“卡西尼”这13年 回眸探测器波澜壮阔的一生

“卡西尼”这13年 回眸探测器波澜壮阔的一生

土卫二上的间歇泉喷出混有有机分子的水蒸气和冰。

20年前,在美国佛罗里达州一个闷热的清晨,“卡西尼号”太空探测器从卡纳维拉尔角发射升空并照亮了天空。如今,在走完35亿公里的旅程以及围绕土星运转13年后,这个轨道飞行器携带的燃料已所剩无几。9月15日,“卡西尼号”的地球控制者将其坠入土星云层,以防它突然撞击并污染任何可能孕育生命的卫星。

由美国宇航局(NASA)、欧洲空间局和意大利太空总署联合研制的“卡西尼号”是首个围绕土星运转的太空探测器。和1979年的“先驱者11号”、1980年的“旅行者1号”以及1981年的“旅行者2号”此前进行的近飞探测不同,“卡西尼号”花了更多时间用于收集科学数据。在绕土星飞行时,它获得了一连串令人印象深刻的发现,并且飞经土星很多奇怪的卫星。“我们用了很长时间等待‘卡西尼号’的到来,但这绝对是值得的。”位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室行星科学家Linda Spilker表示,“它取得如此多令人难以置信的成就,我们为它感到骄傲。”

“卡西尼号”揭示了形成土星环的混沌动力学,发现了从土卫二喷出的间歇泉,并且观测到巨型风暴正在搅动土星大气。它观察到近半个土星年的季节变化——首先是昼夜平分点,然后是至点到来,从而改变了天气模式。在“卡西尼号”的整个生命周期中,土星变得不再那么陌生并且证明自己是一个充满活力的星球,上演着持续性的变化。该太空探测器成为理解气态巨行星复杂性的试金石,而NASA的“朱诺号”太空飞船目前正在木星上延续这一传奇。

当“卡西尼号”释放成为首个在外太阳系着陆的飞船——“惠更斯号”探测器时,它再次创造了历史。2005年,在土卫六表面进行了两个半小时惊心动魄的降落后,“惠更斯号”传回了散落着岩石的冰封泛滥平原的快照。“卡西尼号”随后的探测证实,土卫六是一个充满了烃类湖泊和河流的世界,甲烷和乙烷雨则为其提供补给。

然而,由于短期内没有任何重返土星的官方计划,因此9月15日标志着一个时代的结束。

对多颗卫星开展研究

当“卡西尼号”对土星60多颗卫星的其中一些进行研究时,它带来了诸多惊喜,同时提出了很多问题。

当研究人员发现巨型环状物质从土星的另一颗卫星——土卫九流出时,他们最终破解了以一面黑一面白著称的土卫八之谜。土卫八似乎在其主要表面通过土卫九的残骸时获得了这种“阴阳脸”。在“卡西尼号”科学家对满是火山口的土卫一如何绕着轴摆动开展研究时,他们意识到这个世界可能拥有一片被埋葬的海洋或者伸长的核心。

对土星最小卫星开展的观测——此前从未如此近距离观察过——发现了各种奇特的形状。“惠更斯号”像一块海绵,而土卫十七被比作太空水饺。后者的特点是拥有巨大的陨石坑——很久以前的撞击产生的疤痕。

最令人惊奇的观测结果来自土卫六和土卫二。在土星的最大卫星——土卫二上,“卡西尼号”发现了一个拥有复杂化学反应且同生命诞生前的地球类似的世界。在“惠更斯号”停留于土卫六表面的72分钟里,这个由电池提供动力的着陆器拍摄了散布着冰冻岩石并且被橙色阴霾笼罩的景观图像。“卡西尼号”利用雷达和其他设备从上面描绘了这颗卫星的地图,并且发现了巨大的涂有烃类釉面的水冰“沙丘”。液态甲烷和乙烷像雨点一样落下,形成含有碳氢化合物的河流和湖泊。“卡西尼号”捕捉到太阳光线反射这些液态物质的图像,甚至利用雷达绘制了它们的底部地图。

即便如此,土卫二还是抢走了风头。在“卡西尼号”到达前,该卫星被认为是惰性的。但实际上,它从巨大的裂缝中喷出冰和水蒸气,并且像虎皮条纹一样装点了其南极地区。在土星引力的作用下,间歇泉每秒钟喷射出200千克混合有各种有机物的含盐物质。

“卡西尼号”科学家非常惊奇地发现,这种物质含有小颗粒的二氧化硅。这可能是由土卫二内部深处热液喷口中的水和岩石相互作用形成的。在地球上,类似的深海喷口寄居着在远离阳光的情况下仍能茁壮生长的微生物。因此,土卫二一跃成为寻找外星微生物的最重要地点之一。行星科学家正在筹划飞经土卫二羽流并且寻找生命痕迹的返回任务。

不断变化的土星环

土星环——该卫星最具标志性的特征——含有数十亿个冰粒子。从远处看,它们似乎是固定的并且被精雕细琢而成,但“卡西尼号”揭示了它们的一些形成过程,并且证实它们拥有巨大的活力。有时,在几个小时内,环状特征便会经历形成、改变形状和消失的过程。

“卡西尼号”发现,即便是土星最小的卫星产生的引力作用也在引导环形颗粒形成仿佛精心修剪的带状物中发挥了作用。例如,直径仅有28公里的土卫十七在经过土星环时清理出一条很宽的道路。土星环中这一空隙两侧黑暗和明亮的条带反映了土卫十七的引力作用。多年来拍摄的图像揭示了土星的一些卫星如何持续地形成并且雕刻出这些光环——这一现象并未完全显现出来,直到“卡尼西号”在很长一段时间里对其进行了观测。

不过,并非所有卫星都是完美的“引导者”。在土星的F环上——沿着主环外缘的狭窄条带,“卡西尼号”发现有物质短暂性地喷出。这一现象被称为微型喷流。附近卫星——土卫十六的引力作用可能导致土星环中的冰粒子像雪球一样聚集在一起。随后,那些较大的物体向外穿孔而出,身后拖着的粒子则像落满灰尘且长达180公里的面纱,破坏了本应完美的土星环。在土星环系统的边缘,这些特征会时隐时现。

巨大的变化还可能在更大尺度上进行。在土星的昼夜平分点附近,随着太阳光线落在土星环陡峭的斜面上,“卡西尼号”观测到像车轮辐条一样的特征。它们跟着土星环一起旋转,类似于自行车轮在转动。这些“辐条”可能是带有静电且恰好在土星环上下流动的巨大粒子带。它们能在几个小时内形成然后消失。

了解大气深处

由于华丽的土星环系统转移了人们的注意力,因此该行星的旋涡状云顶模式有时并未得到赏识。“卡西尼号”改变了这一点。它观测到风暴如何在多个地球年的时间段内搅动土星大气,从而有助于更深刻地了解形成土星大气的气流。

2010年年底,当一场雷暴发展成巨大的旋涡状白云(直径超过1万公里)时,该太空飞船“亲眼”见证了这一过程。雷暴从大气层内部深处开始搅动直到最上层,并且在接下来的几个月里将北半球完全包裹,直到它的“头部”撞上尾巴。类似风暴每隔二三十年便会出现,而它的速率可能受到大气层中水蒸气数量的控制。诸如木星等太阳系的其他行星也拥有大型风暴,但并未出现这种环绕行星的巨型风暴。

“卡西尼号”还在土星北极探测到直径约为3万公里的奇特六角形特征。该六角形受制于以每小时超过300公里的速度吹过的风,并且是在其内部旋转的像较小型飓风一样的漩涡所在地。奇怪的是,土星南极并未出现此类特征。

多亏了“卡西尼号”,即便是土星内部也得到了更好的关注。该行星拥有强大而复杂的磁场,其由在内部深处搅动的液体产生。在土星两极附近产生光亮的明亮极光充当了路标,帮助揭示了极地磁场的模式和强度。

不过,一些基本的谜题仍悬而未决。“卡西尼号”科学家仍在努力确定土星一日的长短。由于该行星并未拥有固体表面,因此研究人员无法追踪一个固定的特征来测量其旋转速度。相反,他们试图通过观察土星强大的无线电辐射,测量其真正的旋转速度。这应当能反映来自土星内部深处的磁场移动。然而,“卡西尼号”发现,这些辐射要比预想的复杂,从而使利用其理解旋转速率的努力更加复杂。

尽管“卡西尼号”已经坠毁,但它将留下海量信息供未来研究使用。“‘卡西尼号’产生的宝贵数据无论在广度还是深度上都是‘旅行者号’的100倍,彻底搞清楚这些数据需要几十年时间。”位于加州莫菲特场的NASA艾姆斯研究中心行星科学家Jeff Cuzzi表示,“卡西尼号”主动作业的结束或许只是在理解它所发现的内容上取得真正进展的开端。(宗华编译)

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责任编辑:范琪
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