[科普中國]-致卡西尼號：生的偉大，死的光榮

2017年9月15日，北京時間周五晚19時55分46秒，隨著一顆耀眼的火流星緩緩劃過土星藍(lán)色的天空、化為一簇璀璨的宇宙煙火，一曲澎湃的太空交響樂終于為它的壯麗終章畫上了一筆濃墨重彩的休止符：美國航天局（NASA）旗艦級任務(wù)卡西尼號土星探測器，在滿懷好奇地奔向深空整整20年之后，以主動墜毀的方式，與她深愛的那顆美麗行星，永遠(yuǎn)地融為了一體。

（圖：火流星）

耗資33億美元的卡西尼號是人類史上發(fā)射的最重、最大、最復(fù)雜的行星際探測器。它在發(fā)射時的全重5.7噸，其中除包含由歐洲航天局（ESA）研制的、重達(dá)318千克的“惠更斯號”土衛(wèi)六著陸器外，有3.3噸也即大約六成的重量都用來攜帶推進(jìn)劑——大量的推進(jìn)劑儲備，輔以大量借助引力彈弓效應(yīng)來實現(xiàn)“省油”變軌的操作，讓卡西尼號實現(xiàn)了超長的工作壽命：它從2004年6月進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道以來，已經(jīng)奮力工作了13年之久；期間它和惠更斯號探測器一道，詳細(xì)觀測了土星，它的光環(huán)、磁場及眾多衛(wèi)星，積累了海量的科學(xué)資料。

（圖：結(jié)構(gòu)示意圖）

是時候好好地回顧一下卡西尼-惠更斯任務(wù)的偉大一生了。

生與死

可能已經(jīng)很少有人記得，卡西尼號這一人類太空探索事業(yè)的標(biāo)志性任務(wù)，居然是在一片抗議的喧鬧聲中發(fā)射的。

由于從地球直接向土星發(fā)射探測器太過遙遠(yuǎn)，卡西尼-惠更斯任務(wù)采用了“VVEJGA”的軌道設(shè)計，也即先后兩次經(jīng)過金星、分別一次經(jīng)過地球和木星的重力助推（“引力彈弓”的正式名稱），最終抵達(dá)土星。

由于其中包含一次地球飛越，一些杞人憂天的美國民眾擔(dān)心，卡西尼號攜帶的三顆為其供電的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生機(jī)（RTG）中含有的72磅（約合33千克）放射性金屬钚，有可能在卡西尼號意外墜回地球的事件中污染地球大氣、威脅全體人類的生存。

（圖：重力助推）

雖然卡西尼-惠更斯的地球飛越軌道采用“失效安全”設(shè)計，即使失敗也不會墜向地球；雖然卡西尼號攜帶的钚并非更具威脅的武器級钚，以冥神Pluto命名、又被廣泛認(rèn)知與核武器制造相關(guān)的钚元素，還是引發(fā)一些人大量負(fù)面聯(lián)想。

為阻止卡西尼-惠更斯任務(wù)的發(fā)射，包括一個名為“奶奶要和平”（Grandmothers for Peace）的組織在內(nèi)的抗議人士，在美國卡納維拉爾角發(fā)射基地外發(fā)動了抗議行動；27名違規(guī)沖進(jìn)限制區(qū)域的抗議者在1997年任務(wù)發(fā)射之際被捕。反對人士還籌辦了名為“飛越新聞”（FlybyNews）的網(wǎng)站搖旗吶喊。網(wǎng)站把卡西尼飛越地球視為分水嶺般的事件，在卡西尼安全通過之后所謂的“后飛越”時代，仍然堅持發(fā)聲，直到2016年網(wǎng)站還在更新。

（圖：奶奶要和平）

卡西尼號執(zhí)行任務(wù)的土星附近距離太陽太過遙遠(yuǎn)，日光強度不足，使它難以通過太陽能電池板發(fā)電，使用RTG獲取電力是唯一可行的技術(shù)選擇。反對者的名號和訴求讓人不禁想起“臺灣主婦聯(lián)盟”及其“用愛發(fā)電”之語。

NASA與反對者之間的主要不同在于，前者掌握的知識、信息和技能讓其有自信精確控制卡西尼-惠更斯的軌道，避免其墜向地球這樣的意外。

不過在審慎處置卡西尼號探測器，避免其所載放射性元素、殘余燃料等有毒有害危險品污染重要星球方面，NASA并沒有絲毫大意。正是由于意識到卡西尼號的燃料幾乎用盡后，它將無法有效改變自身軌道，為了避免未來卡西尼號意外墜毀在土衛(wèi)六、土衛(wèi)二等擁有孕育生命可能性的土星衛(wèi)星上，NASA根據(jù)其行星保護(hù)政策，做出了讓卡西尼號在耗盡燃料后，墜入并燒毀在不可能孕育生命的土星大氣中的決定。

凝望土星

太陽系幾大亮行星“金木水火土”之一的土星，自古為人所知。它的英文名Saturn來自羅馬神話中農(nóng)神之名，這與其以“土”命名的中文名字似有暗合。

這顆土黃色光澤的行星，直到近代望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，才開始向世人揭示它的神奇魅力。1610年，意大利天文學(xué)家伽利略率先將望遠(yuǎn)鏡指向了土星。

他發(fā)現(xiàn)土星并不止有單一圓面，在其兩側(cè)似乎有一對對稱的突起。伽利略的望遠(yuǎn)鏡分辨率有限，他在手繪圖中將這對突起繪成兩個比土星本體稍小的圓圈，并認(rèn)為這是土星的兩顆衛(wèi)星。1612年，伽利略發(fā)現(xiàn)“兩顆衛(wèi)星”不見了；不過沒用多久，努爾哈赤建立后金同年的1616年，土星光環(huán)再次出現(xiàn)在了伽利略的手繪中，這次他繪制出了一個圓環(huán)形狀，只是在他的手繪圖中，圓環(huán)上下兩端都被土星遮蓋，顯示出伽利略當(dāng)時還是沒有搞清光環(huán)圍繞土星的事實。

（圖：伽利略手繪。圖注：伽利略手繪土星，上下圖分別于1610、1616年。）

1659年，荷蘭天文學(xué)家惠更斯使用成像質(zhì)量更好的望遠(yuǎn)鏡對土星進(jìn)行了觀測。他正確地解釋了土星光環(huán)發(fā)生變化的原因：光環(huán)在空間中指向固定的方向，當(dāng)它在一個“土星年”（大約30個地球年）中以不同的取向朝向地球時，我們會看到光環(huán)由豐盈到消失、往復(fù)循2環(huán)的過程。

惠更斯還發(fā)現(xiàn)了土星最大的衛(wèi)星，現(xiàn)名為土衛(wèi)六的“泰坦”（Titan）。不到20年后，天文學(xué)家卡西尼發(fā)現(xiàn)土星的另外4顆衛(wèi)星，還首度觀測到土星光環(huán)最顯著的特征、現(xiàn)在被稱作“卡西尼環(huán)縫”的物質(zhì)稀疏區(qū)域。

（圖：角度與環(huán)縫。圖注：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的土星，示光環(huán)角度隨時間的變化。圖中明顯可見卡西尼環(huán)縫。）

土星光環(huán)的本質(zhì)讓幾個世紀(jì)的天文學(xué)家感到困惑。19世紀(jì)，美國天文學(xué)家基勒指出，土星光環(huán)由不連續(xù)的很多微粒組成，并非單一連續(xù)剛體——這在我們今天看來，是顯然的，沒有任何物體能承受那么大的剪切力而不碎裂。這在1981-1982年旅行者一號、二號探測器飛越土星之后，變得再明顯不過：旅行者號對土星光環(huán)所攝得的照片中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)微粒在引力擾動下所呈現(xiàn)的一些暫現(xiàn)形態(tài)，一個動態(tài)的、有生命力的土星光環(huán)已經(jīng)呼之欲出。

（圖：旅行者號。圖注：旅行者號拍攝的土星和變化之中的土星光環(huán)F環(huán)。）

土星之春

兩次短暫的飛越不足以解答人們對土星的種種好奇。從80年代末開始，NASA開始計劃一次對土星的長時間環(huán)繞探測任務(wù)，卡西尼號任務(wù)計劃逐漸浮出水面。經(jīng)過幾年的研發(fā)與準(zhǔn)備工作，1997年10月15日，一枚泰坦IVB型火箭將卡西尼-惠更斯探測器送入太空。

經(jīng)過幾次內(nèi)太陽系的重力助推操作，2004年6月，土星北半球的隆冬時節(jié)，卡西尼號進(jìn)入了土星軌道。半年之后，惠更斯號土衛(wèi)六著陸器與卡西尼號分離，卡西尼號開始了孤獨而不寂寞的旅行。它的基本任務(wù)長度為4年，在那之后，卡西尼號在土星北半球的春天來臨之際，執(zhí)行了長度為2年的**“春分點任務(wù)”。2010年起，健康狀況良好的卡西尼號又踏上了長達(dá)7年的“夏至點任務(wù)”，這持續(xù)到了今年4月。自那之后的5個月，卡西尼號踏上了視死如歸的最后旅途——“偉大終章任務(wù)”**（Grand Finale）。

卡西尼號任務(wù)跨越土星北半球的冬、春、夏三個季節(jié)，這樣長時間的觀測讓我們有足夠耐心，靜靜觀察土星的陰晴變化。

在土星光環(huán)的罅隙中，卡西尼號發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)層次分明的條帶結(jié)構(gòu)形成和保持的原因：土衛(wèi)十六“普羅米修斯”（Prometheus）在暗弱的F環(huán)內(nèi)側(cè)繞土星公轉(zhuǎn)，只有139千米長的這顆小衛(wèi)星長的像個土豆，所到之處在F環(huán)中掀起陣陣波瀾，仿佛驅(qū)趕羊群的牧羊犬一樣驅(qū)趕著環(huán)中的微?！@被稱作光環(huán)中的“牧羊犬衛(wèi)星”。另一顆大小、形狀都差不多的小衛(wèi)星土衛(wèi)三十五“達(dá)佛尼斯”（Daphnis）占據(jù)了另一條賽道：它在明亮的A環(huán)外邊緣，獨自開墾出了一條整潔的小徑——基勒環(huán)縫。它也時不時用它看似微弱的引力在小徑兩邊卷起一些風(fēng)浪：“春分點任務(wù)”中，卡西尼號借助2009年土星春分日附近太陽側(cè)照光環(huán)的寶貴時機(jī)，拍下了土衛(wèi)三十五在基勒環(huán)縫兩邊卷起的、高出光環(huán)平面的“浪花”在光環(huán)上的影子，讓我們得以更直接測量出它的漫步對光環(huán)的影響究竟多大。旅行者號只窺得一目的光環(huán)變遷瞬間，在卡西尼的眼中終于連成一支支完整的影片。

（圖：P&D。圖注：上：土衛(wèi)十六與F環(huán)；下：春分附近的土衛(wèi)三十五與基勒環(huán)縫。）

2011年，在日漸躁動的早春里，土星北半球中緯度地區(qū)的一場風(fēng)暴席卷了幾乎所有“時區(qū)”。這場風(fēng)暴起源于被稱作“大白斑”的土星氣旋，每隔30年，都會在土星的春季卷土重來。在2010年底，土星北半球開始回暖時，它像是一樹春夜中整齊盛放的白玉蘭，猛然從土黃、混沌的星球表面密密匝匝地鋪將開來，才兩個月就綿延出幾千公里。只是這土星春天的“花香”恐怕不太能被地球人欣賞：卡西尼號在風(fēng)暴中探測到磷化氫氣體的大量增加，這魚腥味的劇毒氣體主宰了土星之春。

（圖：2010風(fēng)暴。圖注：2010年土星北半球風(fēng)暴的變化過程。）

1981年，旅行者號飛船飛越時土星時，發(fā)現(xiàn)它的北極有一個六邊形的奇特風(fēng)暴，這被認(rèn)為是不同緯度的氣流在不同流速下相互作用形成的一種相對穩(wěn)定的形態(tài)——有趣的是，土星的南半球并沒有這樣的六邊形風(fēng)暴。

隨著北半球夏季的到來，土星北極的六邊形也披上了絢麗的夏裝：2013年，土星北半球清涼的仲春，六邊形像是剛剛解凍的池塘，透出藍(lán)綠的色澤；到2017年的初夏時節(jié)再看時，它已變成了成熟的紫金色。于此同時，逐漸墮入隆冬的土星南半球則從一片金黃不聲不響地過渡成淡淡的藍(lán)灰。

（圖：北極六邊形。圖注：左：2013年的北極六邊形。右：2017年的北極六邊形。）

另類地球

卡西尼-惠更斯任務(wù)最讓人激動的成就莫過于對土星衛(wèi)星系統(tǒng)孕育生命的可能性的揭示。

在惠更斯發(fā)現(xiàn)土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六之后很長時間，人們都認(rèn)為，它是太陽系中最大的衛(wèi)星（后來旅行者號發(fā)現(xiàn)它比木衛(wèi)三略?。?。

到二戰(zhàn)結(jié)束前一年，美國人柯依伯通過觀測其光譜，發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六的大氣層，并認(rèn)為其主要成分是甲烷——這在不到40年后，被旅行者號的發(fā)現(xiàn)所否定。實際上土衛(wèi)六的大氣像地球大氣一樣，由氮氣主導(dǎo)，只是缺乏氧氣；甲烷是第二多的氣體，但也只占很小的比例。

（圖：大氣。圖注：土衛(wèi)六與地球大氣成分對比。）

旅行者號看到的土衛(wèi)六只是一個被不透明霧霾包裹的橙色圓球，23年后，卡西尼帶著惠更斯回來了?？ㄎ髂崽柕募t外相機(jī)有能力透視土衛(wèi)六厚厚的霧霾，惠更斯著陸器則可以直接感受那里的風(fēng)與土。2004年圣誕節(jié)，卡西尼號在飛臨土衛(wèi)六時釋放了惠更斯號土衛(wèi)六著陸器，三周后，惠更斯號才緩緩地降落在了土衛(wèi)六表面；其中它在降落傘的幫助下，耗時1.4小時從土衛(wèi)六大氣層頂降到地表，在地表又繼續(xù)工作了1個多小時，這給了它相當(dāng)充裕的時間來收集土衛(wèi)六的大氣和地表數(shù)據(jù)。

（圖：惠更斯下降。圖注：惠更斯在下降過程中朝向東南西北各方向拍攝的照片。）

卡西尼-惠更斯任務(wù)被普遍認(rèn)為表現(xiàn)大大超出預(yù)期：整合了旅行者號、伽利略號、麥哲倫號等深空任務(wù)設(shè)計經(jīng)驗教訓(xùn)的它，設(shè)計已經(jīng)足夠理想，運行已經(jīng)足夠穩(wěn)定。

但有一個小黑點不得不說：意大利人在建造惠更斯探測器的無線電通信設(shè)備時，由于把美國噴氣推進(jìn)動力實驗室（JPL）視為競爭者，沒有向后者透露信號設(shè)備的具體設(shè)計方案。缺乏審查之下，卡西尼號與惠更斯號在分離之后巨大的相對速度引起的多普勒效應(yīng)——讓信號的頻率更高、周期更短——對通信的影響沒有被全面考慮，周期變短引發(fā)的效應(yīng)被遺忘了。

這個問題直到發(fā)射都沒有被糾正，最終不得不通過改變原計劃的軌道方案，從根本上降低相對速度、減弱多普勒效應(yīng)來規(guī)避問題。這樣做的結(jié)果是卡西尼號不得不多繞土星飛一圈，幸好卡西尼號此前的變軌都極其精確，節(jié)約出了這次變軌所需的燃料。

（圖：意大利）

卡西尼-惠更斯眼中的土衛(wèi)六像極了地球：我們看到山川湖海、風(fēng)云雨霾，但又極不同：這顆比水星還要大的星球的密度介于水和巖石之間，顯示出它有大約一半的質(zhì)量都是水冰，這顆星球的巖石被厚厚的水冰包裹著。在土衛(wèi)六表面零下180攝氏度的低溫下，水冰堅如磐石——那些深深淺淺的山川，居然都是冰山。

而地球上呈氣態(tài)的甲烷等氣體，在這樣的溫度下已經(jīng)液化——那些肆恣的汪洋，居然都是“液化天然氣”。缺乏氧氣的土衛(wèi)六表面，很多我們熟悉的化學(xué)反應(yīng)不見了，取而代之的是以氮氣和甲烷，也即氮、碳、氫元素為基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)——卡西尼和惠更斯都在其中嗅到了不少有機(jī)物的存在，它們是構(gòu)成生命的基礎(chǔ)材料。這讓人想起原始的地球。

（圖：泰坦湖。圖注：土衛(wèi)六上反光的湖泊。）

關(guān)于土衛(wèi)六孕育生命的可能有若干種假說：有人說，土衛(wèi)六表面在遭受隕石撞擊之后，表面冰層可以短暫融化，成為液態(tài)水湖泊。湖泊表面封凍后，內(nèi)部可以在幾百年內(nèi)維持液態(tài)，這期間液態(tài)水有機(jī)會和土衛(wèi)六已經(jīng)存在的大量有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多孕育生命的基礎(chǔ)物質(zhì)。有人說，在土衛(wèi)六厚厚的冰山下方，有一個全球性的液態(tài)水層，那里有更長的時間，可供生命起源、發(fā)展。還有人設(shè)想，甲烷可以替代水在地球生命化學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的中心作用，在土衛(wèi)六表面可能發(fā)展出以甲烷為基礎(chǔ)的生命。

（圖：泰坦。）

咸……咸的！

如果說土衛(wèi)六讓人們期待已久，土衛(wèi)二則純粹是一個驚喜。

卡西尼還未到土星，便已迫不及待的伸展出它長達(dá)11米的磁力計巨臂。在磁力計的耳中，土星周圍絕不是目測的那樣寧靜，反而似有山呼海嘯。

2005年初一次飛經(jīng)土衛(wèi)二的途中，在其他儀器未覺異常之時，磁力計卻已感到一絲不對勁：這有東西！卡西尼趕忙回頭一看，在逆向陽光的方向，它看到了了不得的景象：土衛(wèi)二的南極，幾簇噴泉正在噴薄而出！

（圖：噴泉。圖注：正在穿越土衛(wèi)二噴泉的卡西尼號，想象圖。）

不久之后，卡西尼一個回馬槍殺了回來，這次，它像戲水的孩子，橫穿噴泉而過。在那里，漫天飄舞的冰晶在陽光下閃爍著，像是舞臺上飄灑的銀箔。卡西尼咂咂嘴，念到：“咸……咸的！”

是的，土衛(wèi)二的南極那些冰隙中噴涌而出的，是它廣袤冰下海洋的海水。土衛(wèi)二的大小只有四川盆地那么大，但它形成初期的內(nèi)部余熱尚未如人們所臆測的喪失殆盡，而是仍在給那里的冰海以溫存。

土衛(wèi)二的噴泉，不止給自己披上了銀白的衣裝，使其成為太陽系內(nèi)反射率最高的天體，也不止貢獻(xiàn)了土星光環(huán)中E環(huán)的物質(zhì)，更是其溫暖、甚至可能生機(jī)勃勃的冰下海洋的自豪招牌。

（圖：土衛(wèi)二）

土衛(wèi)二冰下海的發(fā)現(xiàn)，讓冰下海成為行星科學(xué)中的顯學(xué)。我們驚訝地意識到，只靠地表溫度來劃定的所謂“宜居帶”可能誤導(dǎo)了我們對生命存在的普遍性的預(yù)期。在那些遠(yuǎn)離太陽的地方，在那些氣態(tài)巨行星冰封的衛(wèi)星內(nèi)部，仍然可能存在一個個生命的綠洲。

土衛(wèi)二、土衛(wèi)六、木衛(wèi)二、海衛(wèi)一甚至冥王星……太陽系中被認(rèn)為具有冰下海洋的星球已經(jīng)有多達(dá)8顆，它們將是我們本世紀(jì)太陽系探索宏途上的一個個里程碑。

偉大終章

天下沒有不散的筵席。攜帶3.3噸推進(jìn)劑的卡西尼號，屢次借助土衛(wèi)六等衛(wèi)星的引力變軌，以極其精儉的燃料使用方式服役長達(dá)13年之久——“長壽”是卡西尼任務(wù)最為自豪的標(biāo)簽。然而其實從2016年起，“低油量預(yù)警燈”就已經(jīng)開始閃爍了。

（圖：軌道。圖注：卡西尼號走過的所有軌道示意圖。）

如果我們失去對卡西尼號的控制，它將可能在自由的漂流中栽倒在土衛(wèi)二的冰層上。它攜帶的3顆RTG仍在源源不斷的釋放熱量，卡西尼號可能融穿冰層，墜入可能孕育生命的冰下海洋。它殘存的燃料、RTG中包含的放射性元素，尤其是可能借卡西尼號偷渡土星系統(tǒng)的地球微生物，都可能對那里的生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的損害。

是時候說再見了。

從2017年4月開始，卡西尼號轉(zhuǎn)入“偉大終章任務(wù)”。9月11日，它最后一次借助土衛(wèi)六的引力，調(diào)整到可以俯沖到土星光環(huán)與土星之間、非常貼近土星高層大氣的軌道。在這條每6天半一個輪回的軌道上，卡西尼走了22圈——它將近300次環(huán)繞土星的最后22圈。

（圖：最后一圖。圖注：卡西尼回傳的最后一幅照片。）

在這條軌道上，卡西尼號有機(jī)會通過感受土星光環(huán)的微弱引力對它軌道的影響，測量土星光環(huán)物質(zhì)的質(zhì)量分布，進(jìn)而為判斷土星光環(huán)的起源和年齡提供依據(jù)。

9月14日，卡西尼迎來了它生命的最后24個小時。它開啟了最后一次數(shù)據(jù)下行——以往，它會先盡可能多地收集數(shù)據(jù)，再利用主天線指向地球的機(jī)會集中回傳；這一次，它不再有更多機(jī)會，它只得始終將天線指向地球，一邊收集、一邊回傳。

9月15日，卡西尼的最后時刻是通過美國深空網(wǎng)（DSN）位于澳大利亞堪培拉的70米天線記錄的。在中國，土星正閃耀在正南方的星空上。

（圖：最后時刻。圖注：卡西尼的最后時刻，姿態(tài)推進(jìn)器火力全開。）

北京時間19:53，卡西尼號進(jìn)入土星大氣。

北京時間19:54，卡西尼號的姿態(tài)調(diào)節(jié)推進(jìn)器火力全開，勉力維持著天線指向地球的姿態(tài)。

北京時間19:55，卡西尼號信號不斷減弱，在幾次短暫中斷又頑強恢復(fù)之后，顯示信號的屏幕上終于歸為一條寂靜的直線。

（圖：冰紗。）

你一生的故事

卡西尼號的項目首席科學(xué)家琳達(dá)·施皮爾克（Linda Spilker）1992年博士畢業(yè)。她參與過旅行者號的科學(xué)工作，從80年代末卡西尼號概念形成階段就參與到卡西尼任務(wù)中，至今已經(jīng)為卡西尼任務(wù)工作將近30年?？ㄎ髂崽枏恼Q生到離去，琳達(dá)渡過了自己作為科學(xué)家的大半職業(yè)生涯，她自己的女兒也已從孩童長大成人。

帶著母親的心思，琳達(dá)把卡西尼號視為一個女孩，自己的另一個女兒。她和數(shù)百位團(tuán)隊成員一道，三十年來悉心照看卡西尼號，幫助它渡過經(jīng)費困難的孕育期，看著它在行星間歡脫的穿梭奔跑，在她遇到阻礙時隨時伸出援手，在她開拓新世界時隨時分享她的喜悅。

土星的北半球冬去春來，春來夏至?？ㄎ髂崽柼綔y器，卡西尼任務(wù)的每一個參加者，與土星的風(fēng)云一道，從青澀而成熟，從成熟而偉大。

卡西尼號，R.I.P.——寫在一次有祝賀卻沒有歡呼的NASA直播結(jié)束之際。

（圖：紗世界）