“卡西尼”的最后旅程

苗千

從開始計(jì)劃到結(jié)束，一個(gè)歷時(shí)30多年的太空探索項(xiàng)目即將進(jìn)入尾聲。一個(gè)寄托著人類的希望，為人類發(fā)回?zé)o數(shù)寶貴資料的太空探測(cè)器——“卡西尼”，即將以一種堪稱悲壯的方式結(jié)束自己的科學(xué)探索之旅。

這個(gè)在太陽系外圍區(qū)域工作了十多年的探測(cè)器，孜孜不倦地為地球上的科學(xué)家們勘測(cè)太陽系中除了地球之外最有可能存在生命的天體，它的探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于人類的影響還遠(yuǎn)未可知。

土星是太陽系（由內(nèi)到外）的第六顆行星，也是一顆體積僅次于木星的巨大的氣態(tài)行星。這顆行星因?yàn)榫嚯x地球太過遙遠(yuǎn)，一直充滿著神秘色彩。土星最吸引人的是它周圍的環(huán)狀物質(zhì)和眾多的衛(wèi)星，而研究土星和它周圍的環(huán)狀物質(zhì)及眾多衛(wèi)星，有助于人們理解太陽系和其他恒星星系的形成過程。人們至今還不清楚土星環(huán)是由土星的衛(wèi)星噴發(fā)形成，還是由外物的撞擊形成的。研究土星環(huán)的形成過程，有助于科學(xué)家們理解在恒星系統(tǒng)中，年輕恒星周圍的物質(zhì)是如何聚集形成行星的。

荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）首先發(fā)現(xiàn)了“土衛(wèi)六”（Titan），并且在1655年利用望遠(yuǎn)鏡第一次觀測(cè)到了完整的土星環(huán)。到了1675年，意大利裔法國天文學(xué)家喬瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini）首次觀測(cè)到了土星環(huán)之間的縫隙，“卡西尼縫”因此得名。因此，這項(xiàng)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行籌備和設(shè)計(jì)，總共有17個(gè)國家參與，超過5000人為之工作的卡西尼-惠更斯（Cassini-Huygens）土星計(jì)劃所設(shè)計(jì)的飛行器和探測(cè)器，以這兩位天文學(xué)家命名。

在飛行器和探測(cè)器發(fā)射之前，人們就已經(jīng)為此花費(fèi)了超過14億美元。1997年10月15日，一款Titan IV型火箭發(fā)射升空，把“卡西尼號(hào)”飛行器和“惠更斯號(hào)”探測(cè)器送入了太空。它們用了7年時(shí)間長(zhǎng)途跋涉，終于在2004年7月到達(dá)土星。2004年12月25日，“惠更斯號(hào)”探測(cè)器與“卡西尼號(hào)”飛行器分離，探測(cè)器在2005年1月14日以每小時(shí)2萬公里的速度進(jìn)入土星最大的衛(wèi)星“土衛(wèi)六”的大氣層，最終降落到“土衛(wèi)六”的表面開始進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，并且利用“卡西尼號(hào)”作為中繼，向地球源源不斷地發(fā)送資料。

除了土星自身之外，最吸引科學(xué)家興趣的，就是“土衛(wèi)六”和“土衛(wèi)二”（Enceladus）這兩顆土星的衛(wèi)星?！奥眯姓咛?hào)”飛行器在上世紀(jì)80年代飛臨土星的時(shí)候曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有500公里寬的“土衛(wèi)二”外表的冰層非常光滑，整體呈亮白色——實(shí)際上它是太陽系中反射性最強(qiáng)的天體。根據(jù)人們目前的理解，要想出現(xiàn)生命，需要液態(tài)水、一些必不可少的化學(xué)元素，以及穩(wěn)定的能量來源。

之后美國航空航天局發(fā)射的“伽利略號(hào)”探測(cè)器在上世紀(jì)90年代探測(cè)木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)“木衛(wèi)二”（Europa）可能具備產(chǎn)生生命的條件，這使人們對(duì)土星的興趣更加濃郁?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛行器隨后發(fā)現(xiàn)，在“土衛(wèi)二”的南極附近，因?yàn)樾l(wèi)星的地質(zhì)作用產(chǎn)生出熱量，在地下存在著液態(tài)水。經(jīng)過十多年的探測(cè)，最終確定“土衛(wèi)二”內(nèi)部存在著穩(wěn)定的液態(tài)海洋，其中含有鹽分和簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，這使之成為科學(xué)家們認(rèn)為除了地球之外最有可能發(fā)現(xiàn)生命的地方，“土衛(wèi)二”也成為太陽系內(nèi)最讓科學(xué)家們感興趣的天體。

全球性含有鹽分的海洋系統(tǒng)，獨(dú)特的化學(xué)物質(zhì)，加上內(nèi)部的能量來源，“土衛(wèi)二”具備了形成原始生命的全部必要條件。不僅如此，從“土衛(wèi)二”的冰層之下，不時(shí)以每秒400米的速度向空中噴射水蒸氣和冰塊——這些物質(zhì)有些落回到“土衛(wèi)二”表面，有些留在空中，成為土星環(huán)的一部分?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛行器借機(jī)探測(cè)“土衛(wèi)二”噴射出的物質(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)其中有些化學(xué)成分只有在90攝氏度以上的溫度才能形成，這說明“土衛(wèi)二”海洋內(nèi)部的一些環(huán)境，頗為類似地球早期形成原始生命時(shí)的海洋環(huán)境——這些發(fā)現(xiàn)改變了人類的行星科學(xué)研究方向。

“土衛(wèi)六”同樣呈現(xiàn)了類似的可能性。歐空局的“惠更斯號(hào)”探測(cè)器在“土衛(wèi)六”的表面進(jìn)行探測(cè)，也發(fā)現(xiàn)了在其冰冷的表面下存在著液態(tài)海洋。“土衛(wèi)六”的地形類似于地球，存在著丘陵、峽谷，在赤道附近也有著沙漠——研究它的演化過程，有助于人們理解地球形成初期的演化過程。它的大氣成分也類似于生命形成之前的地球大氣，人們有可能在這里觀察生命最初形成的過程。通過研究“土衛(wèi)六”和“土衛(wèi)二”的現(xiàn)狀，人們就可以理解太陽系形成的早期，在行星表面發(fā)生的演化過程。

美國航空航天局公布的“卡西尼號(hào)”探測(cè)器穿越土星環(huán)的示意圖

經(jīng)過13年的土星探測(cè)之后，“卡西尼號(hào)”飛行器的燃料逐漸減少，探測(cè)生涯接近尾聲。為了避免在耗盡燃料時(shí)撞向有可能存在生命的“土衛(wèi)二”或“土衛(wèi)六”，它最后一個(gè)探測(cè)任務(wù)將是向土星的大氣層沖刺。2017年4月26日，“卡西尼號(hào)”飛行器第一次穿越土星環(huán)，到達(dá)了土星環(huán)與土星之間只有2000公里寬的狹小空隙內(nèi)，此時(shí)它距離土星大氣層頂層3000公里，距離土星環(huán)的內(nèi)側(cè)只有200公里，此后它還將反復(fù)重復(fù)這個(gè)旅程。

在燃料耗盡之前，它將每周繞行土星一圈，預(yù)計(jì)將22次穿梭于土星環(huán)和土星大氣層的頂層。為了避免在以（相對(duì)于土星）每小時(shí)12.4萬公里的速度穿越土星環(huán)的過程中使探測(cè)儀器受到損害，它把自己4米寬的天線擋在前面充當(dāng)盾牌。也就是說，在穿越土星環(huán)的過程中，它會(huì)和地球失去聯(lián)系——直到穿越土星環(huán)20個(gè)小時(shí)之后“卡西尼號(hào)”飛行器才開始向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能幫助人們了解土星環(huán)的組成，并學(xué)習(xí)如何在未來安全地穿越行星的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

即使在2017年9月15日的最后沖刺時(shí)，“卡西尼號(hào)”飛行器仍會(huì)工作到最后。在這自取滅亡的探測(cè)過程中，它將利用相機(jī)拍攝大量的土星照片傳回地球，探測(cè)土星引力場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布情況，以此來幫助人們理解土星的內(nèi)部構(gòu)成，它還會(huì)分析土星大氣層中顆粒的成分，甚至幫助人們理解土星自轉(zhuǎn)的速度。

從土星到地球，即使是光也要花費(fèi)84分鐘的時(shí)間才能到達(dá)。人類這個(gè)總共花費(fèi)超過32億美元，歷時(shí)30多年的土星探測(cè)計(jì)劃即將結(jié)束，而人類探測(cè)太陽系內(nèi)各個(gè)天體，尋找地外生命的旅程才剛剛開始。

（本文寫作參考了美國航空航天局網(wǎng)站的報(bào)道）