遇见，土星“卡西尼”的土星新发现

2014-10-09张博

天文爱好者 2014年3期

作为第一架专门用于研究土星的行星探测器，卡西尼号于2004年夏进入了环绕土星的轨道，并开始进行为期4年的预定探测计划。2008年，在预定计划完成之际，美国宇航局（NASA）又宣布将探测活动延长27个月，即卡西尼春分任务（Equinox Mission），其中包括60次土星飞掠、21次近距离土卫六飞掠以及若干次其他大型土卫的飞掠；随后在2010年卡西尼号的工作时间又再度被延长，开展夏至任务（Solstice Mission），要再度飞掠土星155次，飞掠土卫六54次。

在 2004年卡西尼号抵达土星之时，土星北半球刚刚度过冬至日；在春分任务期间正逢北半球的春分；而如果不出意外，探测器将于2017年北半球夏至过后受控坠入土星大气，结束持续十余年的探索使命。延长任务的重点是监测土星大气的季节性活动，与最初的4年任务一道，将揭示出太阳系第二大行星在半个轨道周期内的风云变幻，这可以算得上是空前的壮举。在2008年开始从事扩展任务之后，卡西尼号又作出了一系列重要的发现，我们将对此逐一梳理。

卡西尼号在2012年12月拍摄的土星北极，上图覆盖了从近红外到近紫外的波段。如果只在可见光波段拍摄，这里的颜色应该是黄中带蓝的。（图片提供：NASAJPL-CaltechSSIHampton University）

怪异的六边形云带

从外观上看，土星最显著的特征就是色彩柔和的条带了。绝大多数条带虽然伴有起伏，但大致的形态当然是环形。为什么说是绝大多数？因为凡事皆有例外，比如土星的北极。

不用怀疑，右图不是人工绘制的图像，也不是数据处理误差或特殊投影方式导致的扭曲变形，这就是土星北极的真实景观。这道怪异的六边形云带最早是旅行者号探测器在上世纪80年代初发现的，其边长将近14000千米，比地球要大得多。随后地面望远镜的观测也证实了这一点。这一结构没有在任何其他星球上发现过，它的成因以及维系机制就此也就成了一个谜。不过由于旅行者号以及地面拍摄的图像普遍视角不佳，只能斜瞥极区，无法揭示六边形云带的整体，因此难以系统地对其进行研究。

卡西尼号最早在2006年10月底11月初拍摄了六边形云带的全貌。当时阳光并没有全部照亮星球北极，因此第一批照片是在红外波段拍摄的，展现了云带的热辐射。这里红外亮度较高，说明雾霾量相对较少，雾霾层之下75千米左右的云团可以从中显露出来。在10余天的观测中，六边形形态相对经度基本保持不变，且自转周期与土星内部的射电信号变化周期相同，说明它可能是由环绕土星北极且深入行星内部的持久波动维持的。

2009年，卡西尼号第一次在可见光波段拍下了全部被日光照亮的土星北极；随后又在北极再一次被照亮的2012年底到2013年中期拍下了这里从紫外到红外波段的一系列影像。可见光下的云带中夹杂着大量的湍流，波纹不断地从六边形的角落中涌现出来，带中还存在不少旋转方向与云带中的风力相反的小型旋涡。射流带中的风速相当快，时速超过300千米，中心（对应土星北极附近）还存在龙卷风。射流带内外的大气成分也有差异：其内侧较大的雾霾颗粒较少，小型颗粒偏多，而外侧情况相反，射流带本身似乎形成了一道屏障，阻碍了内外侧的物质交换，这颇类似于地球上南极臭氧洞的情况，只是后者周围射流的形态并非六边形。在迎接2017年土星北半球夏至的过程中，星球北极区域的日照条件会愈发好转，因此人们对这一奇异现象的研究会继续下去，毕竟对于土星这样一颗气体巨行星，我们有待认识的问题还有很多。

土星的北极。（图片提供：Cassini Imaging Team, SSI, JPL, ESA, NASA）

光环新探

土星的光环向来都是太阳系中独特的风景。在最初的几年里，卡西尼号已经发现过若干新的土星环弧，确认了光环上的辐条结构，在光环中找到了密度波引发的现象，并发现了一类螺旋桨状环缝结构。进入延展任务后，探测器继续研究着明亮的土星环，发现了环系先前不为人知的一面。

比如对螺旋桨结构的跟踪观测表明，它们的塑造者是尺度介于常规土卫与光环颗粒之间的小卫星，这些小卫星体积过小，难以清空整个轨道进而形成完整的环缝，只能在其附近扫出局部的间隙。这样的结构典型长度是数千千米，宽数千米，多半集中在从恩克缝到A环外边缘的范围内，现在已经发现了百余个，其中最为明显的那些以航空先驱命名。名为布莱里奥（Blériot）的那个更是被观测过上百次，它的运动有些难以预料，经常提前或错后，这可能是由于小卫星受土星本身、大型土卫或者光环颗粒等多方面影响所导致。螺旋桨结构的发现最重要的意义并非增加土卫的数量（实际上其中的小卫星体积过小，连卡西尼号都不能清晰地辨认出来，因此小卫星本身没有被正式定名），而是第一次追踪了埋藏在天体盘中的单个小天体轨迹，为天体演化的研究提供了重要的线索。另外这些较普通光环粒子更大的小卫星说明，土星光环更有可能是大型卫星瓦解的产物，而非原初行星形成时残留的碎片。

土星F环中扇形结构，说明其中存在较大的天体。（图片提供：NASA/JPL/SSI）

土星A环中的布莱里奥螺旋桨结构。（图片提供：NASA/JPL/Space Science Institute）

又一个为天体演化提供线索的新发现是F环中的大型冰雪团块。在较大土卫引力的影响下，土星光环中的颗粒会相互碰撞并形成较大的物质团。F环自从1979年被先驱者11号发现以来，一直在持续变动着。这道光环的牧羊犬卫星土卫十六和土卫十七（尤其是较为靠近土星的土卫十六）是搅动F环的元凶。卡西尼号在环中新发现的团块已经具有了足够的体积和质量，足以开始自引力收缩过程了。如果这一过程可以继续下去，未来它有可能形成直径大至20千米的新卫星。

而如果逆光看去，土星的光环又是别有一番趣味。此时平日里明亮的A、B环因为其中物质颗粒密度较大，遮挡阳光较多而显得较暗；稀薄的E、F和G环以及最内层的D环反而看上去更为明亮；C环也因为成分以水冰为主较为透明而显得较亮。此时提高图像对比度后，还可以研究E环等稀薄光环的结构。如果在红外波段观测，还能展示土星及其环系的热辐射。

逆太阳光拍摄的土星光环。（图片提供：NASA/JPL/Space Science Institute）

超链接：土星的环系

令人惊艳的土星环，始于离土星表面6500千米处，主要由小到一微米、大到和一间房子不相上下的水冰颗粒组成。土星环不仅一直在运动，而且内部其实也称得上变化多端，它的宽度几乎和地-月距离（386000千米）相当。三个主要的环根据发现顺序以字母命名：外侧的A环（宽14480千米）、B环（宽25750千米）和C环（宽16700千米）。随着更多更暗的环系的发现，字母顺序也被打乱了，目前从内到外分为：D、C、B、A、F、G、E环。

土星环之所以能聚而不散，“牧羊卫星”的引力束缚功不可没。当环的两边各有一颗卫星时，环可以被束缚在一片窄小的区域内，这两颗卫星称为“牧羊卫星”，如果没有牧羊卫星，环物质会扩散开去。外侧的A环有两个缝隙，称为“恩克缝”（Encke）和“基勒缝”（Keeler），这里的物质可能已经被两个小卫星（Pan和Daphnis）拽了出去。A、B环之间是著名的“卡西尼环缝”，宽4800千米。不过这儿并非空无一物，而是遍布着黯淡的“脏冰粒”。A环之外、宽广而稀薄的E环中，有几个冰卫星，包括Mimas、Tethys、Dione，还有最后一颗卫星——Enceladus（500千米），它的表面看上去也是沟壑纵横，从它的南极间歇性地喷发出冰物质，飘散到了暗淡的E环中去。

巨型土星风暴

既然说是大气活动，就不能不提2010年12月土星上出现的那次巨型风暴。卡西尼号有幸成为第一架目睹此等规模土星风暴的轨道探测器，同时还第一次在红外波段研究了这种现象。巨型风暴本身的规模和活跃时间已经足以让研究者惊讶了，不过这次事件更为重要的意义在于是第一次探测到了土星上的水分。

由于土星大气的温度随高度减低，而不同的物质凝结成云的温度不同，因此土星上的云是分层的。根据经典的土星大气理论，最外一层云主要由氨冰组成，之下是硫氢化铵，最下方成分应该以水为主。在这3层云层之上是不透明的对流层雾霾，几乎遮掩了一切。

土星上的巨型风暴就好像是地球上的对流风暴，将低层大气中的成分搅起，形成高耸的雷暴云。当然，土星风暴的速度和规模都远胜于地球，其时速可以达到每小时数百千米，覆盖区域也是地球风暴的十几乃至二十几倍。在巨型风暴期间，规则的土星云层被打乱，深至150千米的低层水云就由此显现了出来。

这样的巨型风暴每个土星年（约合29.5个地球年）都会出现一次，通常发生在北半球，由于其携带着高层云团中的氨冰而呈白色，故又名“大白斑”。实际上只有如此庞大的风暴才有能力搅起低层云团，而之前的类似事件期间都没有进行过深空探测器的实地红外观测，这也是水分直到现在才被发现的原因。与土星上普通的风暴乍看之下难见真身不同，巨型风暴相当明显，甚至在地球上只要使用业余望远镜就可以看到。这次巨型风暴的前兆最早是卡西尼号的射电与等离子波仪器（Radio and Plasma Wave Science instrument）发现的，随后科学成像仪（Imaging Science Subsystem）也拍下了风暴区的照片。白色的云团在土星北纬30度左右一路扩散，最后延伸了将近30万千米，蔚为壮观。而探测器搭载的可见光与红外测绘光谱仪（Visible and Infrared Mapping Spectrometer）在翌年采集的数据表明，这场巨型风暴拥有3种主要成分，包括水分、氨以及疑似硫氢化铵的第三种成分，与土星大气云层的模型相符。

这场巨型风暴还创下了太阳系之最：它是太阳系行星同温层中温度最高、规模最庞大的气旋，初始尺度甚至比著名的木星大红斑还要大，伴随风暴而来的放电事件让风暴区域的温度比周边大气高上83开尔文。风暴期间的乙烯释放量也高得惊人，比先前理论认为的还要高上100倍。这些都说明了土星这样一颗看似平淡的星球的活跃性，也提供了土星风暴活动的新线索。

土卫家族的风景

土卫六北极地区的湖泊。（图片提供：NASA/JPL-Caltech/ SSI/JHUAPL/Univ. of Arizona）

土卫十二的高清晰度图像。（图片提供：NASA/JPL/SSI）

在卡西尼号延展任务期间，土星的卫星仍然是重点研究对象，尤以土卫六为最。卡西尼号还为土卫六的湖泊提供了新知。土卫六上大型湖泊中充填的是液态烃类物质，主要分布在北极地区，直到最近才有清晰图像问世。这些照片表明，这一带的地表确实有独特之处，湖泊周围分布有近红外辐射较强的物质。它们可能是坍塌的火山，也可能是喀斯特地貌。

除了大量的新照片，更为有趣的是，卡西尼号在土卫六低层大气中发现了少量的丙烯。丙烯是生产聚丙烯塑料的原料，如今已经融入了每个人的日常生活中，这是该成分第一次在地球以外被发现。在1980年旅行者1号飞掠土卫六期间，人们第一次在其大气中发现了烃类，它们起源于在阳光照射下瓦解的甲烷气体。破碎的甲烷分子可以彼此相连，形成短链。旅行者号的数据显示了丙炔和丙烷的存在，而分子量介于这二者之间的丙烯则由于谱线弱且易混，直到最近才浮出水面。

除了土卫六，卡西尼号值得一提的其他工作还包括为土卫十二等卫星拍摄了迄今最为清晰的图像，发现了来自土卫四的弱粒子流进而暗示该卫星的活跃性，还绘制了一系列土卫的高清晰度地图等。相信随着探测的进行，人们对土星庞大卫星家族的认识必将更加深入。

卡西尼号探测器在2011年拍摄的土星巨型风暴可见光（左）与红外（右）照片。（图片提供：NASA/JPL-Caltech/SSI/Univ. of Arizona/Univ. of Wisconsin）

在土星之外

卡西尼号偶尔也会将目光瞄准土星之外的其他星球。2012年12月21日，土星上迎来了金星凌日事件，持续将近10小时。这类罕见天象在当代的意义在于，它可以提供类地行星凌星的光变曲线模板，帮助人们发现并研究太阳系以外的行星系统。在2004年以及2012年两次地球上可见的金星凌日期间，天文学家都测量了太阳亮度的变化，以此作为搜索行星的参考。

在土星上的金星凌日期间，卡西尼号利用可见光与红外测绘光谱仪记录了阳光的变化情况。获取尽可能多的凌日事件光变曲线可以更好地分析太阳黑子与行星对太阳亮度影响的异同，从而在搜索系外行星时尽量排除星斑的干扰，提高精度。除金星凌日以外，卡西尼号还观测过系外行星HD 189733 b的凌星事件。

2013年7月19日，卡西尼号恰好对准地球。NASA利用这一机会从土星轨道上为9亿千米之外的地球拍摄了肖像。这次算是该机构第一次提前向公众宣布从行星际拍摄地球照片的活动，卡西尼成像组组长卡罗琳·波尔科（Carolyn Porco）还建议全人类在当天对着天空挥手微笑，以昭示地球这个暗淡蓝点上的生命。当然，在最后的照片中，地球只是一个不起眼的光点，不特别说明的话谁也不知道它究竟是小型土卫还是土星系统之外的又一颗行星。与多年前旅行者号从太阳系外围拍摄的那张太阳系合影一样，这张照片说明了地球在太阳系中是多么的渺小。