“卡西尼”的最后旅程

苗千

從開始計劃到結束，一個歷時30多年的太空探索項目即將進入尾聲。一個寄托著人類的希望，為人類發回無數寶貴資料的太空探測器——“卡西尼”，即將以一種堪稱悲壯的方式結束自己的科學探索之旅。

這個在太陽系外圍區域工作了十多年的探測器，孜孜不倦地為地球上的科學家們勘測太陽系中除了地球之外最有可能存在生命的天體，它的探測數據對于人類的影響還遠未可知。

土星是太陽系（由內到外）的第六顆行星，也是一顆體積僅次于木星的巨大的氣態行星。這顆行星因為距離地球太過遙遠，一直充滿著神秘色彩。土星最吸引人的是它周圍的環狀物質和眾多的衛星，而研究土星和它周圍的環狀物質及眾多衛星，有助于人們理解太陽系和其他恒星星系的形成過程。人們至今還不清楚土星環是由土星的衛星噴發形成，還是由外物的撞擊形成的。研究土星環的形成過程，有助于科學家們理解在恒星系統中，年輕恒星周圍的物質是如何聚集形成行星的。

荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）首先發現了“土衛六”（Titan），并且在1655年利用望遠鏡第一次觀測到了完整的土星環。到了1675年，意大利裔法國天文學家喬瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini）首次觀測到了土星環之間的縫隙，“卡西尼縫”因此得名。因此，這項從20世紀80年代開始進行籌備和設計，總共有17個國家參與，超過5000人為之工作的卡西尼-惠更斯（Cassini-Huygens）土星計劃所設計的飛行器和探測器，以這兩位天文學家命名。

在飛行器和探測器發射之前，人們就已經為此花費了超過14億美元。1997年10月15日，一款Titan IV型火箭發射升空，把“卡西尼號”飛行器和“惠更斯號”探測器送入了太空。它們用了7年時間長途跋涉，終于在2004年7月到達土星。2004年12月25日，“惠更斯號”探測器與“卡西尼號”飛行器分離，探測器在2005年1月14日以每小時2萬公里的速度進入土星最大的衛星“土衛六”的大氣層，最終降落到“土衛六”的表面開始進行實地勘測，并且利用“卡西尼號”作為中繼，向地球源源不斷地發送資料。

除了土星自身之外，最吸引科學家興趣的，就是“土衛六”和“土衛二”（Enceladus）這兩顆土星的衛星。“旅行者號”飛行器在上世紀80年代飛臨土星的時候曾經發現只有500公里寬的“土衛二”外表的冰層非常光滑，整體呈亮白色——實際上它是太陽系中反射性最強的天體。根據人們目前的理解，要想出現生命，需要液態水、一些必不可少的化學元素，以及穩定的能量來源。

之后美國航空航天局發射的“伽利略號”探測器在上世紀90年代探測木星時，發現“木衛二”（Europa）可能具備產生生命的條件，這使人們對土星的興趣更加濃郁。“卡西尼號”飛行器隨后發現，在“土衛二”的南極附近，因為衛星的地質作用產生出熱量，在地下存在著液態水。經過十多年的探測，最終確定“土衛二”內部存在著穩定的液態海洋，其中含有鹽分和簡單的有機分子，這使之成為科學家們認為除了地球之外最有可能發現生命的地方，“土衛二”也成為太陽系內最讓科學家們感興趣的天體。

全球性含有鹽分的海洋系統，獨特的化學物質，加上內部的能量來源，“土衛二”具備了形成原始生命的全部必要條件。不僅如此，從“土衛二”的冰層之下，不時以每秒400米的速度向空中噴射水蒸氣和冰塊——這些物質有些落回到“土衛二”表面，有些留在空中，成為土星環的一部分。“卡西尼號”飛行器借機探測“土衛二”噴射出的物質成分，發現其中有些化學成分只有在90攝氏度以上的溫度才能形成，這說明“土衛二”海洋內部的一些環境，頗為類似地球早期形成原始生命時的海洋環境——這些發現改變了人類的行星科學研究方向。

“土衛六”同樣呈現了類似的可能性。歐空局的“惠更斯號”探測器在“土衛六”的表面進行探測，也發現了在其冰冷的表面下存在著液態海洋。“土衛六”的地形類似于地球，存在著丘陵、峽谷，在赤道附近也有著沙漠——研究它的演化過程，有助于人們理解地球形成初期的演化過程。它的大氣成分也類似于生命形成之前的地球大氣，人們有可能在這里觀察生命最初形成的過程。通過研究“土衛六”和“土衛二”的現狀，人們就可以理解太陽系形成的早期，在行星表面發生的演化過程。

美國航空航天局公布的“卡西尼號”探測器穿越土星環的示意圖

經過13年的土星探測之后，“卡西尼號”飛行器的燃料逐漸減少，探測生涯接近尾聲。為了避免在耗盡燃料時撞向有可能存在生命的“土衛二”或“土衛六”，它最后一個探測任務將是向土星的大氣層沖刺。2017年4月26日，“卡西尼號”飛行器第一次穿越土星環，到達了土星環與土星之間只有2000公里寬的狹小空隙內，此時它距離土星大氣層頂層3000公里，距離土星環的內側只有200公里，此后它還將反復重復這個旅程。

在燃料耗盡之前，它將每周繞行土星一圈，預計將22次穿梭于土星環和土星大氣層的頂層。為了避免在以（相對于土星）每小時12.4萬公里的速度穿越土星環的過程中使探測儀器受到損害，它把自己4米寬的天線擋在前面充當盾牌。也就是說，在穿越土星環的過程中，它會和地球失去聯系——直到穿越土星環20個小時之后“卡西尼號”飛行器才開始向地球發送數據，這些數據能幫助人們了解土星環的組成，并學習如何在未來安全地穿越行星的環狀結構。

即使在2017年9月15日的最后沖刺時，“卡西尼號”飛行器仍會工作到最后。在這自取滅亡的探測過程中，它將利用相機拍攝大量的土星照片傳回地球，探測土星引力場和磁場的分布情況，以此來幫助人們理解土星的內部構成，它還會分析土星大氣層中顆粒的成分，甚至幫助人們理解土星自轉的速度。

從土星到地球，即使是光也要花費84分鐘的時間才能到達。人類這個總共花費超過32億美元，歷時30多年的土星探測計劃即將結束，而人類探測太陽系內各個天體，尋找地外生命的旅程才剛剛開始。

（本文寫作參考了美國航空航天局網站的報道）