劉聲遠(yuǎn) 劉安立等
發(fā)現(xiàn)泰坦(土衛(wèi)六)的甲烷湖、含冰土衛(wèi)二恩克拉多斯表面的熱水噴泉、海綿狀的亥伯龍(土衛(wèi)七)、百葉包形狀的潘(土衛(wèi)十八)和阿特拉斯(土衛(wèi)十五)、伊阿珀托斯(土衛(wèi)八)及其布滿(mǎn)古老隕擊坑的赤道脊,對(duì)土星環(huán)的近距離拍照,以及對(duì)土星兩極超巨型颶風(fēng)的特寫(xiě)……所有這一切,都屬于“卡西尼號(hào)”探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“卡西尼號(hào)”)的功勛。
美國(guó)宇航局1997年發(fā)射的“卡西尼號(hào)”環(huán)繞土星系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)13年。它獲得的系列發(fā)現(xiàn)之所以驚人,是因?yàn)樗鼈兲魬?zhàn)了科學(xué)家對(duì)行星及其衛(wèi)星的認(rèn)識(shí):如果所有天體源自相同的過(guò)程,那么復(fù)雜的天體多樣性從何而來(lái)?現(xiàn)在看來(lái),不要說(shuō)行星,就連每顆衛(wèi)星都有自己的獨(dú)特故事。
直到2017年9月墜毀于土星大氣層之前最后一刻,“卡西尼號(hào)”一直在采集土星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。它多次俯沖到土星衛(wèi)星(土衛(wèi))上空,多次穿越土星環(huán),拍攝了大量前所未見(jiàn)的珍貴圖像??梢哉f(shuō),“卡西尼號(hào)”對(duì)土星的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何其他探測(cè)器對(duì)一顆行星的發(fā)現(xiàn)。正是由于這個(gè)原因,科學(xué)家對(duì)“卡西尼號(hào)”的犧牲倍感惋惜。
像其他太空探測(cè)器一樣,“卡西尼號(hào)”在1997年10月僅僅有一個(gè)很窄的發(fā)射窗口來(lái)借助金星、地球和木星的引力援助,從而踏上計(jì)劃中前往土星的征程?;叵氘?dāng)初,多爾蒂剛準(zhǔn)備接手“卡西尼號(hào)”磁強(qiáng)計(jì)(測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度)的主要負(fù)責(zé)人一職。她說(shuō)自己當(dāng)時(shí)很緊張:“我想,這真是一個(gè)激動(dòng)人心的任務(wù)。我給人的印象是我知道自己在干什么,但我其實(shí)并不知道。我們連續(xù)3天凌晨起床,因?yàn)榘l(fā)射時(shí)間是在凌晨?jī)牲c(diǎn)。但因?yàn)榭耧L(fēng)等緣故,前兩次都沒(méi)能發(fā)射。發(fā)射時(shí)刻終于來(lái)臨,我們目睹火箭升空,感到大地震顫,祈禱一切順利。那一刻,我們緊張極了?!?/p>
多爾蒂說(shuō),在“卡西尼號(hào)”前往土星的6年半行程中,“卡西尼號(hào)”任務(wù)團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)都不敢懈怠:“通過(guò)沒(méi)完沒(méi)了的視頻會(huì)議,每周大約4~5次,我們仔細(xì)策劃‘卡西尼號(hào)在頭4年里的觀測(cè)內(nèi)容。我們花幾小時(shí)討論每次觀測(cè)的時(shí)間,每個(gè)人都在爭(zhēng)搶觀測(cè)時(shí)段,但漸漸地大家懂得了相互理解。團(tuán)隊(duì)成員們說(shuō),這段時(shí)間歸你,我可以找其他時(shí)間。那真是一段美好時(shí)光,因?yàn)槲覀冋娴氖亲鳛橐粋€(gè)團(tuán)隊(duì)在工作?!?h3>土星環(huán)
經(jīng)過(guò)6年半的航程,“卡西尼號(hào)”終于在2004年7月1日進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道,并立即遭遇了土星的標(biāo)志性特征——土星環(huán)。美國(guó)宇航局“旅行者號(hào)”雙探測(cè)器分別在1980年和1981年飛過(guò)土星,它們當(dāng)時(shí)拍攝的圖像表明土星被大約1萬(wàn)條環(huán)包圍,其中每條環(huán)中的顆粒都局限于一條狹窄軌道上。但“卡西尼號(hào)”的紫外成像光譜儀主要負(fù)責(zé)人拉里指出,“卡西尼號(hào)”查明土星環(huán)的數(shù)量實(shí)際上有幾百萬(wàn)條。
土星環(huán)非常復(fù)雜:“卡西尼號(hào)”拍攝的圖像顯示,土星環(huán)中有隆起,有空洞,有間隙,還有其他很多結(jié)構(gòu)。其中一些波浪狀特征,是由土星環(huán)內(nèi)部衛(wèi)星之間的相互作用形成的。但其他一些特征的起源則不清楚。
土星環(huán)的最初成因,可能是一顆大衛(wèi)星過(guò)于靠近土星,從而被土星引力作用撕碎。拉里推測(cè),這發(fā)生在早期太陽(yáng)系,自那以后土星環(huán)一直在延伸,在此過(guò)程中或許還形成了多顆衛(wèi)星。其他科學(xué)家認(rèn)為,土星環(huán)有周期性:衛(wèi)星之間的碰撞形成新的環(huán),新環(huán)聚合成新的衛(wèi)星,新衛(wèi)星接著再度碰撞……而今天所見(jiàn)的土星環(huán)的歷史可能只有1億年。
古老的土星環(huán)可能比年輕土星環(huán)的質(zhì)量大得多。在墜毀之前的幾星期里。“卡西尼號(hào)”重復(fù)穿行于土星環(huán)之間和土星環(huán)與土星之間,準(zhǔn)確測(cè)量土星環(huán)的質(zhì)量,從而有助于最終解決上述爭(zhēng)議。
在“卡西尼號(hào)”任務(wù)之前,科學(xué)家一直以為含冰量大、直徑500千米的恩克拉多斯是一個(gè)凍結(jié)的大冰塊。但在2005年2月初的一次飛近恩克拉多斯期間,“卡西尼號(hào)”的磁強(qiáng)計(jì)感知到這顆土衛(wèi)的磁場(chǎng)有異常情況。
“卡西尼號(hào)”后來(lái)對(duì)恩克拉多斯的一次飛近,發(fā)現(xiàn)這顆土衛(wèi)的南極溫度比科學(xué)家預(yù)想的高得多,而且南極有鹽水噴泉射向太空。在個(gè)頭更大的狄俄涅(土衛(wèi)四)環(huán)繞土星一圈的過(guò)程中,恩克拉多斯環(huán)繞土星兩圈。在此過(guò)程中誘導(dǎo)的引力作用,讓這兩顆土衛(wèi)內(nèi)部的冰融化。恩克拉多斯在這一過(guò)程中受到擠壓,導(dǎo)致南極附近的大型裂縫地帶噴出水流。“卡西尼號(hào)”探測(cè)了這些射流的成分,發(fā)現(xiàn)其中含有鹽、水、二氧化碳、甲烷和其他有機(jī)分子等構(gòu)建生命所需的原材料。后來(lái),“卡西尼號(hào)”又在這些射流中發(fā)現(xiàn)了氫,這是一種理想的生命能量源。
在恩克拉多斯射流中還發(fā)現(xiàn)了硅,而硅只可能在接近沸點(diǎn)的水中形成。這表明恩克拉多斯的地下海洋中也存在地?zé)釃娍?。如此一?lái),恩克拉多斯就變成了尋找外星生命的一個(gè)炙手可熱的目的地。
科學(xué)家評(píng)述
“卡西尼號(hào)”在恩克拉多斯磁場(chǎng)中感知到的異常,意味著多爾蒂團(tuán)隊(duì)必須查明它。為得到答案,“卡西尼號(hào)”就必須飛近恩克拉多斯,而且要比計(jì)劃的距離近得多。
多爾蒂說(shuō):“‘卡西尼號(hào)首次飛近恩克拉多斯時(shí),與后者的距離是1000千米。第二次是500千米。我當(dāng)時(shí)去美國(guó)宇航局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室,向大家描述土衛(wèi)群。就在這次會(huì)議前等待取咖啡時(shí),我偶遇了負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)‘卡西尼號(hào)的杰瑞。我對(duì)他說(shuō),我們?cè)跀?shù)據(jù)中看到了一些奇怪的東西,我們希望‘卡西尼號(hào)第三次飛近恩克拉多斯時(shí)能飛得更近。他說(shuō):‘這太酷了。我一直都比其他人更希望能靠近一個(gè)行星體。在會(huì)上,有些人說(shuō)這(指讓‘卡西尼號(hào)飛得離恩克拉多斯更近)簡(jiǎn)直瘋了,但杰瑞說(shuō)沒(méi)有問(wèn)題。最終,大家同意把‘卡西尼號(hào)與恩克拉多斯之間的距離降到173千米。這時(shí)恰逢‘卡西尼號(hào)看見(jiàn)恩克拉多斯南極噴出水汽柱。沒(méi)錯(cuò),恩克拉多斯南極有裂縫,有地?zé)崛鼈儑姵鰤m埃和有機(jī)分子。突然間,恩克拉多斯變成了必須去的目的地,而且必須去到離它更近的地方?!?/p>
與泰坦形成引力共振的亥伯龍,在環(huán)繞土星的軌道中跌跌撞撞?!翱ㄎ髂崽?hào)”在2005年9月對(duì)亥伯龍進(jìn)行了初次飛近,發(fā)現(xiàn)它看似多孔的明亮表面就像一只被捏的海綿,但科學(xué)家并不知道亥伯龍為何會(huì)這樣。一種可能性是,過(guò)去的一次碰撞導(dǎo)致一個(gè)較大的天體碎裂,而亥伯龍就是其中的一塊碎片。亥伯龍的暗色地帶比亮色脊位置低,這可能是因?yàn)榍罢呶樟烁嚓?yáng)光,導(dǎo)致下方冰層蒸發(fā),暗色層沉降。
一眼看去,纏繞伊阿珀托斯的一條赤道脊就像是剛出廠的橡膠球上的鑄模標(biāo)記?!翱ㄎ髂崽?hào)”2007年對(duì)伊阿珀托斯的飛近揭示,這條脊就像伊阿珀托斯(直徑1500千米)的其余表面一樣布滿(mǎn)隕擊坑。由此推測(cè),這條脊一定是很久以前形成的。伊阿珀托斯的表面也奇怪地呈現(xiàn)雙色調(diào),其中前半球顯得較暗。這是由把伊阿珀托斯鎖定在環(huán)繞土星位置上的引力作用造成的,這導(dǎo)致伊阿珀托斯的前半球面臨塵埃襲擊。
當(dāng)“旅行者1號(hào)”在1980年經(jīng)過(guò)泰坦時(shí),它看不見(jiàn)這顆最大土衛(wèi)的表面:太陽(yáng)紫外輻射驅(qū)動(dòng)泰坦大氣層中氮分子與甲烷分子反應(yīng),由此產(chǎn)生稠密的橘褐色泥狀物質(zhì)?!翱ㄎ髂崽?hào)”搭載的“惠更斯”泰坦登陸器由歐洲空間局建造,該登陸器的目的就是查明在這些泥狀物質(zhì)下方是什么樣的世界?!奥眯姓咛?hào)”此前已發(fā)現(xiàn),泰坦表面溫度和氣壓允許液態(tài)甲烷存在。由“卡西尼號(hào)”在2005年1月14日釋放到泰坦表面的“惠更斯”,能夠勝任干或濕的登陸。
“惠更斯”向泰坦表面下降的過(guò)程長(zhǎng)達(dá)150分鐘。在此過(guò)程中,“惠更斯”拍攝的圖像顯示出可能是由液態(tài)甲烷刻鑿出的分叉溪流網(wǎng)絡(luò)。但“惠更斯”最終實(shí)現(xiàn)的是硬著陸,它的著陸地點(diǎn)是泰坦赤道附近散落著鵝卵石的沖積平原,那里的環(huán)境有點(diǎn)像美國(guó)著名的“死亡山谷”,但前者的溫度低至-180℃,地面上覆蓋著有塑性的“刨花”和“泡沫珠”。
“惠更斯”在泰坦表面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)72分鐘,直到它的電池用盡。自那以后,“卡西尼號(hào)”在連續(xù)飛近過(guò)程中探測(cè)了泰坦大氣層,并且繪制了泰坦表面地圖,證實(shí)了液態(tài)甲烷在泰坦表面的存在。在相隔幾星期的多次雷達(dá)觀測(cè)中,“卡西尼號(hào)”發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明甲烷雨滲透進(jìn)泰坦表面土壤,然后蒸發(fā)。這是在地球之外的首個(gè)降雨證據(jù)。
泰坦表面平靜得可怕,無(wú)論甲烷海還是甲烷湖都風(fēng)平浪靜。這些湖海比地球湖水還透明:其中一座湖的雷達(dá)回波反射自它的160米深湖底。明亮的“魔幻島”在暗色湖面上升起后不久就消失無(wú)蹤,它們被認(rèn)為是從湖水析出的氮泡。
或許最奇怪的是,泰坦竟然有兩個(gè)海平面。在表面的碳?xì)浠衔锖Q笙路绞且粋€(gè)水冰殼,水冰殼下方是含鹽的液態(tài)水??茖W(xué)家說(shuō),這個(gè)地下海洋是太陽(yáng)系中的前驅(qū)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,是潛在的生命棲居地。
科學(xué)家評(píng)述
多爾蒂說(shuō),“惠更斯”的硬著陸意味著,過(guò)了很久才能證實(shí)泰坦竟然是一個(gè)濕潤(rùn)的世界。她說(shuō):“當(dāng)探測(cè)器剛登陸泰坦時(shí),我們期待看見(jiàn)泰坦表面有液體,但沒(méi)看見(jiàn)有。‘卡西尼號(hào)進(jìn)入第6個(gè)任務(wù)年后,它搭載的紅外光譜儀探測(cè)到了反射自泰坦北極的陽(yáng)光。這是我們首次知道泰坦表面有液體。我們?cè)谶@之前沒(méi)有探測(cè)到它,是因?yàn)椴辉谟昙?。?h3>米瑪斯
直徑為396千米的土衛(wèi)一米瑪斯,是太陽(yáng)系中最小的圓球狀天體。然而,“卡西尼號(hào)”在2010年2月最接近米瑪斯時(shí)發(fā)現(xiàn),這顆土衛(wèi)并非是正圓球形:它有一側(cè)被130千米寬的赫歇爾隕擊坑占據(jù),坑壁高達(dá)5千米。這個(gè)巨大隕擊坑,讓米瑪斯看上去就像是好萊塢著名科幻片《星球大戰(zhàn)》中能摧毀行星的那顆“死亡之星”。但實(shí)際上,米瑪斯相當(dāng)脆弱:它主要由水冰構(gòu)成,而赫歇爾隕擊坑反面的裂縫表明,過(guò)去的一次碰撞差點(diǎn)讓米瑪斯粉身碎骨。
地球上的颶風(fēng)容易向兩極地區(qū)集中,而土星上的颶風(fēng)是固定的。土星颶風(fēng)也有地球颶風(fēng)那樣的中心眼和眼墻云,兩者旋轉(zhuǎn)方式一樣,但土星颶風(fēng)直徑達(dá)4000千米,相當(dāng)于地球直徑的1/3。地球颶風(fēng)由來(lái)自溫暖洋面的熱量驅(qū)動(dòng)。土星上沒(méi)有這樣的機(jī)制,所以土星颶風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力是什么依然是一大謎團(tuán)。
科學(xué)家評(píng)述
多爾蒂說(shuō):“當(dāng)我還是個(gè)小孩時(shí),我爸爸建造了一部25厘米望遠(yuǎn)鏡。我姐姐為望遠(yuǎn)鏡的基座攪拌了混凝土。望遠(yuǎn)鏡鏡面是爸爸自己打磨的。他把望遠(yuǎn)鏡安裝在花園里。我記得自己在那里第一次看見(jiàn)土星。我看到了那些看上去小小的環(huán)。我還看見(jiàn)了木星,還有四顆大木衛(wèi)的斑點(diǎn)。但我從未想到過(guò)自己今天干的大事。我爸爸13年前去世了,幾年后我媽媽也走了。他們知道當(dāng)時(shí)我參與了‘卡西尼號(hào)任務(wù),而且對(duì)此很自豪。然而,他們等不到看見(jiàn)這項(xiàng)任務(wù)的進(jìn)展如此美好。這是我最大的遺憾之一?!?h3>潘
“身體圓胖”、呈百葉包形狀的潘,在最亮、最外側(cè)的土星環(huán)——A環(huán)的一道縫隙中環(huán)繞土星。潘的核心是冰,但土星環(huán)中的顆粒在潘的一部分赤道上累積,最終讓潘的直徑達(dá)到了35千米?!翱ㄎ髂崽?hào)”2017年3月拍攝的圖像顯示,環(huán)顆粒堆積地帶有不少隕擊坑,還有小規(guī)?;卢F(xiàn)象。A環(huán)中的另一顆土衛(wèi)——阿特拉斯也有類(lèi)似現(xiàn)象,但阿特拉斯的赤道沒(méi)有隕擊坑,而且顯得蓬松。這兩顆土衛(wèi)的生長(zhǎng)可能都受到了它們與土星之間引力較量的鉗制。如果土星環(huán)顆粒在潘的赤道上堆積得過(guò)高,土星的引力就會(huì)把它們拉下來(lái)。
科學(xué)家評(píng)述
多爾蒂說(shuō),“卡西尼號(hào)”的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)未結(jié)束,因?yàn)樵撊蝿?wù)團(tuán)隊(duì)科學(xué)家將持續(xù)調(diào)查“卡西尼號(hào)”獲得的超大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。她說(shuō):“‘卡西尼號(hào)之旅是發(fā)現(xiàn)之旅。想真正了解一個(gè)天體系統(tǒng)的唯一方式,就是對(duì)它進(jìn)行環(huán)繞觀測(cè)?!眯姓咛?hào)和‘先鋒號(hào)探測(cè)器給了我們小小的驚喜,而‘卡西尼號(hào)讓我們能決定下一趟土星之旅該關(guān)注什么。是去恩克拉多斯,還是去泰坦?是發(fā)射極地軌道器,還是發(fā)射地下海洋鉆探器?‘卡西尼號(hào)大謝幕,我們都在場(chǎng)。至少在公眾面前,我不會(huì)太感傷。不久前我接受過(guò)一次訪談,展示了噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室制作的一部電影。它描述了‘卡西尼號(hào)的一生,以及它最終會(huì)燃盡自己的結(jié)局。我站在那里,淚眼婆娑。我希望記者不要把鏡頭對(duì)著此時(shí)的我,但我會(huì)堅(jiān)強(qiáng)。我有遺憾,也有放松,這13年的經(jīng)歷讓我疲憊,但我更有自豪,絕對(duì)的自豪!”
在離開(kāi)地球差不多20年后,“卡西尼號(hào)”由钚驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的燃料逐漸耗盡,這樣一來(lái),“卡西尼號(hào)”就難以調(diào)整自己的軌道。如果放任這艘探測(cè)器自行飄飛,它就可能會(huì)撞擊土衛(wèi),污染可能包含生命或生命條件的環(huán)境。為避免這種風(fēng)險(xiǎn),“卡西尼號(hào)”被導(dǎo)入土星大氣層,像流星一樣燃燒自己,最終成為土星的一部分,與自己一生探索的環(huán)境融為一體?!翱ㄎ髂崽?hào)”這樣的大謝幕可能還不算太令人傷感。