響下，土星光環(huán)中的顆粒會相互碰撞并形成較大的物質團。F環(huán)自從1979年被先驅者11號發(fā)現以來，一直在持續(xù)變動著。這道光環(huán)的牧羊犬衛(wèi)星土衛(wèi)十六和土衛(wèi)十七（尤其是較為靠近土星的土衛(wèi)十六）是攪動F環(huán)的元兇?？ㄎ髂崽栐诃h(huán)中新發(fā)現的團塊已經具有了足夠的體積和質量，足以開始自引力收縮過程了。如果這一過程可以繼續(xù)下去，未來它有可能形成直徑大至20千米的新衛(wèi)星。

而如果逆光看去，土星的光環(huán)又是別有一番趣味。此時平日里明亮的A、B環(huán)因為其中物質顆粒密度較大，遮擋陽光較多而顯得較暗；稀薄的E、F和G環(huán)以及最內層的D環(huán)反而看上去更為明亮；C環(huán)也因為成分以水冰為主較為透明而顯得較亮。此時提高圖像對比度后，還可以研究E環(huán)等稀薄光環(huán)的結構。如果在紅外波段觀測，還能展示土星及其環(huán)系的熱輻射。

逆太陽光拍攝的土星光環(huán)。（圖片提供：NASA/JPL/Space Science Institute）

超鏈接：土星的環(huán)系

令人驚艷的土星環(huán)，始于離土星表面6500千米處，主要由小到一微米、大到和一間房子不相上下的水冰顆粒組成。土星環(huán)不僅一直在運動，而且內部其實也稱得上變化多端，它的寬度幾乎和地-月距離（386000千米）相當。三個主要的環(huán)根據發(fā)現順序以字母命名：外側的A環(huán)（寬14480千米）、B環(huán)（寬25750千米）和C環(huán)（寬16700千米）。隨著更多更暗的環(huán)系的發(fā)現，字母順序也被打亂了，目前從內到外分為：D、C、B、A、F、G、E環(huán)。

土星環(huán)之所以能聚而不散，“牧羊衛(wèi)星”的引力束縛功不可沒。當環(huán)的兩邊各有一顆衛(wèi)星時，環(huán)可以被束縛在一片窄小的區(qū)域內，這兩顆衛(wèi)星稱為“牧羊衛(wèi)星”，如果沒有牧羊衛(wèi)星，環(huán)物質會擴散開去。外側的A環(huán)有兩個縫隙，稱為“恩克縫”（Encke）和“基勒縫”（Keeler），這里的物質可能已經被兩個小衛(wèi)星（Pan和Daphnis）拽了出去。A、B環(huán)之間是著名的“卡西尼環(huán)縫”，寬4800千米。不過這兒并非空無一物，而是遍布著黯淡的“臟冰?！?。A環(huán)之外、寬廣而稀薄的E環(huán)中，有幾個冰衛(wèi)星，包括Mimas、Tethys、Dione，還有最后一顆衛(wèi)星——Enceladus（500千米），它的表面看上去也是溝壑縱橫，從它的南極間歇性地噴發(fā)出冰物質，飄散到了暗淡的E環(huán)中去。

巨型土星風暴

既然說是大氣活動，就不能不提2010年12月土星上出現的那次巨型風暴。卡西尼號有幸成為第一架目睹此等規(guī)模土星風暴的軌道探測器，同時還第一次在紅外波段研究了這種現象。巨型風暴本身的規(guī)模和活躍時間已經足以讓研究者驚訝了，不過這次事件更為重要的意義在于是第一次探測到了土星上的水分。

由于土星大氣的溫度隨高度減低，而不同的物質凝結成云的溫度不同，因此土星上的云是分層的。根據經典的土星大氣理論，最外一層云主要由氨冰組成，之下是硫氫化銨，最下方成分應該以水為主。在這3層云層之上是不透明的對流層霧霾，幾乎遮掩了一切。

土星上的巨型風暴就好像是地球上的對流風暴，將低層大氣中的成分攪起，形成高聳的雷暴云。當然，土星風暴的速度和規(guī)模都遠勝于地球，其時速可以達到每小時數百千米，覆蓋區(qū)域也是地球風暴的十幾乃至二十幾倍。在巨型風暴期間，規(guī)則的土星云層被打亂，深至150千米的低層水云就由此顯現了出來。

這樣的巨型風暴每個土星年（約合29.5個地球年）都會出現一次，通常發(fā)生在北半球，由于其攜帶著高層云團中的氨冰而呈白色，故又名“大白斑”。實際上只有如此龐大的風暴才有能力攪起低層云團，而之前的類似事件期間都沒有進行過深空探測器的實地紅外觀測，這也是水分直到現在才被發(fā)現的原因。與土星上普通的風暴乍看之下難見真身不同，巨型風暴相當明顯，甚至在地球上只要使用業(yè)余望遠鏡就可以看到。這次巨型風暴的前兆最早是卡西尼號的射電與等離子波儀器（Radio and Plasma Wave Science instrument）發(fā)現的，隨后科學成像儀（Imaging Science Subsystem）也拍下了風暴區(qū)的照片。白色的云團在土星北緯30度左右一路擴散，最后延伸了將近30萬千米，蔚為壯觀。而探測器搭載的可見光與紅外測繪光譜儀（Visible and Infrared Mapping Spectrometer）在翌年采集的數據表明，這場巨型風暴擁有3種主要成分，包括水分、氨以及疑似硫氫化銨的第三種成分，與土星大氣云層的模型相符。

這場巨型風暴還創(chuàng)下了太陽系之最：它是太陽系行星同溫層中溫度最高、規(guī)模最龐大的氣旋，初始尺度甚至比著名的木星大紅斑還要大，伴隨風暴而來的放電事件讓風暴區(qū)域的溫度比周邊大氣高上83開爾文。風暴期間的乙烯釋放量也高得驚人，比先前理論認為的還要高上100倍。這些都說明了土星這樣一顆看似平淡的星球的活躍性，也提供了土星風暴活動的新線索。

土衛(wèi)家族的風景

土衛(wèi)六北極地區(qū)的湖泊。（圖片提供：NASA/JPL-Caltech/ SSI/JHUAPL/Univ. of Arizona）

土衛(wèi)十二的高清晰度圖像。（圖片提供：NASA/JPL/SSI）

在卡西尼號延展任務期間，土星的衛(wèi)星仍然是重點研究對象，尤以土衛(wèi)六為最?？ㄎ髂崽栠€為土衛(wèi)六的湖泊提供了新知。土衛(wèi)六上大型湖泊中充填的是液態(tài)烴類物質，主要分布在北極地區(qū)，直到最近才有清晰圖像問世。這些照片表明，這一帶的地表確實有獨特之處，湖泊周圍分布有近紅外輻射較強的物質。它們可能是坍塌的火山，也可能是喀斯特地貌。

除了大量的新照片，更為有趣的是，卡西尼號在土衛(wèi)六低層大氣中發(fā)現了少量的丙烯。丙烯是生產聚丙烯塑料的原料，如今已經融入了每個人的日常生活中，這是該成分第一次在地球以外被發(fā)現。在1980年旅行者1號飛掠土衛(wèi)六期間，人們第一次在其大氣中發(fā)現了烴類，它們起源于在陽光照射下瓦解的甲烷氣體。破碎的甲烷分子可以彼此相連，形成短鏈。旅行者號的數據顯示了丙炔和丙烷的存在，而分子量介于這二者之間的丙烯則由于譜線弱且易混，直到最近才浮出水面。

除了土衛(wèi)六，卡西尼號值得一提的其他工作還包括為土衛(wèi)十二等衛(wèi)星拍攝了迄今最為清晰的圖像，發(fā)現了來自土衛(wèi)四的弱粒子流進而暗示該衛(wèi)星的活躍性，還繪制了一系列土衛(wèi)的高清晰度地圖等。相信隨著探測的進行，人們對土星龐大衛(wèi)星家族的認識必將更加深入。

卡西尼號探測器在2011年拍攝的土星巨型風暴可見光（左）與紅外（右）照片。（圖片提供：NASA/JPL-Caltech/SSI/Univ. of Arizona/Univ. of Wisconsin）

在土星之外

卡西尼號偶爾也會將目光瞄準土星之外的其他星球。2012年12月21日，土星上迎來了金星凌日事件，持續(xù)將近10小時。這類罕見天象在當代的意義在于，它可以提供類地行星凌星的光變曲線模板，幫助人們發(fā)現并研究太陽系以外的行星系統(tǒng)。在2004年以及2012年兩次地球上可見的金星凌日期間，天文學家都測量了太陽亮度的變化，以此作為搜索行星的參考。

在土星上的金星凌日期間，卡西尼號利用可見光與紅外測繪光譜儀記錄了陽光的變化情況。獲取盡可能多的凌日事件光變曲線可以更好地分析太陽黑子與行星對太陽亮度影響的異同，從而在搜索系外行星時盡量排除星斑的干擾，提高精度。除金星凌日以外，卡西尼號還觀測過系外行星HD 189733 b的凌星事件。

2013年7月19日，卡西尼號恰好對準地球。NASA利用這一機會從土星軌道上為9億千米之外的地球拍攝了肖像。這次算是該機構第一次提前向公眾宣布從行星際拍攝地球照片的活動，卡西尼成像組組長卡羅琳·波爾科（Carolyn Porco）還建議全人類在當天對著天空揮手微笑，以昭示地球這個暗淡藍點上的生命。當然，在最后的照片中，地球只是一個不起眼的光點，不特別說明的話誰也不知道它究竟是小型土衛(wèi)還是土星系統(tǒng)之外的又一顆行星。與多年前旅行者號從太陽系外圍拍攝的那張?zhí)栂岛嫌耙粯?，這張照片說明了地球在太陽系中是多么的渺小。

從土星看地球。（圖片提供：NASA/ JPL-Caltech/Space Science Institute）

土星上所見的金星凌日。（圖片提供：NASA/JPL-Caltech）

（責任編輯 李鑒）

遇見，土星“卡西尼”的土星新發(fā)現

□ 張 博