从1997到2017 卡西尼同志的一生是兢兢业业的一生

前不久研究人员在土卫二上发现了一种可以为生命提供能量的化学能,NASA表示“土卫二”可能存在孕育生命的物质。探测到这些物质的就是我们今天的主角——卡西尼号。

27日凌晨5点,NASA确认“卡西尼”号探测器已经成功在土星和土星环之间宽约2400公里的缝隙中完成首次俯冲任务。 “卡西尼”号探测器一共将完成22次俯冲,完成绘制详细的土星重力和磁场地图、了解土星环的构成等任务,完成谢幕前最后阶段的工作后,它将坠入土星大气层结束一生。

卡西尼号一生经历了哪些阶段,又有哪些重要成就?在卡西尼号之前,还有哪些无人探测器前去探望过土星呢?

土星系统探测史

土星,作为太阳系中的体积第二大行星,是在地球上肉眼能看到的最远的太阳系大行星。土星的质量约是地球的95倍,直径约是地球的9.5倍,如果把土星比作一个橄榄球大小,那么地球大约就相当于1元钱硬币。

在1610年,意大利天文学家伽利略首次通过望远镜观测土星,他发现土星的左右各长了一只“耳朵”,于是以为土星是由三个部分组成的。

1655年,荷兰科学家惠更斯利用分辨率更高的望远镜,发现伽利略看到的“耳朵”其实是土星的光环,他还发现了土星的最大卫星——土卫六(Titan)。

20年后,在意大利出生的法国天文学家卡西尼发现土星光环中存在一条暗缝,现在将其称为卡西尼环缝。

进入空间探测时代后,1979年9月1日,经过6年半的空间旅程,先驱者11号成为首个飞掠土星的宇宙飞船。它从距离土星云顶21000千米的高空飞掠过,对土星进行了为期10天的探测,发送回第一批土星图片。

先驱者11号1979年9月1日拍摄的土星照片,版权:NASA/JPL

在先驱者11号最接近土星时,旅行者1号和2号也正朝着土星前进。

1980年11月12日,旅行者1号从距离土星云顶124000千米的高空飞掠,共发回了1万多幅彩色照片。后来,它在距离土卫六约6500千米的地方飞掠时,首次探测分析了这颗卫星的大气,发现土卫六大气的主要成分是氮气,还含有不同种类的碳氢化合物。

1981年8月25日,旅行者2号从距离土星云顶101000千米的高空飞掠,它发现土星环主要由冰晶颗粒构成,颗粒团块尺寸小到一颗砂砾,大到一辆小汽车,而且,内环的粒子较小,外环的粒子较大。这证实了土星环由七个环构成,距离土星从近到远分别是D、C、B、A、F、G和E环,每条环还可以继续分为上千条的小环。

土星环的命名是根据它们被发现的顺序,A环是第一个被发现的环,G环是最后一个被发现的环。而之所以A和B环最先被发现,是因为它们是最亮的环。

土星环的位置(单位:土星半径)

土星环很宽,相对于它的宽度,其平均厚度约20米,称得上是个薄环,如果把环的直径压到一个篮球那么大,那么它的厚度就约是人的头发丝厚度的1/250。

土星环,版权:NASA/JPL

为了进一步探测土星和土卫六,更为了探索土星、土星环、土星系统中的卫星世界,我们今天讲到的主角登场了。

美国国家航天局、欧洲航天局和意大利航天局联合开展了一个项目——卡西尼-惠更斯号土星探测器,对土星系统进行空间探测。

该项目包括两大部分——卡西尼号轨道器和惠更斯号着陆器,前者以发现土星环中存在缝隙的天文学家卡西尼命名,后者则以发现土卫六的天文学家惠更斯命名。

“探测者”卡西尼号

卡西尼号,全称卡西尼·惠更斯号,长6.7米,宽4米,质量5.7吨。

作为一个无人探测器,它不是一个小家伙,如何把它送入距离约14亿千米之外的土星附近呢?

1997年10月15日,卡西尼-惠更斯号被发射升空,它巧妙地借助了金星、地球、木星的引力弹弓效应实现加速,2004年7月1日进入环绕土星运行的轨道,成为首个进入土星轨道的无人探测器。

从1997年10月15日至2004年7月4日,卡西尼-惠更斯号的路线图,版权:NASA

而自2004年抵达土星轨道以来,卡西尼号就一直兢兢业业地进行探测,为科学家传送回许多珍贵数据和资料。

卡西尼号对土星的探测任务,分为四个阶段。

主任务(2004年7月1日-2008年6月30日)

在这4年的主任务中,卡西尼环绕土星75圈(注:1次绕转或1次轨道,指围绕土星绕转一次,从0开始计数。一次轨道的开始,以飞行器距离土星最远的位置开始算起),在环绕土星的过程中飞掠(近距离飞过)土卫六45次,飞掠了土卫二3次,还飞掠了土卫九、三、七、四、十三和五。

春分任务(2008年7月-2010年9月)

2008年4月15日,卡西尼号获得经费支持27个月的延长任务,从2008年7月1日开始。

2009年8月,土星迎来了春分,即日光刚好直射土星环的边缘,也因为这个缘故,这次延长任务被称作“春分任务”。

这一阶段中,卡西尼号环绕土星运行60次,过程中26次近距离飞掠土卫六,7次飞掠土卫二,1次飞掠土卫四、五和十二。

就像地球上同一个地方树的影子在日出时比正午时更长一样,春分时,日光以微小的倾角照射到土星环上,也能让土星环上小的凸起结构投下更长的影子。这会起到放大信号的作用,从而帮助我们更好地研究土星环结构,这正是春分任务的一个优势。

夏至任务(2010年10月-2017年4月)

2010年2月3日,NASA宣布第二次延期任务,从2010年10月至2017年4月,共6.5年。

一土星年约相当于29.5地球年,从春分到夏至需7地球年多,推算便可得知,这一阶段任务最后会经历土星的夏至,也因此,这次延长任务被称作夏至任务。

在这一阶段中,卡西尼号的计划是绕行土星155次,54次近距离飞掠土卫六、11次近距离飞掠土卫二。

其中,2016年11月30日至2017年4月22日这个阶段被称作“掠过土星环”(Ring-Grazing)阶段。之所以被称作“掠过土星环”轨道阶段,是因为卡西尼号将逐渐降低轨道,多次穿掠过土星环的外部边缘,所携带离子和中性质量摄谱仪以及宇宙尘埃分析仪将尝试分析环的成分以及靠近环的暗淡气体分子。

2016年12月4日,卡西尼号第一次掠过土星环,之后还将进行19次往返探索,每7天1次。这20次的任务轨道中,卡西尼号距离土星云顶能近到约9万千米。

在这一阶段,由于卡西尼号会近距离观测环,拍摄的照片分辨率能高到单像素对应实际的1千米左右,因此环上的或靠近环的小卫星也能有更多细节被观测到。

压轴收场阶段(2017年4月-2017年9月)

经过“掠过土星环”阶段的过渡,卡西尼号将正式进入它的压轴收场阶段。因为一旦它的燃料低于某个程度,就会陷入失控状态。

为了避免卡西尼号与土卫六和土卫二这些可能有生命线索的卫星相撞,造成生物污染,也为了让卡西尼号继续发挥探测作用,科学家们趁着卡西尼号还受控制时,为卡西尼号设计了最后阶段任务。

在这一阶段,卡西尼号将22次穿过土星和土星环之间区域,如下图中蓝线所示,而图中黄线展示的则是计划中卡西尼号最后轨道的一部分——它最终将于2017年9月15日坠入土星大气层,结束生涯。但直至“生命”最后一刻,卡西尼也将不遗余力向地球发送回资料。

卡西尼号的毛线球,版权:NASA/JPL

上图是电脑生成的“毛绒球”示意图,展示了卡西尼号从2004年7月1日至任务的结束日期2017年9月15日期间所有运行轨道。

灰色对应于主任务阶段的轨道,橙色对应于春分任务阶段的轨道,蓝色对应于夏至任务的第1至4年期间,黄色对应于夏至任务的第5年,紫色对应于夏至任务的第6年,绿色对应于“掠过土星环”阶段的轨道和压轴收场轨道。

在“土卫动物园”的瞩目表现

卡西尼号的科学发现很多,其中以对土星、土星环、土星的卫星(尤其以土卫二和土卫六)的发现尤为突出。

土卫动物园中,最引人注目、也最被卡西尼号关注的卫星当属土卫六和土卫二,因为种种观测迹象都表明,它们可能存在生命。

土卫六

在卡西尼号任务前,我们对于土卫六的认识并不多,只知道它的尺寸与水星差不多,被一层以氮为主要成分的厚密大气层包围。

近20年来,卡西尼号共飞掠土卫六100多次,几乎刷新了我们对土卫六的认识:土卫六拥有不一样的大气,有相对平坦的表面,有证据显示其表面有湖泊,地下存在巨大的海洋,且主要成分是碳氢化合物。

不一样的大气

2004年7月2日,卡西尼号首次近距离接近土卫六,在其表面约33.9万千米上方,拍摄了有史以来最清楚的土卫六照片,照片显示了土卫六南极上空的云层,科学家们认为其主要成分是甲烷。

卡西尼号2004年拍摄的土卫六照片,图中可以看到厚密的云层

2005年1月14日,惠更斯号着陆器离开母船,降落在土卫六表面,并拍摄了人类历史上第一张土卫六表面照片。

在下降图中,它搜集到许多关于土卫六大气的宝贵信息,并传递给卡西尼号轨道器。令人遗憾的是,惠更斯号在土卫六仅运作了90分钟,就失去了联系。

根据惠更斯号的大气探测结果,土卫六的大气成分主要是碳和氮。

卡西尼号进一步的探测结果显示,土卫六大气成分中还有其它化学成分,如丙烯(用于制造家用塑料的化学品)和有毒的氰化氢等,而上空厚密的云层中成分的源头很可能就是甲烷和氮,但甲烷从何而来,还是个问题。

相对平坦的表面

同年10月27日,卡西尼号第一次在距离卫星表面约1200千米的上空飞掠过土卫六,拍摄的照片透露,土卫六的表面相对平坦,高度变化一般不超过150米,偶尔也能达到500米。

由于土星系统远在太阳系的宜居带之外,温度低,以至于土卫六的表面主要是水冰,但在这个温度下,甲烷和乙烷是液态的。

表面的湖泊和地下海洋

2006年7月21日,从卡西尼号利用雷达拍摄的照片可以看到土卫六北半球存在碳氢化合物湖泊,这也是科学家们首次在地球之外的星球发现湖泊。2007年3月13日,NASA宣布这一发现,并表示其中至少有一个湖泊比北美洲五大湖还要大。

科学家们认为,土卫六上还会降下甲烷和乙烷雨,从而能更新湖泊和海洋,在赤道附近是广阔的干旱地区,由富含碳氢化合物的冰晶颗粒组成。

此外,卡西尼号对土卫六的重力测量揭示了土卫六很可能拥有一个巨大的地下海洋,主要成分是水和氨。惠更斯号的测量结果也给出了强有力的证据,表明在土卫六地下拥有55至80千米深的海洋。

土卫二

在卡西尼之前,科学家们不明白为什么土卫二那么亮以及它与土星E环有什么关系,更不知道土卫二也有可能存在生命。

2005年两次飞掠土卫二时,卡西尼号发现了土卫二表面可能存在薄但显著的大气层,还拍摄到土卫二南极的冰晶喷射活动,证明了土卫二很可能正为土星E环提供物质。

这两次飞掠,也使得太阳系中被证实存在火山活动的天体数量从三颗增加为四颗,另外三颗分别是地球、海卫一和木卫一。

2008年3月12日,卡西尼号以50千米的距离再次飞掠土卫二。

卡西尼号穿过了土卫二的羽状喷流,它的科学仪器探测到羽状物中有丰富的化学物质,如:水、二氧化碳和各种碳氢化合物,表明了土卫二上可能存在生命。

2014年,卡西尼号发现土卫二的南极地底存在液态水海洋,地底存在的液态水海洋以及岩石表面,使得土卫二成为了“太阳系中最可能存在生物的星球之一”。

2015年9月,NASA宣布,卡西尼的引力测量以及照片数据分析显示,土卫二也拥有一个地下大海洋。

2015年10月28日,卡西尼号来到距离表面不到48千米的位置,最后一次也是最深入的一次从土卫二的羽状喷流中飞过。

卡西尼号的科学设备对羽流进行了成分分析,发现近98%的成分是水,约1%的氢气,其它成分为二氧化碳、甲烷和氨在内的其它分子的混合物。

科学家们对此给出了解释,氢气很可能源自冰下海洋和海底岩层之间的水热反应,而如果海洋底部还存在微生物,它们就可以利用氢气和溶于水的二氧化碳反应产生甲烷,获取能源,这可就一定程度上解决了微生物的生存问题。

依照卡西尼号的数据分析结果,土卫二具备生命所需要的三个主要成分:液态水、新陈代谢的能量来源和合适的化学成分(主要包括碳,氢,氮,氧,磷和硫)。

卡西尼的项目科学家Linda Spiker表示,“如果将来真的在土卫二的地下海洋中发现生命,卡西尼的这些发现将是行星任务的顶级发现之一。”

科学家们给出的解释示意图——海底岩石如何与水相互作用产生氢气。

其它土卫也很丰富多彩

除了土卫六和土卫二这两颗可能存在生命的卫星之外,在卡西尼号的帮助下,我们看到了性质各异的卫星们,而且发现当中的某些卫星与土星环并不是互不往来的。

性质各异的卫星们

首先,土星的卫星们尺寸各异,大到有和水星尺寸相当,小到有和地球上体育场相当。

其次,土卫们形状也多样:形状像红薯的土卫十六;像土豆的土卫十七;像肉丸子的土卫十;像一块海绵的土卫七;像核桃的土卫十八;还有的卫星形状和质地看起来像一个脏雪球,如土卫十一。

还是让我们以几个卫星为例,看看它们的性质如何各异,还有哪些谜团吧。

2010年拍摄的土卫一,版权:NASA/JPL

2010年2月13日,卡西尼号为土卫一拍摄了上面这张照片。

在上图中,右侧巨大的赫歇尔撞击坑赫然在目,看起来就像《星球大战》中的终极武器——死星。但卡西尼的科学家们猜测,它可能也有一个地下海洋,不过目前证据还不确凿。

此外,作为一个和土卫二尺寸相当的行星,为什么土卫二有羽状喷流,但土卫一却没有呢?原因仍然不明。

2015年,卡西尼号飞掠土卫四和五,发现它们也存在大气层,只是很薄,约是地球大气层厚度的五万亿分之一。

卡西尼号还发现,像海绵的土卫七竟然带电。月球表面有带电的尘埃颗粒,如今卡西尼号让我们知道,遥远的土卫七表面也存在带电颗粒。

2007年拍摄的土卫八,版权:NASA/JPL

土卫八是和我们的月球自转公转性质相似的土星卫星,在卡西尼号对它细致观测前,人们不明白为什么它的表面一半是雪白色,另一半却呈炭黑色。

卡西尼号的探测使得问题有了初步答案——之所以有如此的颜色分别,是因为土卫八也被土星锁定了,总是一面对着土星,一面背对土星。

2004年拍摄的土卫九,版权:NASA/JPL

还有土卫九,卡西尼号近距离拍摄的土卫九照片显示,其表面布满了撞击坑,且表面有一部分看起来很亮,科学家们猜测在土卫九表面之下存在大量水。

土卫和土星环并非互不往来

除了土星卫星的性质各异之外,卡西尼号还发现土星卫星和土星环并非互不往来。

让我们举几个例子就明白了。

土卫二和E环的纠葛让科学家们意识到,很可能土卫二借着南极的冰晶喷射活动,为E环提供物质。

除了土卫能为环提供物质,土卫也可能要从环里“偷”物质。

要知道,土卫和环的主要成分均是水冰。

2013年卡西尼拍摄到的照片:小土卫的诞生?版权:NASA/JPL

2013年,卡西尼号拍摄的一张图片(上图)讲述了这样一个故事:左下角处,在A环外边缘,你应该看到了有一段弧显得更亮和凸起,实际尺寸约1200千米长,10千米宽,显得更亮和凸起是因为此处的环受到了临近小天体的引力扰动。

这个临近的小天体很可能是一颗刚刚从A环中诞生的土卫,正试图从环中迁移出去。

科学家们表示,他们很可能从这张图片中见证了一颗小土卫的诞生,为其它土卫的诞生提供了一些细节。但科学家们的猜想还需要进一步的证据来说明。

小卫星也能对附近的土星环造成大影响。

以直径约35千米的土卫十八为例,它是已知土卫家族中最小的一颗。1990年,旅行者2号发现了它身处土星A环中的恩克环缝(Johann Franz Encke是该环缝的发现者,故以他命名)中。

根据卡西尼号提供的照片显示,这个环缝很可能就是由土卫十八清空出来的,土卫十八在围绕土星运动的过程中,会在光环中制造出波纹。

能清空出环缝的卫星不仅仅有土卫十八,还有土卫一等,实际上土卫一正是A环和B环之间巨大的卡西尼缝的罪魁祸首。

能制造出波纹的卫星也不仅仅是土卫十八而已,还有诸如土卫十二。

2007年拍摄的位于A环恩克环缝中的土卫十八,版权:NASA/JPL

还有一些卫星就像牧羊犬一样忠诚地 “看管”着土星环,如F环两侧的土卫十六和土卫十七就维持着窄环F环的存在。

F环外侧的土卫十七会驱赶着F环内的冰晶颗粒,不让它们往外跑;F环内侧的土卫十八会保证F环中的颗粒不往里面落,两颗卫星虽然尺寸不大,但齐心协力共同维持F环。

终点,起点

近期卡西尼-惠更斯号对土卫二上孕育生命的物质的探测成功,是提交给其背后来自于全球26个国家的科学团队的胜利答卷。

不过,这不是终点,而是个起点。

未来,以NASA的太阳系内行星研究为例,火星自然还是最热点的(我国也即将于2020年左右发射自己的火星探测器),至于卡西尼之后是否还有前往深入研究土卫二、土卫六、木卫二的探测器,经费支持如何,将是个很复杂的问题。

这其中会涉及到NASA内外的行星探测倡导者、政治、经济和科学综合权衡等诸多因素。毕竟有时候,火星探测和土星/木星探测同是太阳系行星探测,但它们之间的关系既是朋友,又是竞争者。

往更大点儿说,它们还需要与其它空间项目、其它领域计划去竞争获取支持。

参考资料:

https://saturn.jpl.nasa.gov/science

https://solarsystem.nasa.gov/missions/cassini

https://caps.gsfc.nasa.gov/simpson/kingswood/rings/

出品︱网易科学人栏目组

作者︱左文文 中国科学院上海天文台

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责任编辑:于会莹
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