你好，土星，致敬伟大的卡西尼号探测器

你好，土星，致敬伟大的卡西尼号探测器

在土星工作13年后，卡西尼号探测器的燃料已经耗尽，科学家怕探测器在土星轨道上没法控制，后续可能撞上可能存在生命的土卫二，故2017年9月，科学家操作飞船，使其冲向土星大气，以主动坠毁的方式，与那颗陪伴13年之久的带光环的美丽行星，永远地融为了一体，化为一簇璀璨的宇宙烟火，渐渐地消失在宇宙中。

卡西尼号13年的探测硕果累累，使人类对这颗星球的认识发生了翻天覆地的变化，但正如人类探索未知世界一样，发现问题越多，解决问题越多，提出的疑问也越多。正是人类的好奇心，促使对未知世界的不断探索，科技才不断进步。本文来做下下卡西尼探测器13年的探测的汇总，使读者能更加深入了解这颗带“光环”的星球。

关于土星和卡西尼探测器

土星是太阳系第六颗行星，拥有美丽的光环，光环主要的成分是冰的微粒和较少数的岩石残骸以及尘土，这些微粒反射太阳光形成美丽的光环。意大利天文学家伽利略在1610年用自制的望远镜观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物。1659年，荷兰学者克里斯蒂安·惠更斯证实这是离开本体的光环。当时观测到土星环有5个，到了1675年，意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼，发现土星光环中间有一条暗缝（后称卡西尼缝），他还猜测光环是由无数小颗粒构成。为了纪念卡西尼，人类把飞往土星的探测器取名为“卡西尼”号。卡西尼号是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一，携带了27种最先进的科学仪器设备，还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器，取名为“惠更斯号”。

土星的大气——神秘的六边形风暴

土星的北极有个六边形的风暴（图1），风暴中心有个风暴眼，这在上世纪旅行者号探测器飞掠时就发现了，但南极却没有。面对这奇特的现象，人们不经要发问，为什么这个风暴会是一个规则的六边形呢？它的运行机理是什么？在这个六边形风暴下面，又隐藏着什么神秘的力量？

土星绕太阳公转周期相当于29.5个地球年。 土星会像许多行星一样经历季节变化。得益于卡西尼号的延期任务，人们可以长时间观察风暴随季节的变化，更好地研究其运动规律和机理。2004年，卡西尼号刚到达土星时，北半球处于冬季，北半球的风暴还不活跃，随着2009年土星迎来春分日，接下来时间，太阳光照射北半球多，这时北极的六边形风暴开始活跃起来，随着土星夏天的临近，太阳光不断的照射到高纬度地区，六边形风暴变得越来越明显，也更加活跃，六边形的边缘也更加清晰。经过卡西尼号2009到2013年间探测发现，这个六边形风暴的宽度在2.5万公里以上，风暴的边缘部位很薄，这个区域的风暴速度大约为150米/秒。整个六边形风暴位于土星云层深处，而且并不是处在同一个平面上，它们是北极上空不同的高度的上，自上而下自发地产生的风暴，这意味着个这个风暴的厚度是无比惊人的。

再随着时间的推移，六边形风暴又给人类带来更多的神秘感，在2013到2016年间，六边形风暴的颜色从蓝色变成黄褐色，与土星的本体颜色更加匹配了（图2）。为什么会发生这个现象目前还没有答案，关于六边形风暴的研究是永无止境的，它给人类带来了无限的神秘感。

图1 土星北极六边形风暴

图2 六边形风暴随夏天到来，变成黄色

土星环——草帽的土星环

人类最开始观察到土星时，土星像一顶草帽一样，巨大光环就像草帽的帽檐，从宏观来看，土星光环似乎十分简单，但是越接近土星环的细节，就会发现土星环越来越复杂。在卡西尼号2017年9月主动坠毁前的1年时间里，NASA的工程师不断控制探测器穿过土星环，不断发现环的更精细细节，发现土星环越来越复杂。在2019年，即卡西尼号坠毁2年后，科学家通过分析卡西尼号收集到的数据，一个NASA领导的国际科学家公布了重大突破性的成果。

卡西尼号在主动坠毁前的1年时间里，22次俯冲向土星环，这使得卡西尼号位于两者的引力场中，感受来自土星和土星环之间的引力。研究人员利用NASA的“深空网络”测量了“卡西尼号”的飞行速度，再根据引力对飞行路径的影响算出土星环质量约为大约是地球上南极冰盖总质量的一半，即1540亿吨。

通过高分辨率率相机观测到土星环中有不计其数的小颗粒，其大小从微米到米都有，密布丛生得绕着土星运转。环中的颗粒主要成分都是水冰，还有一些尘埃和其它的化学物质。土星环宽度20万公里，厚度只有30米，薄如刀片，大环中由无数小环构成，小环中可看到无数小颗粒快速环绕土星运动，小环与小环之间达到引力平衡，各自运行（图3）。通过对土星环进行红外观测，人类首次系统发现了土星环的红外光谱色彩，外环的红外反射较内环的弱，说明外环的水冰颗粒已经被来自太阳系外围的碎片污染而变暗，而内环还保持形成时的模样，记录着时间的印记。研究人员通过这些数据推算出土星环形成于1000万到1亿年前，相比之下，地球的恐龙时代结束于6600万年前。

通过土星环的深入研究，科学家建立了土星环质量、环结构、宽度、厚度和年龄关联模型和理论，证明了土星环很年轻，支持了土星环是由土星捕获的彗星或柯伊伯带小天体演变而来的理论。这里要提出一个名词概念：洛希极限。洛希极限是一个天体自身的引力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。当两个天体的距离少于洛希极限，小天体就会倾向碎散，从而成为大天体的环。土星环就是土星捕获的彗星或柯伊伯带小天体，而这个小天体又离土星太近，进而被土星撕碎成无数的小颗粒。

图3 土星环的细节

土卫二——冰冻卫星

土卫二是土星的第六大卫星，在卡西尼号探测土星之前，人类只知道土卫二是一个被冰覆盖的卫星，土卫二成为卡西尼号探测土星的一个优先目标。在2005年首次飞越土卫二时，居然有惊人的发现，卡西尼号在距离土卫二1500公里上空，居然发现土卫二南极有间歇泉喷射向太空（图4）。这引起了科学家极大的兴趣，后续的飞掠中，不断地接近土卫二南极，其中5次在60公里内从土卫二南极飞掠，卡西尼上面的多台仪器收集关于南极喷射羽状物的化学成分，并对南极喷射区域进行精度成像，最终综合10年的飞越收集数据，NASA科学家于2017年4月17日宣布：土卫二含有生命所需的所有条件。研究结果显示：土卫二南极有许多裂纹，间歇泉就是从这裂纹中喷射向太空，这些裂纹后来被科学家取名为“虎斑纹”（图5）；间歇泉的化学成分是98%的H2O、1%的H2和0.6%的盐和0.4%的基于碳的分子（CO2、CH4、NH3等）。盐主要成分为氢氧化物、氯化物和碳酸盐，这些成分和地球上的海洋成分极其相似。间歇泉中1%的H2的发现是最重要的因素，科学家认为最大希望是土卫二上存在深海泉口，这些深海泉口处可能存在微生物（图6）。这些泉口里因为海水和岩石的水热反应，会源源不断放出氢气，这些氢气和溶解在海水中的CO2发生化学反应，就可以产生CH4甚至可以得到更复杂的有机分子（图7）。但目前探测结果还没找到硫和磷元素的存在，这就要等后续的探测计划来实现。正是因为土卫二的这些发现，科学家怕卡西尼号探测器上可能携带的地球微生物污染了土卫二，影响后续探测计划，故选择主动坠毁卡西尼号探测器。

图4 土卫二南极喷射间歇泉

图5 南极处的虎斑纹裂缝

图6 土卫二海底想象图

图7 海底的化学反应图谱

土卫六——甲烷的星球

土卫六（又称为泰坦星）是环绕土星运行的一颗卫星，复仇者联盟中灭霸老家，是土星卫星中最大的一个，是目前太阳系中已知的唯一一颗同时拥有稠密大气层和液态海洋的卫星。由于大气中的甲烷可能是生命体的基础，因此其被高度怀疑有生命体的存在。土卫六可以被视为一个时光机器，有助我们了解地球最初期的情况，揭开地球生物如何诞生之谜。

当天文学家知道土卫六有大气时，就对其特别感兴趣，故在70年代发射的旅行者1号探测器，在探测土星后，特意去探测土卫六，这还使得探测器的飞行路径偏离了太阳黄道面，造成旅行者1号无法像旅行者2号那样，继续探测天王星和海王星。旅行者1号探测器拍摄到土卫六是一颗被浓厚大气层包裹的橙色星球，由于旅行者1号只携带了可见光的探测仪器，无法看清土卫六的真实表面，但这也为后续的卡西尼号探测器仪器选择提供重要参考。

卡西尼号为了更好地研究土卫六，特别配备了红外相机和雷达，这两个仪器能透过厚厚的大气层，从不同层面研究土卫六，还配备了一台登陆器，命名为“惠更斯号”，为了纪念荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯在1655年3月25日发现土卫六。

土卫六的大气主要是氮气，占比98.5%，大气压力为地球的1.5倍，表面温度为-178℃，基本没有氧气，在这样的温度下，水在土卫六表面形成冰岩，十分坚硬，甲烷（熔点：-182.5 ℃，沸点：-161.5 ℃）在土卫六上正常以液体的形式存在，土卫六大气以甲烷雨对流为主。想想这是多么神奇的一个世界呀！

2005年一月，“惠更斯号”在距土卫六表面1270公里的高度上以每秒6公里的速度进入其大气层，在下降过程，“惠更斯号”测高雷达工作，测量其离土卫六表面的高度，同时不断的收集土卫六不同高度的大气压力和风速，并不断拍照。在距土卫六表面约19公里处，“惠更斯号”拍到了厚厚的一层云雾。科学家指出，这层云雾的主要组成物质极有可能是甲烷。接下来在距表面12公里处拍摄到土卫六表面不但有着高低起伏的山峦，还有蜿蜒曲折的“河道”，交错的河道从高低起伏的山间伸延到低矮阴暗地区（图8）。“惠更斯号”到达表面时，发现着陆区处分布着许多光滑的“鹅卵石”（图9），说明土卫六表面有流体流动，由于“惠更斯号”只能用自身的电池工作且没带复杂仪器，没法对“鹅卵石”成分进行分析，“惠更斯号”在土卫六表面工作71分钟后停止工作。

图8 土卫六山峦

图9 土卫六表面布满“鹅卵石”

土卫六如此的神秘，肯定是卡西尼号探测器的探测重点，在13年的探测中，卡西尼号127次近距离飞掠土卫六，用红外相机和雷达分别研究大气成分和地形地貌，获得了大量的探测数据，13年的探测还能很好的研究土卫六上的季节变化。

雷达探测是获得土卫六表面结构的最有型手段，得益于卡西尼号上百次的飞掠探测，人类才得以得出土卫六的全球地貌图（图10 ）。从图片可以看出，土卫六表面的地形主要呈现集中分布的特征：

赤道：沙丘和山地

北半球中高纬度：平原

北半球中高纬度：平原和山地

北极：湖海

南极：沟网

图10 土卫六全球地质图。编译自：Nature

土卫六上的撞击坑很少，只有零星分布，说明土卫六存在活跃的地质活动和大气对流，下甲烷雨，把撞击坑给填充。

沙丘主要在赤道处，准确范围是南北纬30°以内，雷达图像显示这些沙丘具有动态特征，在土卫六表面风力的作用下发生移动，形成美丽的波状结构。这些沙丘是由土卫六大气层沉积的碳氢化合物构成，由赤道往南或北走，会发现沙丘的移动变慢，最终成为广大的平原，这说明赤道地区干燥，而南北半球中纬度地区湿润，降“雨”多，降“雨”多也造成该区域基本没有山地，只是土卫六的“雨”和地球上的雨不同，土卫六的“雨”是液态甲烷雨。

土卫六的湖泊主要都集中在北极，2013年以来，土卫六北半球和土星的北半球一样，迎来了夏季，土卫六的北极被太阳光照亮，笼罩在北极上空的阴霾也逐渐散去，北极的天空变得格外“清澈”，卡西尼号利用好天气对土卫六北极做次“大检查”，在红外光谱下，观察到北极存在湖泊群（图11 ），大的湖泊有美国的五大湖那么大，这些湖泊有比较平直的岸线。湖泊中充满着液体，当然这些液体不是水，而是烃类有机小分子，主要还是甲烷和乙烷，土卫六的北极相对于其他地方更湿润，降水更多，跟地球大气水循环一样，土卫六上存在“烃类有机小分子”的大气“水”循环（图 12），不断补充夏季北极的湖泊。雷达测高数据显示，这些湖泊深度很深。北极为什么会有这么多湖泊而且深度深，对此科学家们提出了几种不同的成因理论，其中一种认为这是由火山喷发后导致的地层塌陷而形成的喀斯特地貌，喀斯特地貌在地球上是一种液体溶蚀岩层之后形成的地貌类型，周围落差大。

图11 土卫六红外光谱下的北极湖泊群

图12 土卫六上的大气“水”循环

未来探测

2019年6月，NASA公布了新的“新疆界”探测计划，用四个旋翼的蜻蜓无人机探测器开展对土卫六卫星的探测任务（图13），使用核动力作为能源，计划于2026年发射，经过8年的飞行于2034年抵达土卫六，之后将降落在赤道附近。由于土卫六大气压力比地球大，重力又很小，只有1.35 m/s2，这样的条件非常适合飞行器飞行。我们期待蜻蜓探测器给我们带来新的跨时代的发现。

图13 蜻蜓无人机探测土卫六想象图

我们的目标是星辰大海，也期待我们伟大的祖国的行星探测，带来更多惊喜的发现。大家喜欢文章的话关注我，后续会给大家带来更多好文章，谢谢支持！

参考资料：

1、维基百科全书

2、天文学名词

3、百度科学、百度百家号

4、天文在线

5、相关媒体

6、知乎 haibaraemily 2018 新知答主

7、NASA中国官网

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