来自地球,为了土星:卡西尼20年历程即将终结

      新浪科技讯 北京时间9月15日消息,或许大多数人都未曾意识到,今天将会有一场重要的事件发生。尽管很多人可能从来都不会朝天空看那么一眼,但在今晚19:54分,请抬头看一看西南方向的天空,如果天气还可以,你应该会看到一颗闪耀着白色光泽的亮星。就在你抬头看它的这一瞬间,正有一艘20年前从地球出发的飞船在这颗星球上坠落。你应该了解,就在此时此刻,全世界正有无数双眼睛正与你一样,注视着这颗星球,缅怀这位逝去的太空老兵。届时美国宇航局将进行视频直播,而新浪科技也将全程为读者跟进事态发展。

     1、卡西尼-惠更斯探测计划历史

      卡西尼-惠更斯(Cassini-Huygens)探测器是一项主要由美国宇航局(NASA)、欧洲空间局(ESA)以及意大利航天局牵头实施的一项国际合作探测计划,全球有超过20个国家参与其中。这也是人类首个围绕土星运行的专门探测器。

      该项目是基于两位17世纪的科学家:意大利的卡西尼(Jean Dominique Cassini) 以及荷兰的惠更斯(Christiaan Huygens),这两位科学家都对土星研究做出过重要贡献。卡西尼发现了4颗土星卫星,并发现了土星光环之间的环缝(卡西尼缝, Cassini Gap);惠更斯则在1655年发现了土卫六,这也是为何着陆土卫六的探测器被命名为“惠更斯”的原因。

      从一开始,卡西尼探测器计划就是作为一个国际合作项目被构思的。在1982年,该项目第一次被提出,在那之前不久,两艘美国宇航局的“旅行者”飞船刚刚飞过土星附近。两艘旅行者探测器发回的探测数据揭示了一个生机勃勃的土星系统,尤其是土星最大的卫星——土卫六(Titan)引发了行星科学家们的强烈兴趣。他们迫切希望能够发射一艘专门的土星探测器去做更深入的调查。

      经过15年的酝酿和研制,1997年,“卡西尼”飞船顺利发射,在太空飞行7年之后,2004年,这艘飞船终于抵达土星并成功进入轨道。伴随这艘飞船一起的,还有一台由欧洲制造的“惠更斯”(Huygens)着陆器,它将首次尝试着陆到土卫六的表面。

      卡西尼探测器任务的实施几乎革新了我们对于土星的各种认识,包括它复杂的光环,类型多样的卫星体以及磁场环境。卡西尼飞船是人类迄今发射的最遥远的行星人造卫星。在它抵达土星的第一时间便开始发回重要的探测数据并一直持续工作至今,其年龄超过了很多正在读到这篇文章的读者。卡西尼飞船对橘色大气笼罩,地表拥有丰富有机物质的土卫六进行了重点探测,大胆穿过土卫二极地上空喷射的水汽“喷泉”,并对土星本身与光环系统进行了前所未有的详尽调查。这些数据已经从根本上改变了我们对于土星系统以及行星形成理论的某些认识。

      由于探测器状态远好于预期,原计划只持续4年的卡西尼探测器一直在土星工作了13年之久,直到今天,9月15日,它即将结束自己的光荣使命。

      从起点——到终点:卡西尼-惠更斯项目时间线

      1997年10月15日:一枚“大力神IVB/人马座”火箭将卡西尼飞船从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角航天发射场发射升空;

      1998年4月25日:卡西尼-惠更斯探测器第一次近距离飞掠金星,执行行星轨道借力,最近时距离金星地表仅有大约284公里,此次行星借力后卡西尼飞船的速度提升7公里/秒;

      1999年6月24日:卡西尼-惠更斯探测器第二次近距离飞掠金星,执行行星轨道借力,最近时距离金星地表大约600公里;

      1999年8月17日:在升空大约两年之后,卡西尼-惠更斯探测器返回地球附近,执行第三次行星轨道借力飞行。最近时距离地球大约1100公里,从南太平洋(601099) 上空飞过,此次借力飞行中,地球给了卡西尼飞船大约每秒5.5公里的加速;

      1999年12月~2000年4月:卡西尼-惠更斯探测器穿越小行星带,它是人类历史上第七艘穿过小行星带的飞船。

      2000年12月29日:卡西尼-惠更斯探测器飞过木星附近,距离大约1000万公里。当时另一艘飞船“伽利略”号正在木星轨道上工作,两艘飞船共同对木星进行了考察;

      2004年7月1日:卡西尼-惠更斯探测器成功切入土星轨道,成为人类历史上首个人造土星卫星,同时也是历史上最遥远的人造行星卫星;

      2004年12月25日:卡西尼母船释放惠更斯着陆器,后者将独自飞行22天,前往土卫六;

      2005年1月13日:惠更斯着陆器成功降落土卫六,从而达成人类历史上最遥远的一次登陆行动;

      2017年4月26日:“壮丽终章”执行指令发出,卡西尼飞船根据指令调整轨道,踏上撞击土星自我毁灭的道路;

      2017年9月15日,北京时间19:54,卡西尼飞船将最终在土星大气层中焚毁,任务终结;

      2、卡西尼探测器与惠更斯着陆器

      卡西尼-惠更斯探测器是人类迄今发射过的最为雄心勃勃的探测器之一。她装备了世界上最先进最复杂的设备与相机,能够获取高精度数据并拍摄高清图像。

      正如名字明显暗示的那样,卡西尼-惠更斯探测器主要包括两部分:卡西尼轨道器,以及惠更斯着陆器。前者围绕土星轨道飞行,成为首个土卫人造卫星,后者则在2005年成功着陆到了土卫六的表面,这是太阳系里唯一一颗拥有浓密大气层的卫星,这也成就了人类历史上距离最遥远的一次登陆行动。

      卡西尼-惠更斯探测器采用三轴稳定设计,安装了许多不同的科学载荷,其中卡西尼轨道器上安装有12台设备,惠更斯着陆器上安装有6台设备。飞船通过一台高增益天线和两台低增益天线保持与地球之间的通讯联系。

      从某种角度可以说,卡西尼飞船是一台核动力飞船,因为它的电力系统是三台“同位素热差电机”(RTG),其原理是通过33公斤放射性同位素钚-238(二氧化钚形式)自然衰变过程中产生的热量来为飞船提供电力供应,保证科学设备、控制计算机和天线等的正常工作并进行温度控制。

      另外,可以说在某些方面,卡西尼探测器要比我们人类更加灵敏。比如说,它的“眼睛”能够感知到我们的肉眼无法感知的光线和能量,它还能感知到土星磁场的变化并分析周围空间里极其细微,肉眼根本看不到的尘埃的密度和成分。

      主要科学载荷包括:

      卡西尼轨道器上的科学载荷(12台):

      1)卡西尼等离子体光谱仪 (CAPS)

      CAPS是直接接触分析设备,能够测量飞船周围带电粒子的能级与电性(即该粒子内电子与质子的数量);

      2)宇宙尘埃分析仪(CDA)

      CDA是一台直接接触分析设备,能够分析土星周围尘埃颗粒的大小,飞行速度和方向等;

      3)合成红外光谱仪(CIRS)

      CIRS是一台遥感设备,能够测量从物体上发出的红外波段辐射,从而推断其温度,热性质与成分;

      4)离子与中性粒子质谱仪(INMS)

      INMS 是一台直接接触分析设备,主要用途是分析土星与土卫六附近空间内的带电粒子(比如质子和重离子),以及中性粒子(比如原子);

      5)成像科学子系统(ISS)

      ISS 是一套遥感设备,主要就是各类相机,有窄角相机也有广角相机。其拍摄波段主要在可见光波段,但也可以拍摄红外和紫外波段图像;

      6)双模式磁强计(MAG)

      MAG是一台直接探测设备,其能够测量飞船周围感受到的土星磁场强度和方向;

      7)磁层成像仪(MIMI)

      MIMI能够测量和感知被土星磁场束缚的粒子相关的数据与信息,从而了解土星磁场结构细节;

      8)雷达设备

      卡西尼搭载了雷达设备,该设备既能够被动接收雷达波反射信号,也可以主动发射雷达波进行探测,主要用于扫视被雾霾大气层覆盖下的土卫六地表景象;

      9)无线电与等离子体波科学设备(RPWS)

      RPWS能够测量土星发出的无线电信号,包括太阳风与土星以及土卫六磁场之间的相互作用产生的信号等;

      10)无线电科学子系统(RSS)

      RSS是一套遥测系统,使用从地球上发出的信号来对天体大气进行测量,比如通过观测地球上传来的无线电信号在土星以及土卫六大气中发生的变化来推断这些天体大气的成分,气压和温度等参数;

      11)紫外成像光谱仪(UVIS)

      UVIS是一台遥感设备,能够捕捉物体表面反射的紫外光波,比如土星云层及其光环表面,从而测算其结构与成分;

      12)可见光与红外成像光谱仪(VIMS)

      VIMS是一台遥感设备,包括两台相机:一台在可见光波段工作,另一台在红外波段工作。其能够用于判断土卫表面,土星卫星以及土星和土卫六大气层的成分与结构;

      惠更斯着陆器上科学载荷(6台)

      1)惠更斯大气结构测量仪(HASI)

      该设备主要用于惠更斯着陆器在土卫六大气层中下降时测定土卫六大气层的物理与电性结构;

      2)多普勒风速实验(DWE)

      该设备使用一台超稳定振荡器来帮助惠更斯着陆器改善与轨道上飞行的卡西尼母船之间的通讯联络。同时其可以通过多普勒效应测量土卫六大气中的风速大小。

      3)下降成像/光谱辐射计(DISR)

      主要用于在下降过程中拍摄下方土卫六地表的图像,并测量土卫六大气与地表的辐射平衡情况;

      4)气相色谱-质谱仪(GC/MS)

      这是一台多用途的气体分析设备,用于识别并测定土卫六大气的成分。

      5)气溶胶收集器和热解分析仪(ACP)

      这台设备会在飞船降落时通过一个过滤口采集空气中的气溶胶并放入加热器加热蒸发并进行分析,判断有机物成分;

      6)地面科学包(SSP)

      由于事先无法确认惠更斯着陆器着陆的地方究竟是陆地还是海洋,因此其搭载的这个设备包做了两手准备,不管在何种情况下其都能够正常工作并采集周围环境数据;

      3、卡西尼的壮丽终章

      在太空飞行20年之后,美国宇航局的卡西尼号探测器正在逐渐接近它生命的终点站。这背后的主要原因是卡西尼号自身携带的燃料即将耗尽,然而之前我们获得的知识已经告诉我们,在土星周围的几颗卫星,比如土卫二和土卫六,上可能拥有适宜微生物生存的原始宜居环境,尽管卡西尼号飞船在出发前经过了消毒处理,但如果不知道怎么回事,有一些细小的微生物竟然侥幸逃脱了消毒处理的杀灭,并且竟然奇迹般地附着在卡西尼飞船上并在太空存活了20年之久,那么在未来当卡西尼号飞船的燃料完全耗尽,地球上的控制人员无法再对其轨道与姿态进行适当控制的时候,失控的飞船就有可能与土卫六或者土卫二等卫星相撞,从而可能造成化学乃至生物污染,而这对于未来我们开展天体生物学研究来说是不能接受的结果。因此,科学家们经过深思熟虑,决定让卡西尼号探测器在尚有最后一些燃料,还能控制轨道的时候主动选择“自杀”,在土星大气层中安全地焚毁。

      从2010年开始,卡西尼探测器开始了为期7年的任务延续期,在此期间飞船多次飞过多颗土星卫星并首次有机会对土星上的季节变化进行了监测。这一计划从一开始就设想,在7年任务期间将会耗尽卡西尼飞船剩余的全部燃料,并最终以冲入土星大气层焚毁的方式结束使命。卡西尼飞船的命运在2017年的4月份被最终注定了,当时卡西尼飞船调整了轨道,这个新轨道将让她最终冲入土星大气层焚毁。但在此之前,她还有5个月的时间。宇航局的科学家们为她规划了大胆的任务:先后22次从土星与它光环之间的狭窄空档(宽度不超过2000公里)中穿过,并将这一计划命名为“壮丽终章”(the Grand Finale)。这是一个前所未到的未知区域,卡西尼飞船在生命中最后五个月期间的工作将极大地丰富科学家们对于这一区域的了解。

      在2017年9月15日,卡西尼飞船将最后一次接近土星。但这次与以往的上百次类似接近都不一样,这一次她不会再绕开土星,而是勇敢地一头撞向这颗气体星球,冲入土星大气层,并在这一过程中利用仅剩的最后一些燃料启动姿态控制发动机努力维持姿态,将它的天线对准地球,并开启所有探测设备,在坠落焚烧的过程中将所有能够采集到的数据全部发给地球,直到她再也无法支撑,直到最终粉身碎骨。地球上控制中心内,那个来自土星,持续了20年的亲切信号将终于消失。

      4、卡西尼的科学成就

      在卡西尼飞船之前,我们对于土星的了解很少。先驱者11号以及两艘旅行者飞船在数十年前先后对土星进行了短暂的飞掠考察,在匆匆一瞥中拍摄了一些图像,并获取一些近距离探测数据。

      这些先驱性的探测向我们展示了一个复杂的行星世界,绚丽的光环,多样的卫星和性质奇特的磁场。但所有这些都是时间的片段,科学家们需要连续的观测数据。

      于是,专门的土星探测器:卡西尼探测器应运而生。这是人类首次有机会长期、近距离的观察土星及其卫星系统。土星一年的时长大约相当于地球上的29年,也就是说,土星上每一个季节的长度都相当于地球上的整整7个年头。而从2004年到2017年,卡西尼飞船在土星轨道上一共运行294圈,连续观测长达13年,几乎相当于土星上的半年的时间。在卡西尼飞船刚刚抵达时,土星北半球正逐渐从深冬中走出,迎来新的春天。而现在,土星北半球已经开始迎接夏季的到来。

      卡西尼飞船又太多的科学成就,在有限的篇幅内没有办法一一叙述,以下仅对其中最重要的土卫六和土卫二的发现进行介绍:

      1) 土卫六——太阳系最奇特的卫星

      在卡西尼探测器之间,我们对于土卫六了解很少,只知道它是土星最大的卫星,大小几乎与水星接近,并被一层厚厚的富氮大气所覆盖。而卡西尼探测器携带的设备能够穿透这层厚厚的大气,让我们窥见土卫六的地表景象,分析其大气成分,并发现了土卫六表面的液态海洋,甚至还第一次将一颗着陆器送上了土卫六!

      2005年的着陆行动之后,全球各地的科学家们一直在忙于分析惠更斯着陆器传回的数据。这些数据极大丰富了我们对于这个神秘世界的认识。

      我们现在知道土卫六上存在湖泊和海洋,这些湖泊海洋中的液体主要是甲烷和乙烷,并且这些湖泊海洋更多地集中在两极高纬地区,而在低纬度靠近赤道的区域则广泛分布着干旱地区,大量暗黑色的,由碳氢化合物组成的沙漠覆盖这些地区。而在土卫六的深深地下,可能存在一个巨大的液态水海洋。

      卡西尼探测器的长寿命让科学家们首次有机会能够对土星系统进行持续监测,因为某些东西是必须要靠一定时间的持续观测才能取得成果的,比如说水循环和四季变化。

      土卫六是整个太阳系内除了地球之外唯一一个被发现拥有液体循环的星球,尽管它的液体并不是液态水。土卫六上每个季节长度是7.5个地球年。从2011年以来,卡西尼探测器注意到在土卫六的南极地区附近出现了从秋季向冬季转变的趋势,同时北半球则开始显露夏季来临的种种迹象。

      在土卫六表面,卡西尼飞船观测到大量类似地球上撒哈拉大沙漠中那种波浪状的沙丘,主要集中在接近赤道的地区。科学家们认为这些沙丘成分不是硅酸盐而是碳氢化合物组成的有机质颗粒。图像显示这些沙丘的宽度一般可以达到1~2公里,绵延数百公里,高度超过100米,非常巨大。

      惠更斯着陆器首次实现了对土卫六底层大气的直接探测。返回的数据包括各种气体成分的高度数据,同位素比值和微量气体以及有机物颗粒成分含量等等。惠更斯着陆器还进行了气溶胶的直接取样和分析,并确认了这些颗粒物的主要成分是碳和氮。

      科学家们注意到,土卫六大气中显示复杂的化学特性,主要由甲烷和氮气相互作用并产生复杂的化学分子,最终形成笼罩整个土卫六的厚厚橘色雾霾。科学家们认为土卫六上会有降雨现象,但是降下来的不是液态水滴,而是液态的甲烷和乙烷,但土卫六上为何会有这么多的有机物质,目前仍然无法解释。

      2) 土卫二——冰冻水星球

      数十年以来,科学家们并不知道土卫二其实是太阳系里面表面反照率最高的星球——也就是说,这颗星球看上去是最白的!我们也不知道土卫二与土星光环中的E环之间存在着怎样的密切联系。卡西尼的探测结果发现,土卫二地表覆盖的“皑皑白雪”,以及E环中大量的冰粒物质,其实都来自土卫二地下的全球性盐水海洋以及地表形成的太空热泉喷流。

      在卡西尼飞船抵达之前,行星科学家们只是在1980年代旅行者飞船拍摄的图像中注意到土卫二的地表似乎特别光滑,并且亮度很高。但后来我们才了解到,其实这颗直径500公里的小卫星是太阳系里反照率最高的星球。

      卡西尼飞船的磁强计采集的数据引起了科学家们的注意——土卫二附近似乎有什么东西在扰动土星磁场,似乎有什么东西在从土卫二上向外喷射。

      很快,卡西尼飞船便找出了事情真相:土卫二是一颗极为活跃的星球,其地下存在一个巨大的全球性地下盐水海洋。并且,透过其地表的巨型裂谷系统,这个地下海洋正向太空中喷射大量的水汽和冰晶,卡西尼飞船测定其喷出的速度高达每秒400米左右,形成一个高出土卫二地表数百公里的“太空喷泉”。其中有些水冰物质会落回土卫二地表,构成了那里的“皑皑白雪”,另一些则逃离土卫二并补充到了土星光环中的E环之中。

      2005年,卡西尼飞船上的相机对土卫二地表进行了详细成像,在其南极地区发现大量被称作“虎斑”的裂谷系统。这里的地形出乎意料的年轻且复杂,几乎完全没有撞击坑。整个地区似乎漂浮着大量的海上冰山和裂隙遍布的表面。令人意料之外的是,探测器还探测到这些裂谷系统上方似乎存在水汽和冰晶成分,后续的数据分析工作确凿无疑的确认这些裂谷内正在喷射出水体。

      在2008年的一次近距离飞掠中,卡西尼飞船勇敢地直接穿越这片水雾,并使用设备直接对水汽样本进行分析,结果发现其中成分包括挥发性气体,水汽,二氧化碳和一氧化碳,以及有机物质的混合成分。而这些有机物质的密度则超过事前预计数值的20倍以上。

      随着时间推移,科学家们注意到土卫二地表的这些裂谷系统正处于不断地运动之中,有些地方裂谷在缩小,有些地方则在扩大。显然土卫二正在遭受强烈的潮汐作用,而这很有可能为这颗小小的星球提供的大量的热源。

      而通过重力测量数据,科学家们认为在土卫二南极地区下方大约30~40公里厚的冰层之下,有一个深度大约10公里的巨型地下海洋。

      2015年10月,卡西尼飞船最后一次飞掠土卫二,但她采集的数据,将让科学家们在未来多年内受益无穷。

      后记:

      卡西尼飞船是一个机器人(300024) ,它没有知觉,没有感情,只会忠实地执行地球上的工程师们发给她的每一条指令,在过去的将近20年间,这些指令让卡西尼飞船东奔西走,并同时避免了与土星和周围卫星与光环的相撞。20年来,卡西尼号飞船在地面指令的引导下,取得了丰硕的探测成果并且身体健康,完好无损。

      2017年4月26日的某个时刻,就如往常一样,卡西尼飞船接收到地球上发出的一条指令:调整轨道。卡西尼飞船一如既往地忠实执行了这条指令,可是这次的指令与之前的都不一样,这条新轨道将让她最终踏上冲入土星大气层并彻底烧毁的不归路。

      此时此刻,15亿公里之外的太空深处,卡西尼飞船正朝着土星大气层义无反顾的飞去,它将努力将天线对准地球,发出最后的一批数据,直到化作一颗流星划过土星的天空。这是地球送给土星最特别的礼物。

      致敬,20年的太空英雄。再见,卡西尼。(晨风)

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