張唯誠(chéng)

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(cè)器——“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)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(shí)刻，讓我們回顧一下“卡西尼”號(hào)這一功勛卓著的土星探險(xiǎn)家取得的一些發(fā)現(xiàn)。

“卡西尼”號(hào)的征程

“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)計(jì)劃是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲空間局和意大利航天局的一個(gè)合作項(xiàng)目，探測(cè)器以17世紀(jì)天文學(xué)家卡西尼的名字命名?？ㄎ髂崾且獯罄?，后加入法國(guó)籍，成為一名天文學(xué)教授，還當(dāng)上巴黎天文臺(tái)的臺(tái)長(zhǎng)。他用望遠(yuǎn)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(kāi)始研制的“卡西尼”號(hào)重達(dá)5噸，載有十幾種探測(cè)儀器，包括各類照相機(jī)，可見(jiàn)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(dá)，各種磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(cè)器帶著人們無(wú)限的期待踏上了飛往土星的漫長(zhǎng)旅程。

“卡西尼”號(hào)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(hào)掠過(guò)金星，隨后繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周，于次年6月再次飛掠金星。8月，它飛過(guò)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(hào)飛掠木星，獲得最后一次加速后飛往土星。

“卡西尼”號(hào)2004年抵達(dá)土星，這時(shí)它的行程已超過(guò)32億千米。此后，“卡西尼”號(hào)便在土星系統(tǒng)中來(lái)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(zhǎng)達(dá)十幾年的時(shí)間里，“卡西尼”號(hào)為人類提供了大量有關(guān)土星的知識(shí)，人類因此獲得了一次對(duì)土星系認(rèn)識(shí)的巨大進(jìn)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(cè)目標(biāo)，被認(rèn)為是研究星環(huán)現(xiàn)象的最佳標(biāo)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(shí)，伽利略在此之前便用望遠(yuǎn)鏡看到了它，但并沒(méi)有意識(shí)到他看到的是一個(gè)星環(huán)，所以導(dǎo)致這個(gè)發(fā)現(xiàn)延遲了半個(gè)世紀(jì)。

人們對(duì)土星環(huán)的起源非常好奇，有人認(rèn)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(rèn)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(diǎn)都有一定道理。為了弄清土星環(huán)的起源，“卡西尼”號(hào)用搭載的紫外光譜儀仔細(xì)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(shí)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(yuǎn)的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E，然而事實(shí)上，土星環(huán)可以說(shuō)多得數(shù)不勝數(shù)?！翱ㄎ髂帷碧?hào)的探測(cè)使人類對(duì)土星環(huán)有了更多的了解，對(duì)它的結(jié)構(gòu)也有了更新的認(rèn)識(shí)。

在探測(cè)土星環(huán)的過(guò)程中，“卡西尼”號(hào)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(hào)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(lái)，G環(huán)內(nèi)曾經(jīng)存在過(guò)一顆衛(wèi)星，它后來(lái)解體了，演化成了環(huán)。

“卡西尼”號(hào)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(gè)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(gè)橢圓的軌道穿行于F環(huán)，每次穿行都會(huì)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(gè)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(zhǎng)，周長(zhǎng)足有200萬(wàn)千米。從“卡西尼”號(hào)拍攝的照片可以看到，土衛(wèi)二就運(yùn)行于這個(gè)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(cè)器到達(dá)土星之前，人們只發(fā)現(xiàn)十來(lái)顆土星衛(wèi)星，而且即使對(duì)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(yuǎn)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(duì)土衛(wèi)六特別的興趣，因?yàn)檫@意味著土衛(wèi)六可能在很多方面與地球相像。20世紀(jì)70年代，“旅行者”1號(hào)接近土衛(wèi)六，它發(fā)回的圖片證明土衛(wèi)六確實(shí)是一顆擁有濃密大氣的星球。

為了探索土衛(wèi)六，“卡西尼”號(hào)攜帶了一個(gè)以惠更斯命名的子探測(cè)器?！盎莞埂碧?hào)探測(cè)器于2004年12月25日脫離“卡西尼”號(hào)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(hào)發(fā)回的圖片上看，土衛(wèi)六擁有云層、霧團(tuán)和河道，似乎非常潮濕。原來(lái)，土衛(wèi)六上有“水”，這種“水”和地球上的水不一樣，其實(shí)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(dòng)的液體，原因就在于這顆星球非常寒冷，表面溫度低達(dá)-180℃。

除了讓“惠更斯”號(hào)著陸土衛(wèi)六外，運(yùn)行于土星軌道上的“卡西尼”號(hào)更是多次飛掠土衛(wèi)六，對(duì)這顆衛(wèi)星進(jìn)行了仔細(xì)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(zhǎng)達(dá)400千米，河道中的液態(tài)碳?xì)浠衔镆恢绷鬟M(jìn)了位于土衛(wèi)六北極地區(qū)的一個(gè)名為“麗姬婭”的海中。這個(gè)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?hào)發(fā)現(xiàn)了十幾個(gè)這樣的湖。

除了“水”以外，土衛(wèi)六的大氣是“卡西尼”號(hào)探測(cè)的另一個(gè)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?！翱ㄎ髂帷碧?hào)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(guò)雨。在土衛(wèi)六上，甲烷雨可能是一種時(shí)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(jìn)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(lái)自陽(yáng)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?xì)浠衔锖颓杌?。這些物質(zhì)在下降的過(guò)程中進(jìn)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(jī)分子，是有機(jī)生物分子的前身。在地球上，早期的生命就是類似的有機(jī)分子由簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)化而來(lái)的，所以土衛(wèi)六的大氣組成和化學(xué)物質(zhì)很像遠(yuǎn)古時(shí)期的地球，那里甚至有可能存在某種形式的簡(jiǎn)單生命。

“卡西尼”號(hào)對(duì)土衛(wèi)六的探索向人們展示了一個(gè)離奇的世界，這個(gè)世界和我們熟悉的地球既有幾分相像，又極為不同，人類對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)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(guó)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(gè)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(yáng)系的衛(wèi)星中算不上大塊頭。

“卡西尼”號(hào)對(duì)土衛(wèi)二進(jìn)行了仔細(xì)的研究，它多次近距離飛掠土衛(wèi)二，照相機(jī)拍下了非常清晰的照片。人們看到，土衛(wèi)二的南極是一個(gè)活躍的熱點(diǎn)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(guò)430千米，和土衛(wèi)二的直徑相差無(wú)幾。

這個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)使土衛(wèi)二成了“卡西尼”號(hào)重要的探測(cè)目標(biāo)。科學(xué)家相信，像土衛(wèi)六一樣，土衛(wèi)二很可能也是太陽(yáng)系中一個(gè)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(jī)化合物，這些有機(jī)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(lái)，土衛(wèi)二在繞土星運(yùn)行時(shí)，由于受到土星引力的影響，它會(huì)時(shí)而被擠壓，時(shí)而被拉伸，這種運(yùn)動(dòng)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(lái)。科學(xué)家曾認(rèn)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(hào)獲得的數(shù)據(jù)，顯示土衛(wèi)二的地下海洋比人們預(yù)計(jì)的大得多，很可能是一個(gè)全球性的液態(tài)海洋。

那些噴出物的速度非常高，甚至超過(guò)了音速，達(dá)到2100千米每小時(shí)。“卡西尼”號(hào)還在“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(hào)上的塵埃探測(cè)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(lái)，很多生物，例如蠕蟲(chóng)、螺、蛤蚌等動(dòng)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(huì)成為細(xì)菌很好的食物。在研究了大量塵埃后，科學(xué)家初步認(rèn)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(shí)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(duì)整個(gè)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(hào)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(xì)胞的生物體，例如蠕蟲(chóng)和貝殼類動(dòng)物等。所以，對(duì)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(cè)器去土衛(wèi)二進(jìn)行下一階段的研究。

衛(wèi)星與風(fēng)暴

除了對(duì)土衛(wèi)六和土衛(wèi)二進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)外，“卡西尼”號(hào)對(duì)土星的其他衛(wèi)星也很感興趣，它還探測(cè)了土星的大氣、兩極和塵埃。

“卡西尼”號(hào)在接近土星的路途上探測(cè)了距離土星很遠(yuǎn)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(yuǎn)離太陽(yáng)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(gè)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(cè)，傾斜的軌道、與土星遙遠(yuǎn)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(yáng)系的邊緣，后來(lái)離開(kāi)那里來(lái)到了土星身邊，成了土星的一顆衛(wèi)星。

2005年9月，“卡西尼”號(hào)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(tuán)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(hào)在土衛(wèi)七上發(fā)現(xiàn)了碳?xì)浠衔?，包括水冰和干冰?/p>

“卡西尼”號(hào)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(lái)，人們一直沒(méi)有找到能解釋這種現(xiàn)象的答案。現(xiàn)在人們才確定，原來(lái)明亮來(lái)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(lái)自土衛(wèi)八的鄰居土衛(wèi)九，它運(yùn)行在土衛(wèi)八的外側(cè)，由于和其他天體發(fā)生過(guò)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(hào)自然也對(duì)它進(jìn)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(duì)著土星，朝外的一面承受了頻繁的隕石撞擊。2014年，“卡西尼”號(hào)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?yàn)樾l(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(guò)氣態(tài)氧。

2016年初，“卡西尼”號(hào)的土星探測(cè)進(jìn)入到了最后階段，它開(kāi)始離開(kāi)土星環(huán)進(jìn)入一個(gè)和赤道面相傾斜的土星軌道。2016年年底，“卡西尼”號(hào)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(hào)就在這條軌道上運(yùn)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(hào)結(jié)束任務(wù)時(shí)，它還要研究土星的大氣，此前，“卡西尼”號(hào)觀測(cè)了土星南極上空的超級(jí)風(fēng)暴和北極巨大的氣旋，這個(gè)氣旋是一個(gè)呈六邊形的風(fēng)暴，在整個(gè)太陽(yáng)系中是獨(dú)一無(wú)二的。

從發(fā)射升空到結(jié)束任務(wù)，“卡西尼”號(hào)一直在辛勤地工作。20年來(lái)，人類不斷地收到它發(fā)回的消息，人類對(duì)太陽(yáng)系和整個(gè)行星世界的認(rèn)識(shí)也在這個(gè)過(guò)程中不斷地加深。“卡西尼”是功勛卓著的“土星專家”和勇敢無(wú)畏的“土星探險(xiǎn)家”，它的土星探險(xiǎn)在人類探索宇宙奧秘的科學(xué)史冊(cè)上書(shū)寫(xiě)了濃重的一筆。

【責(zé)任編輯】龐 云endprint