致卡西尼号:生的伟大,死的光荣
出品:科普中国
制作:刘博洋
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  2017915日,北京时间周五晚195546秒,随着一颗耀眼的火流星缓缓划过土星蓝色的天空、化为一簇璀璨的宇宙烟火,一曲澎湃的太空交响乐终于为它的壮丽终章画上了一笔浓墨重彩的休止符:美国航天局(NASA)旗舰级任务卡西尼号土星探测器,在满怀好奇地奔向深空整整20年之后,以主动坠毁的方式,与她深爱的那颗美丽行星,永远地融为了一体。 

    

   

  (图:火流星) 

    

  耗资33亿美元的卡西尼号是人类史上发射的最重、最大、最复杂的行星际探测器。它在发射时的全重5.7吨,其中除包含由欧洲航天局(ESA)研制的、重达318千克的“惠更斯号”土卫六着陆器外,有3.3吨也即大约六成的重量都用来携带推进剂——大量的推进剂储备,辅以大量借助引力弹弓效应来实现“省油”变轨的操作,让卡西尼号实现了超长的工作寿命:它从20046月进入环绕土星的轨道以来,已经奋力工作了13年之久;期间它和惠更斯号探测器一道,详细观测了土星,它的光环、磁场及众多卫星,积累了海量的科学资料。 

    

   

  (图:结构示意图) 

    

  是时候好好地回顾一下卡西尼-惠更斯任务的伟大一生了。 

    

  生与死 

  可能已经很少有人记得,卡西尼号这一人类太空探索事业的标志性任务,居然是在一片抗议的喧闹声中发射的。 

  由于从地球直接向土星发射探测器太过遥远,卡西尼-惠更斯任务采用了“VVEJGA”的轨道设计,也即先后两次经过金星、分别一次经过地球和木星的重力助推(“引力弹弓”的正式名称),最终抵达土星。 

  由于其中包含一次地球飞越,一些杞人忧天的美国民众担心,卡西尼号携带的三颗为其供电的放射性同位素热电发生机(RTG)中含有的72磅(约合33千克)放射性金属钚,有可能在卡西尼号意外坠回地球的事件中污染地球大气、威胁全体人类的生存。 

    

   

  (图:重力助推) 

    

  虽然卡西尼-惠更斯的地球飞越轨道采用“失效安全”设计,即使失败也不会坠向地球;虽然卡西尼号携带的钚并非更具威胁的武器级钚,以冥神Pluto命名、又被广泛认知与核武器制造相关的钚元素,还是引发一些人大量负面联想。 

  为阻止卡西尼-惠更斯任务的发射,包括一个名为“奶奶要和平”(Grandmothers for Peace)的组织在内的抗议人士,在美国卡纳维拉尔角发射基地外发动了抗议行动;27名违规冲进限制区域的抗议者在1997年任务发射之际被捕。反对人士还筹办了名为“飞越新闻”(FlybyNews)的网站摇旗呐喊。网站把卡西尼飞越地球视为分水岭般的事件,在卡西尼安全通过之后所谓的“后飞越”时代,仍然坚持发声,直到2016年网站还在更新。 

   

  (图:奶奶要和平) 

    

  卡西尼号执行任务的土星附近距离太阳太过遥远,日光强度不足,使它难以通过太阳能电池板发电,使用RTG获取电力是唯一可行的技术选择。反对者的名号和诉求让人不禁想起“台湾主妇联盟”及其“用爱发电”之语。 

  NASA与反对者之间的主要不同在于,前者掌握的知识、信息和技能让其有自信精确控制卡西尼-惠更斯的轨道,避免其坠向地球这样的意外。 

  不过在审慎处置卡西尼号探测器,避免其所载放射性元素、残余燃料等有毒有害危险品污染重要星球方面,NASA并没有丝毫大意。正是由于意识到卡西尼号的燃料几乎用尽后,它将无法有效改变自身轨道,为了避免未来卡西尼号意外坠毁在土卫六、土卫二等拥有孕育生命可能性的土星卫星上,NASA根据其行星保护政策,做出了让卡西尼号在耗尽燃料后,坠入并烧毁在不可能孕育生命的土星大气中的决定。 

    

  凝望土星 

  太阳系几大亮行星“金木水火土”之一的土星,自古为人所知。它的英文名Saturn来自罗马神话中农神之名,这与其以“土”命名的中文名字似有暗合。 

    

  这颗土黄色光泽的行星,直到近代望远镜发明之后,才开始向世人揭示它的神奇魅力。1610年,意大利天文学家伽利略率先将望远镜指向了土星。 

  他发现土星并不止有单一圆面,在其两侧似乎有一对对称的突起。伽利略的望远镜分辨率有限,他在手绘图中将这对突起绘成两个比土星本体稍小的圆圈,并认为这是土星的两颗卫星。1612年,伽利略发现“两颗卫星”不见了;不过没用多久,努尔哈赤建立后金同年的1616年,土星光环再次出现在了伽利略的手绘中,这次他绘制出了一个圆环形状,只是在他的手绘图中,圆环上下两端都被土星遮盖,显示出伽利略当时还是没有搞清光环围绕土星的事实。 

    

   

  (图:伽利略手绘。图注:伽利略手绘土星,上下图分别于16101616年。) 

    

  1659年,荷兰天文学家惠更斯使用成像质量更好的望远镜对土星进行了观测。他正确地解释了土星光环发生变化的原因:光环在空间中指向固定的方向,当它在一个“土星年”(大约30个地球年)中以不同的取向朝向地球时,我们会看到光环由丰盈到消失、往复循2环的过程。 

  惠更斯还发现了土星最大的卫星,现名为土卫六的“泰坦”(Titan)。不到20年后,天文学家卡西尼发现土星的另外4颗卫星,还首度观测到土星光环最显著的特征、现在被称作“卡西尼环缝”的物质稀疏区域。 

   

  (图:角度与环缝。图注:哈勃太空望远镜拍摄的土星,示光环角度随时间的变化。图中明显可见卡西尼环缝。) 

    

  土星光环的本质让几个世纪的天文学家感到困惑。19世纪,美国天文学家基勒指出,土星光环由不连续的很多微粒组成,并非单一连续刚体——这在我们今天看来,是显然的,没有任何物体能承受那么大的剪切力而不碎裂。这在1981-1982年旅行者一号、二号探测器飞越土星之后,变得再明显不过:旅行者号对土星光环所摄得的照片中,我们已经发现了土星光环微粒在引力扰动下所呈现的一些暂现形态,一个动态的、有生命力的土星光环已经呼之欲出。 

    

   

  (图:旅行者号。图注:旅行者号拍摄的土星和变化之中的土星光环F环。) 

    

  土星之春 

    

  两次短暂的飞越不足以解答人们对土星的种种好奇。从80年代末开始,NASA开始计划一次对土星的长时间环绕探测任务,卡西尼号任务计划逐渐浮出水面。经过几年的研发与准备工作,19971015日,一枚泰坦IVB型火箭将卡西尼-惠更斯探测器送入太空。 

  经过几次内太阳系的重力助推操作,20046月,土星北半球的隆冬时节,卡西尼号进入了土星轨道。半年之后,惠更斯号土卫六着陆器与卡西尼号分离,卡西尼号开始了孤独而不寂寞的旅行。它的基本任务长度为4年,在那之后,卡西尼号在土星北半球的春天来临之际,执行了长度为2年的“春分点任务”2010年起,健康状况良好的卡西尼号又踏上了长达7年的“夏至点任务”,这持续到了今年4月。自那之后的5个月,卡西尼号踏上了视死如归的最后旅途——“伟大终章任务”Grand Finale)。 

  卡西尼号任务跨越土星北半球的冬、春、夏三个季节,这样长时间的观测让我们有足够耐心,静静观察土星的阴晴变化。 

  在土星光环的罅隙中,卡西尼号发现了土星光环层次分明的条带结构形成和保持的原因:土卫十六“普罗米修斯”(Prometheus)在暗弱的F环内侧绕土星公转,只有139千米长的这颗小卫星长的像个土豆,所到之处在F环中掀起阵阵波澜,仿佛驱赶羊群的牧羊犬一样驱赶着环中的微粒——这被称作光环中的“牧羊犬卫星”。另一颗大小、形状都差不多的小卫星土卫三十五“达佛尼斯”(Daphnis)占据了另一条赛道:它在明亮的A环外边缘,独自开垦出了一条整洁的小径——基勒环缝。它也时不时用它看似微弱的引力在小径两边卷起一些风浪:“春分点任务”中,卡西尼号借助2009年土星春分日附近太阳侧照光环的宝贵时机,拍下了土卫三十五在基勒环缝两边卷起的、高出光环平面的“浪花”在光环上的影子,让我们得以更直接测量出它的漫步对光环的影响究竟多大。旅行者号只窥得一目的光环变迁瞬间,在卡西尼的眼中终于连成一支支完整的影片。 

    

   

  (图:P&D。图注:上:土卫十六与F环;下:春分附近的土卫三十五与基勒环缝。) 

    

  2011年,在日渐躁动的早春里,土星北半球中纬度地区的一场风暴席卷了几乎所有“时区”。这场风暴起源于被称作“大白斑”的土星气旋,每隔30年,都会在土星的春季卷土重来。在2010年底,土星北半球开始回暖时,它像是一树春夜中整齐盛放的白玉兰,猛然从土黄、混沌的星球表面密密匝匝地铺将开来,才两个月就绵延出几千公里。只是这土星春天的“花香”恐怕不太能被地球人欣赏:卡西尼号在风暴中探测到磷化氢气体的大量增加,这鱼腥味的剧毒气体主宰了土星之春。 

   

  (图:2010风暴。图注:2010年土星北半球风暴的变化过程。) 

    

  1981年,旅行者号飞船飞越时土星时,发现它的北极有一个六边形的奇特风暴,这被认为是不同纬度的气流在不同流速下相互作用形成的一种相对稳定的形态——有趣的是,土星的南半球并没有这样的六边形风暴。 

  随着北半球夏季的到来,土星北极的六边形也披上了绚丽的夏装:2013年,土星北半球清凉的仲春,六边形像是刚刚解冻的池塘,透出蓝绿的色泽;到2017年的初夏时节再看时,它已变成了成熟的紫金色。于此同时,逐渐堕入隆冬的土星南半球则从一片金黄不声不响地过渡成淡淡的蓝灰。 

    

   

  (图:北极六边形。图注:左:2013年的北极六边形。右:2017年的北极六边形。) 

    

  另类地球 

  卡西尼-惠更斯任务最让人激动的成就莫过于对土星卫星系统孕育生命的可能性的揭示。 

  在惠更斯发现土星最大的卫星土卫六之后很长时间,人们都认为,它是太阳系中最大的卫星(后来旅行者号发现它比木卫三略小)。 

  到二战结束前一年,美国人柯依伯通过观测其光谱,发现了土卫六的大气层,并认为其主要成分是甲烷——这在不到40年后,被旅行者号的发现所否定。实际上土卫六的大气像地球大气一样,由氮气主导,只是缺乏氧气;甲烷是第二多的气体,但也只占很小的比例。 

    

   

  (图:大气。图注:土卫六与地球大气成分对比。) 

    

  旅行者号看到的土卫六只是一个被不透明雾霾包裹的橙色圆球,23年后,卡西尼带着惠更斯回来了。卡西尼号的红外相机有能力透视土卫六厚厚的雾霾,惠更斯着陆器则可以直接感受那里的风与土。2004年圣诞节,卡西尼号在飞临土卫六时释放了惠更斯号土卫六着陆器,三周后,惠更斯号才缓缓地降落在了土卫六表面;其中它在降落伞的帮助下,耗时1.4小时从土卫六大气层顶降到地表,在地表又继续工作了1个多小时,这给了它相当充裕的时间来收集土卫六的大气和地表数据。 

   

  (图:惠更斯下降。图注:惠更斯在下降过程中朝向东南西北各方向拍摄的照片。) 

    

  卡西尼-惠更斯任务被普遍认为表现大大超出预期:整合了旅行者号、伽利略号、麦哲伦号等深空任务设计经验教训的它,设计已经足够理想,运行已经足够稳定。 

  但有一个小黑点不得不说:意大利人在建造惠更斯探测器的无线电通信设备时,由于把美国喷气推进动力实验室(JPL)视为竞争者,没有向后者透露信号设备的具体设计方案。缺乏审查之下,卡西尼号与惠更斯号在分离之后巨大的相对速度引起的多普勒效应——让信号的频率更高、周期更短——对通信的影响没有被全面考虑,周期变短引发的效应被遗忘了。 

  这个问题直到发射都没有被纠正,最终不得不通过改变原计划的轨道方案,从根本上降低相对速度、减弱多普勒效应来规避问题。这样做的结果是卡西尼号不得不多绕土星飞一圈,幸好卡西尼号此前的变轨都极其精确,节约出了这次变轨所需的燃料。 

   

  (图:意大利) 

    

  卡西尼-惠更斯眼中的土卫六像极了地球:我们看到山川湖海、风云雨霾,但又极不同:这颗比水星还要大的星球的密度介于水和岩石之间,显示出它有大约一半的质量都是水冰,这颗星球的岩石被厚厚的水冰包裹着。在土卫六表面零下180摄氏度的低温下,水冰坚如磐石——那些深深浅浅的山川,居然都是冰山。 

  而地球上呈气态的甲烷等气体,在这样的温度下已经液化——那些肆恣的汪洋,居然都是“液化天然气”。缺乏氧气的土卫六表面,很多我们熟悉的化学反应不见了,取而代之的是以氮气和甲烷,也即氮、碳、氢元素为基础的化学反应网络——卡西尼和惠更斯都在其中嗅到了不少有机物的存在,它们是构成生命的基础材料。这让人想起原始的地球。 

    

   

  (图:泰坦湖。图注:土卫六上反光的湖泊。) 

    

  关于土卫六孕育生命的可能有若干种假说:有人说,土卫六表面在遭受陨石撞击之后,表面冰层可以短暂融化,成为液态水湖泊。湖泊表面封冻后,内部可以在几百年内维持液态,这期间液态水有机会和土卫六已经存在的大量有机物发生反应,产生更多孕育生命的基础物质。有人说,在土卫六厚厚的冰山下方,有一个全球性的液态水层,那里有更长的时间,可供生命起源、发展。还有人设想,甲烷可以替代水在地球生命化学网络中的中心作用,在土卫六表面可能发展出以甲烷为基础的生命。 

   

  (图:泰坦。) 

    

  咸……咸的! 

  如果说土卫六让人们期待已久,土卫二则纯粹是一个惊喜。 

  卡西尼还未到土星,便已迫不及待的伸展出它长达11米的磁力计巨臂。在磁力计的耳中,土星周围绝不是目测的那样宁静,反而似有山呼海啸。 

  2005年初一次飞经土卫二的途中,在其他仪器未觉异常之时,磁力计却已感到一丝不对劲:这有东西!卡西尼赶忙回头一看,在逆向阳光的方向,它看到了了不得的景象:土卫二的南极,几簇喷泉正在喷薄而出! 

    

   

  (图:喷泉。图注:正在穿越土卫二喷泉的卡西尼号,想象图。) 

    

  不久之后,卡西尼一个回马枪杀了回来,这次,它像戏水的孩子,横穿喷泉而过。在那里,漫天飘舞的冰晶在阳光下闪烁着,像是舞台上飘洒的银箔。卡西尼咂咂嘴,念到:“咸……咸的!” 

  是的,土卫二的南极那些冰隙中喷涌而出的,是它广袤冰下海洋的海水。土卫二的大小只有四川盆地那么大,但它形成初期的内部余热尚未如人们所臆测的丧失殆尽,而是仍在给那里的冰海以温存。 

  土卫二的喷泉,不止给自己披上了银白的衣装,使其成为太阳系内反射率最高的天体,也不止贡献了土星光环中E环的物质,更是其温暖、甚至可能生机勃勃的冰下海洋的自豪招牌。 

    

   

  (图:土卫二) 

    

  土卫二冰下海的发现,让冰下海成为行星科学中的显学。我们惊讶地意识到,只靠地表温度来划定的所谓“宜居带”可能误导了我们对生命存在的普遍性的预期。在那些远离太阳的地方,在那些气态巨行星冰封的卫星内部,仍然可能存在一个个生命的绿洲。 

  土卫二、土卫六、木卫二、海卫一甚至冥王星……太阳系中被认为具有冰下海洋的星球已经有多达8颗,它们将是我们本世纪太阳系探索宏途上的一个个里程碑。 

    

  伟大终章 

  天下没有不散的筵席。携带3.3吨推进剂的卡西尼号,屡次借助土卫六等卫星的引力变轨,以极其精俭的燃料使用方式服役长达13年之久——“长寿”是卡西尼任务最为自豪的标签。然而其实从2016年起,“低油量预警灯”就已经开始闪烁了。 

   

  (图:轨道。图注:卡西尼号走过的所有轨道示意图。) 

    

  如果我们失去对卡西尼号的控制,它将可能在自由的漂流中栽倒在土卫二的冰层上。它携带的3RTG仍在源源不断的释放热量,卡西尼号可能融穿冰层,坠入可能孕育生命的冰下海洋。它残存的燃料、RTG中包含的放射性元素,尤其是可能借卡西尼号偷渡土星系统的地球微生物,都可能对那里的生态环境造成不可挽回的损害。 

  是时候说再见了。 

  20174月开始,卡西尼号转入“伟大终章任务”。911日,它最后一次借助土卫六的引力,调整到可以俯冲到土星光环与土星之间、非常贴近土星高层大气的轨道。在这条每6天半一个轮回的轨道上,卡西尼走了22圈——它将近300次环绕土星的最后22圈。 

   

  (图:最后一图。图注:卡西尼回传的最后一幅照片。) 

    

  在这条轨道上,卡西尼号有机会通过感受土星光环的微弱引力对它轨道的影响,测量土星光环物质的质量分布,进而为判断土星光环的起源和年龄提供依据。 

  914日,卡西尼迎来了它生命的最后24个小时。它开启了最后一次数据下行——以往,它会先尽可能多地收集数据,再利用主天线指向地球的机会集中回传;这一次,它不再有更多机会,它只得始终将天线指向地球,一边收集、一边回传。 

  915日,卡西尼的最后时刻是通过美国深空网(DSN)位于澳大利亚堪培拉的70米天线记录的。在中国,土星正闪耀在正南方的星空上。 

   

  (图:最后时刻。图注:卡西尼的最后时刻,姿态推进器火力全开。) 

    

  北京时间19:53,卡西尼号进入土星大气。 

  北京时间19:54,卡西尼号的姿态调节推进器火力全开,勉力维持着天线指向地球的姿态。 

  北京时间19:55,卡西尼号信号不断减弱,在几次短暂中断又顽强恢复之后,显示信号的屏幕上终于归为一条寂静的直线。 

   

  (图:冰纱。) 

    

  你一生的故事 

  卡西尼号的项目首席科学家琳达·施皮尔克(Linda Spilker1992年博士毕业。她参与过旅行者号的科学工作,从80年代末卡西尼号概念形成阶段就参与到卡西尼任务中,至今已经为卡西尼任务工作将近30年。卡西尼号从诞生到离去,琳达渡过了自己作为科学家的大半职业生涯,她自己的女儿也已从孩童长大成人。 

  带着母亲的心思,琳达把卡西尼号视为一个女孩,自己的另一个女儿。她和数百位团队成员一道,三十年来悉心照看卡西尼号,帮助它渡过经费困难的孕育期,看着它在行星间欢脱的穿梭奔跑,在她遇到阻碍时随时伸出援手,在她开拓新世界时随时分享她的喜悦。 

    

  土星的北半球冬去春来,春来夏至。卡西尼号探测器,卡西尼任务的每一个参加者,与土星的风云一道,从青涩而成熟,从成熟而伟大。 

  卡西尼号,R.I.P.——写在一次有祝贺却没有欢呼的NASA直播结束之际。 

    

   

  (图:纱世界) 

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