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消逝一年多,卡西尼号仍在揭示着土星的奥秘!
发布时间:2019-11-29
 
消逝一年多,卡西尼号仍在揭示着土星的奥秘!

壮丽而终后,留下了一片宝藏

原文作者:Chris Gebhardt

编译:陆渐

卡西尼-惠更斯号(Cassini–Huygens)是前往土星系统的旗舰级空间探测器,是前往土星的空间探测器当中第一个成功环绕土星的,主要由 NASA、ESA和意大利航天局(ASI)合作研发。探测器由两部分组成:卡西尼号(Cassini)轨道器环绕土星运行;惠更斯号(Huygens)探测器在土星最大卫星土卫六(Titan)上登陆。它们分别以天文学家乔凡尼•多美尼科•卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)和克里斯蒂安•惠更斯(Christiaan Huygens)的名字命名。

消逝一年多,卡西尼号仍在揭示着土星的奥秘!

卡西尼-惠更斯号(图:NASA)

1997年10月15日,探测器由大力神VB/半人马型运载火箭搭载升空,并于2004年7月初抵达土星轨道。卡西尼号与惠更斯号在同年12月25日依依惜别,各自踏上了完成使命的道路。卡西尼号自进入土星后持续运作超过13年,直到2017年9月15日进入土星大气层焚毁;惠更斯号则于2005年1月14日成功在土卫六软着陆,并利用卡西尼号中继传回了数据,是首个在外太阳系天体完成登陆的探测器。

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(发射台上的卡西尼惠更斯号,图:Wiki)

卡西尼号的辉煌一生

参与研制“卡西尼-惠更斯号”的国家一共有17个,它是人类进入空间时代以来最大型国际合作课题之一。它的主要任务是对土星系统进行全面空间探测,自身携带了27种最先进的科学仪器设备。卡西尼号对土星的探测成果非凡,包括对土星旋转周期、土星环年龄、土卫六沙尘暴的探测,还包括许多其他科学发现的深入了解。

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(组装中的卡西尼惠更斯号,图:Wiki)

卡西尼号在抵达后就持续地研究土星系统,主要任务已经于2008年7月完成。但因资源尚足够便延长至2010年6月(因在2009年8月经过春分点,也称为“分点任务”)。在2010年2月,卡西尼号的任务再度延长。随着航天器用于调整与校正轨道的燃料不断减少,2016年11月30日卡西尼号进入了任务的最后阶段。它将驶入土星环的内圈,每7天绕行土星一次。航天器将一点一点地深入这过去从未触及的区域,以得到最接近土星环的外观。

在2016年12月4日,探测器首度通过土星环。2017年9月15日,卡西尼号进入土星大气层,北京时间9月15日20时55分,“卡西尼号”的信号消失。地球大约需要68-84分钟才能收到信号,这意味着这颗探测器在几十分钟前于高压和高温下蒸发殆尽,完全投入土星的怀抱。而在结束前它传送回了最后的图像。因土卫六上可能存有生命,所以选择这样的处置方法,从而避免污染土卫六。

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卡西尼土星撞击点(图:Wiki)

到目前为止,尽管卡西尼号在带有美丽光环的土星的主要任务在一年多前就结束了,但是它在土星系统的最后一段旅程的数据仍然在持续被科学家们所研究,帮助解开围绕这颗太阳系第六颗行星的谜团。这段伟大的旅程,称之为“壮丽终章”(Grand Finale)。

壮丽终章

为了执行好星球保护计划,确保卡西尼号在最后的阶段不会意外地污染土星卫星的任何潜在生命,这艘飞船在最后一段旅程中进入这颗环状行星的大气层,进行了一次破坏性的进入。此前,这颗行星的最后22次近距离轨道飞行构成了此次土星探测任务的“壮丽终章”。科学家们知道,这对于卡西尼号来说是一个最好的结局,此前从未有宇宙飞船像卡西尼号这样,多次穿过土星环进入土星的高层大气。

“终章”的大胆操作给人类带来了丰厚的回报,取得了前几年飞船稳定绕行所不可能得到的科研数据。“终章”描绘了纳米颗粒中的复杂有机化合物从土星环中倾泻而下、进入土星高层大气的景象,观察到了土星环如何与行星相互作用,以及土星环内的粒子和气体如何直接落入土星大气层,并揭示出土星环与行星大气层之间空隙中物质的样子。

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卡西尼号最后拍摄的图像(图:Wiki)

根据在纳米颗粒中观察到的有机化合物,科学家们看到了甲烷、氨、一氧化碳、氮和二氧化碳——这些有机成分与在冰冷的土卫二和富含甲烷的土卫六上发现的有机化合物有着天壤之别。这一结果揭示了土星系统中至少存在三种不同的有机分子群!这是极其意料之外的发现

此外,卡西尼号还观测到来自土星环最内环的粒子和气体像雨点一样降落到行星的大气层中。内环粒子可以带上电荷,沿着土星的磁场线螺旋运动,最终在高纬度落入土星的大气层,这种现象被称为“环雨”。但是“终章”的数据显示,一些内环粒子会从土星环上降落下来,以每秒2.2万磅(10000千克)的惊人速度被拖进土星赤道纬度的大气层。

当卡西尼号最终能够对土星环间隙的物质进行取样时,土星和土星环之间的区域给科学家们带来了更多的惊喜。采样显示了纳米大小的粒子像烟雾一样驻留在该区域,这表明一定有一个目前未知的过程能够持续将环上的粒子研磨成烟状的结构

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这是卡西尼号在大结局时直接对土星环和大气取样的一些发现(图:NASA)

来自卡西尼号“壮丽终章”的其他数据还展示了从土星环到土星大气层顶部的未知电流运动这表明土星和土星环之间的联系比科学家们想象的要紧密

对于NASA来说,卡西尼号大胆而冒险的结局设计,已经被传回的大量数据证明是合理的。卡西尼号项目的科学家Linda Spilker说:“这个地区发生的任何事情几乎都是惊喜。这就是去那里的重要性,去探索一个我们从未去过的地方。这次探险确实得到了回报——数据看起来非常令人兴奋。”

“当我们把谜团的零零碎碎拼凑在一起时,许多谜团仍然存在。卡西尼号最后轨道运行的结果比我们想象的更有趣。”Linda补充说。

心有所疑,星环求索

几十年来,一个长久以来困扰着科学家们的谜题是土星上的一天到底有多长。这似乎是一个很容易回答的问题,毕竟,我们只需要观察行星的自转速度就可以。但问题就在这里。土星没有固体表面,在它的气态大气中也没有固定的特征来跟踪它的旋转。此外,这颗行星不寻常的磁场也掩盖了它的自转速度。

但事实最终证明,土星自转速度以及一天长度的答案,都隐藏在土星的标志性光环中。

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卡西尼号在土星及其最内环之间俯冲,这是这次任务的最后一项(图:NASA)

在“终章”中,卡西尼号多次飞越土星环,以前所未有的细节精度观测了冰和岩石组成部分。这一观测让科学家研究了土星环的波动模式,发现土星环对土星内部的振动有响应

加州大学圣克鲁兹分校的天文学和天体物理学研究生Christopher Mankovich说,土星环内的振动就像地震仪一样能反映土星内部的振动。“土星环中的粒子在重力场中会被动地受这些振动影响。在环的特定位置,这些振荡能够在特定时间捕获轨道上的粒子,从而逐渐积累能量,而这种能量以可观测波的形式被带走。”

通过追踪这些可观测到的波,Mankovich发展出了土星内部结构的数值模型。这让他能够继续追踪土星内部的运动,从而计算出土星的自转速率。利用这些数据,Mankovich确定出土星的自转速度是10小时33分38秒

土星环本身也给科学家们带来了一个诱人的惊喜,这个惊喜直到卡西尼号进入这个冰块和石块交织的环形世界时才被揭示出来。土星环是它最著名的特征,使它成为太阳系中最容易辨认和最奇特的行星。但是来自卡西尼号大结局的新信息显示,这些光环形成于1000万到1亿年前,这意味着这颗行星最具标志性的特征也是它最年轻的特征之一

要了解土星环的年龄,就要确定这颗行星的质量、土星对土星环的引力、以及土星环的质量。为了直接采集所需数据点的样本,卡西尼号不得不在土星和土星环之间飞行,这在飞船的主要任务中是不允许的,但这也成为了它“终章”中的一个特点和亮点。

通过直接在土星和土星环之间飞行,卡西尼号能够获得返回的数据,让科学家能够计算出吸引卡西尼号的引力有多大,从而使它加速到直至每秒零点几毫米。有了这些信息,科学家们就可以了解行星的质量和土星环的质量。

“只有卡西尼号最后的轨道上如此的接近土星,我们才能收集到所需的测量数据,做出新的发现”,卡西尼无线电科学小组成员、罗马萨皮恩扎大学的Luciano less是该研究的主要作者。“通过这项工作,卡西尼号完成了其任务的一个基本目标:不仅要确定环的质量,还要利用这些信息来完善模型、确定环的年龄。”

从卡西尼号的数据中可以看出,土星环的质量较低、年龄在1000万至1亿年之间。与此相印证的是光环的外观——明亮而干净;一个年龄较大的环形结构将是黑暗的,并受到碎片的污染。

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卡西尼号拍摄的照片显示,2016年土星的北半球正接近夏至(图:NASA)

当然,所需要的技术不仅仅是“终章”中收集的数据(当然这些数据将继续为人类揭示土星系统),还要包括在卡西尼号的整个任务期间中收集的信息,它们都将继续被分析,并继续揭示这个系统新的和令人兴奋的元素。

土卫六上的沙尘暴

土卫六,也就是泰坦(Titan),是一个复杂的世界,至少可以说,它是太阳系中唯一一颗大气厚重而复杂、有水循环的卫星。现在,这颗令人印象深刻的卫星加入了“太阳系沙尘暴俱乐部”,此前太阳系中只有地球和火星表面有沙尘暴。

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惠更斯拍摄的泰坦全貌(图:Wiki)

正如在地球和火星上一样,土卫六上的天气模式随着季节的变化而变化,卡西尼号在整个任务期间的数据揭示了土卫六天气的变化,包括在2009年春分时土卫六赤道附近出现了强大的“甲烷风暴”。

在此期间,法国巴黎狄德罗大学的天文学家Sebastien Rodriguez和他的团队注意到了卡西尼号传回的红外数据中不寻常的赤道亮点。他们当时解释说,这些亮点与在北半球春分时在土卫六其他区域观测到的甲烷云和风暴是一样的。

但随后的调查显示,这些光亮实际上是完全不同的。它们不是甲烷风暴。它们是沙尘暴!

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这个动画显示了清晰的亮点,被解释为沙尘暴的证据(图:NASA)

“根据我们对土卫六上的云形成的了解,我们可以说,在这个地区、这个时间,这样的甲烷云在物理上是不可能的”,Rodriguez说,“在这个区域和这段时间内可以形成这样的对流甲烷云,需要包含巨大的液滴,而且必须位于非常高的海拔——远远高于模型告诉我们的6英里(10公里)所在位置。”

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惠更斯降落后拍摄的图片和处理后的图片(图:Wiki)

建模和调查揭示了2009年在靠近土卫六表面的大气层中已经观测到的一些特征,并且可能形成那是“一层非常薄的固体有机颗粒”的结论。这些亮点直接出现在土卫六赤道附近的沙丘上,对此只有一个解释:沙丘上扬起的尘埃云。

“像我们在这些沙尘暴中看到的那样,产生如此多的尘埃所需要的近地表风速必须非常强——大约是基于惠更斯号测量后气、候模型估计的平均风速的5倍。”Rodriguez认为。

土卫六表面强风的存在以及沙尘暴的证实,意味着土卫六的沙丘仍然活跃并在不断变化。此外,土卫六上的风可能携带着从很远的地方收集来的尘埃,“有助于土卫六上有机尘埃形成全球循环,并造成了与地球和火星上所能观测到的类似的影响”。

结语

卡西尼-惠更斯号”是人类首次专门针对土星的详尽考察,科学家将由此探知了土星的独特特性、土星环具有何种复杂结构、如何形成和演化,并探索土星卫星家族的许多成员。这一切,都随着“卡西尼”号轨道器和“惠更斯”号探测器的深入探测而越来越清晰。尤其是在“壮丽终章”任务中,如此近距离观测,人类不仅能看清土星光环的结构,还能了解它的更细微的方面,比如它的斑点、风暴、波动形式等,这比我们早先对土星的观察细致了10倍以上。即便任务已经结束了一年多,卡西尼号仍然在揭示着土星的奥秘,仍然在带给人类惊喜。