卡西尼號(hào)探測(cè)器在美國(guó)東部時(shí)間15日上午沖入土星大氣墜毀，結(jié)束了二十年的征程,?？ㄎ髂崽?hào)是第一艘環(huán)繞土星的空間探測(cè)器，完成最后任務(wù)之后,，除了帶給我們土星系統(tǒng)的第一手?jǐn)?shù)據(jù),，也將啟發(fā)人類繼續(xù)探索太空?！犊茖W(xué)美國(guó)人》繁體中文版邀請(qǐng)中國(guó)臺(tái)灣“中央大學(xué)”的天文學(xué)家葉永烜為我們解讀了卡西尼號(hào)取得的科學(xué)成就,，以及卡西尼之后，人類的太空探索之旅,。

作者簡(jiǎn)介：

葉永烜曾任職于馬克斯普朗克高層大氣研究所（今馬克斯·普朗克太陽(yáng)系研究所）,，現(xiàn)在中國(guó)臺(tái)灣“中央大學(xué)”天文研究所與太空科學(xué)研究所任教。

卡西尼號(hào)宇宙飛船從2004年進(jìn)入土星系統(tǒng),，至今已13年,。今年，卡西尼號(hào)的燃料所剩無(wú)幾,，不能再像以前一樣大幅改變軌道,，美國(guó)航空航天局（NASA）因此執(zhí)行“盛大謝幕”（TheGrandFinale）任務(wù)，在這最后一段旅程中,，卡西尼號(hào)的繞行軌道會(huì)進(jìn)入土星大氣層和土星環(huán)內(nèi)側(cè),，經(jīng)過最接近土星的位置總共22次，一次又一次進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,，希望能解答幾個(gè)基本問題,，例如土星的內(nèi)部構(gòu)造和非常對(duì)稱的磁場(chǎng)來(lái)源。 

在今年展開“盛大謝幕”計(jì)劃前,，卡西尼號(hào)已經(jīng)探測(cè)了土星環(huán)20次（灰色）,；4月26日開始進(jìn)行22次貼進(jìn)土星大氣的探測(cè)（藍(lán)色）

自從我們提出卡西尼計(jì)劃開始，35年轉(zhuǎn)瞬即逝,，當(dāng)年遙不可及的目標(biāo),，現(xiàn)在不僅近在咫尺，甚至擦肩而過,，卡西尼號(hào)很多重要發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家更了解土星及其衛(wèi)星,，例如土衛(wèi)六（Titan）的局部甲烷海、土衛(wèi)二（Enceladus）的地底熱泉及土星磁層的帶電粒子加速作用?，F(xiàn)在回想,，這項(xiàng)極為復(fù)雜的計(jì)劃，費(fèi)盡了多少人的心血和努力才有今日的成就,，或許我們一開始的工作是最簡(jiǎn)單且容易的,。 

然而，我們?nèi)绻私馐鞘裁匆蛩仳?qū)動(dòng)了這樣充滿雄心的探索計(jì)劃,，可能要從兩位18,、19世紀(jì)的德國(guó)人說(shuō)起。洪堡（AlexanderVon Humboldt）與謝里曼（HeinrichSchliemann）是我非常景仰的人,。洪堡是博物學(xué)家,，年輕時(shí)游歷南美洲，把這塊陌生大陸的地理人文介紹給歐洲科學(xué)家,，也引起達(dá)爾文對(duì)生態(tài)學(xué)的興趣,。謝里曼是白手起家的商人，他對(duì)荷馬史詩(shī)中的木馬屠城記很有興趣,，壯年后投入所有財(cái)富和精力發(fā)掘特洛伊古城,，改變西方人對(duì)古代史的認(rèn)識(shí)。這兩個(gè)例子說(shuō)明,，好奇心是人類本性,，有好奇心才能不怕失敗發(fā)掘新知，勇闖前所未見,、人跡罕至之處,，成為社會(huì)和科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。所以歐美國(guó)家資助基礎(chǔ)科學(xué)研究不遺余力,，希望激發(fā)潛在的好奇心,，使科技更進(jìn)步。因此,，先進(jìn)國(guó)家積極發(fā)展天文學(xué)和行星探測(cè)計(jì)劃以拓展人類知識(shí)疆界,，例如卡西尼計(jì)劃及其他太空任務(wù)，特別是前往外太陽(yáng)系的一連串計(jì)劃,。 

1972年12月,，當(dāng)NASA阿波羅17號(hào)的航天員還在月球執(zhí)行任務(wù)時(shí)，先鋒10號(hào)也航向木星（緊接著是先鋒11號(hào)）,，并在1979年9月1日飛掠土星,。那天我在NASA阿姆斯研究中心與加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士菲烈斯（WalkerFillius），一同等待高能粒子實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)傳回,；這是我和土星首次相遇,，好像和宇宙飛船一起到人類未涉足之地，這種感覺實(shí)在難忘,。 

先鋒10號(hào)和11號(hào)是NASA原名偉大旅程（TheGrandTour）的外太陽(yáng)系探測(cè)計(jì)劃前奏曲,。1980~1990年，木星、土星,、天王星,、海王星和冥王星在軌道上的位置恰好可讓宇宙飛船依序飛掠，是近距離觀測(cè)的最佳機(jī)會(huì),。該計(jì)劃后來(lái)更名為航海家（Voyager）,，兩艘宇宙飛船在1977年相繼發(fā)射,。 

當(dāng)航海家任務(wù)尚在規(guī)劃時(shí),，科學(xué)家經(jīng)地面望遠(yuǎn)鏡觀察發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六有很厚的大氣層,。根據(jù)光譜分析,，大氣主要成份除甲烷外，可能還有氮?dú)饣蚱渌麣怏w,。航海家1號(hào)因此改道經(jīng)過土衛(wèi)六,，失去“行星全壘打”的機(jī)會(huì)。直到2015年新視野號(hào)（NewHorizons）傳回影像,，我們才一窺冥王星的廬山真面目,。 

航海家1號(hào)在1980年11月穿越土星系統(tǒng)，并飛掠土衛(wèi)六這顆土星衛(wèi)星中的“巨人”,，證實(shí)氮?dú)庠谄浯髿庵兴急嚷首罡?，雖然表面溫度只有-180℃，但表面氣壓是地球的1.6倍,?？茖W(xué)家也發(fā)現(xiàn)，大氣之所以呈現(xiàn)橙黃色且不透明,，是其中占2~3%的甲烷經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)生成乙烷（C2H6）和碳?xì)浠衔?/strong>,，累積在大氣或掉落表面所致。奇妙的是,，根據(jù)物理化學(xué)分析,，甲烷和乙烷在表面是以液態(tài)存在，如果土衛(wèi)六形成后乙烷和碳?xì)浠衔锉悴粩嗌?，那不透明的大氣下可能有一片深達(dá)1~2公里的海洋,。這樣的環(huán)境加上以氮?dú)鉃橹鞯拇髿猓诸愃圃嫉厍?，是探究生命起源的絕佳地點(diǎn),，對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，土衛(wèi)六是一個(gè)充滿謎團(tuán)的新世界,！ 

完成了行星探測(cè)計(jì)劃的首要任務(wù)：投石問路,，飛掠探查，接著就是長(zhǎng)期繞行該行星，仔細(xì)測(cè)量各區(qū)域和不同時(shí)間尺度的變化,。因此在兩艘航海家號(hào)發(fā)射之前三年,，NASA已和德國(guó)航空太空中心(DLR)討論繞行木星的伽利略任務(wù)，希望長(zhǎng)期觀測(cè)木星大氣層和磁層及其各顆衛(wèi)星,，所以下一步自然該是土星任務(wù),。但1980年代初期，由于太空計(jì)劃經(jīng)費(fèi)超支和種種技術(shù)問題,，NASA的行星探測(cè)計(jì)劃好像泄了氣的皮球,，所有新計(jì)劃只強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單和省錢。

在此背景下,，我在1982年初的一場(chǎng)會(huì)議上偶然拾起NASA阿姆斯研究中心的一本宣傳書,，書中介紹土衛(wèi)六的大氣探測(cè)器和雷達(dá)實(shí)驗(yàn)。該中心曾研發(fā)金星（先鋒金星號(hào)）任務(wù)和木星（伽利略任務(wù)）的大氣探測(cè)器,，因而對(duì)土衛(wèi)六大氣有興趣,；土衛(wèi)六雷達(dá)發(fā)射的無(wú)線電波則可以穿越不透明的大氣層，對(duì)地表進(jìn)行勘察,。這兩個(gè)想法具有科學(xué)價(jià)值又大膽,，但只能對(duì)土衛(wèi)六進(jìn)行一次短暫的近地測(cè)量，而且只對(duì)某些研究領(lǐng)域有貢獻(xiàn),，所以不算是完整計(jì)劃,。但這提醒我們，雷達(dá)實(shí)驗(yàn)和大氣探測(cè)器對(duì)土衛(wèi)六的研究很重要,。因此當(dāng)年歐洲航天局（ESA）在征求太空任務(wù)提案時(shí),，我們便提出土衛(wèi)六探測(cè)器計(jì)劃，也促成ESA與NASA再次合作,。當(dāng)卡西尼-惠更斯任務(wù)最終成行后,，這兩個(gè)想法也分別成為最有特色、成果豐碩的科學(xué)儀器——惠更斯探測(cè)器與卡西尼號(hào)上的雷達(dá)實(shí)驗(yàn),。

卡西尼惠更斯號(hào)在2004年7月1日抵達(dá)木星,，同年12月23日投放ESA的惠更斯探測(cè)器，進(jìn)入土衛(wèi)六大氣,，過程中有兩個(gè)多小時(shí)可針對(duì)大氣構(gòu)造和化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)量,。卡西尼號(hào)繼續(xù)繞行土星,，并近距離（離表面僅一千公里）對(duì)土衛(wèi)六進(jìn)行雷達(dá),、質(zhì)譜儀和其它觀測(cè)。由于原定四年的任務(wù)相當(dāng)順利,，成果很豐碩,，卡西尼號(hào)的任務(wù)不斷增加,、服役時(shí)間不斷延長(zhǎng)，首先是2008-2001年的春分任務(wù),，目標(biāo)是研究太陽(yáng)光直射土星赤道時(shí)土星環(huán)和大氣的變化,，最后是2010到2017年的夏至任務(wù)。監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光逐漸上移到土星北半球?qū)?yīng)的季節(jié)變化,。

卡西尼號(hào)利用土衛(wèi)六重力改變航道飛越其它土星衛(wèi)星,。土衛(wèi)二本來(lái)不是最重要的目標(biāo)，但是在發(fā)現(xiàn)其南極的噴流后,，NASA幾乎重新設(shè)計(jì)卡西尼號(hào)的軌道,，增加飛掠次數(shù)達(dá)22次。這功夫沒有白費(fèi),，在距離土衛(wèi)二表面僅24公里的一次飛掠中,，卡西尼號(hào)穿越南極噴流，透過質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地下海洋可能適合生命存在,，NASA可能就因這一點(diǎn)決定提早進(jìn)行新的土衛(wèi)二探測(cè)計(jì)劃。

土衛(wèi)二有一片遍布全衛(wèi)星的地下海洋,，表面部分區(qū)域沒有隕石坑,，和其他坑坑洼洼的部分區(qū)別很大。土衛(wèi)二南極有數(shù)條裂縫,，水汽和塵埃從中噴出,。

今年在執(zhí)行盛大謝幕任務(wù)前，NASA先讓卡西尼號(hào)移至土星環(huán)F環(huán)外側(cè),，從4月26日到9月15日為止,，太空船每11天經(jīng)過土星環(huán)內(nèi)側(cè)和土星大氣外側(cè)，進(jìn)行前所未見的探測(cè),，總共22次,。這次卡西尼號(hào)將距離土星氣壓一巴（bar）處僅2000公里，測(cè)量重力場(chǎng),；科學(xué)家希望借此得到土星環(huán)質(zhì)量,、土星核心大小及內(nèi)部質(zhì)量分布的精確數(shù)據(jù)；另外關(guān)于土星大氣緯向風(fēng)系統(tǒng)的來(lái)源,、非常對(duì)稱的磁場(chǎng)強(qiáng)度是否有變化,，極光圈的形成，以及土星大氣和土星環(huán)間的作用,，或是土星大氣的動(dòng)力學(xué)是否和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),，都是這次的任務(wù)重點(diǎn)。

卡西尼號(hào)在9月15日進(jìn)入土星大氣焚毀,，成為土星的一部分,，這樣做是根據(jù)空間研究委員會(huì)（COSPAR）制定的《行星保護(hù)國(guó)際公約》,，目的是防止地球有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入其他可能適合地球生命生存的行星或衛(wèi)星表面而造成污染，因此火星登陸器和探測(cè)車在發(fā)射前都要消毒,，以免地球的細(xì)菌和微生物對(duì)火星可能存在的生物圈造成影響,。同樣的，火星帶回來(lái)的標(biāo)本也要隔離,，防止和外界直接接觸,。順帶一提，20年前我參加COSPAR會(huì)議,，聽到相關(guān)討論的重點(diǎn)多放在月球和火星,，發(fā)言者多為歐美和俄羅斯科學(xué)家。現(xiàn)今日本,、中國(guó),、印度的研究人員也加入討論，目標(biāo)天體則包括多顆衛(wèi)星和最大的小行星谷神星(Ceres),。

NASA很注重地外生命議題,，因?yàn)樘剿魈?yáng)系的下一步將是兩項(xiàng)用于尋找生命蹤跡的衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃，繞行木星的土衛(wèi)二快艇號(hào)（Europaclipper）,，以及飛掠土衛(wèi)二及土衛(wèi)六的海洋世界計(jì)劃（OceanWorlds）,，這兩項(xiàng)計(jì)劃也將采用比卡西尼號(hào)的離子及中性粒子質(zhì)譜儀靈敏度更高的儀器，希望測(cè)量出木衛(wèi)二或土衛(wèi)二的大氣及噴流中測(cè)量出來(lái)的稀少大質(zhì)量有機(jī)分子和同位素（甚至微生物）,。海洋世界計(jì)劃尚需NASA定奪,，但木衛(wèi)二快艇號(hào)預(yù)計(jì)在2022年發(fā)射，另外ESA也預(yù)計(jì)于同年發(fā)射木星冰凍衛(wèi)星探險(xiǎn)者號(hào)（JUICE）,，繞行木衛(wèi)三（Ganymede）,。未來(lái)十年，木星系統(tǒng)將很熱鬧,。

過去也有針對(duì)外太陽(yáng)系行星探測(cè)的提議,。最成熟的是1982年的土星大氣探測(cè)器，另外是天王星軌道探測(cè)器,。本來(lái)緊接著卡西尼計(jì)劃的應(yīng)該是土星大氣探測(cè)器任務(wù),，但因?yàn)槟拘l(wèi)二和土衛(wèi)二在生命起源上扮演關(guān)鍵角色而擱置一旁。從此例可以看到長(zhǎng)期規(guī)劃對(duì)科學(xué)發(fā)展固然重要,，但也常被重要發(fā)現(xiàn)打亂腳步,，反而引領(lǐng)我們轉(zhuǎn)往新方向。目前科學(xué)家已提出各種有趣想法,，可作為發(fā)展新一代木衛(wèi)二和土衛(wèi)二地下海洋,，以及土衛(wèi)六大氣和甲烷海的探測(cè)計(jì)劃基礎(chǔ)，說(shuō)不定將有數(shù)代科學(xué)家會(huì)把一生精力放在這里,，就像謝里曼挖掘特洛伊遺跡那樣,。

深空探測(cè)目的是開拓人類的知識(shí)邊界,，就像洪堡短短五年的南美洲之旅帶給地理學(xué)和生物學(xué)翻天覆地的改變。假如有機(jī)會(huì)我們應(yīng)該積極爭(zhēng)取國(guó)際大型合作計(jì)劃,，例如天王星和海王星的軌道探測(cè)器以及大氣探測(cè)器——UNO（Uranus& NeptuneOrbiters）計(jì)劃,。天王星很特別，其自轉(zhuǎn)軸與黃道面傾角是98°,。一種說(shuō)法是天王星形成后,，被另一顆大小類似地球的天體撞擊，把本來(lái)與黃道面幾乎垂直的自轉(zhuǎn)軸撞歪,，其衛(wèi)星可能也是碰撞后才形成,。海王星更有趣，最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一（Triton）的繞行方向與海王星自轉(zhuǎn)方向相反,，說(shuō)明它不是與行星一同形成的,，可能是一顆從海王星軌道外捕獲的天體。航海家2號(hào)在1989年飛掠海王星時(shí),，發(fā)現(xiàn)海衛(wèi)一有氮?dú)饨M成的稀薄大氣,，表面分布氮冰與甲烷還有氣體和塵埃從表面噴出。海衛(wèi)一可能是太陽(yáng)系生成時(shí)留下的行星胚胎,，值得在UNO計(jì)劃中近距離飛掠,，或者利用軌道探測(cè)器對(duì)海衛(wèi)一仔細(xì)研究。

搜尋系外行星和地外生命是當(dāng)前天文學(xué)進(jìn)展最快的領(lǐng)域之一,，從此觀點(diǎn)來(lái)看，太陽(yáng)系其實(shí)是最好的實(shí)驗(yàn)室,。因此需要盡快完成所有行星和衛(wèi)星的探測(cè)工作,，尤其是關(guān)于天王星和海王星如何從太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)移動(dòng)到外側(cè)，這是太陽(yáng)系演化過程中特別重要的軌跡移動(dòng)現(xiàn)象,，要等到UNO計(jì)劃真正執(zhí)行,，人類才能完成太陽(yáng)系勘察。如果可以聯(lián)合各國(guó)太空機(jī)構(gòu)參與,，肯定更有意義,。