卡西尼-惠更斯号土星探测史

当伽利略第一次把他自制的望远镜指向天空时,该是如何地激动?我们现代人可能很难体会他当时的心境。的确很了不起,作为人类的普通一员,能够第一次欣赏到这么多的“地球之外”的美丽,足够引为自傲了!

卡西尼-惠更斯号土星探测史

图片来自网络

土星探测:卡西尼-惠更斯号

物理学家惠更斯的名字大家听得多了,流传最广的的应该是光学中的惠更斯原理,将波动的传播过程,诸如反射、折射、衍射等,用次波的包络来分析和解释,简洁又明了,直观而形象。实际上,荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629年-1695年),在天文观察中有不少重要的发现,特别是,他用自制望远镜对土星的观测功劳不小:他发现了土星最大的卫星土卫六(泰坦),以及继伽利略发现土星有“耳朵”之后,第一次正确地用“圆盘形状”来描述这个独特而美丽的光环。

多美尼科·卡西尼(Domenico Cassini,1625年-1712年)是另一位勤于观察土星的法国天文学家。卡西尼对木星也有研究,与胡克同时第一次观察到木星表面的大红斑。他发现了木星赤道旋转得比两极快,这是一种后来被称为“较差自转”的现象。对土星而言,卡西尼发现了土星四个较大的卫星,还将土星光环看得比惠更斯更清楚,发现不仅仅是个“圆盘”,盘中还有一条暗缝,后人以他的名字命名这条缝为“卡西尼缝”。

卡西尼-惠更斯号土星探测史

图24-1:卡西尼-惠更斯号土星探测器

也许是因为天文和物理偏重的方向毕竟有所差别,使得卡西尼和惠更斯的物理思想表现迥异。惠更斯首先是一名物理学家,从学习数学研究光学,到发明望远镜再用于观察天象而有所获,他与稍后的牛顿和莱布尼茨都有交往。卡西尼在物理思想上却是少见的保守,他不接受哥白尼的日心说,也反对开普勒定律及牛顿的万有引力定律。

宏伟的探测计划

卡西尼和惠更斯是同时代的人物,生前互相认识但不见得有密切的交往,几百年之后的科学家们却将他们“绑在一起”组成了一个卡西尼-惠更斯号(图24-1),开启了野心勃勃的土星探测计划。

对地球人来说,土星从来就颇具神秘感:和木星类似,离地球远远的,有一个众多天然卫星的大家庭。但木星好像比较活泼,土星却像一个宁静美丽、 “环带”绕身的女神,漂浮在比木星更为遥远的天际。

月球探索的成功使人类雄心勃勃,接着便是向太阳系的其它行星进军。因此,除了让“水手”“海盗”“探路者” ,前仆后继地奔赴火星之外,其后,又有伽利略号“驻扎”绕行于木星附近。土星呢,人类当然不会忘记这个“腰缠”一圈绚丽多彩光环的美丽女神,经常都会派几个过客去拜访拜访她!

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土星类似木星,没有固体表面可以供探测器登陆。土星厚厚的大气层,又妨碍用望远镜从地球上仔细观察它的表面形态。对这个距离地球大约比木星还远一倍的神秘天体,科学家们也知之不多,充满了困惑和疑问:土星环由何物构成?云层下面是个什么模样?有生命存在的可能性吗?

1979年9月,先锋11号飞越土星时第一次拍摄到几张它表面的照片,发现了土星环中(最细的)F环。如今飞离地球最远的旅行者1号,也曾经于1980年11月造访土星并借助其引力而为自己“加油”来获取能量。它拍到土星一个令人迷惑的景象:北极地区的六边形。第二年,旅行者2号也经过了土星。

先锋号和旅行者都不以土星为主要探索目标,“顺访”者行程匆匆,来有影去无踪。但它们从土星得到的信息却更给予人们更多的疑问,也大大激发了科学家们对土星大家庭的兴趣,极力要弄清这片神秘而辽阔的区域。

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图24-2:卡西尼-惠更斯号土星探测器飞向土星的轨道(图片来自NASA)

1997年,卡西尼-惠更斯号土星探测器从美国弗罗里达升空,这是人类迄今为止发射的规模最大、复杂程度最高的行星探测器,多国合作,耗资巨大,设计十年,计划周密。升空之后走过了7年的漫漫长途,绕过金星、地球、和木星,获得多次“引力助推”,方才于2004年7月到达土星周围。

卡西尼-惠更斯号外形庞大,携带了十几台科学仪器,加上燃料总质量超过5700公斤,即使当前推力最大的火箭,也无法使其加速到能够直飞土星。如果考虑靠携带更多的燃料沿途加速达到7年内抵达火星的办法,仅仅燃料就得70吨,那样就更找不出火箭来推它上天了!这一次,自然又是行星间的“引力助推”为我们解决了问题,图24-2显示了科学家们为这个5700公斤的庞然大物设计的“智慧轨道”,整个轨道利用了4次引力助推来加速航天器。

这个探测计划由两部分组成:一旦到达土星轨道范围之后,惠更斯号探测器便与主轨道器卡西尼号分离,轨道器环绕土星及其卫星继续不断地绕圈,惠更斯号则冲向它感兴趣的土卫六,见图24-3。

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泰坦—早期地球?

为什么选中土卫六呢?不仅仅因为土卫六最大,还因为早期的探测(早到1943年)发现土卫六拥有浓厚的大气层,在航海家1号接近土卫六的过程中又证实了可见光难以穿过它的大气层。那么,土卫六大气层的成分到底如何?与地球大气层有何异同?云层下面有着怎样的地貌?是否覆盖着液态物质?有无产生生命的条件?要回答这些谜中之谜,看来有必要派一个探测器“钻进” 土卫六的大气层中,当然最好还能降落在它的表面上。虽然土星是个无法“登陆”的气体巨星球,但土卫六是应该可以登上去的。作为人类成员的“惠更斯”在1655年发现了土星这颗最大的卫星,350年过去了,对它怎么能仍然一无所知呢?所以,让机器人“惠更斯”去一探究竟,完成这个光荣的使命吧。

2004年底,“卡西尼”号对准土卫六,抛出了一个圆圆的飞碟--惠更斯探测器。虽然惠更斯号专为登陆土星六而研制,有隔热板保护,使其免遭大气层的高温损伤,但却很难保证一定能“安全”着陆到一个未知世界。不过,惠更斯号不负众望,一个多月后,“飞碟”进入土卫六大气层,成功地在土卫六上实现了软着陆,成为第一艘在太阳系较外侧天体上着陆的飞船。

惠更斯号的降落过程长达2小时27分钟,如果土卫六上有高等生物的话,他们能看到一幅从未见过的有趣景象:远远的天边飞来一个碟状物!接着,大概到了地表上方170公里左右,它撑开了一把降落伞,看起来慢慢地、悠闲自在地,一边在桔黄色霾霧的天空中飘移,一边忙于拍照。它用6台科学仪器不断地测试,包括测量周围的风速及压力,分析土卫六大气层气体,并将得到数据发回给它的“朋友”卡西尼号,见图24-4,那是艺术家画的惠更斯号登陆土卫六时的想象图。

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图24-4:惠更斯着陆土卫六

飞碟慢慢下降到了低于50公里的高度了,突然,探测器上发出一道白光,照亮了原来暗红色的地表,这是飞碟上的地表照相机及测量仪器要开始工作了!它们将拍摄土卫六表面的照片,测量表面附近的温度、气压,对表面的物质进行光谱分析等等,最后,惠更斯号以每秒只有数米的轻缓速度,软软地着“陆”,周围并不是希望中的海洋,它有气无力地躺倒在土卫六一片“坑坑洼洼” 遍布鹅卵石的泥滩表面上。

工作还没完,惠更斯号赶紧与主航行器联系,进行了10分钟左右的通话之后,它在土卫六上大约总共“存活”了90分钟,最后终因电池耗尽而“牺牲”了。

不过,接下去的十几年里,“卡西尼”主探测器继续传回来有关土卫六的资料,它的红外像机向我们展现出土卫六表面朦胧的景色,它的能穿透烟 雾的雷达则提供了更清晰的图像,它的离子和中子质谱仪发现了土卫六上有复杂的碳氢化合物,有机物的踪迹。

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土卫六。图片来自网络

科学家们认为土卫六与生命出现之前的地球十分相似。它有河流有湖泊有海洋有降雨有风暴,不过这一切并非如地球上那样因为水的循环造成,却是“甲烷循环”的结果。也就是说,貌似地球气象的土卫六上,下的是“甲烷雨”,涨的是“甲烷潮”。土卫六大气成分有与地球大气类似之处:主要是氮气。但是土卫六大气没有氧气,第二多的成分便是甲烷,但这正好符合科学家们预言的地球早期生命演化过程中的情形。因此,对土卫六的探测和研究,将有助于揭示地球生命诞生之谜。

“卡西尼”号还发现,在这颗被浓雾环绕的卫星厚厚的冰壳之下,拥有一个晃动着的全球性海洋。从土卫六表面拍摄到的流动着的液态沟渠,造成的陡峭峡谷颇似美国亚利桑那州沿科罗拉多河一带的风光。土卫六拥有许多与地球相似的地质过程。这些过程产生了甲烷雨,它们冲刷出河道,形成了湖泊和海洋,其中积蓄着液态的甲烷和乙烷。

土卫五、土卫八和土卫二

卡西尼号对土卫五(图24-5b)有两个惊人的发现:一是它的大气的主要成分是氧气和二氧化碳,两者的比例约为5比2。与地球相比,土卫五的大气非常稀薄,但无论如何,这是首次在地球以外的星球上发现存在以氧气为主的大气。对土卫五的第二个有趣的发现是它拥有一个稀薄的环带(丽亚环),由3条密度较高的细环带构成,这也是人类首次在星系的卫星中卫星环带系统,但丽亚环非常稀薄,尚未从照片影像证实。

土卫八是卫星中最别致的一颗,几百年前被人类发现的时候,卡西尼就观察到它总是一半黑、一半亮,长着一张阴阳脸。这个事实如今被“卡西尼号”多次的近距离观察所证实。科学家解释阴阳脸的形成原因是因为陨石撞击形成的温差在演化过程中热效应正反馈的原因。此外,卡西尼号还发现土卫八中间赤道附近有一条神奇的分界线,见图24-5a。

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图24-5:卡西尼号拍摄的土星卫星(图片来源:NASA)

土卫二是诸多土星卫星中探测的重要目标之一,原因是发现其上存在液态水,这是生命最需要的基本元素之一。人类飞向太空总是暗藏一个“移民”的潜在目的,水星和金星离太阳太近,温度高,显然不是一个合适的人居之地。火星及类木行星的几个卫星,成为可能的候选者。因此,每当太空探索中发现与生命相关之事,都会引起人们一阵激动。在土卫二上发现巨型冰喷泉后,设计者对卡西尼的探测计划进行了彻底地重新规划,以便它能够将“喷泉”看个清楚。卡西尼号之后发现,土卫二的地下可能有全球性海洋存在。2014年4月3日, 美国宇航局科学家宣布土卫二南极地底存在液态水海洋,使土卫二成为太阳系有可能存在生物的星球之一。如今,卡西尼号还剩一年左右的寿命,也许还将给我们意外之喜?让我们拭目以待。

神秘的土星北极六边形

土星以神奇的光环著称。旅行者号又发现它另一个非常鲜明的特点。在土星的北极,存在一个超级风暴圈。卡西尼号探测器传回的图像显示了这个风暴的诡异之处——这个超级风暴与地球的圆形风暴不同,呈现的是六边形。

这是一个名副其实的巨大超级风暴,六边形的直径比地球直径的3倍还大,一股气流沿着六边形的边缘快速流动。风暴中心是旋转的漩涡形成的吓人的“凤眼”,比地球上风暴的风眼要大50倍。

并且,地球上的风暴只持续一周或十几天左右,而土星的这个北极风暴从发现至今已经存在几十年了,或许它已经存在了几百年或更久,谜底无人知道。

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图24-6:土星北极的六边形涡旋(图片来源:NASA)

这个六角星云随土星的自转一同旋转,在环绕北极的风暴中,还伴随着旋转方向与六边形云带相反的小型漩涡。另外,土星南极也有风暴和凤眼,但却没有六边形。物理学家们感兴趣的是这个奇怪的六边形风暴是如何形成的?为什么会如此稳定?为什么只在北极才有六边形?对此人们提出多种解释,但至今仍无定论。 有人认为六边形星云的稳定性可能与土星缺乏固体地形有关,地球上的风暴在遭遇地貌产生的摩擦后会被打乱,而土星实际上是一个庞大的气体球,所以造成风暴形态不容易变化。

六边形的形成则可能可用流体运动的规律以及湍流理论来解释。不过,如何正确描述湍流的性质,至今仍然是物理学中的一个重大难题。地球南极的臭氧空洞也呈现六边形形状,因此也有科学家将土星北极的六边形与此联想起来。

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土星北极。图片来自网络

其实,涡旋流体形成多边形图案也是实际中常见的现象,六边形更是自然界中最常见的对称图案,水结晶形成各种雪花的图案不都是六角对称的吗。不过,出现在土星如此巨大的天体上还如此稳定的图像,仍然令人吃惊,总得有个合理的模型来解释吧。因此,牛津大学等处的科学家们使用旋转圆形罐汽缸模拟土星大气环境,观察是否能制造出这种奇异的流体模型,结果发现随着自转速率的提高,当液体中心和周边以不同的速度旋转时,上层气流形成了多边形模样,其中最常见的是六边,但也形成从三边到八边的其它图案,并在具有不同速度的两个不同的旋转流体之间形成湍流区域。这些实验说明土星北极的六边形风暴与土星的自转速率存在关系。

卡西尼号长达12年的探测过程,当然不会忘记研究土星最迷人的神秘光环,它发现土星环远远不是文人骚客们想象和描述的那么温柔安详,而是一个充满了变化和动态的世界。

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(摘自《揭秘太空:人类的航天梦》,作者:张天蓉)