卡西尼號在土星：回顧

在某個夜晚，當土星高懸在天空，夜空晴朗而黑暗時，用後院的望遠鏡觀察一下。當您充分欣賞了這顆行星的壯麗和美麗之後，請在網上搜索美國宇航局（NASA）的卡西尼號探測器在過去 13 年環繞這顆環狀奇蹟的旅程中傳回的影像。您很可能會深受震撼：我們已經走了多遠，我們作為行星際探險家已經變得多麼熟練，以及如此親密地瞭解一個像土星這樣遙遠的世界是多麼非凡的成就。

截至本文撰寫之時，卡西尼號計劃於 9 月中旬結束其環繞土星的旅程，屆時它將按指令衝入土星大氣層。它將在一個很可能無人能看到的火球中焚燬，以確保它永遠不會意外撞擊並因此汙染任何可能存在生命生存條件的土星衛星。

作為該任務成像團隊的負責人，我和大西洋兩岸的許多同事從 1990 年末開始參與卡西尼號專案，當時它還僅僅是一個想法，一個腦海中的願景。我親眼見證了它的規劃和建造過程，親眼目睹了航天器於 1997 年 10 月 15 日從佛羅里達州卡納維拉爾角發射升空，經歷了前往土星的七年航行，並在 2004 年抵達最終目的地時獲得了前排座位。就在那時，卡西尼號開始徹底改變我們對土星及其周圍一切事物的看法。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續刊登關於發現和塑造我們當今世界的想法的具有影響力的故事。

從未有任何任務如此深入、如此長久地探索過像土星系統這樣豐富的行星系統。在它的衛星泰坦上，我們發現了碳氫化合物的海洋，以及一個複雜程度堪比地球的表面環境。我們觀察了土星大氣層中的氣象，並目睹了巨型風暴的誕生、演變和消亡。我們在土星環中看到了新的現象，這些現象揭示了太陽系（包括我們自己的太陽系）形成過程中涉及的過程。像古代的製圖師一樣，我們為未來的探險家繪製了土星衛星的地圖，並發現了新的衛星，包括一整類嵌入在環內的微小天體。然後就是我認為卡西尼號最深刻的發現：在衛星土衛二的南極，有 100 多個間歇泉從一個地下海洋中噴發出來，那裡可能是地外生物的家園。13 年來，我的生活一直在太陽系的外圍空間中度過。而現在，這場豐碩的科學考察已經結束。

親密視角

在 20 世紀 80 年代早期，當兩艘旅行者號探測器飛掠這顆行星後，對土星系統進行詳細、全面的檢查的需求變得清晰起來。這些著名的事件是人類探索土星故事的序幕。它們賦予了這顆行星維度和個性，但留下了一些需要解答的問題。“旅行者號”發現土星是一顆內部、大氣層和磁層都很複雜的行星。在其環中——一個巨大的、閃閃發光的冰礫盤——該任務記錄了與早期太陽系和圍繞其他恆星的類似物質盤的配置相關的相同物理機制的跡象。旅行者號穿過土星內系統的過程揭示了具有動態力量作用的各種衛星。土星最大的衛星泰坦，其表面因其濃厚的、無處不在的霧霾而不可見，但仍以可能存在液態碳氫化合物海洋的暗示吸引著觀察者。總而言之，土星系統似乎是進一步深入研究和探索的理想目的地。

卡西尼號是一項國際合作專案，由 NASA 和歐洲航天局領導，旨在在各個方面都比旅行者號取得顯著進步。它的大小相當於一輛校車，比旅行者號更大，並配備了有史以來送入外太陽系的最先進的科學儀器。卡西尼號還攜帶了惠更斯號探測器——一個直徑四米、呈空氣動力學形狀的裝置，配備了六種儀器有效載荷，它降落到了泰坦的表面。

在穿越太陽系後，卡西尼號於 2004 年 6 月 30 日完美地進入了環繞土星的軌道。它圍繞土星的軌跡既複雜又精確，在其 13 年的旅程中展開，就像花朵盛開的花瓣一樣。為了能夠近距離觀察土星內系統中的一切事物，它的軌道在大小、傾斜度和方向上都有所不同。我們還可以隨意修改軌道，以便再次觀察——在某些情況下，多次觀察——我們之前發現的事物。

卡西尼號在土星停留的時間長度對於我們的成功也至關重要。長期監測是捕捉不可預測過程（例如流星體撞擊土星環）的唯一方法。此外，土星衛星緩慢而穩定的軌道遷移，以及太陽照射的季節性變化引起的大氣變化，都需要我們在儘可能長的時間跨度內收集觀測資料。卡西尼號的額定任務為期四年，原計劃於 2008 年 6 月 30 日結束。但是，航天器在那段時間裡取得了巨大的成功，以及讓如此高效的資產繼續工作的無可辯駁的邏輯，幫助我們提出了繼續卡西尼號任務的理由。我們的論點取得了成功，獲得了多次延期，並確保我們目睹了 2009 年 8 月土星春分時罕見的照明條件，當時陽光淺淺地照射在土星環上，揭示了突出於環平面之上的垂直結構的存在，這些結構投下了長長的、清晰可見的陰影。

最終，卡西尼號的軌道執行在開始後近半個土星年（或地球上的 13 年零兩個半月）結束。我們到達時略微過了這顆行星南半球夏季的頂峰，而任務將在其北半球夏季的頂峰結束。這個時間框架使我們能夠觀察幾乎完整的季節週期：我們觀察到土星和泰坦的南半球從夏季到冬季，而它們的北半球從冬季到夏季。這有點像宇宙作弊，但它奏效了。

衛星

在太空時代之前，科學家們認為外太陽系的衛星將是毫無特徵、地質死亡的冰球。“旅行者號”證明這種假設是錯誤的；卡西尼號的任務是調查土星的大量衛星，並瞭解它們的一些歷史。在某些情況下，這些歷史被證明是非凡的。

以土衛八為例。其雙色外觀——一個半球像雪一樣白，另一個半球深黑——的起源一直是一個長期存在的謎團。從卡西尼號的高解析度影像中，我們瞭解到，即使在小尺度上，這顆衛星也是深色和淺色斑塊的雜色混合體。卡西尼號的相機和熱儀器共同向我們展示了造成這種情況的原因。半球尺度的顏色變化和區域性雜色斑塊都是由僅在緩慢旋轉的土衛八上發現的失控熱過程引起的。開始時較暗的區域會變得足夠熱以昇華冰，從而變得更暗更熱。開始時較白的區域會更冷，併成為這些昇華蒸氣凝結的地點。隨著時間的推移，深色區域的所有冰都會消失並在白色區域重新積聚。一個完整的半球是如何參與這個過程的？在圍繞土星的軌道上，土衛八穿過一團來自土衛九（土星外部不規則衛星之一）的深色細顆粒物質雲。這片雲使土衛八的整個前導半球變暗，使其保持溫暖和無冰狀態。謎團解開了。

另一個突出的衛星是泰坦。卡西尼號的可見光和近紅外相機以及雷達儀器能夠穿透泰坦的霧霾。當然，2005 年初惠更斯號探測器降落到泰坦大氣層中兩個半小時，拍攝了全景影像並測量了大氣成分、透明度、風和溫度，然後探測器才降落在衛星表面。總而言之，卡西尼號在泰坦上發現的是一個科幻世界，那裡的風景——地貌和雲彩——是可識別的，但由不尋常的物質構成，那裡的外觀是熟悉的，但感覺卻不是。

我們發現，泰坦擁有湖泊和海洋，但不是由水組成，而是由液態甲烷組成。在衛星的南極，卡西尼號的高解析度相機在較小的類似特徵區域中發現了一個接近安大略湖大小的液態天體（因此命名為安大略湖泊）。卡西尼號的其他儀器後來證實，安大略湖泊確實含有液態甲烷。此後，我們發現了許多大小不一的液態甲烷天體；由於某種原因，它們主要棲息在高緯度北部地區。雷達觀測顯示，崎嶇不平的岩石海岸線類似於緬因州的海岸。相比之下，惠更斯號探測器著陸的赤道平原是乾燥的，覆蓋著綿延很長的沙丘，沙丘不時被較高的地面打斷，一直環繞衛星。

泰坦表面液態有機物的湖泊和海洋自然引發了關於它們是否可能含有生命的猜測。但泰坦表面的溫度極其寒冷：−180 攝氏度。如果在如此低的溫度下執行，發現類似於我們認為水基生物化學所需的化學反應，那將是令人驚訝的。但是，如果我們真的檢測到在甲烷中蓬勃發展的真正“外星”生物化學，那將是一項非凡和歷史性的發現。

但在我看來，卡西尼號最偉大發現的地點毫無疑問是土衛二，一顆只有泰坦十分之一大小的冰衛星。“旅行者號”在那裡揭示了廣闊的、出乎意料的光滑區域，這些區域表明過去曾發生過強烈的內部活動，甚至可能在其冰殼下埋藏著液態水層——這一切都發生在似乎太小而無法出現這種現象的衛星上。

我們首次意識到土衛二上存在任何活動是在任務早期，即 2005 年 1 月，當時我們發現了一股冰粒子羽流從南極噴射出來。我們的影像立即向公眾公開，網際網路上的卡西尼號追隨者激動不已。此後不久，卡西尼號的其他儀器證實，羽流確實是真實的。卡西尼號的操作員迅速做出反應，改變軌跡以進行更近距離的觀察。我們在任務早期瞭解到的關於土衛二的資訊絕對讓我們震驚，但直到 2008 年之後，當我們獲得 NASA 的批准延長任務時，我們才能夠投入大量時間和資源來檢查這個迷人的地方。

我們現在知道，土衛二是一顆衛星，它受到土星引力潮汐力的彎曲和拉扯。這種潮汐能量產生了足夠的內部熱量來形成一個全球性的水海洋，在某些地方可能厚達 50 公里，埋藏在幾公里厚的冰外層下。100 多個間歇泉從南極地形中四個突出的裂縫中噴發出來，形成一股微小的冰粒子和蒸汽羽流，延伸到表面上方數百公里。這股羽流中的大部分固體物質都落回表面，但一小部分延伸得更遠，形成了土星瀰漫但巨大的 E 環。

卡西尼號能夠十幾次飛越羽流並分析其物質。我們發現，在我們的影像中看到的粒子，它們在幾個小時前還是海洋的液滴，帶有大型有機分子和化合物的證據，這些證據表明存在類似於在地球海底深海熱液噴口處觀察到的熱液活動。它們還表明海洋鹽度與地球相當。伴隨這些粒子的蒸汽主要是水，但也含有微量的簡單有機化合物，以及二氧化碳和氨——所有這些都是維持生命甚至生命起源的重要成分。

卡西尼號的結果清楚地表明，土衛二的地下環境可能包含生物活動。我們現在必須面對令人毛骨悚然的問題：這個小小的冰冷世界是否在我們的太陽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跡象？微生物會像雪一樣降落在它的表面嗎？沒有其他天體如此確鑿地擁有我們認為生命宜居所需的所有特徵。目前，它是太陽系中最有希望、最容易接近的尋找生命的地方。我們中的一些人對這種可能性如此著迷，以至於我們正在設計返回土衛二的任務來一探究竟。

土星環

當然，土星環是使土星成為壯麗景觀的原因，瞭解其錯綜複雜的運作方式是卡西尼號的主要目標。它們是旋轉碎片雲坍縮的自然終態，因此，它們是我們認為為我們自己的太陽系提供原始成分的碎石盤的最接近的類似物。它們也是新生太陽系誕生的原恆星盤，甚至是數十億個我們稱之為旋渦星系的塵埃和氣體風車的模型。在土星上所有可以研究的事物中，土星環的科學觸角最廣，從我們當地的鄰域延伸到整個宇宙。

透過卡西尼號的測量，我們已經開始瞭解土星環中大多數結構的起源。在某些地方，我們發現一些遙遠軌道衛星的引力作用擾亂了環粒子的軌道，形成了尖銳的邊緣或波浪擾動，這些擾動以螺旋模式向外傳播。在另一些地方，衛星嵌入在環中，引力將粒子推入美麗的結構中。例如，潘，一個位於恩克環縫中的大約 30 公里寬的衛星，對它附近的粒子產生了這種作用；反過來，落入的環物質重塑了潘，使這顆衛星看起來像穿著芭蕾舞短裙。

在粒子特別密集的環區域，我們發現了自生波，其波長從 100 米到數百公里不等，在盤中傳播。這些波可以在粒子濃度的急劇不連續處反射，並相互干擾，從而形成看起來混亂的地形。我們對環結構的理解現在包括對馬克·馬利（現任職於 NASA 艾姆斯研究中心）和我於 1993 年做出的預測的令人滿意的證實：土星主體內的聲學振盪也可能在環中產生特徵。透過這種方式，土星環就像一臺地震儀。

卡西尼號在 2009 年 8 月春分前後發現了最令人震驚的環驚喜。沿著質量最大的環（B 環）的清晰外緣，我們發現了一條令人難以置信的 20,000 公里長的連續尖刺陰影，揭示了“環山”的存在——粒子波延伸到環平面上方三公里處。這些地層可能是由於物質在環邊緣的共振處，像湍急的水流衝擊海岸邊的大懸崖一樣，繞過被困在共振處的小“小衛星”而受到極度壓縮造成的。

在另一個啟示中，我們看到了一個非常微妙的、緊密纏繞的螺旋圖案，它在內部 C 環和 D 環中持續不斷地延伸了 19,000 公里。現在在愛達荷大學工作的馬特·赫德曼和他的同事們進行了一些細緻的偵查，揭示了 1983 年彗星碎片在內環中的撞擊可能迫使撞擊區域中的所有環粒子進入傾斜軌道；這些軌道的進動像陀螺一樣，內軌道的進動速度快於外軌道。從那時起，這種擾動變得越來越緊密，在環中形成了一個三米高的螺旋波紋圖案。這種結構甚至在“旅行者號”飛掠期間都不存在。我們已經認識到，太陽系是一個動態的奇蹟，而土星環以其無數種和流動的形式，是引力的普遍性、可擴充套件性和無限複雜性的一個生動教訓。任何藝術家都無法做得更好。

大氣層

卡西尼號還非常詳細地研究了土星大氣層的構成和行為，在此過程中發現了一些意想不到的特徵。它的儀器能夠研究土星大氣層在各種高度的情況，揭示其全球環流模式、成分和垂直結構。大氣層像木星一樣被劃分為寬闊的帶狀區域，儘管土星的帶狀區域從外部不太明顯，這是因為在上面的氨雲層上方存在一層厚厚的霧霾。當卡西尼號探測到霧霾下方並進入對流層時，它揭示了土星帶狀區域的寬度隨緯度交替變化：較窄的帶狀區域顏色較深，與快速急流重合，而較寬的帶狀區域往往更亮，與速度較慢甚至可能相對於行星整體旋轉靜止的急流對齊。總體而言，土星的大氣層似乎隨著時間的推移相當穩定——卡西尼號顯示，即使是北極上空令人驚訝的六邊形急流也幾乎沒有變化，自從“旅行者號”首次發現它以來。我們瞭解到，穩定性是巨行星中大規模大氣系統的共同特徵：由於沒有固體表面作為氣體的基礎，因此沒有摩擦來消散大氣運動。一旦開始，它們就會持續存在。

然而，我們很高興地發現，土星的大氣層並非完全對季節變化無動於衷。在北部冬季半球的雲層上方，當卡西尼號首次到達時，這顆行星正在上演一場出乎意料的表演：它是藍色的！由於兩次“旅行者號”飛掠都發生在春分附近，因此沒有傳回冬季的景象，因此這種極端的顏色變化令人非常驚訝。我們最好的猜測是，冬季紫外線輻射的較低通量，以及環陰影對冬季半球的阻擋陽光效應，減少了上覆霧霾的產生。更清晰的大氣層意味著更好的機會進行瑞利散射，瑞利散射是將我們自身的大氣層變成藍色的過程，以及大氣層中的甲烷吸收太陽的紅光。在我們拍攝的土星影像中，為冬季半球著色的華麗天藍色條帶實際上是拼接在土星上的海王星大氣層的一部分。誰知道呢？

土星的一個獨特屬性，一個世紀以來人們都知道，那就是在幾十年時間尺度上，它容易爆發巨大的風暴。因此，我們很高興在 2010 年末迎接了這樣一場風暴。在大約 270 天的時間裡，我們觀察到這個雷鳴電閃的龐然大物誕生於北半球的一個小擾動，然後增長，蔓延到整個行星，直到它的尾部與頭部相遇，並最終消退。這是又一個航天器從未目睹過的現象。我們懷疑，作為土星最深雲層組成部分的水，可以在較輕的氫氣大氣層中抑制對流數十年，直到浮力最終勝出並引發大規模的對流爆發。

世界勘測者

從 1990 年的構思到今年 9 月的最終戲劇性結局，卡西尼號一直是人類長達六十年的地球以外探索歷程中的一個主要且非常成功的組成部分。它圍繞土星的歷史性探險向我們展示了一個迷人且非常陌生的行星系統中錯綜複雜的細節運作。它擴充套件了我們對使土星及其周圍環境、我們的太陽系以及延伸到整個宇宙的其他恆星和行星系統成為今天這樣的力量的理解。

我們很快就會看到像卡西尼號這樣強大的任務重返土星，這令人懷疑。能夠參與這場壯麗的冒險，就等於過著我們這個時代的探險家、遙遠世界的勘測者既艱辛又充實的生活。我現在要告別了，我感到欣慰的是，卡西尼號的故事將在很長一段時間內激勵人類。