別了，卡西尼

科技 09-16

【導讀】卡西尼在北京時間1997年10月15日16時43分發射升空，經過6年8個月、35億千米的漫長太空旅行後，順利開始土星探測任務，向地球傳來了大量照片。從發射到現在將近20年了，它將於9月15日衝進土星大氣層，13年的土星探索即將結束。這篇乾貨滿滿的長推送前半段整理了「卡西尼號」生命的最後瞬間，而在後半段，我們整理了一些關於卡西尼號謝幕的常見問題。希望在閱讀之後，大家能真正意識到這次計劃的偉大之處。

卡西尼號團隊全家福

最後一次飛掠土衛六

文/羅輯

發射於1997年的卡西尼-惠更斯號探測器即將在9月15日進入土星大氣，之後探測器將與土星大氣摩擦後燒毀。長達20年的任務期也算創造了一個小小的歷史，讓我們對土星有了非常充分的認識。卡西尼-惠更斯號其實有兩個部分構成，卡西尼號是軌道器，惠更斯號是著陸器，當然不是降落土星，而是降落土星的衛星泰坦（土衛六）。惠更斯號在2005年登陸泰坦，收集到了這顆土星衛星的第一手數據，土衛六也是太陽系中的第二大衛星，被懷疑可能存在生命，因為其表面分布著大量液態烷烴，美國宇航局猜測液態烷烴的海洋能夠支持生命，因為在地球早期也有類似的大氣成分，嗜好烷烴的生命有可能在那兒生存。

在任務的最後階段，9月11日，卡西尼號對泰坦進行了最後一次飛掠，在9月12日，卡西尼號與美國宇航局進行數據傳輸，把泰坦最後的探測結果傳到地球，之後卡西尼號將按計劃從設定好的軌道上朝土星大氣層飛去。與土衛六接觸是卡西尼號死亡之旅的一個小插曲，因為美國宇航局設定的軌道需要土衛六提供引力，將卡西尼號徹底引入土星上層大氣。卡西尼號並不是一個嚴格流線的外形，因此在接觸到土星上層大氣後會開始減速，這樣可以讓卡西尼號在土星上層大氣中的生存時間更長一些。這對卡西尼號而言，那當然是個折磨，選擇切入角更大的軌道可以快速讓探測器燒毀，反之需要更長的時間。

從2004年進入土星軌道以來，卡西尼號已經在這裡運行了13年的時間，飛掠泰坦的次數多達127次，有時候會更近一些。美國宇航局噴氣推進實驗室的卡西尼號項目主管Earl Maize認為，卡西尼號的軌道一直是圍繞土衛六而運行的，十幾年來幾乎每個月都會交叉，這次是卡西尼號最後一次與土衛六泰坦擦肩而過。美國宇航局為卡西尼號選擇的墓地在土星上層大氣中，因為首先要確保不破壞土衛六泰坦的表面環境，讓其保持最原始的狀態，因為即便是嚴格消毒滅菌過的探測器也不敢保證不會將地球生命引入到土衛六的環境中。根據卡西尼號的調查，土衛六是個非常複雜的有機化學工廠，這是一個天然的有機化學實驗室，宇宙從無機環境到有機環境，這是一個突破，而土衛六就是一個潛在的生命誕生之地。

在卡西尼號任務之後，美國宇航局科學家希望有一天能夠再次回到土星軌道上，目前正在推進的任務涉及到在土衛六烷烴海洋上航行的探測器，收集可能存在的生物學信號。土衛六已經被證明擁有一個全球性的液態甲烷循環，這顆星球上所發現的一切化學過程與現在的地球有著明顯的不同。到目前為止，太陽系外側軌道行星依然沒有被全面探索，旅行者2號僅僅做了簡短的飛掠，尤其是天王星和海王星，它們主要由水、氨、甲烷構成。而木星、土星幾乎是由氫氣和氦氣構成，與地球這樣的岩質天體有著本質的區別。

卡西尼-惠更斯任務是美國宇航局，歐空局和義大利航天局的合作項目，噴氣推進實驗室負責設計、開發和製造，項目運營和管理位於華盛頓總部。

卡西尼號為何要選擇自毀？人類未來又將如何研究土星？我們連線了米歇爾·布蘭克教授，一起來聽聽這位文學天文雙料導師的有趣講解吧。

米歇爾?布蘭克（Michel Blanc），就職於法國圖盧茲的天體物理學與行星學研究所，是「卡西尼」號任務的跨學科科學家，同時還是國際空間科學研究所北京分部的執行主任。

「卡西尼」號的繼任者與「卡西尼」號任務有何區別？有沒有中國的參與？

首先，「卡西尼」號有兩個繼任者，但它們將探索木星系統。在歐洲，歐航局的「果汁」（JUICE）任務將於2022年發射，首先探索木星系統，而後進入木衛三「伽倪墨得斯」軌道。順帶一提，「果汁」任務是10年前由我通過「拉普拉斯」（LAPLACE）提議開啟的。木衛三在伽利略衛星中排第三，是一顆「海洋衛星」，可能擁有適居性。同一年，美國宇航局將利用新型超級運載火箭SLS（推力超過土星V型火箭）發射「歐羅巴快帆」號。這項任務投資20多億美元，將45次近距離飛躍木衛二「歐羅巴」，研究這顆衛星的宜居性。

JUICE

來源：http://sci.esa.int/juice/59341-juice-mission/

Europa Clipper

來源：https://www.jpl.nasa.gov/missions/europa-clipper/

木衛二在伽利略衛星中排第二，是太陽系內除地球外最有可能存在生命的星球。「歐羅巴快帆」號將對木衛二的地表進行測繪，幫助科學家選擇未來登陸任務的著陸點，不過該任務尚未獲得所需資金。本次登陸任務將在木衛二的多冰地殼搜尋生命存在證據。「歐羅巴快帆」號將一直對木星這個巨行星家族成員進行研究，直至2034年前後。

至於是否有中國，從目前來看，中國和美國宇航局的官方合作會有困難，但科學家以個人身份參與還是有可能的。歐航局方面，顯然更容易一些。我希望歐航局和中國航天機構不久後能夠在當前卓越合作的基礎上展開進一步磋商。

「卡西尼」號墜落土星時會有殘骸掉落土星，這會給土星環境造成污染嗎？

污染？可能性極低。「卡西尼」號將以極超音速進入土星大氣層，短短几分鐘內便會熔化，化為灰燼。我不認為飛船上的任何大的有機分子能夠倖存。另外，土星並不是一顆具有適居性星球，也不可能孕育生命。這也是為什麼我們決定讓「卡西尼」號墜毀土星。

「卡西尼」號在最後時刻傳回的數據和圖像是大概深入土星多少公里？

「卡西尼」號將從中緯度地區的某個點開始最後的傳輸，是在上層大氣層，也就是在雲頂之上。

有相關報道提到「卡西尼」號墜落土星後，還是會給科學家留下至少可供分析和研究十幾年的圖像、數據等內容，是真的嗎？除此之外，還會給我們帶來哪些（墜落前）更為驚人的發現？

「卡西尼」號自2004年7月以來便環繞土星軌道飛行，它的遺產包括跨度13年的獨一無二的圖像以及非常寶貴的數據。所有這些都存入美國宇航局的行星數據系統，供全世界的科學家使用。每一個感興趣的人都有機會利用「卡西尼」號獲取的數據。此外，「卡西尼」號將以一種充滿戲劇性的方式結束自己的使命。4月以來，我們便一直對土星和星環間的區域進行研究。這在「卡西尼」號任務史上還是第一次。

「卡西尼」號獲取了大量獨特數據，能夠為未來10年新的土星系統探索任務提供支持，同時幫助培養年輕科學家，讓他們加入到巨行星探索的行列。「卡西尼」號數據的分析整理工作將於來年啟動，參與這項工作的博士人數給我留下深刻印象。其中幾名博士生就在這裡。對於中國的行星學研究人員來說，能夠利用「卡西尼」號所獲數據無疑是一個極好的機會，有助於培養一批年輕科學家，讓他們在不久之後（10年左右）可以參與到中國的木星探索任務。如果國際空間科學研究所北京分部能夠為此提供幫助，我會感到非常欣慰。

請記住一點，「卡西尼」號最後獲取的數據——從「壯麗終章」軌道到最後的俯衝——可能最為引人注目，這畢竟是它與土星的最親密接觸。分析這些數據需要數年時間。

工作到最後一刻的卡西尼號。

想了解一下「卡西尼」號墜入土星大氣層時如何進行實時通訊，畢竟隔了那麼遠，雖然確切地說是「幾乎達到」實時通訊的程度，但也覺得很不可思議。

「卡西尼」號與地球的通訊依靠一種非常高效的高增益通訊天線（順便說一下，這項技術由義大利航天局資助的一位義大利研究人員研發）。這種通訊天線的傳輸功率不大，將信號的集束性很好。每當「卡西尼」號處於對地傳輸模式，天線都需朝向地球。

在「卡西尼」號的最後時刻，也就是所謂的「壯麗終章」，這艘飛船會始終將通訊天線指向地球，傳輸數據直至最後一刻……當推進器再也無法在土星大氣中保持飛船的穩定，通訊天線將偏離地球，我們會與「卡西尼」號失聯。至此，「卡西尼」號任務終結，幾分鐘後就會燃燒殆盡。永別了，「卡西尼」號！預計為北京時間9月15日晚間19點45分。

土衛六有生命的可能性有多大？

我們從未在宇宙的任何地方探測到過外星生命的存在，鑒於這一事實，我認為未來發現外星生命的可能性極低，無論是在土衛六「泰坦」，木衛二「歐羅巴」還是土衛二「恩克拉多斯」。它們是這場競賽中處於領先地位的候選者。我隱約感覺是這樣。實際上，土衛六與其它兩顆衛星的情況有所不同，因為土衛六的天體生物學特徵更富有多樣性。它有兩個截然不同的方面——地表究竟發生著什麼？地下海洋又在發生著什麼？——我們甚至不確定二者之間是否存在聯繫。

在土衛六的地表和大氣層，存在一個活躍的「甲烷循環」，與地球上的水循環非常類似。在這個循環中，甲烷取代了水的角色：甲烷從地表湖泊蒸發，形成雲，而後帶來「降雨」，形成河流，流入湖泊，結束整個循環。因此，土衛六存在「甲烷氣候」。少量甲烷（以及乙烷）擴散到上層大氣層，在磁層電子的作用下輻射分解，形成非常活躍的自由基，從而觸發重有機分子的形成。

這些有機分子最終隨著「雨水」落到地表，形成了一層厚厚的有機物。但由於沒有水，所以對於天體生物學家來說，一個長久以來懸而未決的問題便是：在沒有水溶劑的情況下，能夠孕育出生命形態嗎？這是一個開放性的問題，恐怕沒有答案，除非有「甲烷外星人」給我們打電話……

化學家和天體生物學家目前尚未發現任何「無水生命形態」的可信模型，這一點是肯定的……如果拿是否存在這樣的生命打賭，我不會下很大賭注。現在，「卡西尼」號已經通過重力測量和對土衛六旋轉模式的研究得出結論，土衛六可能存在一個由水構成的內部海洋！這個海洋位於地下幾十到一百公里，可能存在生命。木衛二和土衛二或多或少也是這種情況，但問題在於，與這兩顆衛星不同，「卡西尼」號直到現在也沒有發現這個地下海洋存在任何涉及水間歇泉的熱液活動。我們在地表看到的唯一液體就是甲烷和乙烷……因此，我認為這只是純粹的猜測。站在理性的角度，我不相信地表存在基於甲烷的生命形態。對於存在地表生命的可能性，我的答案是5%，畢竟要留點餘地。