【舉世矚目的土星探測】 土星探測

【舉世矚目的土星探測】土星探測飛行途中的探測在飛往土星的途中，“卡西尼”號探測器也有驚人之舉，進行了一系列探測，包括對處于火星和木星間小行星帶中的小行星、木星。2002年10月，它成功拍攝到首幅土星照片。自2004年2月起，“卡西尼”號每周一次向地球傳回土星照片。從2004年4月起，開始每天拍攝照片，4月中旬拍攝到首批土衛(wèi)6照片；2004年6月12日，到達距土衛(wèi)9的最近點，開始近距離觀測土星的衛(wèi)星；2004年7月1日，北京時間中午12時12分，成功進入預(yù)定軌道，成為土星的第一顆人造衛(wèi)星?！翱ㄎ髂帷碧栠€用iss相機為土星拍攝了不同的顏色的圖片。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，土星大氣有一些部分對藍色光的吸收能力很強，在圖片上留下明顯的陰影。科學(xué)家對這一現(xiàn)象非常感興趣，他們預(yù)言可能將在土星上發(fā)現(xiàn)以往未知化學(xué)成分。2004年4月6日，美國航宇局公布了一張當(dāng)時最清晰的土星彩色照片，它是根據(jù)“卡西尼”號2004年3月8日拍到的幾張土星照片合成而得，分辨率為338千米，向人們展示了土星大氣的新特征。拍攝時，探測器離土星5600萬千米，約為太陽和地球之間距離的1/3。在這張照片上可以看到一些有趣的生肖特征，例如土星南緯38度處有兩個暗淡的小斑點，土星的直徑約為地球的10倍，計算表明這兩個陰影區(qū)域比月球略小。英國牛津大學(xué)的行星科學(xué)家弗雷德?泰勒對《新科學(xué)家》雜志說，它們可能是土星上的風(fēng)暴區(qū)。此前哈勃空間望遠鏡已經(jīng)觀察到土星上存在一些能持續(xù)幾個月的風(fēng)暴。與觀察范圍龐大的哈勃望遠鏡相比，專注于土星探測的“卡西尼”號將能更持續(xù)地觀測土星大氣現(xiàn)象。泰勒說?！罢嬲尤诵牡臅r刻還未到來?！笨茖W(xué)家希望通過比較木星和土星兩大行星的成分來研究太陽系的歷史。木星已經(jīng)由“伽利略”號探測器進行了詳細考察。科學(xué)家還希望弄清楚土星大氣的一些神秘特征，例如色彩斑斕的云帶。土星和木星部有這樣的云帶，不過土星的云帶比木星的更多、更窄，它們有可能是氣流，不同的顏色可能代表著成分的區(qū)別。2004年5月13日，美國航宇局公布了“卡西尼”號探測器于2004年4月16日拍攝的土星照片，拍攝時探測器距土星表面3800多萬千米。該照片分辨率約230千米，土星大氣的帶狀云層清晰可見。在土星南極地帶我們可以清楚地看到一個不大的暗斑，科學(xué)家們認為，土星磁場可能會對這顆暗斑的位置和大小造成一定的影響，事實上，土星磁場的分布方向與其自轉(zhuǎn)軸應(yīng)該是相吻合的。在土星南極的右上方可以看到有兩個較明亮的點幾乎與這個暗斑排列在同一直線上，科學(xué)家們認為這可能是土星大氣中云層上升形成的兩個旋渦。在接近土星赤道的地方還能夠看到一個很大的長橢圓形較暗區(qū)域，其邊緣緊接著是一條比較明亮的地帶，科學(xué)家們設(shè)想，這可能是土星內(nèi)部熱量造成的大氣旋渦（據(jù)科學(xué)家們提供的觀測資料顯示，土星自身輻射出的能量比從太陽上獲取的能量還要高）。2004年5月26日到27日，“卡西尼”號在土星f光環(huán)下方距離土星大約1920萬千米處，觀察到了土星最小衛(wèi)星土衛(wèi)15，這是人類自1980年后第一次觀察到這顆衛(wèi)星。為了搜尋土星f光環(huán)附近的小衛(wèi)星，“卡西尼”號的窄角照相機一共拍攝到112張照片，將這些照片剪接在一起，就得到了土衛(wèi)15和其他衛(wèi)星在土星光環(huán)外層快速運行的影像。圖片中，在土星光環(huán)的右側(cè)有3個衛(wèi)星，其中兩個是土衛(wèi)11和土衛(wèi)16，最內(nèi)側(cè)的一顆就是土衛(wèi)15。首先走近土衛(wèi)92004年6月11日，“卡西尼”號近距離掠過土星外圍最大的衛(wèi)星――土衛(wèi)9，為這顆衛(wèi)星拍攝最完美的圖片。美國已公布了它拍到的迄今最好的土衛(wèi)9照片?？茖W(xué)家興奮地說，我們發(fā)現(xiàn)，這個衛(wèi)星上有少量的冰和一些黑色的不明物質(zhì)。除此之外，我們對這個小小的土星衛(wèi)星了解甚少。不過，科學(xué)家表示，這些信息對于研究太陽系形成過程有非常重大的作用。科學(xué)家們上一次拍攝土衛(wèi)9是在1981年，那次使用的是安裝在“旅行者2”號探測器上的照相機?！翱ㄎ髂帷碧柵臄z的土衛(wèi)9照片比23年前“旅行者2”號拍攝的照片質(zhì)量提高了1000多倍。這些新照片首次讓科學(xué)家們看清了土衛(wèi)9的地貌狀況，通過這些照片科學(xué)家們幾乎可以分辨出土衛(wèi)9表面的火山口和山峰。清晰的圖像顯示，土衛(wèi)9與彗星有點相像，表面有冰，并覆蓋著灰土。在以前拍到的照片上，土衛(wèi)9顏色很暗，但照片中有許多較為明亮的斑塊，它們存在于隕石坑陡峭的巖壁上，以及一些形成未久的小隕石坑中?？茖W(xué)家認為，這些明亮斑塊是較為干凈的水冰。土衛(wèi)9是一個形狀不規(guī)則的天體，總體說來像一個表面有很多小坑的土豆，直徑約220千米，于1898年首次由美國天文學(xué)家皮克林發(fā)現(xiàn)。它距離土星最遠，幾乎是其近鄰衛(wèi)星（土衛(wèi)8）到土星距離的4倍，達到1300萬千米，直徑約220千米，約9小時16分鐘自轉(zhuǎn)一周，平均每18個月繞土星公轉(zhuǎn)一圈。與土星的其它衛(wèi)星相比，從體積上來說土衛(wèi)9并算不上是老大，但是它卻是土星最神秘的一顆衛(wèi)星：在土星目前已探明的31顆衛(wèi)星中，唯有它一個是逆向繞土星旋轉(zhuǎn)的。另外，大多數(shù)土星的衛(wèi)星是明亮的。但是土衛(wèi)9表面很暗，像煤煙一樣，吸收的太陽光照僅有約6％被反射出來，并存在著水。土衛(wèi)9公轉(zhuǎn)傾斜角近175度（它的北極與土星的正相反）。美國專家們期待著，本次對土衛(wèi)9的近距離研究能夠讓他們獲取更多有關(guān)太陽系形成的信息。土衛(wèi)9的這些特征特別是逆向的公轉(zhuǎn)軌道和不尋常的反照率說明它可能是一顆被捕捉的小行星或是木星帶中的物體，而并非源于土星系統(tǒng)本身?？茖W(xué)家認為在木星帶中可能有數(shù)百甚至上千顆像土衛(wèi)9這樣的星體，這些星體由于木星重力的作用而無法離開它，可是當(dāng)木、土運行到一個特定的位置時就可能出現(xiàn)土星“搶奪”衛(wèi)星的情況?！翱ㄎ髂帷碧柺且?.09萬千米的時速在距土衛(wèi)9表面約2000千米的地方掠過的。這是人造飛行器迄今與這顆神秘衛(wèi)星最近的“親密接觸”，距離不足上次“旅行者2”號掠過土衛(wèi)9時距離的1/1000，距離比當(dāng)年的“旅行者2”號整整近了4個數(shù)量級。傳回的照片清晰度相當(dāng)好，讓科學(xué)家第一次看清了土衛(wèi)9的地貌狀況。此前的“旅行者2”號是在相距220萬千米處拍下了土衛(wèi)9的照片，由于與拍攝對象相距太遠，所以清晰度不理想。從“卡西尼”號傳回來的照片看，土衛(wèi)9與木星帶中的星體在物質(zhì)構(gòu)成上極為相似，這為科學(xué)家進一步論證它的來歷提供了有力的證據(jù)。通過分析“卡西尼”號6月11日發(fā)送回來的衛(wèi)星照片科學(xué)家得出結(jié)論，土衛(wèi)9好像是一顆從未接近過太陽的星體，或是45億年前太陽系形成時留下的剩余物質(zhì)。美國噴氣推進實驗室的科學(xué)家們，2004年6月23日表示，“卡西尼”號日前拍攝到的照片顯示，土衛(wèi)9并非一顆后來形成的小行星，而是一個已有45億年歷史的原始天體，它來自太陽系的外層空間。有科學(xué)家猜測，土衛(wèi)9形成于太陽系外緣，“游蕩”到土星附近，被這顆巨大的氣體行星捕獲，成為它的衛(wèi)星。自那以后，土衛(wèi)9可能度過了一段頗為艱難的日子，屢受隕石撞擊，搞得現(xiàn)在“傷痕累累”。目前土星的一些外圍小衛(wèi)星，可能是土衛(wèi)9遭受猛烈撞擊后裂解下來的碎片。也有科學(xué)家認為，土衛(wèi)9很有可能是從其他行星處“搶奪”而來的，土衛(wèi)9先前極有可能是太陽系中最大的行星木星的一顆衛(wèi)星或圍繞它運行的一顆小行星。噴氣推進實驗室的科學(xué)家托倫斯?約翰遜在一次新聞發(fā)布會上表示，“我們相信太陽系內(nèi)還有很多像土衛(wèi)9這樣的原始天體。這類原始天體在太陽系形成的過程中，很多被大行星吞噬，但也有相當(dāng)一部分留在了外太陽系的小行星帶上，土衛(wèi)9顯然就是土星巨大的引力吸引過去，成為土星的衛(wèi)星。從這個意義上說，土衛(wèi)9就是一個冷凍的時代文物密藏容器，它的秘密正等著“卡西尼”號去揭開。”土衛(wèi)9的圖片顯示，這個天體可能是由冰、巖石和碳化合物組成的，它的組成結(jié)構(gòu)與冥王星及海衛(wèi)1有些相似。土衛(wèi)9的內(nèi)核可能既不是純冰也不是純巖石，它可能是這兩種物質(zhì)的混合體，其混合比例與彗星有些相似?？ㄎ髂崽柹系姆止庥嬙谕列l(wèi)9表面找到了含水礦物、二氧化碳和有機物的痕跡，此外還有一些不知名的礦物質(zhì)。完美的最后沖刺2004年6月16日，“卡西尼”號完成了它進入土星軌道前的最后一次線路調(diào)整而進入飛抵土星的沖刺階段。它開啟主發(fā)動機時間長達38秒，此后將其運行速度降低了12.8千米／秒。6月30日，即將進入土星軌道的“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)，由無線電波數(shù)據(jù)測出的土星上的一天，比1980年和1981年美國“旅行者1”號和2號測得的結(jié)果延長了約6分鐘。這一現(xiàn)象目前讓科學(xué)家頗感困惑。對于土星和木星等沒有固定表面的氣態(tài)行星來說，用直接的視覺手段測量其自轉(zhuǎn)周期幾乎不太可能。根據(jù)其發(fā)出的自然無線電波變化規(guī)律來測定這些行星的自轉(zhuǎn)周期，是科學(xué)家長期以來采用的一種準(zhǔn)確性很高的測量手段。根據(jù)“卡西尼”號2003年4月29日到2004年6月10日期間收集到的土星無線電信號，科學(xué)家們最新測出的土星自轉(zhuǎn)周期為10小時45分45秒，誤差范圍36秒。相信科學(xué)家們最終可能會揭開土星無線電波周期變化之謎，但這需要一些時間?！翱ㄎ髂帷碧柪@土星運行期間，科學(xué)家會找到有利位置監(jiān)測土星無線電波周期的長期變化，并采用其他技術(shù)深入研究土星的自轉(zhuǎn)周期。另外，6月30日在“卡西尼”號離土星還有161萬千米處還傳回了讓科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)：土星的磁極與地球截然不同，它的磁極分布在赤道帶上。負責(zé)此次土星研究計劃的首席科學(xué)家丹尼斯?馬特斯頓稱。在最后沖刺階段，“卡西尼”號的大部分儀器已經(jīng)開始運作，根據(jù)檢測土星磁場的儀器向地球傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這個難以解釋的現(xiàn)象。目前，科學(xué)家還不知道為什么土星的磁極會分布在赤道帶上。地球和木星的磁極都是分布在南極和北極兩端，這是極光產(chǎn)生的主要原因。然而“卡西尼”號上的儀器卻發(fā)現(xiàn)土星的磁場與該行星的轉(zhuǎn)動軸相一致，它的磁極分布在赤道帶上，而不是南極和北極。部分科學(xué)家認為，地球和木星的磁場是因為星球中心熔化的鐵溶液而產(chǎn)生的。目前，沒有數(shù)據(jù)顯示土星內(nèi)部也有熔鐵，因此其磁場的產(chǎn)生原因還是一個謎。馬特斯頓猜測：土星內(nèi)部可能有兩個以上極強的發(fā)電場。能否進入預(yù)定軌道，對“卡西尼”號來說是個未知數(shù)?！翱ㄎ髂帷碧栆葟耐列黔h(huán)平面的下方，從土星環(huán)的f環(huán)與g環(huán)之間的巨大空隙中穿過，歷時1小時52分鐘，期間穿越了15.8萬千米漂浮著石塊的空間。穿過土星環(huán)，來到土星環(huán)平面之上后，“卡西尼”號的主發(fā)動機必須立即點火，進行96分鐘減速，將時速從7.8萬千米最終降至2240千米，以便被土星順利俘獲，不會因運行速度過快，墜入土星大氣層。7月1日，大小與公共汽車相仿的“卡西尼”號穿過由細小顆粒組成的土星環(huán)，從土星光環(huán)的f環(huán)和g環(huán)之間穿過并按照預(yù)定的時間進入指定位置。在穿過土星光環(huán)時，為了避免土星光環(huán)的各種懸浮微粒對探測器自身造成傷害，“卡西尼”號隨身攜帶的直徑達4米的盤狀天線成為它自己的保護盾牌。噴氣推進實驗室負責(zé)人查爾斯?米切爾把土星光環(huán)比作電影《指環(huán)王》中的“魔戒”。他說：“進入‘魔戒’軌道的感覺好極了?！痹谕瓿纱舜┰?5分鐘后，北京時間7月1日上午10時36分，距地球15億多千米的遙遠太空，在土星69000千米的上方，“卡西尼”號又啟動其主發(fā)動機達以降低飛行速度，從而由南至北開始進入土星軌道環(huán)土星飛行。此前曾進行了17次這樣的點火，部很順利。經(jīng)過6年零8個月、35.2億千米的漫長太空旅程，美國東部時間7月1日零時12分（北京時間12時12分），持續(xù)工作96分鐘的發(fā)動機在預(yù)定時間停止工作。此時，土星的強大引力已經(jīng)足夠把減速后的“卡西尼”號捕獲，使它成為一個環(huán)繞土星運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，在土星下方160萬千米處，以每小時21312千米的速度跟隨土星一起運行。它的成功入軌，標(biāo)志著人類發(fā)射的飛行器首次實現(xiàn)繞土星軌道飛行。8分鐘后，美國航宇局又收到“卡西尼”號發(fā)來的信號，表明探測器各個系統(tǒng)運行正常，準(zhǔn)備在距離土星約2萬千米的軌道上開始探索工作。至此，人類有史以來體積最大、造價最高的探測器“卡西尼”號成功進入了土星軌道，此時它的時速為2240千米?！翱ㄎ髂帷碧栐谶@次飛行過程中定位精準(zhǔn)，所進入的土星軌道非常接近原計劃軌道，它原計劃進入環(huán)土星運行周期117.4天的軌道，實際進入軌道的環(huán)繞周期為116.3天，誤差很小。在成功進入土星軌道后，“卡西尼”號于北京時間中午12點35分左右拍攝了土星光環(huán)的照片，并于晚上8點左右傳回了地球。在為期4年的探測工作中，“卡西尼”探測器面臨的三大任務(wù)：一是繞土星飛行76圈，考察土星及其內(nèi)部構(gòu)成，例如外層是氣體的土星其內(nèi)核是否由固體物質(zhì)組成等等。二是研究神秘的土星光環(huán)，它到底是怎么形成的。土星環(huán)十分美麗壯觀，由數(shù)條主環(huán)組成，由里到外延伸7萬千米，但厚度只有約100米，由大小不同的松散冰態(tài)粒子組成，它們大似房屋小如雪粒。探明土星環(huán)的成因，有助于徹底解開大行星的光環(huán)之謎。三是對包括31名成員的土星“衛(wèi)星大家族”進行考察，其中，探測土衛(wèi)6最為重要。這一巨型衛(wèi)星很像40億年前的地球。搞清楚土衛(wèi)6地面和大氣的化學(xué)組成，可以由此了解地球演變的過程，并揭開土衛(wèi)6上有沒有生命的謎團。它還將研究土星表層的“白斑”如何形成的，以及它對大氣的影響。因為這些“白斑”非常像地球大氣層中臺風(fēng)狀的氣旋。搞清楚這些“白斑”的起源以及走向規(guī)律，對研究地球大氣有著非常意義的。揭開這些白斑的“秘密”后，可能會使天氣預(yù)報的準(zhǔn)確度提升不少。這次土星之行也能拓展人類生命發(fā)展史的視野。因為通過對土