這是卡西尼號20年使命的6大最重要的發現
【博科園-科學科普】卡西尼號是卡西尼惠更斯號探測器的一個組成部分。卡西尼－惠更斯號是NASA、ESA和ASI 的一個合作項目，主要任務是對土星系進行空間探測。卡西尼號探測器以義大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名，其任務是環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察。
土星是在太陽系的所有行星中最先成為天文觀測者的一個謎，遠早於望遠鏡本身的發明。
卡西尼號拍攝的土星上最壯觀的馬賽克圖像之一顯示了北極，土星環，行星的陰影，以及我們太陽系最具視覺色彩的世界的近照。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
當伽利略首次使用他最早的天文望遠鏡觀看天空時土星是一個謎， 伽利略注意到似乎顯示 "戒指環"。在過去的幾年裡土星變得更加奇妙，在它們的縫隙中展示著光環，許多大小不同的衛星和其他有趣的特性，帶狀結構，瞬態風暴等等。現代天文望遠鏡的出現和土星的「航行者」的飛行只暴露了更深層的奧秘，揭開了許多稀奇古怪的問題。
卡西尼號於1997年10月15日發射。這一壯觀的條紋是在卡納維拉爾角空軍基地上拍攝的，前景中有一艘固體火箭助推器。圖片版權：NASA
1997年10月15日美國宇航局的「卡西尼號」首次投入使用。為了觀測土星，拍攝圖像和光譜及衛星等，它還配備了一個著陸器：惠更斯號探測器，它將降落到土星的大衛星「泰坦」上。裝備了放射性同位素髮生器，它將擁有自己的艦載能量，可以持續幾十年的核衰變，從而達到前所未有的科學水平。
在發射前一年，卡西尼號宇宙飛船的一張圖，包括各種儀器和機載設備和探測器。圖片版權：NASA / ESA / Italian Space Agency; JPL-Caltech
卡西尼號於2004年到達目的地，經過了為期7年的太陽系之旅。當它到達土星時立即開始收集數據並在2008年完成了四年的主要任務。它發現土星環、風暴和土星表面的旋流模式的額外缺口及更多的衛星，還發現了各種分子的存在，惠更斯探測器甚至在泰坦表面發現了流動的液態甲烷的證據。儘管取得了巨大的成功，但有六項發現是卡西尼號最壯觀的任務。當它準備結束生命的時候才是最偉大的。
土星北極，如圖所示自卡西尼號首次進入土星軌道以來，是藍色的。然而在過去的幾年裡，它開始從藍色變成黃色，非常緩慢。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
卡西尼號20年使命結束，這是它6大最重要的發現：
TOP1、土星的極地六邊形和颶風。儘管旅行者號發現了這種結構的蛛絲馬跡，但直到卡西尼(Cassini)發現了這一奇觀後，我們才發現了驚人的真相：土星有一場六角形的風暴在北極不斷地肆虐。流體動力學和土星混亂但快速旋轉的大氣的結果，這是第一次在氣態世界發現的這樣的風暴。超過32000公里(20000英里)寬，風暴開始在78o緯度和延伸了約100公里(60英里)。
土星北極的偽彩色圖像突出顯示了六邊形內部和周圍的不同特徵，包括北極渦旋。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
與其他大氣特徵不同，六邊形的緯度隨時間的變化而變化。在六邊形周圍360公里/小時(220英里/小時)的東移的氣流，與低緯度氣流相結合，可以在計算機模擬中再現六邊形。也許最引人注目的是北極周圍的極地渦旋本身就像颶風的眼睛，在卡西尼可以看到的漩渦中有一個斷裂。
土星六邊形的偽彩色動畫，由大約70個獨立框架縫合在一起。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University
土星的極地風暴本身直徑約為1250英里(2000公里)，在卡西尼觀測到的13年間，它一直持續存在。最引人注目的是在過去的幾年裡，這個漩渦的顏色已經開始改變了。正如科學家John Blalock所指出的：當我們從2012年到2016年的時候，六邊形可能會稍微亮一點，但內部和特別是甜甜圈區域(在中心)看起來更亮。在上層大氣中光化學煙霧產品的生產增加了。
2012年(L)和2016年(R)土星的北極圖像，都帶著卡西尼廣角相機拍攝。顏色的差異是由於由直接光化學變化引起的土星大氣化學成分的變化。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
為什麼呢？土星的北極長期以來一直於太陽傾斜，只有在2015接近太陽的時候才回來，很明顯：極地六邊形的顏色發生了變化，就像它在陽光直射下一樣。在太陽周圍29年的軌道周期中，卡西尼號不可能很快看到這種變化，這僅僅是由於這個任務持續了很長時間，我們才發現這一點！
在長達8個月的時間裡太陽系中最大的風暴肆虐，包圍了整個土星世界，並能在裡面容納多達10到12個地球。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
TOP2、這是太陽系中已知的最大風暴。像所有的行星一樣土星包含它自己的天氣，包括大的和小的風暴。雖然卡西尼號的任務是在環地球上發現一些有趣的行星，比如長壽的極地六邊形和南半球的龍風暴，但最壯觀的發生在2011年，在北半球出現，環繞整個行星持續200多天。圖像以一種旋轉的方式被關閉，這表明風暴在土星表面以每小時60英里(100千米/小時)的速度移動。
土星(在風暴中)假色圖。在風暴中缺乏白色/藍色表示沒有甲烷。風暴的眼睛是富含甲烷的;風暴的尾部是甲烷，邊緣上的亮藍色是水冰。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
雖然這一震級的風暴每隔20 - 30年就會出現一次，但在1876年這是最大的，持續最長的一次。4月發現這些風暴被土星大氣層下層的水蒸氣所抑制。不僅是氫和氦，還有甲烷，濕水汽形成了土星外外逸層的一層，使世界的內部絕緣。最終外層的冰涼如此之多，以至於它們下沉讓內部、潮濕的層和風暴重新出現。從卡西尼的真實和假彩色圖像中發展出這張照片，下一個主要的土星風暴，預計在本世紀30年代，可以最終告訴我們我們的鄰居包含了多少水。
根據開普勒定律漣漪可能存在於一個環隙的內或外部分，這是由於一個中間的衛星由於內部的部分軌道更快速，而外部部分的軌道更慢造成的。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
TOP3、土星環內固有的結構、漣漪和浮雕，土星在很多方面都很了不起，在我們所知道的所有行星中，它是密度最小的行星，也是唯一一個有明顯可見的環的行星。這些環狀物由冰冷的、塵埃狀的物質組成，它們不是固體，而是由互相傳遞的粒子組成，它們被潮汐力短暫地粘合在一起。雪球和星子合併在一起，只能被土星及其傳遞的衛星所施加的潮汐力所撕裂。
環形系統本身的厚度只有10米到1千米，可能和土星本身一樣古老。當土星環被觀察到的時候，由於土星環與太陽的角度，在冰晶中微小的不完美可以被看到在剩下的光環上投射出令人著迷的長長的影子。
儘管土星環本身非常薄，但其高度只有厘米，可以看到接近土星分點的巨大陰影。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
主環從7000公里延伸到8萬公里，高於土星的赤道:比土星的半徑大。環系統由99.9%的水冰組成，有數千個稀薄的空隙，在過去更厚更多樣。曾經的岩石物質已經合併成衛星，但只要我們的太陽系存在，水環就會繼續存在。
由卡西尼號拍攝的土星環及其結構的可見光和射電圖像。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
儘管它們具有高度的反射性，而且大部分都是由水冰構成的，但在光學和無線電中，環的反射率也不同，後者允許成像比前者更清晰。
土衛八的兩種色調是一個謎，在大約300年的時間裡，但最終在21世紀卡西尼號的任務中得到了解決。圖片版權：NASA / JPL
TOP4、伊阿佩圖斯兩色自然的神秘被解開了。土衛八是土星的第二個衛星，可以說是它最神秘的地方。它不僅有一個赤道脊和一個大的軌道傾斜，而且它的一半像冰一樣反射，而另一半則比冰深80%。不是它軌道的傾斜度而是它是土星上最遠的大衛星。那，還有另一個同樣不尋常的衛星。
在土衛八的軌道之外是一個看起來沒有其他行星環繞土星的衛星：菲比。菲比不是由土星其他衛星的相同物質組成的，而且它的軌道與其他衛星的方向相反。而不是(從北極往下看)在它的母星上逆時針旋轉，而其他衛星都在繞著它旋轉，菲比繞著土星順時針旋轉。這怎麼可能？因為菲比不是來自土星，而是一個捕獲的柯伊伯帶天體！
斯皮策的紅外圖像能夠發現一個微弱的外環，作為對卡西尼返回的暗示數據的追蹤，這導致了土星周圍的一個全新的環的發現。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/Keck
只在2004年被斯皮策太空望遠鏡(紅外)探測到，菲比環是一個由菲比組成的分散的碎片環，而且非常黑暗，當然由於這些碎片圍繞著土星與其他所有的衛星都是相反的，土星最外層的衛星可能會撞向它，將衛星的前側暴露在黑暗的碎片中。這就是我們與伊阿佩圖斯的配置，撞到菲比的碎片戒指上!
土星的圖像，土衛八，菲比，以及土衛八和土星的外環，f -環的軌道。這是一個複雜的過程，最終導致了土衛八的兩色性。圖片版權：Smithsonian Air & Space, derived from NASA / Cassini images
因為土衛八被潮汐鎖定在土星上，這意味著當它通過它的軌道時，同樣的「側邊」總是會向前移動——它的前部積聚了這種黑暗物質，而後側則沒有。深色的物質在土衛八的一邊收集，比淺色的物質更熱，這導致地表的冰升華。在氣相中蒸汽有相當大的動能。這還不足以讓它逃脫I土衛八的引力，但足以讓它移動到光線的一側，在那裡穩定地保持著，造成了土衛八的兩種色調。卡西尼號的光譜功能提供了解開這個謎團的鑰匙。
土衛二(Enceladus)的土衛二(Enceladus)，其高度反光的表面顯示出持續的新鮮表面冰的存在和豐富，就像太陽系中沒有其他衛星一樣。圖片版權：NASA / Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem
TOP5、土衛二在地下海洋中居住的潛力。隨著卡西尼號的成像，恩克拉多斯被發現有一個光滑明亮的冰的表如此明亮，事實上它認為是太陽系中最反光的衛星。但表面光滑的表面會出現裂紋，裂縫表明結冰的表面有弱點。恩克拉多斯位於土星電子環的中心。
土星的瀰漫性、明亮但冰冷的電子環，以及對土星環的存在負有責任的恩克拉多斯的「亮點」。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
土衛二地表下的冰物質被冰層上的冰和土星的潮汐力所壓縮和加熱，形成了一個鹽水的地下海洋，液態水。然後水被噴射出來，這樣它就從土衛二的重力中逃逸出來，而它的大部分形成了反光的電子環。水、熱和有機分子的存在都應該存在於土衛二上，這使它成為我們太陽系中最有可能的生命之一。
在土衛二的表面(L)上出現了一幅火山噴發的圖像，這幅圖顯示了地球科學家(R)的火山爆發的模擬。只有通過卡西尼號的令人難以置信的科學，我們才能夠理解這個世界到底發生了什麼。圖片版權：NASA / Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem
水被證明是存在的，而來自土星的潮汐力提供了必要的熱量。根據太陽系中其他天體的觀察，土衛二可能也含有生命的原料。這三種跡象的存在都暗示著在這個巨大的海底海洋中可能存在著前驅體的氨基酸。
這是2005年11月27日卡西尼號宇宙飛船窄角照相機拍攝的南半球噴氣機(藍色區域)的偽彩色圖像。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
這些間歇泉甚至可能成為尋找外星生命存在的未來任務的理想目標。一艘宇宙飛船穿過間歇泉的羽流，收集噴射出的物質，很可能找到人類一直希望存在的有機物質，因為我們第一次敢於夢想其他世界。「配料」都到位了，這種可能性太大，不容忽視。
從土星陰影的獨特位置的大氣，主環，甚至是外環都可以看到，以及在月食中土星系統的可見環隙。地球也在那裡。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
TOP6、最後我們拍攝了地球。當旅行者號從太陽系出發時，首先拍攝了著名的「淡藍色圓點」圖像。在土星的陰影下從太陽下屏蔽卡西尼號，當它拍下這張照片時，它回頭看向地球。土星的光環和大氣層被明亮地照亮時，一盞淡藍色的光在所有其他地方都顯得格外耀眼。這不是一個遙遠的恆星的圖像，也不是一個微小的土星衛星的圖像。相反那個點是我們的家——地球。
從土星光環的輪廓中可以看到，地球和月亮在土星令人難以置信的距離的藍色光芒。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute
在那個點右側的微小的不對稱的污跡不僅僅是一個圖像的產物，而是來自我們的伴侶世界的月亮。經過了20年的旅行和無數的發現，我們認為卡西尼帶給我們的最偉大的東西是最不可避免的，最簡單的的我們自己的家園。當卡西尼準備在9月15日(星期五)最後一次進入氣體巨人的大氣層時，重要的是要記住我們已經走了多遠，以及我們是如何到達那裡的。我們的旅程還沒有完成，因為接下來的路要由我們所有人來完成。
參考：NASA / JPL-Caltech / Science Institute等
作者：Ethan Siegel（天體物理學家）
來自：Forbes science
編譯：中子星
審校：博科園
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