[科普中國(guó)]-美發(fā)布卡西尼飛船最后時(shí)刻科學(xué)成果：光環(huán)與小衛(wèi)星

土星擁有太陽(yáng)系最美麗壯觀的光環(huán)系統(tǒng)，這個(gè)光環(huán)系統(tǒng)的存在離不開(kāi)幾顆小衛(wèi)星的“辛勤努力”——這些小天體的引力作用防止了土星光環(huán)中的微小顆粒逃逸擴(kuò)散，從而幫助土星維持了其光環(huán)的完整性。這一成果只不過(guò)是科學(xué)家們近日對(duì)外公布的一系列土星新發(fā)現(xiàn)中的一項(xiàng)。隨著科學(xué)家們開(kāi)始深入分析卡西尼飛船在其生命最后時(shí)刻采集的大量珍貴數(shù)據(jù)，這樣的新發(fā)現(xiàn)還將不斷涌現(xiàn)。卡西尼飛船的遺產(chǎn)在近日于美國(guó)猶他州普羅沃（Provo）召開(kāi)的美國(guó)天文學(xué)會(huì)行星科學(xué)分會(huì)會(huì)議上，卡西尼項(xiàng)目組向與會(huì)者們介紹了他們一個(gè)月來(lái)分析卡西尼飛船最后階段發(fā)回的數(shù)據(jù)所取得的若干成果。與此同時(shí)項(xiàng)目組還首次對(duì)外公開(kāi)了卡西尼飛船在其生命最后階段穿越土星與其光環(huán)之間狹窄區(qū)域時(shí)拍攝的大量令人窒息的壯麗圖像，包括巨大的土星光環(huán)，以及土星美麗的極光現(xiàn)象等等。隨著卡西尼飛船向土星大氣一頭栽下去，我們首次有機(jī)會(huì)直接獲取土星高層大氣成分性質(zhì)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。卡西尼飛船“離子與中性粒子譜儀”（INMS）傳回的數(shù)據(jù)中，研究人員發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中的物質(zhì)分子正像下雨一樣落向土星大氣層。不過(guò)，這一現(xiàn)象是科學(xué)家們事先就已經(jīng)預(yù)料到的，探測(cè)結(jié)果只是對(duì)這一預(yù)測(cè)進(jìn)行了證實(shí)。但測(cè)量數(shù)據(jù)也顯示，這些下落的分子成分則要比科學(xué)家們?cè)仍O(shè)想的復(fù)雜得多。與組成土星光環(huán)的主要成分水冰不同，探測(cè)器檢測(cè)到了揮發(fā)性的甲烷分子的信號(hào)。而科學(xué)家們目前尚未開(kāi)始分析卡西尼飛船在最后一圈，也就是高度最低的一圈飛行過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)，可以預(yù)期其中一定蘊(yùn)藏著更加復(fù)雜的信息。根據(jù)卡西尼項(xiàng)目組的說(shuō)法，卡西尼飛船的相機(jī)還拍攝到了土星光環(huán)結(jié)構(gòu)中一種被稱(chēng)作“螺旋槳”（propeller）的神秘結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)圖像。它們實(shí)際上是微小的，難以看到的小衛(wèi)星在土星光環(huán)中掀起的小小波瀾，這種情形很像太陽(yáng)系初期，原始行星在太陽(yáng)周?chē)膲m埃盤(pán)中運(yùn)行的樣子。而在卡西尼飛船墜毀之前抓拍的高分辨率土星光環(huán)圖像中，卡西尼飛船所追蹤的全部6個(gè)“螺旋槳結(jié)構(gòu)”（Blériot， Earhart，Santos-Dumont， Sikorsky， Post 以及Quimby）都被清晰地拍攝到了。而在卡西尼飛船生命的最后幾個(gè)月中，它還新發(fā)現(xiàn)了一些更小的“螺旋槳結(jié)構(gòu)”。卡西尼飛船最后階段發(fā)回的數(shù)據(jù)還將幫助科學(xué)家們更好地估算土星光環(huán)的起源和年齡。一般認(rèn)為，如果沒(méi)有這些微小衛(wèi)星的“看護(hù)”，在數(shù)億年的時(shí)間內(nèi)，土星光環(huán)中的小顆粒就會(huì)逐漸擴(kuò)散，導(dǎo)致光環(huán)的整個(gè)瓦解。此前的研究已經(jīng)證明，土衛(wèi)一（Mimas）可能是土星B環(huán)的“看護(hù)者”，防止其物質(zhì)顆粒擴(kuò)散。而土衛(wèi)十（Janus）則被認(rèn)為單槍匹馬地維系了土星A環(huán)的外側(cè)邊界穩(wěn)定性。然而，最新數(shù)據(jù)證明，A環(huán)的穩(wěn)定性實(shí)際上得到了多顆小衛(wèi)星引力作用的支撐，其中包括土衛(wèi)十八（Pan），土衛(wèi)十五（Atlas），土衛(wèi)十六（Prometheus），土衛(wèi)十七（Pandora），土衛(wèi)十，土衛(wèi)十一（Epimetheus）以及土衛(wèi)一。在諸多有待解決的疑問(wèn)中，卡西尼項(xiàng)目組希望這些最新數(shù)據(jù)能夠幫助解答的關(guān)鍵問(wèn)題之一是，通過(guò)精確測(cè)定土星地理南北極與地磁南北極之間的夾角，更加精確地測(cè)定土星的自轉(zhuǎn)周期。根據(jù)英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的卡西尼飛船磁強(qiáng)計(jì)小組組長(zhǎng)米歇爾·道格提（MicheleDougherty）博士的說(shuō)法，在卡西尼執(zhí)行“壯麗終章”飛行任務(wù)期間，由于前所未有地接近土星，卡西尼飛船的磁場(chǎng)測(cè)量精度比正常任務(wù)期間提升了4倍以上。如果這一偏角大于0.016度，那么卡西尼飛船的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠測(cè)出來(lái)。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的卡西尼項(xiàng)目組科學(xué)家琳達(dá)·斯皮爾克（LindaSpilker）表示：“分析卡西尼飛船的數(shù)據(jù)幾乎可以當(dāng)成事業(yè)來(lái)做了，總之一句話，數(shù)據(jù)分析工作才剛剛開(kāi)始?！敝覍?shí)的太空老兵在卡西尼飛船一頭沖向土星大氣層焚毀之后一個(gè)月的今天，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始能夠通過(guò)數(shù)據(jù)重新還原這艘飛船在被摧毀之前的最后時(shí)刻。最新的數(shù)據(jù)讓研究人員能夠了解飛船在其生命最后時(shí)刻的每一項(xiàng)動(dòng)作，并得到結(jié)論：卡西尼飛船忠實(shí)地執(zhí)行了地面的每一個(gè)指令，做到了它能做的一切。數(shù)據(jù)顯示，在沖入大氣層之前數(shù)小時(shí)開(kāi)始，卡西尼開(kāi)始啟動(dòng)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，在沖入土星大氣的劇烈震動(dòng)中努力將自己的天線指向地球。隨后，隨著在土星大氣中飛船逐漸解體，卡西尼飛船仍然盡最大努力讓各項(xiàng)儀器保持正確指向，一直堅(jiān)持了91秒之后才最終被徹底摧毀。朱莉·韋博斯特（JulieWebster）是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室卡西尼飛船操控主管，她說(shuō)：“為了將飛船天線保持地球指向，我們采取了一種我們叫做‘呯！呯！控制（bang-bangcontrol）’的方法?！笔裁唇小皡纾?！控制”呢？很簡(jiǎn)單，地面科學(xué)家向卡西尼飛船發(fā)送指令，為其規(guī)定一個(gè)非常窄的允許偏差角度，一旦飛船察覺(jué)到自己的角度偏向一側(cè)超過(guò)這個(gè)允許值，姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)“呯！”的一聲自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)行姿態(tài)修正，而如果飛船角度偏向另一側(cè)，則另一側(cè)的姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)“呯！”的一聲啟動(dòng)進(jìn)行修正。大約在卡西尼飛船沖入土星大氣層之前大約一小時(shí)，其允許角度偏差被規(guī)定為不得超過(guò)1度，并且每隔幾分鐘進(jìn)行一次角度檢查并啟動(dòng)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)修正。在距離土星云層頂部大約1900公里高度時(shí)，飛船開(kāi)始接觸土星大氣層。在這一過(guò)程中，卡西尼飛船長(zhǎng)達(dá)11米的磁強(qiáng)計(jì)桅桿始終被指向外側(cè)。但由于劇烈摩擦震動(dòng)，磁強(qiáng)計(jì)會(huì)逐漸旋轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，因此也需要飛船使用姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償修正。一旦完全進(jìn)入土星大氣，卡西尼飛船的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)則以幾乎完全一致的功率連續(xù)開(kāi)機(jī)91秒，努力對(duì)抗震動(dòng)和擺動(dòng)。在其生命的最后20秒，卡西尼飛船會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)功率開(kāi)到最大。美國(guó)宇航局專(zhuān)家表示，這樣的操作導(dǎo)致飛船在最后8秒內(nèi)發(fā)生一個(gè)向后的震動(dòng)過(guò)程，隨后，卡西尼飛船的生命終結(jié)了。由于遙遠(yuǎn)距離造成了延時(shí)效應(yīng)，地球上的控制中心的那條代表卡西尼依然健在的信號(hào)直到83分鐘之后才從屏幕上突兀地消失。先是測(cè)控信號(hào)消失。緊接著24秒后，無(wú)線電載波信號(hào)也隨之消失了。此后又一瞬間卡西尼的信號(hào)似乎又出現(xiàn)了，只是一閃而過(guò)。但專(zhuān)家表示這并非事實(shí)，而只是射電天線波束方向的旁瓣信號(hào)產(chǎn)生的假象?？ㄎ髂犸w船的任務(wù)在2017年9月15日已經(jīng)正式宣布終結(jié)，但是它為我們留下了豐富的數(shù)據(jù)遺產(chǎn)，科學(xué)家們還將需要至少幾個(gè)月的時(shí)間去對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析與解讀。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的卡西尼項(xiàng)目經(jīng)理厄爾·邁斯（EarlMaize）說(shuō)：“考慮到畢竟卡西尼飛船并非是為沖入行星大氣層而設(shè)計(jì)的，它能夠堅(jiān)持那么長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)在是一件令人驚奇的事情，這讓它搭載的科學(xué)設(shè)備能夠持續(xù)傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)，直到最后一刻。這是一臺(tái)頑強(qiáng)的飛船，它完成了自己的全部使命?！保ň庉嫞簆_vhehwang）