别了，“卡西尼”

张唯诚

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——“卡西尼”号土星探测器20年的传奇之旅即将落下帷幕，它将穿越土星云层，最终被土星巨大的引力所控制，坠入土星厚重的大气层中。在这告别的时刻，让我们回顾一下“卡西尼”号这一功勋卓著的土星探险家取得的一些发现。

“卡西尼”号的征程

“卡西尼”号土星探测计划是美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局和意大利航天局的一个合作项目，探测器以17世纪天文学家卡西尼的名字命名。卡西尼是意大利人，后加入法国籍，成为一名天文学教授，还当上巴黎天文台的台长。他用望远镜研究火星、土星和木星，有很多了不起的发现。1675年，卡西尼发现土星光环中有一条空阔的地带，这就是“卡西尼缝”，位于土星的A环和B环之间。

1990年开始研制的“卡西尼”号重达5吨，载有十几种探测仪器，包括各类照相机，可见光、红外光、紫外光光谱分析仪，离子和中性粒子质谱仪，雷达，各种磁场测量仪以及宇宙尘埃分析仪等。1997年10月15日，这艘前所未有的土星探测器带着人们无限的期待踏上了飞往土星的漫长旅程。

“卡西尼”号燃料有限，它需要不断地借助星球的引力获得推力。1998年4月，“卡西尼”号掠过金星，随后绕太阳公转一周，于次年6月再次飞掠金星。8月，它飞过地球附近，再次借助行星的引力获得加速。2000年12月，“卡西尼”号飞掠木星，获得最后一次加速后飞往土星。

“卡西尼”号2004年抵达土星，这时它的行程已超过32亿千米。此后，“卡西尼”号便在土星系统中来回穿梭。它穿越土星环，研究土星环的形态和物质组成;它从土星的一颗卫星飞往另一颗卫星，研究土卫的结构和大气。在长达十几年的时间里，“卡西尼”号为人类提供了大量有关土星的知识，人类因此获得了一次对土星系认识的巨大进步。

奇妙的土星环

在土星系统中，土星环是人们最感兴趣的探测目标，被认为是研究星环现象的最佳标本。土星环最早是由荷兰天文学家惠更斯发现的。其实，伽利略在此之前便用望远镜看到了它，但并没有意识到他看到的是一个星环，所以导致这个发现延迟了半个世纪。

人们对土星环的起源非常好奇，有人认为土星环曾经是土星的一颗卫星，后因轨道离土星太近而被土星的潮汐力撕裂，从而形成了光环;还有人认为，土星环是土星形成之初原始星云的一部分。这两种观点都有一定道理。为了弄清土星环的起源，“卡西尼”号用搭载的紫外光谱仪仔细研究了土星环中的颗粒，结果显示土星环很古老，所以可能是由一部分原始星云形成的，诞生于和土星形成大致相同的时期。

土星环的结构极为复杂，主环根据离土星从近到远的顺序分别被命名为D、C、B、A、F、G和E，然而事实上，土星环可以说多得数不胜数。“卡西尼”号的探测使人类对土星环有了更多的了解，对它的结构也有了更新的认识。

在探测土星环的过程中，“卡西尼”号发现了土星环和土星的卫星相互影响、相互作用的现象。2007年，“卡西尼”号发现，G环的内侧有一道明亮的弧状结构，它由直径数十米的岩石组成，正是这些岩石被不断碰撞后分解成了G环的一部分。原来，G环内曾经存在过一颗卫星，它后来解体了，演化成了环。

“卡西尼”号还在F环中发现了穿行于其中的小卫星，而且，这个环还受到土卫十六和土卫十七的影响，它们分别位于F环的内侧和外侧。土卫十六还沿着一个椭圆的轨道穿行于F环，每次穿行都会在F环上拖出一道沟，由此产生的引力使F环弯曲和拉伸，从而扭结成一个螺旋的形状。

土卫二也是一颗影响着土星环的卫星，从它的裂缝中喷出的冰晶物质多数落到了土卫二的表面，但有些落到了邻近的几颗卫星上，另外一些则飘到了土星的外侧，这种冰晶物质构成了土星的E环。在所有土星环中，E环最长，周长足有200万千米。从“卡西尼”号拍摄的照片可以看到，土卫二就运行于这个最外层的E环中。

土星与土星环

原始地球的样本

在人类的探测器到达土星之前，人们只发现十来颗土星卫星，而且即使对于这些早期发现的土卫，人们的了解也十分有限。

在土星系统中，人们最感兴趣的卫星是土卫六。土卫六又名泰坦，是土星最大的卫星。1655年3月25日，惠更斯用望远镜发现了它。1944年，另一位荷兰天文学家杰拉德·柯伊伯发现土卫六上拥有大气，这一发现激起了人们对土卫六特别的兴趣，因为这意味着土卫六可能在很多方面与地球相像。20世纪70年代，“旅行者”1号接近土卫六，它发回的图片证明土卫六确实是一颗拥有浓密大氣的星球。

为了探索土卫六，“卡西尼”号携带了一个以惠更斯命名的子探测器。“惠更斯”号探测器于2004年12月25日脱离“卡西尼”号飞向土卫六。一年以后，它在土卫六的表面成功着陆。从“惠更斯”号发回的图片上看，土卫六拥有云层、雾团和河道，似乎非常潮湿。原来，土卫六上有“水”，这种“水”和地球上的水不一样，其实是甲烷。甲烷在地球环境中是气体，在土卫六上却是像水一样流动的液体，原因就在于这颗星球非常寒冷，表面温度低达-180℃。

除了让“惠更斯”号着陆土卫六外，运行于土星轨道上的“卡西尼”号更是多次飞掠土卫六，对这颗卫星进行了仔细的研究。土卫六上有一些河道，有些河道伸向潮湿的地区，其中一条长达400千米，河道中的液态碳氢化合物一直流进了位于土卫六北极地区的一个名为“丽姬娅”的海中。这个海比北美洲的苏必利尔湖还要大。土卫六上还有其他的海，最大的海是“克拉肯”。土卫六上还有不少湖，它们是一些比海更小的水面。“卡西尼”号发现了十几个这样的湖。

除了“水”以外，土卫六的大气是“卡西尼”号探测的另一个主题。土卫六的大气层比地球厚很多，大气成分主要是氮，外加一些更具活性的化合物和其他气体。“卡西尼”号发现，土卫六的极区翻滚着风暴，有些地方仿佛下过雨。在土卫六上，甲烷雨可能是一种时常发生的天气现象，而且那雨可能比地球上大得多，它们落下后沿着河流一样的水道流进浅湖和海里。endprint

土卫六的大气中有一种浓密的橙色雾霭，是光化学反应的产物。这种光化学反应始于土卫六大气的顶层，在那里，来自阳光的紫外线和宇宙射线引发了甲烷和氮分子之间的化学反应，从而生成了碳氢化合物和氰化物。这些物质在下降的过程中进一步发生化学反应并最终生成了一种被称为“索林斯”的化合物，它是一种大而复杂的有机分子，是有机生物分子的前身。在地球上，早期的生命就是类似的有机分子由简单到复杂进化而来的，所以土卫六的大气组成和化学物质很像远古时期的地球，那里甚至有可能存在某种形式的简单生命。

“卡西尼”号对土卫六的探索向人们展示了一个离奇的世界，这个世界和我们熟悉的地球既有几分相像，又极为不同，人类对太阳系的认识又迈出了新的一步。

冰下海洋

在土星系统中，第二颗引人关注的卫星是土卫二。1789年，英国天文学家威廉·赫歇尔发现了土卫二，他將这颗卫星名命为“恩克拉多斯”。“恩克拉多斯”是古希腊神话中的一个巨人，然而土卫二并不是“巨人”，它的直径只有约500千米，在太阳系的卫星中算不上大块头。

“卡西尼”号对土卫二进行了仔细的研究，它多次近距离飞掠土卫二，照相机拍下了非常清晰的照片。人们看到，土卫二的南极是一个活跃的热点地区，那里的温度比其他地区高一些，有一片“虎纹”状的地形。其上的裂缝正在喷射一些水蒸气和冰屑似的物质，其喷射物的高度超过430千米，和土卫二的直径相差无几。

这个意想不到的发现使土卫二成了“卡西尼”号重要的探测目标。科学家相信，像土卫六一样，土卫二很可能也是太阳系中一个非常有希望存在生命的地方。

土卫二上的喷泉是一种间歇泉，泉中的物质混合着甲烷、丙烷、乙炔和二氧化碳等有机化合物，这些有机分子能演化成更为复杂的化合物，在地球上，它们的结合最终促成了生命的诞生。

土卫二的表面异常寒冷，直径只有月球直径的七分之一，这种既冷又小的天体怎么能喷射如此丰沛的水蒸气和冰晶呢？原来，土卫二在绕土星运行时，由于受到土星引力的影响，它会时而被挤压，时而被拉伸，这种运动产生了热量，热量加热了地下水后形成水蒸气，并把冰屑和其他物质喷射了出来。科学家曾认为土卫二内部的地下海并不大，只限于南极地区。然而2015年9月，NASA公布了“卡西尼”号获得的数据，显示土卫二的地下海洋比人们预计的大得多，很可能是一个全球性的液态海洋。

那些喷出物的速度非常高，甚至超过了音速，达到2100千米每小时。“卡西尼”号还在“间歇泉”中发现了钠盐的痕迹，这意味着土卫二的地下水体可能含有盐。

“卡西尼”号上的尘埃探测器收集了很多由土卫二间歇泉喷出的隐藏在冰晶中的尘埃颗粒。研究显示，那种类型的颗粒只能形成于温度非常高的环境里，例如地球海底深处的热液喷口附近。在地球上，那些热液喷口将地下的热水喷出来，很多生物，例如蠕虫、螺、蛤蚌等动物都可以生活在那样的地方。热液喷口还喷出硫化氢、氢和甲烷等气体，它们会成为细菌很好的食物。在研究了大量尘埃后，科学家初步认定，和地球上的情形一样，土卫二的海底深处可能也拥有热液喷口，加之土卫二地下水体的酸性不大，含盐度可能类同地球上的海水，所以在土卫二的地下海洋里存在生命的可能性不小。

土星有很多卫星。这幅由“卡西尼”拍摄的照片显示了土星的5颗卫星，还有土星的F环

土卫二间歇泉喷出的冰晶物质多数落到了土卫二的表面，但有些落到了邻近的土卫一、土卫三、土卫四和土卫五上，另外一些则一直飘到土星的外侧，它们形成了土星的E环。事实上，土卫二不仅创造了土星环最外层的E环，它还对整个土星系统施加着影响。比如，土星的极光就是土卫二喷射物造就的。

2016年年底，“卡西尼”号最后一次飞掠土卫二。土卫二假若拥有生命，它们很可能只是一些微生物，但假若那里有热液喷口，那么生命就可能是多细胞的生物体，例如蠕虫和贝壳类动物等。所以，对土卫二的探索还将继续下去，人们需要发射另外的探测器去土卫二进行下一阶段的研究。

卫星与风暴

除了对土卫六和土卫二进行重点探测外，“卡西尼”号对土星的其他卫星也很感兴趣，它还探测了土星的大气、两极和尘埃。

“卡西尼”号在接近土星的路途上探测了距离土星很远的土卫九。土卫九由冰、岩石和含碳化合物组成，其物质成分与远离太阳的冥王星和海卫一非常相似。土卫九的公转轨道面与其他土卫不在一个轨道平面上，而且它的公转是逆向的，即公转方向与土星的自转方向相反。人们推测，倾斜的轨道、与土星遥远的距离和逆行，表明土卫九起先可能并非属于土星，而是和其他众多的天体一样，诞生于太阳系的边缘，后来离开那里来到了土星身边，成了土星的一颗卫星。

2005年9月，“卡西尼”号飞越土卫七，在距土卫七不到500千米的地方拍下了土卫七清晰的照片。照片上的土卫七像一团巨大的海绵，又像一堆聚集在一起的乱石，让人怀疑它是否是被其他天体遗弃的残骸。土卫七的自转十分混乱。“卡西尼”号在土卫七上发现了碳氢化合物，包括水冰和干冰。

“卡西尼”号也用飞掠的方式研究了土卫八。土卫八的一面黑如沥青，另一面亮如白雪。从它被发现至今的大约350年来，人们一直没有找到能解释这种现象的答案。现在人们才确定，原来明亮来自于水冰，而黑暗则是一种黑色物质造成的，这种物质来自土卫八的邻居土卫九，它运行在土卫八的外侧，由于和其他天体发生过碰撞，土卫九抛出了大量尘埃，它们降落在了土卫八上，把土卫八的一半染黑了。

土卫五直径1500千米，是土星系统中的第二大卫星，“卡西尼”号自然也对它进行了研究。土卫五由冰和岩石组成。它的自转和公转是同步的，朝内的一面总是对着土星，朝外的一面承受了频繁的陨石撞击。2014年，“卡西尼”号在土卫五上发现了稀薄的大气，其中氧气的含量占70%，其余为二氧化碳。这层大气虽然很稀薄，但科学家依然很兴奋，因为卫星大气中含有氧的情况并不多，此前人们仅在木卫二和木卫三的大气中发现过气态氧。

2016年初，“卡西尼”号的土星探测进入到了最后阶段，它开始离开土星环进入一个和赤道面相倾斜的土星轨道。2016年年底，“卡西尼”号飞掠了土星的南北极并接近了土星的F环。此后“卡西尼”号就在这条轨道上运行并继续研究土星的光环，直到它坠入土星。在“卡西尼”号结束任务时，它还要研究土星的大气，此前，“卡西尼”号观测了土星南极上空的超级风暴和北极巨大的气旋，这个气旋是一个呈六边形的风暴，在整个太阳系中是独一无二的。

从发射升空到结束任务，“卡西尼”号一直在辛勤地工作。20年来，人类不断地收到它发回的消息，人类对太阳系和整个行星世界的认识也在这个过程中不断地加深。“卡西尼”是功勋卓著的“土星专家”和勇敢无畏的“土星探险家”，它的土星探险在人类探索宇宙奥秘的科学史册上书写了浓重的一笔。

【责任编辑】庞 云endprint