卡西尼号的探测历程与土星的秘密

作者: 左文文(中国科学院上海天文台)

来源: 科学大院

发布日期: 2017-04-27

卡西尼号是NASA、欧洲航天局和意大利航天局联合开展的土星探测器,历经多个阶段探测土星及其卫星,发现了土卫六和土卫二可能存在生命的迹象。土卫六拥有厚密的大气和湖泊,土卫二则可能有液态水海洋。卡西尼号的探测成果为未来的行星探测奠定了基础。

最后22圈,那个派往土星的家伙就要“退休”了。寻找地外生命、探索地球之外是否有宜居星球,一直是人类的梦想,也是人类不断探索太空的动力之一。说到可能有生命的星球,你一定能想到系外行星中的宜居带类地行星、太阳系内的火星等,此外,虽说木星和土星这两颗气态大行星不太可能有生命的存在,可它们的卫星却似乎不让人失望,如木卫二、土卫六和土卫二等。

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。它于北京时间4月22日下午2点最后一次飞掠土卫六,然后飞向土星,就在昨天(北京时间4月26日下午5点),它第一次穿过土星与土星环的缝隙,所拍摄照片预计将于今天下午传回地球,完成谢幕前最后阶段的工作。

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,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。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。

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。

卡西尼-惠更斯号长6.7米,宽4米,质量达5.7吨多。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。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,在环绕土星的过程中飞掠土卫六45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。

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。

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。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,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。

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。

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。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。

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”。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。

”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。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。

除了土卫二和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。2013年,卡西尼号拍摄的一张图片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。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,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。

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