一個小時代的終結：14張圖紀念卡西尼號13年土星之旅

原文以Cassini』s 13 years of stunning Saturn science — in pictures為標題

發布在2017年8月30日的《自然》新聞特刊上

原文作者：Alexandra Witze

隨著卡西尼號的任務接近尾聲，《自然》對科研人員已獲得的土星衛星、土星環以及土星風起雲湧的大氣層的情報進行了總結。

20年前，在佛羅里達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。在經歷了35億千米的旅程，並圍繞土星運行了13年後，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雲頂，防止它和土星衛星意外相撞，污染任何可能孕育生命的星球。

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2004年，卡西尼號成為首個環繞土星運行的航天器。

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送數據——不愧是人類歷史上最成功的星際任務之一。卡西尼號航天器是美國航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和義大利航天局（Italian Space Agency）的一個合作項目，也是第一個圍繞土星運行的航天器。和最早飛臨土星的航天器先驅者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數據的時間，而卡西尼號也確實帶來了不少新發現。

當卡西尼號繞著威嚴的土星旋轉、沿著優美的土星環舞蹈，並和土星奇異的衛星擦身而過時，它收穫了數量驚人的新數據。NASA噴氣推進實驗室（JPL）的行星科學家，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。」

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

卡西尼號發現了促使土星環形成的混沌動力學以及土衛二上噴發出的間歇泉，並且還目睹了土星大氣層中洶湧澎湃的風暴。它還觀察到了近半個土星年中季節的變換，一開始是晝夜平分點，後來是至日，季節變換也引起了氣候模式的變化。縱觀卡西尼號任務的始末可以發現，土星已不再是個陌生的星球，而把它富於連續變化的、充滿活力的一面展現在我們面前。卡西尼號的觀測成為了理解氣態巨行星複雜性的基石。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。

土衛二上的間歇泉向太空噴射出水蒸氣和混合著有機物分子的冰晶。

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造了歷史，因為惠更斯號探測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六上，隨後它發回了土衛六的快照。看起來這個星球是一片冰凍的漫灘，地表的岩石星羅棋布。卡西尼號隨後的測繪表明，土衛六上密布著碳氫化合物的湖泊和河流，天上則下著甲烷雨和乙烷雨，雨水又迴流到湖泊和河流里。

土衛六的湖泊里是液態的碳氫化合物，在陽光的照射下閃閃發光。

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

由於官方並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。Spilker 表示，「在卡西尼號投身土星大氣的最後那一天，我們將一直監視它發回的信號。那個道別的日子將很煎熬。」

衛星的展覽館

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

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在這一系列拍攝於2005年的照片中，土星的三個衛星——土衛十一、土衛十，以及更大的土衛四相互擦身而過。

NASA/JPL/Space Science Institute

當一大圈物體從土星的另一個衛星——土衛九上魚貫而下時，研究人員終於發現了土衛八的秘密。原來土衛八長著一張陰陽臉——半面明亮，半面黯淡無光，這是因為它的前半面從土衛九上掉落的岩屑中跋涉過的原因。在研究為什麼帶著坑坑窪窪的環形山的土衛一在它的自轉軸上晃晃悠悠的時候，卡西尼號的科學家意識到，這個星球要麼有一個地下海洋，要麼它的內核被拉得很長。

土星的衛星有各種各樣的形狀。

NASA/JPL-Caltech/SSI

卡西尼號對土星最小的衛星進行了觀測，以前從沒有那麼近距離地觀察它們。卡西尼號發現這些小衛星每個都長得奇形怪狀。土衛七看起來像塊海綿；土衛十八看起來像一個太空義大利餃子；土衛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」。

在土衛六朦朧的地表，散落著和岩石一樣堅硬的冰塊，裝飾著這片不一樣的風景。

ESA/NASA/JPL/University of Arizona

不過最令人驚訝的觀測來自土衛六和土衛二。土衛六是土星最大的衛星。在土衛六上，卡西尼號發現了一個和生命誕生前的洪荒地球的化學成分類似的世界。惠更斯號著陸器是電池驅動的，它在土衛六表面運行了72分鐘。在這段期間，它拍攝了土衛六地表的照片，從照片中可以看到土衛六籠罩在橙色的濃霧中，地面上散落著冰凍的岩石。

卡西尼號從上方用雷達和其他儀器為土衛六進行了測繪。測繪結果表明，土衛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氫化合物。山丘在赤道附近蜿蜒了數百千米。在土衛六上會下甲烷雨和乙烷雨，雨水積聚成碳氫化合物的河流和湖泊。卡西尼號還拍攝到了這些水體反射陽光的照片，甚至用雷達對這些水體底部進行了測繪，大致測定了它們的深度，為未來潛水器的任務做了準備。

不過，土衛二還是搶走了土衛六的風頭。在卡西尼號到來前，土衛二被認為是一顆沒有生氣的衛星，但實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於土星引力的拉扯，它們每秒會噴吐200千克含有鹽和有機物的物質。

間歇泉噴出的物質中含有二氧化硅顆粒，這讓卡西尼號的科學家大吃一驚。這些二氧化硅可能是土衛二深處海底熱泉內的水和岩石相互作用形成的。在地球上，類似的海底熱泉是微生物的沃土，雖然沒有陽光，但它們卻因為化學反應釋放的能量欣欣向榮。因此，土衛二一躍成為外星微生物搜尋地榜單的第一位。行星科學家們已經在計劃再派探測器飛躍土衛二間歇泉的煙羽，搜尋生命的痕迹。

不斷變幻的土星環

土星環是土星的標誌性特徵，它們是由數十億冰屑構成的。從遠處望去，土星環看起來固定不動，如同一件完美的雕刻品。但是卡西尼號發現了土星環的一些形成機理，並展示出土星環動態的本貌。土星環也會成型、變形和消失，有時這整個過程只需幾小時。

土星環只有100米左右的厚度，它的形狀是由許許多多鑲嵌在其中的衛星和小衛星造就的。在這張圖片里，土衛十七並不在土星主環中。

NASA/JPL/SSI

卡西尼號發現，即使是土星最小的衛星的引力也能引導土星環顆粒形成光滑優美的環帶。比如，小小的土衛十八的直徑雖然只有28千米，但它在土星環中清掃出了一條寬寬的軌跡。這條空隙兩邊或明或暗的環帶反映出了土衛十八引力的作用。多年間拍攝到的照片顯示，土星的衛星在連續不斷地塑造和雕刻土星環。在卡西尼號到來並長時間觀測之前，這個現象並不為人所知。

土衛十八在土星環中掃除了一條名為恩克環縫的斷帶。

NASA/JPL-Caltech/SSI

但是土星的衛星們畢竟不是完美的「牧羊人」。土星的F環是一條狹窄的環帶，位於主環外圍。卡西尼號發現，F環內會瞬時噴發出一種名為「微型噴流」（mini-jets，見下圖）的物質。附近土衛十六的引力或許就是造成環內冰晶聚結成雪球狀的微型噴流的原因。

在土星的F環內，引力擾動使環內物質聚結起來並向外突起，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，像一張積灰的紗網一般在身後留下了一條可長達180千米的顆粒尾跡，使本來完美無缺的土星環留下了瑕疵。在土星環系統的邊緣，類似的微型噴流不斷產生又消逝。

在更宏觀的尺度上也發生著戲劇性的變化。在土星晝夜平分點的時候，陽光以陡峭的斜角射在土星環上。這個時刻卡西尼號觀察到，土星環上還具有類似自行車輻條一樣的圖案，它們隨著土星環一起旋轉。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的上下層。只在幾個小時的時間裡，這些條紋形成而後又消失。

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這些輻條狀的圖案可能是由圍繞著土星旋轉的帶電粒子形成的。

NASA/JPL/Space Science Institute

土星大氣層的厚度

土星環系統的壯麗使人目不轉睛，因此土星大氣層雲頂旋轉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，因為在好幾個地球年裡，它觀察到土星大氣層中洶湧的風暴。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、不斷旋轉的白色雲團，其直徑超過1萬千米，而當時卡西尼號正好處在一個得天獨厚的觀測位置上。這場風暴從土星大氣層底部湧出，最後進入大氣層上層。在後來的幾個月里，這場風暴完全裹夾了土星北半球，最後風暴「首尾相連」起來。每20-30年，土星上就會出現類似的風暴，其發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，比如木星上也會發生大型風暴，不過像這種席捲整個星球的巨型風暴並不多見。

在2010年到2011年，雷雲席捲了土星的北半球。

NASA/JPL-Caltech/SSI

卡西尼號也探測了土星上獨一無二的六邊形圖案。這個六角形位於土星北極，跨度大約是3萬千米。這個六角形是時速為300千米的狂風圍繞而成，內部則有許多類似颶風的小型渦旋。弔詭的是，土星的南極並沒有這樣的圖案。

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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

得益於卡西尼號任務，土星的內部也得到了進一步的認識。土星有個非常強大和複雜的磁場，它是土星內部翻滾的液體產生的。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度和模式。

當太陽風橫掃土星磁層時，土星兩極會產生閃亮的極光帶。

NASA/JPL/University of Arizona

不過還是有一些根本性的謎團尚未被揭開。卡西尼號的科學家們依舊在研究，到底土星的一天有多長。因為土星沒有固體的地表，所以研究人員無法通過地表固定的特徵來測量土星的轉速。不過土星會發射周期性大功率無線電信號，這應該是土星深處磁場運動造成的。科學家們轉而嘗試利用這點來估算它的真實轉速。

但是卡西尼號發現，這些無線電信號比想像中更錯綜複雜，想要利用它們來估算土星轉速也並非易事。在卡西尼號進入任務的最後階段——在土星和土星環之間繞圈的時候，應該能夠得到土星磁場的更多細節。

雖然卡西尼號的任務行將終了，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家Jeff Cuzzi 認為，「就廣度和深度而言，卡西尼號採集的數據是旅行者號的100倍。我們要花數十年才能摸清這筆寶藏。卡西尼號的作業雖然即將畫上句號，但我們對其發現的真正意義的理解或許才剛剛啟程。」

Naturedoi:10.1038/548512a

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