卡西尼号在土星：回顾

在某个夜晚，当土星高悬在天空，夜空晴朗而黑暗时，用后院的望远镜观察一下。当您充分欣赏了这颗行星的壮丽和美丽之后，请在网上搜索美国宇航局（NASA）的卡西尼号探测器在过去 13 年环绕这颗环状奇迹的旅程中传回的图像。您很可能会深受震撼：我们已经走了多远，我们作为行星际探险家已经变得多么熟练，以及如此亲密地了解一个像土星这样遥远的世界是多么非凡的成就。

截至本文撰写之时，卡西尼号计划于 9 月中旬结束其环绕土星的旅程，届时它将按指令冲入土星大气层。它将在一个很可能无人能看到的火球中焚毁，以确保它永远不会意外撞击并因此污染任何可能存在生命生存条件的土星卫星。

作为该任务成像团队的负责人，我和大西洋两岸的许多同事从 1990 年末开始参与卡西尼号项目，当时它还仅仅是一个想法，一个脑海中的愿景。我亲眼见证了它的规划和建造过程，亲眼目睹了航天器于 1997 年 10 月 15 日从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，经历了前往土星的七年航行，并在 2004 年抵达最终目的地时获得了前排座位。就在那时，卡西尼号开始彻底改变我们对土星及其周围一切事物的看法。

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从未有任何任务如此深入、如此长久地探索过像土星系统这样丰富的行星系统。在它的卫星泰坦上，我们发现了碳氢化合物的海洋，以及一个复杂程度堪比地球的表面环境。我们观察了土星大气层中的气象，并目睹了巨型风暴的诞生、演变和消亡。我们在土星环中看到了新的现象，这些现象揭示了太阳系（包括我们自己的太阳系）形成过程中涉及的过程。像古代的制图师一样，我们为未来的探险家绘制了土星卫星的地图，并发现了新的卫星，包括一整类嵌入在环内的微小天体。然后就是我认为卡西尼号最深刻的发现：在卫星土卫二的南极，有 100 多个间歇泉从一个地下海洋中喷发出来，那里可能是地外生物的家园。13 年来，我的生活一直在太阳系的外围空间中度过。而现在，这场丰硕的科学考察已经结束。

亲密视角

在 20 世纪 80 年代早期，当两艘旅行者号探测器飞掠这颗行星后，对土星系统进行详细、全面的检查的需求变得清晰起来。这些著名的事件是人类探索土星故事的序幕。它们赋予了这颗行星维度和个性，但留下了一些需要解答的问题。“旅行者号”发现土星是一颗内部、大气层和磁层都很复杂的行星。在其环中——一个巨大的、闪闪发光的冰砾盘——该任务记录了与早期太阳系和围绕其他恒星的类似物质盘的配置相关的相同物理机制的迹象。旅行者号穿过土星内系统的过程揭示了具有动态力量作用的各种卫星。土星最大的卫星泰坦，其表面因其浓厚的、无处不在的雾霾而不可见，但仍以可能存在液态碳氢化合物海洋的暗示吸引着观察者。总而言之，土星系统似乎是进一步深入研究和探索的理想目的地。

卡西尼号是一项国际合作项目，由 NASA 和欧洲航天局领导，旨在在各个方面都比旅行者号取得显著进步。它的大小相当于一辆校车，比旅行者号更大，并配备了有史以来送入外太阳系的最先进的科学仪器。卡西尼号还携带了惠更斯号探测器——一个直径四米、呈空气动力学形状的装置，配备了六种仪器有效载荷，它降落到了泰坦的表面。

在穿越太阳系后，卡西尼号于 2004 年 6 月 30 日完美地进入了环绕土星的轨道。它围绕土星的轨迹既复杂又精确，在其 13 年的旅程中展开，就像花朵盛开的花瓣一样。为了能够近距离观察土星内系统中的一切事物，它的轨道在大小、倾斜度和方向上都有所不同。我们还可以随意修改轨道，以便再次观察——在某些情况下，多次观察——我们之前发现的事物。

卡西尼号在土星停留的时间长度对于我们的成功也至关重要。长期监测是捕捉不可预测过程（例如流星体撞击土星环）的唯一方法。此外，土星卫星缓慢而稳定的轨道迁移，以及太阳照射的季节性变化引起的大气变化，都需要我们在尽可能长的时间跨度内收集观测数据。卡西尼号的额定任务为期四年，原计划于 2008 年 6 月 30 日结束。但是，航天器在那段时间里取得了巨大的成功，以及让如此高效的资产继续工作的无可辩驳的逻辑，帮助我们提出了继续卡西尼号任务的理由。我们的论点取得了成功，获得了多次延期，并确保我们目睹了 2009 年 8 月土星春分时罕见的照明条件，当时阳光浅浅地照射在土星环上，揭示了突出于环平面之上的垂直结构的存在，这些结构投下了长长的、清晰可见的阴影。

最终，卡西尼号的轨道运行在开始后近半个土星年（或地球上的 13 年零两个半月）结束。我们到达时略微过了这颗行星南半球夏季的顶峰，而任务将在其北半球夏季的顶峰结束。这个时间框架使我们能够观察几乎完整的季节周期：我们观察到土星和泰坦的南半球从夏季到冬季，而它们的北半球从冬季到夏季。这有点像宇宙作弊，但它奏效了。

卫星

在太空时代之前，科学家们认为外太阳系的卫星将是毫无特征、地质死亡的冰球。“旅行者号”证明这种假设是错误的；卡西尼号的任务是调查土星的大量卫星，并了解它们的一些历史。在某些情况下，这些历史被证明是非凡的。

以土卫八为例。其双色外观——一个半球像雪一样白，另一个半球深黑——的起源一直是一个长期存在的谜团。从卡西尼号的高分辨率图像中，我们了解到，即使在小尺度上，这颗卫星也是深色和浅色斑块的杂色混合体。卡西尼号的相机和热仪器共同向我们展示了造成这种情况的原因。半球尺度的颜色变化和局部杂色斑块都是由仅在缓慢旋转的土卫八上发现的失控热过程引起的。开始时较暗的区域会变得足够热以升华冰，从而变得更暗更热。开始时较白的区域会更冷，并成为这些升华蒸气凝结的地点。随着时间的推移，深色区域的所有冰都会消失并在白色区域重新积聚。一个完整的半球是如何参与这个过程的？在围绕土星的轨道上，土卫八穿过一团来自土卫九（土星外部不规则卫星之一）的深色细颗粒物质云。这片云使土卫八的整个前导半球变暗，使其保持温暖和无冰状态。谜团解开了。

另一个突出的卫星是泰坦。卡西尼号的可见光和近红外相机以及雷达仪器能够穿透泰坦的雾霾。当然，2005 年初惠更斯号探测器降落到泰坦大气层中两个半小时，拍摄了全景图像并测量了大气成分、透明度、风和温度，然后探测器才降落在卫星表面。总而言之，卡西尼号在泰坦上发现的是一个科幻世界，那里的风景——地貌和云彩——是可识别的，但由不寻常的物质构成，那里的外观是熟悉的，但感觉却不是。

我们发现，泰坦拥有湖泊和海洋，但不是由水组成，而是由液态甲烷组成。在卫星的南极，卡西尼号的高分辨率相机在较小的类似特征区域中发现了一个接近安大略湖大小的液态天体（因此命名为安大略湖泊）。卡西尼号的其他仪器后来证实，安大略湖泊确实含有液态甲烷。此后，我们发现了许多大小不一的液态甲烷天体；由于某种原因，它们主要栖息在高纬度北部地区。雷达观测显示，崎岖不平的岩石海岸线类似于缅因州的海岸。相比之下，惠更斯号探测器着陆的赤道平原是干燥的，覆盖着绵延很长的沙丘，沙丘不时被较高的地面打断，一直环绕卫星。

泰坦表面液态有机物的湖泊和海洋自然引发了关于它们是否可能含有生命的猜测。但泰坦表面的温度极其寒冷：−180 摄氏度。如果在如此低的温度下运行，发现类似于我们认为水基生物化学所需的化学反应，那将是令人惊讶的。但是，如果我们真的检测到在甲烷中蓬勃发展的真正“外星”生物化学，那将是一项非凡和历史性的发现。

但在我看来，卡西尼号最伟大发现的地点毫无疑问是土卫二，一颗只有泰坦十分之一大小的冰卫星。“旅行者号”在那里揭示了广阔的、出乎意料的光滑区域，这些区域表明过去曾发生过强烈的内部活动，甚至可能在其冰壳下埋藏着液态水层——这一切都发生在似乎太小而无法出现这种现象的卫星上。

我们首次意识到土卫二上存在任何活动是在任务早期，即 2005 年 1 月，当时我们发现了一股冰粒子羽流从南极喷射出来。我们的图像立即向公众公开，互联网上的卡西尼号追随者激动不已。此后不久，卡西尼号的其他仪器证实，羽流确实是真实的。卡西尼号的操作员迅速做出反应，改变轨迹以进行更近距离的观察。我们在任务早期了解到的关于土卫二的信息绝对让我们震惊，但直到 2008 年之后，当我们获得 NASA 的批准延长任务时，我们才能够投入大量时间和资源来检查这个迷人的地方。

我们现在知道，土卫二是一颗卫星，它受到土星引力潮汐力的弯曲和拉扯。这种潮汐能量产生了足够的内部热量来形成一个全球性的水海洋，在某些地方可能厚达 50 公里，埋藏在几公里厚的冰外层下。100 多个间歇泉从南极地形中四个突出的裂缝中喷发出来，形成一股微小的冰粒子和蒸汽羽流，延伸到表面上方数百公里。这股羽流中的大部分固体物质都落回表面，但一小部分延伸得更远，形成了土星弥漫但巨大的 E 环。

卡西尼号能够十几次飞越羽流并分析其物质。我们发现，在我们的图像中看到的粒子，它们在几个小时前还是海洋的液滴，带有大型有机分子和化合物的证据，这些证据表明存在类似于在地球海底深海热液喷口处观察到的热液活动。它们还表明海洋盐度与地球相当。伴随这些粒子的蒸汽主要是水，但也含有微量的简单有机化合物，以及二氧化碳和氨——所有这些都是维持生命甚至生命起源的重要成分。

卡西尼号的结果清楚地表明，土卫二的地下环境可能包含生物活动。我们现在必须面对令人毛骨悚然的问题：这个小小的冰冷世界是否在我们的太阳系中孕育了第二次生命起源？它的羽流中是否可能存在生命迹象？微生物会像雪一样降落在它的表面吗？没有其他天体如此确凿地拥有我们认为生命宜居所需的所有特征。目前，它是太阳系中最有希望、最容易接近的寻找生命的地方。我们中的一些人对这种可能性如此着迷，以至于我们正在设计返回土卫二的任务来一探究竟。

土星环

当然，土星环是使土星成为壮丽景观的原因，了解其错综复杂的运作方式是卡西尼号的主要目标。它们是旋转碎片云坍缩的自然终态，因此，它们是我们认为为我们自己的太阳系提供原始成分的碎石盘的最接近的类似物。它们也是新生太阳系诞生的原恒星盘，甚至是数十亿个我们称之为旋涡星系的尘埃和气体风车的模型。在土星上所有可以研究的事物中，土星环的科学触角最广，从我们当地的邻域延伸到整个宇宙。

通过卡西尼号的测量，我们已经开始了解土星环中大多数结构的起源。在某些地方，我们发现一些遥远轨道卫星的引力作用扰乱了环粒子的轨道，形成了尖锐的边缘或波浪扰动，这些扰动以螺旋模式向外传播。在另一些地方，卫星嵌入在环中，引力将粒子推入美丽的结构中。例如，潘，一个位于恩克环缝中的大约 30 公里宽的卫星，对它附近的粒子产生了这种作用；反过来，落入的环物质重塑了潘，使这颗卫星看起来像穿着芭蕾舞短裙。

在粒子特别密集的环区域，我们发现了自生波，其波长从 100 米到数百公里不等，在盘中传播。这些波可以在粒子浓度的急剧不连续处反射，并相互干扰，从而形成看起来混乱的地形。我们对环结构的理解现在包括对马克·马利（现任职于 NASA 艾姆斯研究中心）和我于 1993 年做出的预测的令人满意的证实：土星主体内的声学振荡也可能在环中产生特征。通过这种方式，土星环就像一台地震仪。

卡西尼号在 2009 年 8 月春分前后发现了最令人震惊的环惊喜。沿着质量最大的环（B 环）的清晰外缘，我们发现了一条令人难以置信的 20,000 公里长的连续尖刺阴影，揭示了“环山”的存在——粒子波延伸到环平面上方三公里处。这些地层可能是由于物质在环边缘的共振处，像湍急的水流冲击海岸边的大悬崖一样，绕过被困在共振处的小“小卫星”而受到极度压缩造成的。

在另一个启示中，我们看到了一个非常微妙的、紧密缠绕的螺旋图案，它在内部 C 环和 D 环中持续不断地延伸了 19,000 公里。现在在爱达荷大学工作的马特·赫德曼和他的同事们进行了一些细致的侦查，揭示了 1983 年彗星碎片在内环中的撞击可能迫使撞击区域中的所有环粒子进入倾斜轨道；这些轨道的进动像陀螺一样，内轨道的进动速度快于外轨道。从那时起，这种扰动变得越来越紧密，在环中形成了一个三米高的螺旋波纹图案。这种结构甚至在“旅行者号”飞掠期间都不存在。我们已经认识到，太阳系是一个动态的奇迹，而土星环以其无数种和流动的形式，是引力的普遍性、可扩展性和无限复杂性的一个生动教训。任何艺术家都无法做得更好。

大气层

卡西尼号还非常详细地研究了土星大气层的构成和行为，在此过程中发现了一些意想不到的特征。它的仪器能够研究土星大气层在各种高度的情况，揭示其全球环流模式、成分和垂直结构。大气层像木星一样被划分为宽阔的带状区域，尽管土星的带状区域从外部不太明显，这是因为在上面的氨云层上方存在一层厚厚的雾霾。当卡西尼号探测到雾霾下方并进入对流层时，它揭示了土星带状区域的宽度随纬度交替变化：较窄的带状区域颜色较深，与快速急流重合，而较宽的带状区域往往更亮，与速度较慢甚至可能相对于行星整体旋转静止的急流对齐。总体而言，土星的大气层似乎随着时间的推移相当稳定——卡西尼号显示，即使是北极上空令人惊讶的六边形急流也几乎没有变化，自从“旅行者号”首次发现它以来。我们了解到，稳定性是巨行星中大规模大气系统的共同特征：由于没有固体表面作为气体的基础，因此没有摩擦来消散大气运动。一旦开始，它们就会持续存在。

然而，我们很高兴地发现，土星的大气层并非完全对季节变化无动于衷。在北部冬季半球的云层上方，当卡西尼号首次到达时，这颗行星正在上演一场出乎意料的表演：它是蓝色的！由于两次“旅行者号”飞掠都发生在春分附近，因此没有传回冬季的景象，因此这种极端的颜色变化令人非常惊讶。我们最好的猜测是，冬季紫外线辐射的较低通量，以及环阴影对冬季半球的阻挡阳光效应，减少了上覆雾霾的产生。更清晰的大气层意味着更好的机会进行瑞利散射，瑞利散射是将我们自身的大气层变成蓝色的过程，以及大气层中的甲烷吸收太阳的红光。在我们拍摄的土星图像中，为冬季半球着色的华丽天蓝色条带实际上是拼接在土星上的海王星大气层的一部分。谁知道呢？

土星的一个独特属性，一个世纪以来人们都知道，那就是在几十年时间尺度上，它容易爆发巨大的风暴。因此，我们很高兴在 2010 年末迎接了这样一场风暴。在大约 270 天的时间里，我们观察到这个雷鸣电闪的庞然大物诞生于北半球的一个小扰动，然后增长，蔓延到整个行星，直到它的尾部与头部相遇，并最终消退。这是又一个航天器从未目睹过的现象。我们怀疑，作为土星最深云层组成部分的水，可以在较轻的氢气大气层中抑制对流数十年，直到浮力最终胜出并引发大规模的对流爆发。

世界勘测者

从 1990 年的构思到今年 9 月的最终戏剧性结局，卡西尼号一直是人类长达六十年的地球以外探索历程中的一个主要且非常成功的组成部分。它围绕土星的历史性探险向我们展示了一个迷人且非常陌生的行星系统中错综复杂的细节运作。它扩展了我们对使土星及其周围环境、我们的太阳系以及延伸到整个宇宙的其他恒星和行星系统成为今天这样的力量的理解。

我们很快就会看到像卡西尼号这样强大的任务重返土星，这令人怀疑。能够参与这场壮丽的冒险，就等于过着我们这个时代的探险家、遥远世界的勘测者既艰辛又充实的生活。我现在要告别了，我感到欣慰的是，卡西尼号的故事将在很长一段时间内激励人类。