窥探土星

方玄昌　张　双

“卡西尼号”穿越土星光环。

在接下来4年中，太阳系中最美丽、最神秘的这颗行星的面纱将被“卡西尼号”探测器逐步揭开

经过近7年的长途跋涉，在太空飞行35亿公里后，土星探测飞船“卡西尼号”于北京时间7月1日12时12分，按照预定计划成功飞入土星轨道。

“卡西尼-惠更斯”土星探索计划耗资33亿美元，由美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局联合实施。在进入轨道后短短几天，它已经向地球发回一系列有关土星的极具价值的信息。在此后长达4年的绕土星飞行中，“卡西尼号”将对土星大气、光环和卫星进行系统研究。

煞费苦心的飞行路线

据北京天文台研究员李竞介绍，“卡西尼号”要考察的信息量极其庞大，单是要拍摄的图片就不少于50万幅。这就使得它携带的仪器设备五花八门，有将近30种仪器，使得重量空前，达到6吨左右(有5.7吨、6.4吨、6.2吨等不同数字)。它是人类有史以来建造并已经发射的最复杂的太空探测器。

这个数字决定了一个事实：如果正常地用火箭发射并使它的速度达到现在这么大(7年飞到土星)，使用的燃料决不能少于70吨，则这件事情变成一个不可能——至今没有那么大的火箭。这就逼迫它走另外一条路线——借行星的引力加快速度。

“卡西尼号”1997年发射，以略高于11.2公里(第二宇宙速度)的速度摆脱地球引力。但发射时却没有对准远离太阳的土星轨道，而是“南辕北辙”，向地球公转轨道的内侧飞去。发射方向和地球公转方向一致，相当于地球给了它一个加速。1998年4月，它在距金星284公里处飞掠，在金星重力场借力获得加速。之后它绕太阳一圈，于1999年6月在距金星600公里处再次飞掠，获得金星的第二次加速。同年8月，“卡西尼号”在距地球1171公里处飞掠，被地球再次加速。

第二次离开地球后，“卡西尼号”才飞往太阳系的外层行星轨道。2000年12月，它在距木星约1千万公里处飞掠，获得了木星的加速。这样，它的速度超过了每秒30公里——这是导致恐龙灭绝的那个撞击地球的小天体的飞行速度，远远高于任何炮弹、子弹的速度。最后，它才向真正目的地土星飞去。

“仅仅7年时间，‘卡西尼号就得以飞到土星。这么复杂的加速、飞行路线，就决定在发射的一瞬间，发射的方向和力量都要计算得准确无误。这真是科学的成功。”李竞在接受本刊记者采访时不由得发出感慨。李竞在当年“卡西尼号”发射升空时，曾经应《科技日报》之邀写作《“卡西尼号”空间探测器为何飞赴土星？》一文。

核能供电遭遇尴尬

“卡西尼号”要工作4年，携带将近30种仪器，仪器需要的电能从哪里来呢？

往常飞行器上的仪器都配置太阳能电池，但土星离太阳的距离10倍于日地距离。离太阳越远，需要的太阳能板越大，在那么远的地方靠太阳充电，也成为不可能。而火箭上携带的固体燃料又不能用在仪器上，所有科学试验都得另找能源。

最后，科学家利用的是惟一可行的一种能源——放射性核能，供电设备叫做“放射性热电发生器”。放射线能累积成为热能，热能转变成电能。

但带有放射性元素的电池却是环保大忌。“卡西尼号”的发射因此而引起全球环保组织的抗议。欧洲绿色环保组织集体抗议，理由是“卡西尼号”将再次经过地球上空不高的地方，万一出现意外撞击地球，砸到纽约怎么办？

热电发生器是有大争议的，但如果没有它，飞船上的计算机就没有能源，不可能有持续四年的考察。热电发生器结构精巧，提供电能又比较可靠，人类目前还没有更好的方法来代替它。于是，“卡西尼号”的发射出现了戏剧场面——科学家最后只好背着抗议者偷偷发射。

复杂之极的任务

“卡西尼号”在今后4年内，将绕土星飞行74圈到76圈，这期间不光盯住土星和它美丽的环，还要考察卫星，考察包括土卫六在内的9颗卫星，每颗不少于一次接近它。

它重要的一项任务是研究土星的大气活动。土星10个多小时自转一周，自转速度快得异常，“块头”又大，结果它的形状变成了扁椭形。土星的赤道半径和极半径之比是10：9，这种比例在太阳系大行星中独一无二。

快速的旋转还导致另一种结果，那就是土星上的大气环流非常激烈。剧烈的大气活动又导致土星上出现大白斑(与木星上的大红斑类似)，大白斑是一个大气旋，直径至少要比地球的大。初步研究认为，大白斑已经有400年历史了，没人知道它为什么持久保留。“卡西尼号”将对大白斑等大气活动进行考察，还要研究土星大气的化学成分，

“卡西尼号”的另一项任务是要研究土星的磁场。土星的磁极极其怪异，其方向和土星南北极方向几乎垂直，这在太阳系中绝无仅有。而且土星磁场强度十倍于地球。“研究土星的磁特征是让人大开眼界的，得说明它是怎么回事，是怎么起源的。还要研究磁极对地球的影响：磁极对着地球时会怎样，不对着地球时又怎样。”李竞说，“卡西尼号”上因此装了很多探测磁的设备。

另外，“卡西尼号”还要间接研究土星的内部结构。内部结构是无法看到的，但长时间观察表面现象可以得到关于内部结构的信息。

“卡西尼号”还有一项引人注目的任务，就是观察环绕土星的多层、多带的环。上个世纪50年代以后，天文学家有一个假说“大体积行星的环结构普遍存在”，这一假说后来被证实。现在证明太阳系四个大行星(木星、土星、天王星和海王星)全有环，环结构的形成和演化变成了一个值得研究的问题。

土星的光环之雄伟其他行星无法可比，又宽又大。对于这个环，人类了解很少，但根据环动力学，它是个年轻的结构，比土星要年轻得多，而且很可能也是短命的。“土星环不是永久存在的，它将怎样演变、将来以什么方式瓦解，都要通过近距离观察来了解，这对研究同类行星的环的形成及演化都具有价值。”李竞说。

“惠更斯”将在土卫六寻找生命

在土星周围，现在真正让科学家和天文爱好者感兴趣的是土卫六，因为这颗卫星的大气环境与地球形成初期十分相像，观测土卫六就相当于观测40亿年前的地球。并且，它是被科学家认为可能存在地外生命的已知少数几颗星球之一。

土卫六是太阳系中惟一拥有浓密大气层的卫星。今年12月25日，“卡西尼”号所携带的“惠更斯”探测器将与“卡西尼号”轨道器分离，经过20多天飞行后，预计于明年1月14日穿过土卫六外围大气层，展开降落伞着陆，对土卫六的大气和表面进行探测。

“希望它能平安着陆，顺利工作半小时，那就能带回相当多信息。最大的谜就是上面有没有、有什么形态的生命形式存在。如果有，那就是破天荒的——现在人们都认为地球生命不是惟一的，但一直没有拿到证据。假如土卫六上存在某种我们不熟悉的生命，那就说明生命的形式更多样化。无论生命在土卫六上存在与否，结果都很重要。可能明年初就会有结果。”李竞说，土卫六表面温度极低(平均约为-178°C)，其冰层下如果存在生命，可能完全不需要氧气，不需要太阳能，生命形态肯定让人大开眼界。土卫六表面有冰的海洋，“先驱者”11号、“旅行者”1号、2号都证明了这一点。

如果“惠更斯”能按计划成功着陆，它将是首个在月球以外的一颗天然卫星上登陆的人造探测器。虽然它可能只是在短短的时间内进行实地考察，但其意义是空前的。

“卡西尼号”的最终归宿

“卡西尼号”将在4年后完成探测任务，之后它将飞往何处？

“‘卡西尼号完成任务后，即使能量没有耗尽，也已经没有足够力量摆脱土星引力。它的最终命运将和木星探测器‘伽利略号一样，科学家会指挥它主动坠毁于土星。”李竞说。“伽利略号”于2003年9月21日主动坠毁于木星，让它主动坠毁的原因是怕它能量耗尽后失去控制，万一撞上木卫二等可能存在生命的卫星，飞行器上可能携带的地球微生物会污染这些卫星，妨碍以后对它们的研究。

现在“卡西尼号”也面临同样的问题。对于这些鞠躬尽瘁的飞行器来说，科学的严谨有时似乎变成了一种地地道道的残忍。