圖解深空探測(cè)史

文/葉楠

土星探測(cè)

自古以來(lái)，人們都可以在天空中看到水、金、火、木、土這五顆大行星，其中軌道最遠(yuǎn)的是土星。400多年以前，當(dāng)伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向太空的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)土星似乎長(zhǎng)了一對(duì)小耳朵；半個(gè)世紀(jì)后，惠更斯確認(rèn)了這就是土星最具標(biāo)志性的光環(huán)，他還發(fā)現(xiàn)了土星的首顆衛(wèi)星——土衛(wèi)六；卡西尼隨后又發(fā)現(xiàn)了土星的四顆衛(wèi)星以及土星環(huán)縫。又過(guò)去了300年，到上世紀(jì)70年代末，人類探測(cè)器終于接近了土星。

先驅(qū)者11號(hào)：首次飛掠土星

1974年12月，先驅(qū)者11號(hào)探測(cè)器飛掠木星，巨大的木星引力幾乎使它的飛行方向調(diào)轉(zhuǎn)了180度，經(jīng)過(guò)數(shù)次軌道修正及5年的長(zhǎng)途跋涉，1979年8月2日，“先驅(qū)者11號(hào)”開始為期2個(gè)月的土星交會(huì)過(guò)程。9月1日，它在2.82倍土星半徑處安全穿越土星環(huán)面，之后從距離土星云層上方最近21000公里處，即1.35倍土星半徑處成功飛掠?！跋闰?qū)者11號(hào)”近距離拍攝了土星照片（如圖），發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)的暗部并非一無(wú)所有，同時(shí)還新發(fā)現(xiàn)了數(shù)顆土星衛(wèi)星。

旅行者1號(hào)、2號(hào)：土星光環(huán)新發(fā)現(xiàn)

旅行者1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器分別于1980年11月和1981年8月飛掠土星。當(dāng)“旅行者1號(hào)”逐漸接近土星的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)內(nèi)還有更加豐富的結(jié)構(gòu)（上圖）：在曾經(jīng)認(rèn)為沒有任何物質(zhì)存在的卡西尼環(huán)縫內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)間隔為幾百公里的窄環(huán)；在C環(huán)內(nèi)也存在著多個(gè)狹窄的縫隙；對(duì)B環(huán)圖像的詳細(xì)分析表明其存在黑暗的輻射條紋，呈放射狀，類似長(zhǎng)度為上萬(wàn)公里的車輪輻條結(jié)構(gòu)。

在此之前，人們通過(guò)地面天文臺(tái)觀測(cè)共發(fā)現(xiàn)了10顆土星衛(wèi)星，旅行者1號(hào)、2號(hào)對(duì)土星的近距離探測(cè)將這一數(shù)字提高到了17顆。1980年10月25日，“旅行者1號(hào)”在F環(huán)（下圖中最外側(cè)較細(xì)的環(huán)）內(nèi)外兩側(cè)各發(fā)現(xiàn)了一顆衛(wèi)星，內(nèi)側(cè)為土衛(wèi)十六，外側(cè)為土衛(wèi)十七。F環(huán)被這兩顆衛(wèi)星的引力而限制在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)，好像牧羊犬看管羊群一樣，故也被稱為“牧羊犬”衛(wèi)星。除此以外，后續(xù)還發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)十一至土衛(wèi)十五等5顆衛(wèi)星。

飛掠土星衛(wèi)星

1980年11月6日，“旅行者1號(hào)”進(jìn)行了一次軌道機(jī)動(dòng)，以使其軌道與土衛(wèi)六間的距離再縮減650公里。但是土衛(wèi)六的大氣透明度就像在爆發(fā)一場(chǎng)嚴(yán)重的沙塵暴，即使不斷靠近也無(wú)法看到土衛(wèi)六的表面結(jié)構(gòu)。紫外光譜儀的探測(cè)結(jié)果證實(shí)了土衛(wèi)六的空氣主要由氮?dú)饨M成，這也是除了地球以外太陽(yáng)系內(nèi)已知的唯一一個(gè)富含氮?dú)獾男乔?。除氮?dú)馔?，土衛(wèi)六大氣還含有甲烷和多種復(fù)雜的碳?xì)浠衔?，這與地球早期的大氣十分相似，很多科學(xué)家對(duì)土衛(wèi)六存在生命都抱有期待。左圖為“旅行者1號(hào)”拍攝的土衛(wèi)六大氣增強(qiáng)處理照片。

“旅行者1號(hào)”在飛掠土衛(wèi)六約16小時(shí)后又飛掠了土衛(wèi)三（中圖），在土衛(wèi)三朝向土星的半球上發(fā)現(xiàn)一條寬度為100公里的峽谷，表明它曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的地質(zhì)活動(dòng)。

11月12日23時(shí)46分，“旅行者1號(hào)”抵達(dá)最接近土星的位置，緊接著飛掠了土衛(wèi)一（右圖），雖然土衛(wèi)一直徑只有390公里，但卻有一個(gè)直徑130公里的撞擊坑，很多人將其與電影《星球大戰(zhàn)》中的“死星”類比。之后還飛掠了土衛(wèi)二和土衛(wèi)四，并對(duì)土衛(wèi)五、土衛(wèi)七、土衛(wèi)八、土衛(wèi)九等進(jìn)行了觀測(cè)。

卡西尼-惠更斯號(hào)：首個(gè)環(huán)繞土星的探測(cè)器

卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器由美國(guó)宇航局、歐空局和意大利航天局聯(lián)合研制?？ㄎ髂崽?hào)探測(cè)器以意大利出生的法國(guó)天文學(xué)家、土星光環(huán)環(huán)縫的發(fā)現(xiàn)者卡西尼的名字命名，其任務(wù)是環(huán)繞土星飛行?！盎莞固?hào)”是“卡西尼號(hào)”攜帶的子探測(cè)器，以荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、土衛(wèi)六的發(fā)現(xiàn)者惠更斯的名字命名，其任務(wù)是深入土衛(wèi)六的大氣層并在其表面著陸，對(duì)土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六進(jìn)行實(shí)地考察。

抵達(dá)土星

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯號(hào)”從肯尼迪航天中心發(fā)射升空，于1999年8月18日，在距離地球表面1171公里高度成功飛掠地球；于2000年1月23日接近小行星2685；同年12月30日飛掠木星，并對(duì)木星進(jìn)行了觀測(cè)，拍攝了當(dāng)時(shí)最清晰的木星照片（左圖）；2004年6月11日飛掠土衛(wèi)九（右圖）；2005年7月1日，“卡西尼-惠更斯號(hào)”啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)減速，成功進(jìn)入土星軌道。這是人類歷史上第四個(gè)抵達(dá)土星的探測(cè)器，也是第一個(gè)環(huán)繞土星飛行的探測(cè)器。計(jì)劃探測(cè)任務(wù)將持續(xù)4年，圍繞土星公轉(zhuǎn)74圈，44次飛掠土衛(wèi)六。

登陸土衛(wèi)六

2004年12月25日，“惠更斯號(hào)”與“卡西尼號(hào)”分離，獨(dú)自飛向土衛(wèi)六。2005年1月14日，“惠更斯號(hào)”開始啟動(dòng)登陸土衛(wèi)六程序：此時(shí)它距離土衛(wèi)六1200公里，速度為每小時(shí)2.2萬(wàn)公里；高度降為190公里時(shí)，拋掉隔熱罩；當(dāng)高度降到16公里時(shí)，速度降低到每小時(shí)1400公里，此時(shí)“惠更斯號(hào)”拍攝了第一張土衛(wèi)六照片（左圖），顯示出類似海岸線的地貌；之后三個(gè)降落傘分別打開，最終成功著陸土衛(wèi)六。整個(gè)降落過(guò)程持續(xù)約兩個(gè)半小時(shí)，土衛(wèi)六也成為了人類探測(cè)器登陸的距離我們最遙遠(yuǎn)的天體。著陸后，“惠更斯號(hào)”拍攝了歷史上第一張土衛(wèi)六地表照片（右圖）。

延伸任務(wù)

“卡西尼號(hào)”在結(jié)束為期4年的主任務(wù)后狀態(tài)依舊良好，分別在2008年和2010年兩次開啟延伸任務(wù)，總計(jì)再環(huán)繞土星215次，75次接近土衛(wèi)六，18次近距離探測(cè)土衛(wèi)二。

2011年，“卡西尼號(hào)”拍攝到土星上的巨大風(fēng)暴；2012年，觀測(cè)到土星出現(xiàn)大白斑（左圖），這一現(xiàn)象約30年出現(xiàn)一次；2013年，卡西尼號(hào)使用高分辨率相機(jī)拍攝了一張名為“回望地球”的照片（右圖），美國(guó)宇航局甚至在拍攝照片前告知了公眾，希望人們能夠向著15億公里遠(yuǎn)處的相機(jī)揮手，當(dāng)然“卡西尼號(hào)”并不會(huì)拍到；2014年，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二南極向空中噴射水冰羽流，表明其南極地表下可能存在液態(tài)水的海洋，土衛(wèi)二有可能成為存在生命的星球之一；2013年和2017年，還分別拍攝了土星北極六邊形云層，并發(fā)現(xiàn)其顏色有了明顯變化，至于其成因依舊在研究之中。

最后的任務(wù)

在離開地球19年11個(gè)月、圍繞土星公轉(zhuǎn)13年2個(gè)月14天后，“卡西尼號(hào)”即將結(jié)束自己的土星之旅。2017年4月，美國(guó)宇航局宣布“卡西尼號(hào)”將要展開的最后任務(wù)：進(jìn)入土星與土星環(huán)之間的區(qū)域，探索土星環(huán)的起源。同時(shí)由于并不知道“卡西尼號(hào)”是否攜帶有地球上的微生物，為了避免對(duì)土衛(wèi)二等土星衛(wèi)星造成生物污染，2017年9月15日，“卡西尼號(hào)”以自我犧牲的方式墜入土星大氣層。左圖是“卡西尼號(hào)”拍攝的高清土星環(huán)的照片，右圖是“卡西尼號(hào)”拍攝的最后一張照片。

2019年初，根據(jù)“卡西尼號(hào)”最后的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們精確地測(cè)算出土星上一天的長(zhǎng)度為10小時(shí)33分38秒，以及土星環(huán)非常的年輕，只有1000萬(wàn)年至1億年的歷史。