劉聲遠 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）及其布滿古老隕擊坑的赤道脊，對土星環(huán)的近距離拍照，以及對土星兩極超巨型颶風(fēng)的特寫……所有這一切，都屬于“卡西尼號”探測器（以下簡稱“卡西尼號”）的功勛。

美國宇航局1997年發(fā)射的“卡西尼號”環(huán)繞土星系統(tǒng)長達13年。它獲得的系列發(fā)現(xiàn)之所以驚人，是因為它們挑戰(zhàn)了科學(xué)家對行星及其衛(wèi)星的認識：如果所有天體源自相同的過程，那么復(fù)雜的天體多樣性從何而來？現(xiàn)在看來，不要說行星，就連每顆衛(wèi)星都有自己的獨特故事。

直到2017年9月墜毀于土星大氣層之前最后一刻，“卡西尼號”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的珍貴圖像。可以說，“卡西尼號”對土星的了解遠遠超過任何其他探測器對一顆行星的發(fā)現(xiàn)。正是由于這個原因，科學(xué)家對“卡西尼號”的犧牲倍感惋惜。

科學(xué)家評述

像其他太空探測器一樣，“卡西尼號”在1997年10月僅僅有一個很窄的發(fā)射窗口來借助金星、地球和木星的引力援助，從而踏上計劃中前往土星的征程。回想當(dāng)初，多爾蒂剛準(zhǔn)備接手“卡西尼號”磁強計（測量磁場強度）的主要負責(zé)人一職。她說自己當(dāng)時很緊張：“我想，這真是一個激動人心的任務(wù)。我給人的印象是我知道自己在干什么，但我其實并不知道。我們連續(xù)3天凌晨起床，因為發(fā)射時間是在凌晨兩點。但因為狂風(fēng)等緣故，前兩次都沒能發(fā)射。發(fā)射時刻終于來臨，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，在“卡西尼號”前往土星的6年半行程中，“卡西尼號”任務(wù)團隊一點都不敢懈?。骸巴ㄟ^沒完沒了的視頻會議，每周大約4～5次，我們仔細策劃‘卡西尼號在頭4年里的觀測內(nèi)容。我們花幾小時討論每次觀測的時間，每個人都在爭搶觀測時段，但漸漸地大家懂得了相互理解。團隊成員們說，這段時間歸你，我可以找其他時間。那真是一段美好時光，因為我們真的是作為一個團隊在工作。”

土星環(huán)

經(jīng)過6年半的航程，“卡西尼號”終于在2004年7月1日進入環(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)。美國宇航局“旅行者號”雙探測器分別在1980年和1981年飛過土星，它們當(dāng)時拍攝的圖像表明土星被大約1萬條環(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”的紫外成像光譜儀主要負責(zé)人拉里指出，“卡西尼號”查明土星環(huán)的數(shù)量實際上有幾百萬條。

土星環(huán)非常復(fù)雜：“卡西尼號”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)星過于靠近土星，從而被土星引力作用撕碎。拉里推測，這發(fā)生在早期太陽系，自那以后土星環(huán)一直在延伸，在此過程中或許還形成了多顆衛(wèi)星。其他科學(xué)家認為，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?！翱ㄎ髂崽枴敝貜?fù)穿行于土星環(huán)之間和土星環(huán)與土星之間，準(zhǔn)確測量土星環(huán)的質(zhì)量，從而有助于最終解決上述爭議。

恩克拉多斯

在“卡西尼號”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”的磁強計感知到這顆土衛(wèi)的磁場有異常情況。

“卡西尼號”后來對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。在個頭更大的狄俄涅（土衛(wèi)四）環(huán)繞土星一圈的過程中，恩克拉多斯環(huán)繞土星兩圈。在此過程中誘導(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程中受到擠壓，導(dǎo)致南極附近的大型裂縫地帶噴出水流?！翱ㄎ髂崽枴碧綔y了這些射流的成分，發(fā)現(xiàn)其中含有鹽、水、二氧化碳、甲烷和其他有機分子等構(gòu)建生命所需的原材料。后來，“卡西尼號”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?。如此一來，恩克拉多斯就變成了尋找外星生命的一個炙手可熱的目的地。

科學(xué)家評述

“卡西尼號”在恩克拉多斯磁場中感知到的異常，意味著多爾蒂團隊必須查明它。為得到答案，“卡西尼號”就必須飛近恩克拉多斯，而且要比計劃的距離近得多。

多爾蒂說：“‘卡西尼號首次飛近恩克拉多斯時，與后者的距離是1000千米。第二次是500千米。我當(dāng)時去美國宇航局噴氣動力實驗室，向大家描述土衛(wèi)群。就在這次會議前等待取咖啡時，我偶遇了負責(zé)驅(qū)動‘卡西尼號的杰瑞。我對他說，我們在數(shù)據(jù)中看到了一些奇怪的東西，我們希望‘卡西尼號第三次飛近恩克拉多斯時能飛得更近。他說：‘這太酷了。我一直都比其他人更希望能靠近一個行星體。在會上，有些人說這（指讓‘卡西尼號飛得離恩克拉多斯更近）簡直瘋了，但杰瑞說沒有問題。最終，大家同意把‘卡西尼號與恩克拉多斯之間的距離降到173千米。這時恰逢‘卡西尼號看見恩克拉多斯南極噴出水汽柱。沒錯，恩克拉多斯南極有裂縫，有地?zé)崛?，它們噴出塵埃和有機分子。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>

亥伯龍

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髂崽枴痹?005年9月對亥伯龍進行了初次飛近，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這樣。一種可能性是，過去的一次碰撞導(dǎo)致一個較大的天體碎裂，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，這可能是因為前者吸收了更多陽光，導(dǎo)致下方冰層蒸發(fā)，暗色層沉降。

伊阿珀托斯

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髂崽枴?007年對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隕擊坑。由此推測，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。

泰坦

當(dāng)“旅行者1號”在1980年經(jīng)過泰坦時，它看不見這顆最大土衛(wèi)的表面：太陽紫外輻射驅(qū)動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髂崽枴贝钶d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。“旅行者號”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”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程長達150分鐘。在此過程中，“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”最終實現(xiàn)的是硬著陸，它的著陸地點是泰坦赤道附近散落著鵝卵石的沖積平原，那里的環(huán)境有點像美國著名的“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”在連續(xù)飛近過程中探測了泰坦大氣層，并且繪制了泰坦表面地圖，證實了液態(tài)甲烷在泰坦表面的存在。在相隔幾星期的多次雷達觀測中，“卡西尼號”發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明甲烷雨滲透進泰坦表面土壤，然后蒸發(fā)。這是在地球之外的首個降雨證據(jù)。

泰坦表面平靜得可怕，無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蹤，它們被認為是從湖水析出的氮泡。

或許最奇怪的是，泰坦竟然有兩個海平面。在表面的碳氫化合物海洋下方是一個水冰殼，水冰殼下方是含鹽的液態(tài)水?？茖W(xué)家說，這個地下海洋是太陽系中的前驅(qū)生物化學(xué)實驗室，是潛在的生命棲居地。

科學(xué)家評述

多爾蒂說，“惠更斯”的硬著陸意味著，過了很久才能證實泰坦竟然是一個濕潤的世界。她說：“當(dāng)探測器剛登陸泰坦時，我們期待看見泰坦表面有液體，但沒看見有?！ㄎ髂崽栠M入第6個任務(wù)年后，它搭載的紅外光譜儀探測到了反射自泰坦北極的陽光。這是我們首次知道泰坦表面有液體。我們在這之前沒有探測到它，是因為不在雨季?！?h3>米瑪斯

直徑為396千米的土衛(wèi)一米瑪斯，是太陽系中最小的圓球狀天體。然而，“卡西尼號”在2010年2月最接近米瑪斯時發(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5千米。這個巨大隕擊坑，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，過去的一次碰撞差點讓米瑪斯粉身碎骨。

土星颶風(fēng)

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4000千米，相當(dāng)于地球直徑的1/3。地球颶風(fēng)由來自溫暖洋面的熱量驅(qū)動。土星上沒有這樣的機制，所以土星颶風(fēng)的驅(qū)動力是什么依然是一大謎團。

科學(xué)家評述

多爾蒂說：“當(dāng)我還是個小孩時，我爸爸建造了一部25厘米望遠鏡。我姐姐為望遠鏡的基座攪拌了混凝土。望遠鏡鏡面是爸爸自己打磨的。他把望遠鏡安裝在花園里。我記得自己在那里第一次看見土星。我看到了那些看上去小小的環(huán)。我還看見了木星，還有四顆大木衛(wèi)的斑點。但我從未想到過自己今天干的大事。我爸爸13年前去世了，幾年后我媽媽也走了。他們知道當(dāng)時我參與了‘卡西尼號任務(wù)，而且對此很自豪。然而，他們等不到看見這項任務(wù)的進展如此美好。這是我最大的遺憾之一。”

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，最終讓潘的直徑達到了35千米?！翱ㄎ髂崽枴?017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)——阿特拉斯也有類似現(xiàn)象，但阿特拉斯的赤道沒有隕擊坑，而且顯得蓬松。這兩顆土衛(wèi)的生長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高，土星的引力就會把它們拉下來。

科學(xué)家評述

多爾蒂說，“卡西尼號”的發(fā)現(xiàn)遠未結(jié)束，因為該任務(wù)團隊科學(xué)家將持續(xù)調(diào)查“卡西尼號”獲得的超大量觀測數(shù)據(jù)。她說：“‘卡西尼號之旅是發(fā)現(xiàn)之旅。想真正了解一個天體系統(tǒng)的唯一方式，就是對它進行環(huán)繞觀測?！眯姓咛柡汀蠕h號探測器給了我們小小的驚喜，而‘卡西尼號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？‘卡西尼號大謝幕，我們都在場。至少在公眾面前，我不會太感傷。不久前我接受過一次訪談，展示了噴氣動力實驗室制作的一部電影。它描述了‘卡西尼號的一生，以及它最終會燃盡自己的結(jié)局。我站在那里，淚眼婆娑。我希望記者不要把鏡頭對著此時的我，但我會堅強。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，絕對的自豪！”

為什么要大謝幕？

在離開地球差不多20年后，“卡西尼號”由钚驅(qū)動的發(fā)電機的燃料逐漸耗盡，這樣一來，“卡西尼號”就難以調(diào)整自己的軌道。如果放任這艘探測器自行飄飛，它就可能會撞擊土衛(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，“卡西尼號”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髂崽枴边@樣的大謝幕可能還不算太令人傷感。