別了，“卡西尼”

張唯誠

人類迄今為止發(fā)射的規(guī)模最大、復(fù)雜程度最高的行星探測器——“卡西尼”號土星探測器20年的傳奇之旅即將落下帷幕，它將穿越土星云層，最終被土星巨大的引力所控制，墜入土星厚重的大氣層中。在這告別的時刻，讓我們回顧一下“卡西尼”號這一功勛卓著的土星探險家取得的一些發(fā)現(xiàn)。

“卡西尼”號的征程

“卡西尼”號土星探測計劃是美國國家航空航天局（NASA）、歐洲空間局和意大利航天局的一個合作項目，探測器以17世紀天文學(xué)家卡西尼的名字命名?？ㄎ髂崾且獯罄耍蠹尤敕▏?，成為一名天文學(xué)教授，還當上巴黎天文臺的臺長。他用望遠鏡研究火星、土星和木星，有很多了不起的發(fā)現(xiàn)。1675年，卡西尼發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中有一條空闊的地帶，這就是“卡西尼縫”，位于土星的A環(huán)和B環(huán)之間。

1990年開始研制的“卡西尼”號重達5噸，載有十幾種探測儀器，包括各類照相機，可見光、紅外光、紫外光光譜分析儀，離子和中性粒子質(zhì)譜儀，雷達，各種磁場測量儀以及宇宙塵埃分析儀等。1997年10月15日，這艘前所未有的土星探測器帶著人們無限的期待踏上了飛往土星的漫長旅程。

“卡西尼”號燃料有限，它需要不斷地借助星球的引力獲得推力。1998年4月，“卡西尼”號掠過金星，隨后繞太陽公轉(zhuǎn)一周，于次年6月再次飛掠金星。8月，它飛過地球附近，再次借助行星的引力獲得加速。2000年12月，“卡西尼”號飛掠木星，獲得最后一次加速后飛往土星。

“卡西尼”號2004年抵達土星，這時它的行程已超過32億千米。此后，“卡西尼”號便在土星系統(tǒng)中來回穿梭。它穿越土星環(huán)，研究土星環(huán)的形態(tài)和物質(zhì)組成;它從土星的一顆衛(wèi)星飛往另一顆衛(wèi)星，研究土衛(wèi)的結(jié)構(gòu)和大氣。在長達十幾年的時間里，“卡西尼”號為人類提供了大量有關(guān)土星的知識，人類因此獲得了一次對土星系認識的巨大進步。

奇妙的土星環(huán)

在土星系統(tǒng)中，土星環(huán)是人們最感興趣的探測目標，被認為是研究星環(huán)現(xiàn)象的最佳標本。土星環(huán)最早是由荷蘭天文學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)的。其實，伽利略在此之前便用望遠鏡看到了它，但并沒有意識到他看到的是一個星環(huán)，所以導(dǎo)致這個發(fā)現(xiàn)延遲了半個世紀。

人們對土星環(huán)的起源非常好奇，有人認為土星環(huán)曾經(jīng)是土星的一顆衛(wèi)星，后因軌道離土星太近而被土星的潮汐力撕裂，從而形成了光環(huán);還有人認為，土星環(huán)是土星形成之初原始星云的一部分。這兩種觀點都有一定道理。為了弄清土星環(huán)的起源，“卡西尼”號用搭載的紫外光譜儀仔細研究了土星環(huán)中的顆粒，結(jié)果顯示土星環(huán)很古老，所以可能是由一部分原始星云形成的，誕生于和土星形成大致相同的時期。

土星環(huán)的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，主環(huán)根據(jù)離土星從近到遠的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E，然而事實上，土星環(huán)可以說多得數(shù)不勝數(shù)?！翱ㄎ髂帷碧柕奶綔y使人類對土星環(huán)有了更多的了解，對它的結(jié)構(gòu)也有了更新的認識。

在探測土星環(huán)的過程中，“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)和土星的衛(wèi)星相互影響、相互作用的現(xiàn)象。2007年，“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)，G環(huán)的內(nèi)側(cè)有一道明亮的弧狀結(jié)構(gòu)，它由直徑數(shù)十米的巖石組成，正是這些巖石被不斷碰撞后分解成了G環(huán)的一部分。原來，G環(huán)內(nèi)曾經(jīng)存在過一顆衛(wèi)星，它后來解體了，演化成了環(huán)。

“卡西尼”號還在F環(huán)中發(fā)現(xiàn)了穿行于其中的小衛(wèi)星，而且，這個環(huán)還受到土衛(wèi)十六和土衛(wèi)十七的影響，它們分別位于F環(huán)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。土衛(wèi)十六還沿著一個橢圓的軌道穿行于F環(huán)，每次穿行都會在F環(huán)上拖出一道溝，由此產(chǎn)生的引力使F環(huán)彎曲和拉伸，從而扭結(jié)成一個螺旋的形狀。

土衛(wèi)二也是一顆影響著土星環(huán)的衛(wèi)星，從它的裂縫中噴出的冰晶物質(zhì)多數(shù)落到了土衛(wèi)二的表面，但有些落到了鄰近的幾顆衛(wèi)星上，另外一些則飄到了土星的外側(cè)，這種冰晶物質(zhì)構(gòu)成了土星的E環(huán)。在所有土星環(huán)中，E環(huán)最長，周長足有200萬千米。從“卡西尼”號拍攝的照片可以看到，土衛(wèi)二就運行于這個最外層的E環(huán)中。

土星與土星環(huán)

原始地球的樣本

在人類的探測器到達土星之前，人們只發(fā)現(xiàn)十來顆土星衛(wèi)星，而且即使對于這些早期發(fā)現(xiàn)的土衛(wèi)，人們的了解也十分有限。

在土星系統(tǒng)中，人們最感興趣的衛(wèi)星是土衛(wèi)六。土衛(wèi)六又名泰坦，是土星最大的衛(wèi)星。1655年3月25日，惠更斯用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了它。1944年，另一位荷蘭天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六上擁有大氣，這一發(fā)現(xiàn)激起了人們對土衛(wèi)六特別的興趣，因為這意味著土衛(wèi)六可能在很多方面與地球相像。20世紀70年代，“旅行者”1號接近土衛(wèi)六，它發(fā)回的圖片證明土衛(wèi)六確實是一顆擁有濃密大氣的星球。

為了探索土衛(wèi)六，“卡西尼”號攜帶了一個以惠更斯命名的子探測器?！盎莞埂碧柼綔y器于2004年12月25日脫離“卡西尼”號飛向土衛(wèi)六。一年以后，它在土衛(wèi)六的表面成功著陸。從“惠更斯”號發(fā)回的圖片上看，土衛(wèi)六擁有云層、霧團和河道，似乎非常潮濕。原來，土衛(wèi)六上有“水”，這種“水”和地球上的水不一樣，其實是甲烷。甲烷在地球環(huán)境中是氣體，在土衛(wèi)六上卻是像水一樣流動的液體，原因就在于這顆星球非常寒冷，表面溫度低達-180℃。

除了讓“惠更斯”號著陸土衛(wèi)六外，運行于土星軌道上的“卡西尼”號更是多次飛掠土衛(wèi)六，對這顆衛(wèi)星進行了仔細的研究。土衛(wèi)六上有一些河道，有些河道伸向潮濕的地區(qū)，其中一條長達400千米，河道中的液態(tài)碳氫化合物一直流進了位于土衛(wèi)六北極地區(qū)的一個名為“麗姬婭”的海中。這個海比北美洲的蘇必利爾湖還要大。土衛(wèi)六上還有其他的海，最大的海是“克拉肯”。土衛(wèi)六上還有不少湖，它們是一些比海更小的水面?！翱ㄎ髂帷碧柊l(fā)現(xiàn)了十幾個這樣的湖。

除了“水”以外，土衛(wèi)六的大氣是“卡西尼”號探測的另一個主題。土衛(wèi)六的大氣層比地球厚很多，大氣成分主要是氮，外加一些更具活性的化合物和其他氣體。“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六的極區(qū)翻滾著風(fēng)暴，有些地方仿佛下過雨。在土衛(wèi)六上，甲烷雨可能是一種時常發(fā)生的天氣現(xiàn)象，而且那雨可能比地球上大得多，它們落下后沿著河流一樣的水道流進淺湖和海里。endprint

土衛(wèi)六的大氣中有一種濃密的橙色霧靄，是光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。這種光化學(xué)反應(yīng)始于土衛(wèi)六大氣的頂層，在那里，來自陽光的紫外線和宇宙射線引發(fā)了甲烷和氮分子之間的化學(xué)反應(yīng)，從而生成了碳氫化合物和氰化物。這些物質(zhì)在下降的過程中進一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并最終生成了一種被稱為“索林斯”的化合物，它是一種大而復(fù)雜的有機分子，是有機生物分子的前身。在地球上，早期的生命就是類似的有機分子由簡單到復(fù)雜進化而來的，所以土衛(wèi)六的大氣組成和化學(xué)物質(zhì)很像遠古時期的地球，那里甚至有可能存在某種形式的簡單生命。

“卡西尼”號對土衛(wèi)六的探索向人們展示了一個離奇的世界，這個世界和我們熟悉的地球既有幾分相像，又極為不同，人類對太陽系的認識又邁出了新的一步。

冰下海洋

在土星系統(tǒng)中，第二顆引人關(guān)注的衛(wèi)星是土衛(wèi)二。1789年，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)二，他將這顆衛(wèi)星名命為“恩克拉多斯”?！岸骺死嗨埂笔枪畔ＥD神話中的一個巨人，然而土衛(wèi)二并不是“巨人”，它的直徑只有約500千米，在太陽系的衛(wèi)星中算不上大塊頭。

“卡西尼”號對土衛(wèi)二進行了仔細的研究，它多次近距離飛掠土衛(wèi)二，照相機拍下了非常清晰的照片。人們看到，土衛(wèi)二的南極是一個活躍的熱點地區(qū)，那里的溫度比其他地區(qū)高一些，有一片“虎紋”狀的地形。其上的裂縫正在噴射一些水蒸氣和冰屑似的物質(zhì)，其噴射物的高度超過430千米，和土衛(wèi)二的直徑相差無幾。

這個意想不到的發(fā)現(xiàn)使土衛(wèi)二成了“卡西尼”號重要的探測目標?？茖W(xué)家相信，像土衛(wèi)六一樣，土衛(wèi)二很可能也是太陽系中一個非常有希望存在生命的地方。

土衛(wèi)二上的噴泉是一種間歇泉，泉中的物質(zhì)混合著甲烷、丙烷、乙炔和二氧化碳等有機化合物，這些有機分子能演化成更為復(fù)雜的化合物，在地球上，它們的結(jié)合最終促成了生命的誕生。

土衛(wèi)二的表面異常寒冷，直徑只有月球直徑的七分之一，這種既冷又小的天體怎么能噴射如此豐沛的水蒸氣和冰晶呢？原來，土衛(wèi)二在繞土星運行時，由于受到土星引力的影響，它會時而被擠壓，時而被拉伸，這種運動產(chǎn)生了熱量，熱量加熱了地下水后形成水蒸氣，并把冰屑和其他物質(zhì)噴射了出來?？茖W(xué)家曾認為土衛(wèi)二內(nèi)部的地下海并不大，只限于南極地區(qū)。然而2015年9月，NASA公布了“卡西尼”號獲得的數(shù)據(jù)，顯示土衛(wèi)二的地下海洋比人們預(yù)計的大得多，很可能是一個全球性的液態(tài)海洋。

那些噴出物的速度非常高，甚至超過了音速，達到2100千米每小時?！翱ㄎ髂帷碧栠€在“間歇泉”中發(fā)現(xiàn)了鈉鹽的痕跡，這意味著土衛(wèi)二的地下水體可能含有鹽。

“卡西尼”號上的塵埃探測器收集了很多由土衛(wèi)二間歇泉噴出的隱藏在冰晶中的塵埃顆粒。研究顯示，那種類型的顆粒只能形成于溫度非常高的環(huán)境里，例如地球海底深處的熱液噴口附近。在地球上，那些熱液噴口將地下的熱水噴出來，很多生物，例如蠕蟲、螺、蛤蚌等動物都可以生活在那樣的地方。熱液噴口還噴出硫化氫、氫和甲烷等氣體，它們會成為細菌很好的食物。在研究了大量塵埃后，科學(xué)家初步認定，和地球上的情形一樣，土衛(wèi)二的海底深處可能也擁有熱液噴口，加之土衛(wèi)二地下水體的酸性不大，含鹽度可能類同地球上的海水，所以在土衛(wèi)二的地下海洋里存在生命的可能性不小。

土星有很多衛(wèi)星。這幅由“卡西尼”拍攝的照片顯示了土星的5顆衛(wèi)星，還有土星的F環(huán)

土衛(wèi)二間歇泉噴出的冰晶物質(zhì)多數(shù)落到了土衛(wèi)二的表面，但有些落到了鄰近的土衛(wèi)一、土衛(wèi)三、土衛(wèi)四和土衛(wèi)五上，另外一些則一直飄到土星的外側(cè)，它們形成了土星的E環(huán)。事實上，土衛(wèi)二不僅創(chuàng)造了土星環(huán)最外層的E環(huán)，它還對整個土星系統(tǒng)施加著影響。比如，土星的極光就是土衛(wèi)二噴射物造就的。

2016年年底，“卡西尼”號最后一次飛掠土衛(wèi)二。土衛(wèi)二假若擁有生命，它們很可能只是一些微生物，但假若那里有熱液噴口，那么生命就可能是多細胞的生物體，例如蠕蟲和貝殼類動物等。所以，對土衛(wèi)二的探索還將繼續(xù)下去，人們需要發(fā)射另外的探測器去土衛(wèi)二進行下一階段的研究。

衛(wèi)星與風(fēng)暴

除了對土衛(wèi)六和土衛(wèi)二進行重點探測外，“卡西尼”號對土星的其他衛(wèi)星也很感興趣，它還探測了土星的大氣、兩極和塵埃。

“卡西尼”號在接近土星的路途上探測了距離土星很遠的土衛(wèi)九。土衛(wèi)九由冰、巖石和含碳化合物組成，其物質(zhì)成分與遠離太陽的冥王星和海衛(wèi)一非常相似。土衛(wèi)九的公轉(zhuǎn)軌道面與其他土衛(wèi)不在一個軌道平面上，而且它的公轉(zhuǎn)是逆向的，即公轉(zhuǎn)方向與土星的自轉(zhuǎn)方向相反。人們推測，傾斜的軌道、與土星遙遠的距離和逆行，表明土衛(wèi)九起先可能并非屬于土星，而是和其他眾多的天體一樣，誕生于太陽系的邊緣，后來離開那里來到了土星身邊，成了土星的一顆衛(wèi)星。

2005年9月，“卡西尼”號飛越土衛(wèi)七，在距土衛(wèi)七不到500千米的地方拍下了土衛(wèi)七清晰的照片。照片上的土衛(wèi)七像一團巨大的海綿，又像一堆聚集在一起的亂石，讓人懷疑它是否是被其他天體遺棄的殘骸。土衛(wèi)七的自轉(zhuǎn)十分混亂。“卡西尼”號在土衛(wèi)七上發(fā)現(xiàn)了碳氫化合物，包括水冰和干冰。

“卡西尼”號也用飛掠的方式研究了土衛(wèi)八。土衛(wèi)八的一面黑如瀝青，另一面亮如白雪。從它被發(fā)現(xiàn)至今的大約350年來，人們一直沒有找到能解釋這種現(xiàn)象的答案?，F(xiàn)在人們才確定，原來明亮來自于水冰，而黑暗則是一種黑色物質(zhì)造成的，這種物質(zhì)來自土衛(wèi)八的鄰居土衛(wèi)九，它運行在土衛(wèi)八的外側(cè)，由于和其他天體發(fā)生過碰撞，土衛(wèi)九拋出了大量塵埃，它們降落在了土衛(wèi)八上，把土衛(wèi)八的一半染黑了。

土衛(wèi)五直徑1500千米，是土星系統(tǒng)中的第二大衛(wèi)星，“卡西尼”號自然也對它進行了研究。土衛(wèi)五由冰和巖石組成。它的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是同步的，朝內(nèi)的一面總是對著土星，朝外的一面承受了頻繁的隕石撞擊。2014年，“卡西尼”號在土衛(wèi)五上發(fā)現(xiàn)了稀薄的大氣，其中氧氣的含量占70%，其余為二氧化碳。這層大氣雖然很稀薄，但科學(xué)家依然很興奮，因為衛(wèi)星大氣中含有氧的情況并不多，此前人們僅在木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的大氣中發(fā)現(xiàn)過氣態(tài)氧。

2016年初，“卡西尼”號的土星探測進入到了最后階段，它開始離開土星環(huán)進入一個和赤道面相傾斜的土星軌道。2016年年底，“卡西尼”號飛掠了土星的南北極并接近了土星的F環(huán)。此后“卡西尼”號就在這條軌道上運行并繼續(xù)研究土星的光環(huán)，直到它墜入土星。在“卡西尼”號結(jié)束任務(wù)時，它還要研究土星的大氣，此前，“卡西尼”號觀測了土星南極上空的超級風(fēng)暴和北極巨大的氣旋，這個氣旋是一個呈六邊形的風(fēng)暴，在整個太陽系中是獨一無二的。

從發(fā)射升空到結(jié)束任務(wù)，“卡西尼”號一直在辛勤地工作。20年來，人類不斷地收到它發(fā)回的消息，人類對太陽系和整個行星世界的認識也在這個過程中不斷地加深?！翱ㄎ髂帷笔枪鬃恐摹巴列菍＜摇焙陀赂覠o畏的“土星探險家”，它的土星探險在人類探索宇宙奧秘的科學(xué)史冊上書寫了濃重的一筆。

【責任編輯】龐 云endprint