原文以Cassini’s 13 years of stunning Saturn science — in pictures為標(biāo)題

發(fā)布在2017年8月30日的《自然》新聞特刊上

原文作者：Alexandra Witze

20年前，在佛羅里達(dá)的一個悶熱而又潮濕的清晨,，卡西尼號無人航天器從卡納維拉爾角呼嘯而起,，劃亮了天空。在經(jīng)歷了35億千米的旅程,，并圍繞土星運(yùn)行了13年后,，卡西尼號的燃料將要耗盡。今天,，9月15日,，卡西尼號在地球上的控制中心將使它墜入土星大氣層的云頂，防止它和土星衛(wèi)星意外相撞,，污染任何可能孕育生命的星球,。

2004年，卡西尼號成為首個環(huán)繞土星運(yùn)行的航天器,。

NASA/JPL

直到輝煌炙熱的“終曲”響起前,，卡西尼號會一直向地球發(fā)送數(shù)據(jù)——不愧是人類歷史上最成功的星際任務(wù)之一?？ㄎ髂崽柡教炱魇敲绹娇蘸教炀?span>（NASA）,、歐洲航天局（ESA）和意大利航天局（Italian Space Agency）的一個合作項目，也是第一個圍繞土星運(yùn)行的航天器,。和最早飛臨土星的航天器先驅(qū)者11號（Pioneer 11,，1979年）,、旅行者1號（Voyager 1 ，1980年）,、旅行者2號（Voyager 2,，1981年）相比,，卡西尼號擁有更多搜集科學(xué)數(shù)據(jù)的時間,，而卡西尼號也確實(shí)帶來了不少新發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)卡西尼號繞著威嚴(yán)的土星旋轉(zhuǎn),、沿著優(yōu)美的土星環(huán)舞蹈,，并和土星奇異的衛(wèi)星擦身而過時，它收獲了數(shù)量驚人的新數(shù)據(jù),。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的行星科學(xué)家,，同時參與了卡西尼號項目的Linda Spilker 表示，“籌備卡西尼號的時間很漫長,，但絕對值得等待,。它獲得了如此多的令人難以置信的成就，我們感到非常自豪,?！?/p>

Cassini: NASA/JPL; Orbital schematic: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech

卡西尼號發(fā)現(xiàn)了促使土星環(huán)形成的混沌動力學(xué)以及土衛(wèi)二上噴發(fā)出的間歇泉，并且還目睹了土星大氣層中洶涌澎湃的風(fēng)暴,。它還觀察到了近半個土星年中季節(jié)的變換,，一開始是晝夜平分點(diǎn)，后來是至日,，季節(jié)變換也引起了氣候模式的變化,。縱觀卡西尼號任務(wù)的始末可以發(fā)現(xiàn)，土星已不再是個陌生的星球,，而把它富于連續(xù)變化的,、充滿活力的一面展現(xiàn)在我們面前。卡西尼號的觀測成為了理解氣態(tài)巨行星復(fù)雜性的基石,。NASA的朱諾號太空探測器繼承了卡西尼號的“遺志”,，目前在木星附近探測。

土衛(wèi)二上的間歇泉向太空噴射出水蒸氣和混合著有機(jī)物分子的冰晶,。

NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona/Univ. Idaho

卡西尼號釋放惠更斯號探測器的那一刻也創(chuàng)造了歷史,，因?yàn)榛莞固柼綔y器是第一個在外太陽系著陸的航天器。2005年,，惠更斯號探測器花了兩個半小時才英勇地降落在了土衛(wèi)六上,，隨后它發(fā)回了土衛(wèi)六的快照?？雌饋磉@個星球是一片冰凍的漫灘,，地表的巖石星羅棋布,。卡西尼號隨后的測繪表明，土衛(wèi)六上密布著碳?xì)浠衔锏暮春秃恿?，天上則下著甲烷雨和乙烷雨,，雨水又回流到湖泊和河流里。

土衛(wèi)六的湖泊里是液態(tài)的碳?xì)浠衔?，在陽光的照射下閃閃發(fā)光,。

NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona/Univ. Idaho

由于官方并不打算在近期再次派探測器前往土星，因此9月15日將成為一個時代的終結(jié),。Spilker 表示,，“在卡西尼號投身土星大氣的最后那一天，我們將一直監(jiān)視它發(fā)回的信號,。那個道別的日子將很煎熬,。”

衛(wèi)星的展覽館

卡西尼號帶來的最大驚喜是,，它研究了超過60個土星衛(wèi)星,。它給我們帶來的問題和解決的問題一樣多。

在這一系列拍攝于2005年的照片中,，土星的三個衛(wèi)星——土衛(wèi)十一,、土衛(wèi)十，以及更大的土衛(wèi)四相互擦身而過,。

NASA/JPL/Space Science Institute

當(dāng)一大圈物體從土星的另一個衛(wèi)星——土衛(wèi)九上魚貫而下時,，研究人員終于發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)八的秘密。原來土衛(wèi)八長著一張陰陽臉——半面明亮,，半面黯淡無光,，這是因?yàn)樗那鞍朊鎻耐列l(wèi)九上掉落的巖屑中跋涉過的原因。在研究為什么帶著坑坑洼洼的環(huán)形山的土衛(wèi)一在它的自轉(zhuǎn)軸上晃晃悠悠的時候,，卡西尼號的科學(xué)家意識到,，這個星球要么有一個地下海洋，要么它的內(nèi)核被拉得很長,。

土星的衛(wèi)星有各種各樣的形狀,。

NASA/JPL-Caltech/SSI

卡西尼號對土星最小的衛(wèi)星進(jìn)行了觀測，以前從沒有那么近距離地觀察它們,?？ㄎ髂崽柊l(fā)現(xiàn)這些小衛(wèi)星每個都長得奇形怪狀。土衛(wèi)七看起來像塊海綿,；土衛(wèi)十八看起來像一個太空意大利餃子,；土衛(wèi)十七上有個巨大的撞擊坑，這是很久以前的一次碰撞留下的“傷疤”,。

在土衛(wèi)六朦朧的地表,，散落著和巖石一樣堅硬的冰塊,，裝飾著這片不一樣的風(fēng)景。

ESA/NASA/JPL/University of Arizona

不過最令人驚訝的觀測來自土衛(wèi)六和土衛(wèi)二,。土衛(wèi)六是土星最大的衛(wèi)星,。在土衛(wèi)六上，卡西尼號發(fā)現(xiàn)了一個和生命誕生前的洪荒地球的化學(xué)成分類似的世界,。惠更斯號著陸器是電池驅(qū)動的,，它在土衛(wèi)六表面運(yùn)行了72分鐘。在這段期間,，它拍攝了土衛(wèi)六地表的照片,，從照片中可以看到土衛(wèi)六籠罩在橙色的濃霧中,，地面上散落著冰凍的巖石,。

卡西尼號從上方用雷達(dá)和其他儀器為土衛(wèi)六進(jìn)行了測繪。測繪結(jié)果表明,，土衛(wèi)六上有巨大的冰山丘,，這些山丘的表面覆蓋著一層薄薄的碳?xì)浠衔铩Ｉ角鹪诔嗟栏浇暄蚜藬?shù)百千米,。在土衛(wèi)六上會下甲烷雨和乙烷雨,，雨水積聚成碳?xì)浠衔锏暮恿骱秃础?strong>卡西尼號還拍攝到了這些水體反射陽光的照片，甚至用雷達(dá)對這些水體底部進(jìn)行了測繪,，大致測定了它們的深度,，為未來潛水器的任務(wù)做了準(zhǔn)備。

不過,，土衛(wèi)二還是搶走了土衛(wèi)六的風(fēng)頭,。在卡西尼號到來前，土衛(wèi)二被認(rèn)為是一顆沒有生氣的衛(wèi)星,，但實(shí)際上它的南極附近有一些形似虎紋的裂縫,，這些巨大的裂縫向外噴吐著冰晶和水蒸氣。這些間歇泉的能量來自于土星引力的拉扯,，它們每秒會噴吐200千克含有鹽和有機(jī)物的物質(zhì),。

間歇泉噴出的物質(zhì)中含有二氧化硅顆粒，這讓卡西尼號的科學(xué)家大吃一驚,。這些二氧化硅可能是土衛(wèi)二深處海底熱泉內(nèi)的水和巖石相互作用形成的,。在地球上，類似的海底熱泉是微生物的沃土,，雖然沒有陽光,，但它們卻因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)釋放的能量欣欣向榮。因此,，土衛(wèi)二一躍成為外星微生物搜尋地榜單的第一位,。行星科學(xué)家們已經(jīng)在計劃再派探測器飛躍土衛(wèi)二間歇泉的煙羽,，搜尋生命的痕跡。

不斷變幻的土星環(huán)

土星環(huán)是土星的標(biāo)志性特征,，它們是由數(shù)十億冰屑構(gòu)成的,。從遠(yuǎn)處望去，土星環(huán)看起來固定不動,，如同一件完美的雕刻品,。但是卡西尼號發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的一些形成機(jī)理，并展示出土星環(huán)動態(tài)的本貌,。土星環(huán)也會成型,、變形和消失，有時這整個過程只需幾小時,。

土星環(huán)只有100米左右的厚度,，它的形狀是由許許多多鑲嵌在其中的衛(wèi)星和小衛(wèi)星造就的。在這張圖片里,，土衛(wèi)十七并不在土星主環(huán)中,。

NASA/JPL/SSI

卡西尼號發(fā)現(xiàn)，即使是土星最小的衛(wèi)星的引力也能引導(dǎo)土星環(huán)顆粒形成光滑優(yōu)美的環(huán)帶,。比如,，小小的土衛(wèi)十八的直徑雖然只有28千米，但它在土星環(huán)中清掃出了一條寬寬的軌跡,。這條空隙兩邊或明或暗的環(huán)帶反映出了土衛(wèi)十八引力的作用,。多年間拍攝到的照片顯示，土星的衛(wèi)星在連續(xù)不斷地塑造和雕刻土星環(huán),。在卡西尼號到來并長時間觀測之前,，這個現(xiàn)象并不為人所知。

土衛(wèi)十八在土星環(huán)中掃除了一條名為恩克環(huán)縫的斷帶,。

NASA/JPL-Caltech/SSI

但是土星的衛(wèi)星們畢竟不是完美的“牧羊人”,。土星的F環(huán)是一條狹窄的環(huán)帶，位于主環(huán)外圍,?？ㄎ髂崽柊l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)環(huán)內(nèi)會瞬時噴發(fā)出一種名為“微型噴流”（mini-jets,，見下圖）的物質(zhì),。附近土衛(wèi)十六的引力或許就是造成環(huán)內(nèi)冰晶聚結(jié)成雪球狀的微型噴流的原因。

在土星的F環(huán)內(nèi),，引力擾動使環(huán)內(nèi)物質(zhì)聚結(jié)起來并向外突起,，形成一些“冒著煙”的噴流狀物體。

NASA/JPL-Caltech/SSI

這些變大的物體向外凸起,，像一張積灰的紗網(wǎng)一般在身后留下了一條可長達(dá)180千米的顆粒尾跡,，使本來完美無缺的土星環(huán)留下了瑕疵,。在土星環(huán)系統(tǒng)的邊緣，類似的微型噴流不斷產(chǎn)生又消逝,。

在更宏觀的尺度上也發(fā)生著戲劇性的變化,。在土星晝夜平分點(diǎn)的時候，陽光以陡峭的斜角射在土星環(huán)上,。這個時刻卡西尼號觀察到,，土星環(huán)上還具有類似自行車輻條一樣的圖案，它們隨著土星環(huán)一起旋轉(zhuǎn),。這些輻條可能是帶靜電的粒子形成的巨型條紋,，這些粒子可能漂浮在土星環(huán)的上下層。只在幾個小時的時間里,，這些條紋形成而后又消失,。

這些輻條狀的圖案可能是由圍繞著土星旋轉(zhuǎn)的帶電粒子形成的。

NASA/JPL/Space Science Institute

土星大氣層的厚度

土星環(huán)系統(tǒng)的壯麗使人目不轉(zhuǎn)睛,，因此土星大氣層云頂旋轉(zhuǎn)的圖案有時就被遺忘在了角落,。不過卡西尼號改變了人們的注意力,，因?yàn)樵诤脦讉€地球年里,，它觀察到土星大氣層中洶涌的風(fēng)暴。卡西尼號的觀測為土星大氣層氣流的研究提供了深入的信息,。

在2010年末,，土星的一場雷暴演變成了一個宏偉的、不斷旋轉(zhuǎn)的白色云團(tuán),，其直徑超過1萬千米,，而當(dāng)時卡西尼號正好處在一個得天獨(dú)厚的觀測位置上。這場風(fēng)暴從土星大氣層底部涌出,，最后進(jìn)入大氣層上層,。在后來的幾個月里，這場風(fēng)暴完全裹夾了土星北半球,，最后風(fēng)暴“首尾相連”起來,。每20-30年，土星上就會出現(xiàn)類似的風(fēng)暴,，其發(fā)生幾率可能是由大氣層中水蒸氣含量決定的,。太陽系的其他行星，比如木星上也會發(fā)生大型風(fēng)暴,，不過像這種席卷整個星球的巨型風(fēng)暴并不多見,。

在2010年到2011年，雷云席卷了土星的北半球,。

NASA/JPL-Caltech/SSI

卡西尼號也探測了土星上獨(dú)一無二的六邊形圖案,。這個六角形位于土星北極,，跨度大約是3萬千米。這個六角形是時速為300千米的狂風(fēng)圍繞而成,，內(nèi)部則有許多類似颶風(fēng)的小型渦旋,。吊詭的是，土星的南極并沒有這樣的圖案,。

土星的北極有一個由高速氣流形成的六邊形漩渦,。

NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University

得益于卡西尼號任務(wù)，土星的內(nèi)部也得到了進(jìn)一步的認(rèn)識,。土星有個非常強(qiáng)大和復(fù)雜的磁場,，它是土星內(nèi)部翻滾的液體產(chǎn)生的。土星兩極耀眼的極光如同路牌一樣指明了土星兩極磁場的強(qiáng)度和模式,。

當(dāng)太陽風(fēng)橫掃土星磁層時,，土星兩極會產(chǎn)生閃亮的極光帶。

NASA/JPL/University of Arizona

不過還是有一些根本性的謎團(tuán)尚未被揭開,?？ㄎ髂崽柕目茖W(xué)家們依舊在研究，到底土星的一天有多長,。因?yàn)橥列菦]有固體的地表,，所以研究人員無法通過地表固定的特征來測量土星的轉(zhuǎn)速。不過土星會發(fā)射周期性大功率無線電信號,，這應(yīng)該是土星深處磁場運(yùn)動造成的,。科學(xué)家們轉(zhuǎn)而嘗試?yán)眠@點(diǎn)來估算它的真實(shí)轉(zhuǎn)速,。

但是卡西尼號發(fā)現(xiàn),，這些無線電信號比想象中更錯綜復(fù)雜，想要利用它們來估算土星轉(zhuǎn)速也并非易事,。在卡西尼號進(jìn)入任務(wù)的最后階段——在土星和土星環(huán)之間繞圈的時候,，應(yīng)該能夠得到土星磁場的更多細(xì)節(jié)。

雖然卡西尼號的任務(wù)行將終了,，但是它將會為未來的研究留下豐富的信息,。美國國家航空航天局埃姆斯研究中心的行星科學(xué)家Jeff Cuzzi 認(rèn)為，“就廣度和深度而言,，卡西尼號采集的數(shù)據(jù)是旅行者號的100倍,。我們要花數(shù)十年才能摸清這筆寶藏?？ㄎ髂崽柕淖鳂I(yè)雖然即將畫上句號,，但我們對其發(fā)現(xiàn)的真正意義的理解或許才剛剛啟程。