举世瞩目的土星探测
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作者: 司马杭仁
飞行途中的探测
在飞往土星的途中，“卡西尼”号探测器也有惊人之举，进行了一系列探测，包括对处于火星和木星间小行星带中的小行星、木星。
2002年10月，它成功拍摄到首幅土星照片。自2004年2月起，“卡西尼”号每周一次向地球传回土星照片。从2004年4月起，开始每天拍摄照片，4月中旬拍摄到首批土卫6照片；2004年6月12日，到达距土卫9的最近点，开始近距离观测土星的卫星；2004年7月1日，北京时间中午12时12分，成功进入预定轨道，成为土星的第一颗人造卫星。
“卡西尼”号还用ISS相机为土星拍摄了不同的颜色的图片。天文学家发现，土星大气有一些部分对蓝色光的吸收能力很强，在图片上留下明显的阴影。科学家对这一现象非常感兴趣，他们预言可能将在土星上发现以往未知化学成分。
2004年4月6日，美国航宇局公布了一张当时最清晰的土星彩色照片，它是根据“卡西尼”号2004年3月8日拍到的几张土星照片合成而得，分辨率为338千米，向人们展示了土星大气的新特征。拍摄时，探测器离土星5600万千米，约为太阳和地球之间距离的1/3。在这张照片上可以看到一些有趣的生肖特征，例如土星南纬38度处有两个暗淡的小斑点，土星的直径约为地球的10倍，计算表明这两个阴影区域比月球略小。英国牛津大学的行星科学家弗雷德・泰勒对《新科学家》杂志说，它们可能是土星上的风暴区。此前哈勃空间望远镜已经观察到土星上存在一些能持续几个月的风暴。与观察范围庞大的哈勃望远镜相比，专注于土星探测的“卡西尼”号将能更持续地观测土星大气现象。
泰勒说：“真正激动人心的时刻还未到来。”科学家希望通过比较木星和土星两大行星的成分来研究太阳系的历史。木星已经由“伽利略”号探测器进行了详细考察。科学家还希望弄清楚土星大气的一些神秘特征，例如色彩斑斓的云带。土星和木星部有这样的云带，不过土星的云带比木星的更多、更窄，它们有可能是气流，不同的颜色可能代表着成分的区别。
2004年5月13日，美国航宇局公布了“卡西尼”号探测器于2004年4月16日拍摄的土星照片，拍摄时探测器距土星表面3800多万千米。该照片分辨率约230千米，土星大气的带状云层清晰可见。在土星南极地带我们可以清楚地看到一个不大的暗斑，科学家们认为，土星磁场可能会对这颗暗斑的位置和大小造成一定的影响，事实上，土星磁场的分布方向与其自转轴应该是相吻合的。在土星南极的右上方可以看到有两个较明亮的点几乎与这个暗斑排列在同一直线上，科学家们认为这可能是土星大气中云层上升形成的两个旋涡。在接近土星赤道的地方还能够看到一个很大的长椭圆形较暗区域，其边缘紧接着是一条比较明亮的地带，科学家们设想，这可能是土星内部热量造成的大气旋涡(据科学家们提供的观测资料显示，土星自身辐射出的能量比从太阳上获取的能量还要高)。
2004年5月26日到27日，“卡西尼”号在土星F光环下方距离土星大约1920万千米处，观察到了土星最小卫星土卫15，这是人类自1980年后第一次观察到这颗卫星。为了搜寻土星F光环附近的小卫星，“卡西尼”号的窄角照相机一共拍摄到112张照片，将这些照片剪接在一起，就得到了土卫15和其他卫星在土星光环外层快速运行的影像。图片中，在土星光环的右侧有3个卫星，其中两个是土卫11和土卫16，最内侧的一颗就是土卫15。
首先走近土卫9
2004年6月11日，“卡西尼”号近距离掠过土星外围最大的卫星――土卫9，为这颗卫星拍摄最完美的图片。美国已公布了它拍到的迄今最好的土卫9照片。科学家兴奋地说，我们发现，这个卫星上有少量的冰和一些黑色的不明物质。除此之外，我们对这个小小的土星卫星了解甚少。不过，科学家表示，这些信息对于研究太阳系形成过程有非常重大的作用。
科学家们上一次拍摄土卫9是在1981年，那次使用的是安装在“旅行者2”号探测器上的照相机。“卡西尼”号拍摄的土卫9照片比23年前“旅行者2”号拍摄的照片质量提高了1000多倍。这些新照片首次让科学家们看清了土卫9的地貌状况，通过这些照片科学家们几乎可以分辨出土卫9表面的火山口和山峰。清晰的图像显示，土卫9与彗星有点相像，表面有冰，并覆盖着灰土。在以前拍到的照片上，土卫9颜色很暗，但照片中有许多较为明亮的斑块，它们存在于陨石坑陡峭的岩壁上，以及一些形成未久的小陨石坑中。科学家认为，这些明亮斑块是较为干净的水冰。
土卫9是一个形状不规则的天体，总体说来像一个表面有很多小坑的土豆，直径约220千米，于1898年首次由美国天文学家皮克林发现。它距离土星最远，几乎是其近邻卫星(土卫8)到土星距离的4倍，达到1300万千米，直径约220千米，约9小时16分钟自转一周，平均每18个月绕土星公转一圈。
与土星的其它卫星相比，从体积上来说土卫9并算不上是老大，但是它却是土星最神秘的一颗卫星：在土星目前已探明的31颗卫星中，唯有它一个是逆向绕土星旋转的。另外，大多数土星的卫星是明亮的。但是土卫9表面很暗，像煤烟一样，吸收的太阳光照仅有约6％被反射出来，并存在着水。土卫9公转倾斜角近175度(它的北极与土星的正相反)。美国专家们期待着，本次对土卫9的近距离研究能够让他们获取更多有关太阳系形成的信息。
土卫9的这些特征特别是逆向的公转轨道和不寻常的反照率说明它可能是一颗被捕捉的小行星或是木星带中的物体，而并非源于土星系统本身。
科学家认为在木星带中可能有数百甚至上千颗像土卫9这样的星体，这些星体由于木星重力的作用而无法离开它，可是当木、土运行到一个特定的位置时就可能出现土星“抢夺”卫星的情况。
“卡西尼”号是以2.09万千米的时速在距土卫9表面约2000千米的地方掠过的。这是人造飞行器迄今与这颗神秘卫星最近的“亲密接触”，距离不足上次“旅行者2”号掠过土卫9时距离的1/1000，距离比当年的“旅行者2”号整整近了4个数量级!传回的照片清晰度相当好，让科学家第一次看清了土卫9的地貌状况。此前的“旅行者2”号是在相距220万千米处拍下了土卫9的照片，由于与拍摄对象相距太远，所以清晰度不理想。
从“卡西尼”号传回来的照片看，土卫9与木星带中的星体在物质构成上极为相似，这为科学家进一步论证它的来历提供了有力的证据。
通过分析“卡西尼”号6月11日发送回来的卫星照片科学家得出结论，土卫9好像是一颗从未接近过太阳的星体，或是45亿年前太阳系形成时留下的剩余物质。
美国喷气推进实验室的科学家们，2004年6月23日表示，“卡西尼”号日
前拍摄到的照片显示，土卫9并非一颗后来形成的小行星，而是一个已有45亿年历史的原始天体，它来自太阳系的外层空间。
有科学家猜测，土卫9形成于太阳系外缘，“游荡”到土星附近，被这颗巨大的气体行星捕获，成为它的卫星。自那以后，土卫9可能度过了一段颇为艰难的日子，屡受陨石撞击，搞得现在“伤痕累累”。目前土星的一些外围小卫星，可能是土卫9遭受猛烈撞击后裂解下来的碎片。
也有科学家认为，土卫9很有可能是从其他行星处“抢夺”而来的，土卫9先前极有可能是太阳系中最大的行星木星的一颗卫星或围绕它运行的一颗小行星。
喷气推进实验室的科学家托伦斯・约翰逊在一次新闻发布会上表示，“我们相信太阳系内还有很多像土卫9这样的原始天体。这类原始天体在太阳系形成的过程中，很多被大行星吞噬，但也有相当一部分留在了外太阳系的小行星带上，土卫9显然就是土星巨大的引力吸引过去，成为土星的卫星。从这个意义上说，土卫9就是一个冷冻的时代文物密藏容器，它的秘密正等着“卡西尼”号去揭开。”
土卫9的图片显示，这个天体可能是由冰、岩石和碳化合物组成的，它的组成结构与冥王星及海卫1有些相似。土卫9的内核可能既不是纯冰也不是纯岩石，它可能是这两种物质的混合体，其混合比例与彗星有些相似。卡西尼号上的分光计在土卫9表面找到了含水矿物、二氧化碳和有机物的痕迹，此外还有一些不知名的矿物质。
完美的最后冲刺
2004年6月16日，“卡西尼”号完成了它进入土星轨道前的最后一次线路调整而进入飞抵土星的冲刺阶段。它开启主发动机时间长达38秒，此后将其运行速度降低了12.8千米／秒。
6月30日，即将进入土星轨道的“卡西尼”号发现，由无线电波数据测出的土星上的一天，比1980年和1981年美国“旅行者1”号和2号测得的结果延长了约6分钟。这一现象目前让科学家颇感困惑。对于土星和木星等没有固定表面的气态行星来说，用直接的视觉手段测量其自转周期几乎不太可能。根据其发出的自然无线电波变化规律来测定这些行星的自转周期，是科学家长期以来采用的一种准确性很高的测量手段。根据“卡西尼”号2003年4月29日到2004年6月10日期间收集到的土星无线电信号，科学家们最新测出的土星自转周期为10小时45分45秒，误差范围36秒。相信科学家们最终可能会揭开土星无线电波周期变化之谜，但这需要一些时间。“卡西尼”号绕土星运行期间，科学家会找到有利位置监测土星无线电波周期的长期变化，并采用其他技术深入研究土星的自转周期。
另外，6月30日在“卡西尼”号离土星还有161万千米处还传回了让科学家惊讶的发现：土星的磁极与地球截然不同，它的磁极分布在赤道带上。负责此次土星研究计划的首席科学家丹尼斯・马特斯顿称。在最后冲刺阶段，“卡西尼”号的大部分仪器已经开始运作，根据检测土星磁场的仪器向地球传回的数据，科学家们发现了这个难以解释的现象。目前，科学家还不知道为什么土星的磁极会分布在赤道带上。地球和木星的磁极都是分布在南极和北极两端，这是极光产生的主要原因。然而“卡西尼”号上的仪器却发现土星的磁场与该行星的转动轴相一致，它的磁极分布在赤道带上，而不是南极和北极。部分科学家认为，地球和木星的磁场是因为星球中心熔化的铁溶液而产生的。目前，没有数据显示土星内部也有熔铁，因此其磁场的产生原因还是一个谜。马特斯顿猜测：土星内部可能有两个以上极强的发电场。
能否进入预定轨道，对“卡西尼”号来说是个未知数。“卡西尼”号要先从土星环平面的下方，从土星环的F环与G环之间的巨大空隙中穿过，历时1小时52分钟，期间穿越了15.8万千米漂浮着石块的空间。
穿过土星环，来到土星环平面之上后，“卡西尼”号的主发动机必须立即点火，进行96分钟减速，将时速从7.8万千米最终降至2240千米，以便被土星顺利俘获，不会因运行速度过快，坠入土星大气层。
7月1日，大小与公共汽车相仿的“卡西尼”号穿过由细小颗粒组成的土星环，从土星光环的F环和G环之间穿过并按照预定的时间进入指定位置。在穿过土星光环时，为了避免土星光环的各种悬浮微粒对探测器自身造成伤害，“卡西尼”号随身携带的直径达4米的盘状天线成为它自己的保护盾牌。喷气推进实验室负责人查尔斯・米切尔把土星光环比作电影《指环王》中的“魔戒”。他说：“进入‘魔戒’轨道的感觉好极了。”
在完成此穿越25分钟后，北京时间7月1日上午10时36分，距地球15亿多千米的遥远太空，在土星69000千米的上方，“卡西尼”号又启动其主发动机达以降低飞行速度，从而由南至北开始进入土星轨道环土星飞行。此前曾进行了17次这样的点火，部很顺利。
经过6年零8个月、35.2亿千米的漫长太空旅程，美国东部时间7月1日零时12分(北京时间12时12分)，持续工作96分钟的发动机在预定时间停止工作。此时，土星的强大引力已经足够把减速后的“卡西尼”号捕获，使它成为一个环绕土星运转的卫星，在土星下方160万千米处，以每小时21312千米的速度跟随土星一起运行。它的成功入轨，标志着人类发射的飞行器首次实现绕土星轨道飞行。
8分钟后，美国航宇局又收到“卡西尼”号发来的信号，表明探测器各个系统运行正常，准备在距离土星约2万千米的轨道上开始探索工作。至此，人类有史以来体积最大、造价最高的探测器“卡西尼”号成功进入了土星轨道，此时它的时速为2240千米。“卡西尼”号在这次飞行过程中定位精准，所进入的土星轨道非常接近原计划轨道，它原计划进入环土星运行周期117.4天的轨道，实际进入轨道的环绕周期为116.3天，误差很小。
在成功进入土星轨道后，“卡西尼”号于北京时间中午12点35分左右拍摄了土星光环的照片，并于晚上8点左右传回了地球。
在为期4年的探测工作中，“卡西尼”探测器面临的三大任务：
一是绕土星飞行76圈，考察土星及其内部构成，例如外层是气体的土星其内核是否由固体物质组成等等。
二是研究神秘的土星光环，它到底是怎么形成的。土星环十分美丽壮观，由数条主环组成，由里到外延伸7万千米，但厚度只有约100米，由大小不同的松散冰态粒子组成，它们大似房屋小如雪粒。探明土星环的成因，有助于彻底解开大行星的光环之谜。
三是对包括31名成员的土星“卫星大家族”进行考察，其中，探测土卫6最为重要。这一巨型卫星很像40亿年前的地球。搞清楚土卫6地面和大气的化学组成，可以由此了解地球演变的过程，并揭开土卫6上有没有生命的谜团。
它还将研究土星表层的“白斑”如何形成的，以及它对大气的影响。因为这些“白斑”非常像地球大气层中台风状的气旋。搞清楚这些“白斑”的起源以及走向规律，对研究地球大气有着非常意义的。揭开这些白斑的“秘密”后，可能会使天气预报的准确度提升不少。
这次土星之行也能拓展人类生命发展史的视野。因为通过对土星、土卫、地球的进一步比较，人类可以更快地揭开生命的真正本质。
“卡西尼”号将52次掠过7颗土星卫星，期间有45次飞越距土卫6表面约950千米的上空对其表面进行高清晰度图像拍摄，包括透过云层用雷达绘制土卫6表面结构图。
参与这次探测计划的欧洲科学家勒布雷顿说：“在某种意义上，‘卡西尼’和‘惠更斯’就像8寸间机器一样，带我们去探测以前从来没有见过的世界，那个世界就像45亿年前我们的地球。”
“卡西尼”号于2008年6月30日基本任务完成，其研究结果提供了探索和发现土星秘密的重大机遇，以至于美国将“卡西尼”号的任务延长了两年。美国航宇局科学家预计土星将在2009年8月靠近昼夜平分时，届时，土星赤道和行星光环将与太阳垂直对齐，“卡西尼”号的延长期任务也因此命名为“卡西尼昼夜平分时任务”。与地球昼夜平分时一样，土星的昼夜平分时处于这个行星系统的变化期。美国航宇局认为，在昼夜平分时监控大气、海洋和陆地的季节性变化对最大程度获取对土星运行规律的了解至关重要。
在延长期任务中，“卡西尼”号将再绕土星飞行60圈，26次飞跃土星卫星土卫6，7次飞跃土卫2，另外，飞越土卫4、土卫5和土卫12各一次。通过一系列功能强大的仪器，“卡西尼”号任务科学家将在昼夜平分时聚焦于土卫6和土星的季节变化，以及独特的光环事件，包括太阳经过时在光环看到的阴影。土星这个复杂的系统由61颗已知卫星和数百个隐藏于光环内的“小卫星”组成。
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