舉世矚目的土星探測(上)
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作者: 司馬杭仁
2009年4月21日，美國航宇局公布了卡西尼土星探測器拍攝的一組頗具震撼力的土星照片，它們以迄今最令人難以置信的細節揭示了土星及其衛星和光環的秘密。最新公布的這組圖片顯示了土星系統內部的驚人差異，在其中一張照片上，看似寧靜的光環優美地堆疊于土星赤道周圍，令其與土星衛星坑坑洼洼的外觀形成鮮明對比。這一探測項目的科學家正在對土星壯觀的光環、迷人的衛星、充滿活力的磁氣圈和土衛6的表面及其大氣層展開深入研究。迄今為止，這次任務的一些重大亮點有：發現土衛6具有像地球一樣的進程，土衛2的南極有一個熱點，表面不斷向空中噴射冰狀晶體，以及土衛2地下蘊含液態水的證據。
土星探測的先驅
最早探測土星的是先驅者11號、旅行者1號和2號3個探測器，它們對土星進行了走馬觀花式的尋訪。
1979年9月1日，先驅者11號成為第1個造訪土星的探測器，為土星拍攝了第1張近距離照片。它在距土星云頂20200千米的上空飛越，對土星進行了10天的探測，不僅發現了2條新的土星光環和土星的第11顆衛星，而且證實土星的磁場比地球磁場強600倍。它2次穿過土星環平面，并利用土星的引力作用拐向土衛6，從而探測了這顆可能孕育有生命的星球。不過，當先驅者11號考察土衛6時，正趕上一陣強烈的太陽風，嚴重地影響了發回的信息。地面控制中心只收到它在35萬千米處拍下的5張高分辨率的照片。在照片上，土衛6呈現美麗的桔紅色，像熟透了的桔子。
1980年11月12日，旅行者1號從距土星12600千米的地方飛過，一共發回1萬余幅彩色照片。這次探測不僅證實了土衛10、11、12的存在，而且又發現了3顆新的土星小衛星。當它距離土衛6不到5000千米的地方飛過時，首次探測了這顆衛星的大氣，發現土衛6的大氣中既沒有充足的水蒸氣，其表面也沒有足夠數量的液態水，約有2700千米厚，比地球大氣密度還高。大氣的主要成分是氮氣，占98％，甲烷占1％，還有少量的乙烷和氫等。金星、地球和火星的大氣中也部有氮氣，但是都沒有土衛6這么多得-晾人。通過這次探測，測得土衛6的直徑為4828千米，而不是過去認為的5550千米。旅行者1號還發現土衛6大氣呈霧狀，土衛6的南北兩半球的明暗有差異：南半球明亮，北半球暗淡。這是什么原因造成的呢?可能是土衛6上南北不同季節引起的。旅行者1號拜訪時，土衛6北半球正好是春季的開始。不過，也有人認為這可能是土星磁層對土衛6的影響。由于濃密的霧層使陽光不能照到土衛6的表面，影響了旅行者1號對土衛6表面的觀測。同時，也有的科學家根據旅行者1號的觀測資料，認為土衛6大氣中充滿甲烷。
1981年8月25日，旅行者2號從距離土星云頂10100千米的高空飛越，傳回18000多幅土星照片。探測發現：土星表面寒冷多風，北半球高緯度地帶有強大而穩定的風暴；像木星一樣，土星也有一個大紅斑，長8000千米，寬6000千米，可能是由于土星大氣中上升氣流重新落入云層時引起擾動和旋轉而形成的。在土星光環中不時有閃電穿過，其威力超過地球上閃電的幾萬倍乃至幾十萬倍；再次證實，土星環有7條，它們由直徑為幾厘米到幾米的粒子和礫石組成，每一條環又可細分成上千條大大小小的小環，即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環；土星環的整體形狀類似一個巨大的密紋唱片，從土星的云頂一直延伸到32萬千米遠的地方。
旅行者2號還發現了土星的13顆新衛星，使土星的衛星增至23顆。它考察了其中的9顆衛星，其中土衛6的實際直徑為4828千米，而不是原來認為的5800千米，是太陽系行星中的第2大衛星(第1大衛星是木衛2，月球是第3大衛星)。它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗紅的天空，偶爾灑下幾點夾雜著碳氫化合物的氮雨等，這是人類了解生命起源和各種化學反應的理想之處。
美國國立光學天文臺的科學家們在研究旅行者2號發回的土星照片時，發現了一個奇怪的現象：在土星的北極上空有個6角形的云團。這個云團以北極點為中心，并按照土星自轉的速度旋轉。土星北極的6角形云團并不是旅行者2號直接拍到，因為旅行者2號并沒有直接飛越土星北極上空。但它在土星周圍繞行時，從各個角度拍下了土星照片。天文學家們把那些照片合成以后，才看清了土星北極上空的全貌，也才發現了那個6角形云團。土星北極上空6角形云團的出現，促使科學家們不得不重新認識土星。
通過上述3個探測器的探測，使人類大大加深了對土星的了解。然而，由于它們都是四處漫游的多用途探測器，均為路過土星時順便“看看”，所以存在探測時間短、探測距離遠等不足，無法獲得有關土星的更多信息進行深入研究。要想進一步認識土星，必須發射土星專用探測器，為此，美國和歐洲聯合研制了以天文學家卡西尼名字命名的專用土星探測器，卡西尼曾發現過幾顆土星的衛星和土星光環的縫隙；它所攜帶的子探測器以荷蘭天文學家“惠更斯”命名，惠更斯早在1655年就首次觀測到土星光環，土衛6也是他發現的。
首個土星探測專業戶
世界上第1個土星專用探測器“卡西尼”是1997年10月15日升空的。它由軌道器和著陸器組成，總重約6噸。其中軌道器由美國研制，高6.8米，高增益天線主反射面的最大直徑處為4米，帶有12臺科學儀器；惠更斯著陸器由歐洲空間局研制，裝載6臺科學儀器。
為了節省發射時運載器的能量，“卡西尼”并不直接進人奔向土星的航線，而是進入一條近日點在地球軌道內的以太陽為焦點的橢圓軌道。它沿著金星一金星一地球一木星的借力飛行軌道飛臨土星軌道的。它于1998年4月27日首次掠過金星；1999年6月24日再次掠過金星；1999年8月18日掠過地球；2000年12月30日掠過木星。
在經過長達約7年、航行35億千米的星際歷程之后，價值連城、技術先進的美國大型空間探測器“卡西尼”，終于在2004年7月1日進入土星軌道后于2004年12月25日向土衛6釋放惠更斯著陸器，所釋放的“惠更斯”于2005年1月14日降落到土衛6表面。并從土衛6表面發回科學數據和黑白照片。剩下的“卡西尼”軌道器圍繞土星飛76圈，從容就近探測土星的大氣、風、磁場、光環，并多次臨近土星的衛星族，預計可送回從近距離記錄下的土星、土星環和土衛族的圖像50萬幅。
卡西尼軌道器主要用于測量行星的全球風場，包括波動；長期觀測云的特征以了解云是怎樣增長、演化和消失的；確定土星大氣層的溫度場、云的特征和成分，以及深層大氣的內部結構和旋轉；還確定土星形成和演變期間的成分、熱通量和輻射環境；研究電離層和磁場之間的關系和日變化，以及土星閃
電(其跨度可達6萬千米)的源和特征。
土星的環是神秘的，卡西尼軌道器在環中穿過，有望揭開其神秘的面紗。它將繪制環物質的成分和大小分布，研究環的構形及與土星衛星的相互作用等。
土衛6是土星最大的1顆衛星，直徑比水星還要大，體積是冥王星的2倍。它在太陽系各行星的衛星中之所以獨樹一幟。就是因為它有著厚密的大氣層。據科學家們推斷，其大氣中含有氮氣、甲烷和烴類化合物，與早期的地球大氣很相似。20世紀80年代，美國旅行者號探測器曾幾經飛越土衛6，但并沒有弄清楚其表面和大氣的有關特征?？茖W家們展開探索工作需要解決的問題是：土衛6的季節特點如何，在它的煙狀大氣中是否會有云，它的地表及地貌結構、成份怎樣。最重要的是，到目前為止沒有人提出足夠的理由排除土衛6上會存在著某種原始的生命形式，也許“惠更斯”將為人類解答這一系列的困惑。
專家們認為，土衛6上面可能正在進行著各種各樣有機化學反應。令人最為感興趣的還是土衛6表面一片所謂的明亮“大陸”，據估計這片“大陸”僅存在于土衛6的半個球面上，有關它是如何形成的科學家們目前還不得而知。這片“大陸”有可能是山脈、海洋、平原，也可能是上述三者的結合，還可能被碳氫化合物組成的湖泊所覆蓋。
地球生命的起源目前仍然是個謎。比較普遍的一種推測認為。地球生命也許是復雜的碳化合物在一種所謂“原始湯”中隨機組合時誕生的，但科學家們對早期地球上的化學環境一無所知。生命誕生時地球上到底有些什么原材料?“卡西尼”以及“惠更斯”對土衛6的探測，將幫助科學家們進一步尋找答案。
在太陽系各大行星及其衛星中，只有地球和土衛6大氣層中富含氮。據推測，早期地球上也許存在大量類似甲烷的碳氫化合物。科學家們說。土衛6上可能冷藏著很多化合物，一些類似化合物也許在生命誕生之前就存在于地球上。甚至有科學家認為，“卡西尼”以及“惠更斯”的探測結果將會顯示，土衛6將比現階段的地球與早期地球更為相似。歐洲“惠更斯”項目首席科學家勒布勒東形容說，探測土衛6，就好比是“回到了40億年前的地球”。
目前尚不清楚土衛6表面到底是固態物質還是液態物質，如果是固態，“惠更斯”降落后也許能工作十幾到幾十分鐘或當場撞得“粉身碎骨”；如果是液態，“惠更斯”降落后最多漂浮工作幾分鐘就會結束使命，但它可能是地球以外最適合沖浪的地方之一，因為最新的電腦模擬結果顯示，只要有風，它就會產生巨大的波浪，其高度是地球波浪的7倍。這些也需要通過“惠更斯”來印證。
用“惠更斯”著陸器對其大氣和表面進行研究，不僅能了解這些奇特的物體狀態和形成，同時也能對地球的早期歷史有所了解。
在“卡西尼”軌道器靠近土衛6飛行時，其上的儀器也將對它的表面進行遠距離觀測，并就地測量它的電離層和上層大氣。
土星還有一些處于冰凍狀態的衛星，探測這些衛星的目的是為了確定土星衛星的一般特征和地質歷史。研究表面物質的成分和分布等。
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