窺探土星

方玄昌　張　雙

“卡西尼號”穿越土星光環。

在接下來4年中，太陽系中最美麗、最神秘的這顆行星的面紗將被“卡西尼號”探測器逐步揭開

經過近7年的長途跋涉，在太空飛行35億公里后，土星探測飛船“卡西尼號”于北京時間7月1日12時12分，按照預定計劃成功飛入土星軌道。

“卡西尼-惠更斯”土星探索計劃耗資33億美元，由美國宇航局、歐洲航天局和意大利航天局聯合實施。在進入軌道后短短幾天，它已經向地球發回一系列有關土星的極具價值的信息。在此后長達4年的繞土星飛行中，“卡西尼號”將對土星大氣、光環和衛星進行系統研究。

煞費苦心的飛行路線

據北京天文臺研究員李競介紹，“卡西尼號”要考察的信息量極其龐大，單是要拍攝的圖片就不少于50萬幅。這就使得它攜帶的儀器設備五花八門，有將近30種儀器，使得重量空前，達到6噸左右(有5.7噸、6.4噸、6.2噸等不同數字)。它是人類有史以來建造并已經發射的最復雜的太空探測器。

這個數字決定了一個事實：如果正常地用火箭發射并使它的速度達到現在這么大(7年飛到土星)，使用的燃料決不能少于70噸，則這件事情變成一個不可能——至今沒有那么大的火箭。這就逼迫它走另外一條路線——借行星的引力加快速度。

“卡西尼號”1997年發射，以略高于11.2公里(第二宇宙速度)的速度擺脫地球引力。但發射時卻沒有對準遠離太陽的土星軌道，而是“南轅北轍”，向地球公轉軌道的內側飛去。發射方向和地球公轉方向一致，相當于地球給了它一個加速。1998年4月，它在距金星284公里處飛掠，在金星重力場借力獲得加速。之后它繞太陽一圈，于1999年6月在距金星600公里處再次飛掠，獲得金星的第二次加速。同年8月，“卡西尼號”在距地球1171公里處飛掠，被地球再次加速。

第二次離開地球后，“卡西尼號”才飛往太陽系的外層行星軌道。2000年12月，它在距木星約1千萬公里處飛掠，獲得了木星的加速。這樣，它的速度超過了每秒30公里——這是導致恐龍滅絕的那個撞擊地球的小天體的飛行速度，遠遠高于任何炮彈、子彈的速度。最后，它才向真正目的地土星飛去。

“僅僅7年時間，‘卡西尼號就得以飛到土星。這么復雜的加速、飛行路線，就決定在發射的一瞬間，發射的方向和力量都要計算得準確無誤。這真是科學的成功。”李競在接受本刊記者采訪時不由得發出感慨。李競在當年“卡西尼號”發射升空時，曾經應《科技日報》之邀寫作《“卡西尼號”空間探測器為何飛赴土星？》一文。

核能供電遭遇尷尬

“卡西尼號”要工作4年，攜帶將近30種儀器，儀器需要的電能從哪里來呢？

往常飛行器上的儀器都配置太陽能電池，但土星離太陽的距離10倍于日地距離。離太陽越遠，需要的太陽能板越大，在那么遠的地方靠太陽充電，也成為不可能。而火箭上攜帶的固體燃料又不能用在儀器上，所有科學試驗都得另找能源。

最后，科學家利用的是惟一可行的一種能源——放射性核能，供電設備叫做“放射性熱電發生器”。放射線能累積成為熱能，熱能轉變成電能。

但帶有放射性元素的電池卻是環保大忌。“卡西尼號”的發射因此而引起全球環保組織的抗議。歐洲綠色環保組織集體抗議，理由是“卡西尼號”將再次經過地球上空不高的地方，萬一出現意外撞擊地球，砸到紐約怎么辦？

熱電發生器是有大爭議的，但如果沒有它，飛船上的計算機就沒有能源，不可能有持續四年的考察。熱電發生器結構精巧，提供電能又比較可靠，人類目前還沒有更好的方法來代替它。于是，“卡西尼號”的發射出現了戲劇場面——科學家最后只好背著抗議者偷偷發射。

復雜之極的任務

“卡西尼號”在今后4年內，將繞土星飛行74圈到76圈，這期間不光盯住土星和它美麗的環，還要考察衛星，考察包括土衛六在內的9顆衛星，每顆不少于一次接近它。

它重要的一項任務是研究土星的大氣活動。土星10個多小時自轉一周，自轉速度快得異常，“塊頭”又大，結果它的形狀變成了扁橢形。土星的赤道半徑和極半徑之比是10：9，這種比例在太陽系大行星中獨一無二。

快速的旋轉還導致另一種結果，那就是土星上的大氣環流非常激烈。劇烈的大氣活動又導致土星上出現大白斑(與木星上的大紅斑類似)，大白斑是一個大氣旋，直徑至少要比地球的大。初步研究認為，大白斑已經有400年歷史了，沒人知道它為什么持久保留。“卡西尼號”將對大白斑等大氣活動進行考察，還要研究土星大氣的化學成分，

“卡西尼號”的另一項任務是要研究土星的磁場。土星的磁極極其怪異，其方向和土星南北極方向幾乎垂直，這在太陽系中絕無僅有。而且土星磁場強度十倍于地球。“研究土星的磁特征是讓人大開眼界的，得說明它是怎么回事，是怎么起源的。還要研究磁極對地球的影響：磁極對著地球時會怎樣，不對著地球時又怎樣。”李競說，“卡西尼號”上因此裝了很多探測磁的設備。

另外，“卡西尼號”還要間接研究土星的內部結構。內部結構是無法看到的，但長時間觀察表面現象可以得到關于內部結構的信息。

“卡西尼號”還有一項引人注目的任務，就是觀察環繞土星的多層、多帶的環。上個世紀50年代以后，天文學家有一個假說“大體積行星的環結構普遍存在”，這一假說后來被證實。現在證明太陽系四個大行星(木星、土星、天王星和海王星)全有環，環結構的形成和演化變成了一個值得研究的問題。

土星的光環之雄偉其他行星無法可比，又寬又大。對于這個環，人類了解很少，但根據環動力學，它是個年輕的結構，比土星要年輕得多，而且很可能也是短命的。“土星環不是永久存在的，它將怎樣演變、將來以什么方式瓦解，都要通過近距離觀察來了解，這對研究同類行星的環的形成及演化都具有價值。”李競說。

“惠更斯”將在土衛六尋找生命

在土星周圍，現在真正讓科學家和天文愛好者感興趣的是土衛六，因為這顆衛星的大氣環境與地球形成初期十分相像，觀測土衛六就相當于觀測40億年前的地球。并且，它是被科學家認為可能存在地外生命的已知少數幾顆星球之一。

土衛六是太陽系中惟一擁有濃密大氣層的衛星。今年12月25日，“卡西尼”號所攜帶的“惠更斯”探測器將與“卡西尼號”軌道器分離，經過20多天飛行后，預計于明年1月14日穿過土衛六外圍大氣層，展開降落傘著陸，對土衛六的大氣和表面進行探測。

“希望它能平安著陸，順利工作半小時，那就能帶回相當多信息。最大的謎就是上面有沒有、有什么形態的生命形式存在。如果有，那就是破天荒的——現在人們都認為地球生命不是惟一的，但一直沒有拿到證據。假如土衛六上存在某種我們不熟悉的生命，那就說明生命的形式更多樣化。無論生命在土衛六上存在與否，結果都很重要。可能明年初就會有結果。”李競說，土衛六表面溫度極低(平均約為-178°C)，其冰層下如果存在生命，可能完全不需要氧氣，不需要太陽能，生命形態肯定讓人大開眼界。土衛六表面有冰的海洋，“先驅者”11號、“旅行者”1號、2號都證明了這一點。

如果“惠更斯”能按計劃成功著陸，它將是首個在月球以外的一顆天然衛星上登陸的人造探測器。雖然它可能只是在短短的時間內進行實地考察，但其意義是空前的。

“卡西尼號”的最終歸宿

“卡西尼號”將在4年后完成探測任務，之后它將飛往何處？

“‘卡西尼號完成任務后，即使能量沒有耗盡，也已經沒有足夠力量擺脫土星引力。它的最終命運將和木星探測器‘伽利略號一樣，科學家會指揮它主動墜毀于土星。”李競說。“伽利略號”于2003年9月21日主動墜毀于木星，讓它主動墜毀的原因是怕它能量耗盡后失去控制，萬一撞上木衛二等可能存在生命的衛星，飛行器上可能攜帶的地球微生物會污染這些衛星，妨礙以后對它們的研究。

現在“卡西尼號”也面臨同樣的問題。對于這些鞠躬盡瘁的飛行器來說，科學的嚴謹有時似乎變成了一種地地道道的殘忍。