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卡西尼土星探测器的十大新发现
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Rosaly Lopes 文 Shea 编译 |
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类似地球的景观、独一无二的风暴以及“阴阳脸”卫星都仅仅是卡西尼土星探测器带给我们众多惊喜的一小部分。 卡西尼土星探测器将会以行星探测的一座里程碑被载入史册。很难从它对土星及其系统所做出的发现进行排序并确定出前10位。不过，在历经了7年的成功岁月之后，有必要回望过去，看一看我们对土星系统的认识有了哪些增进和改变。“卡西尼”目前正在执行第二个扩展任务阶段——“卡西尼”冬至任务，它将持续到2017年。然后，它将飞入土星的大气层，汽化烧毁，永远地成为土星的一部分。  1.土卫六的类地表面 在“卡西尼”之前，土卫六的浓厚大气层笼罩其表面，使其成为了太阳系中最大的一片看不见的“地块”。但是，当2005年1月14日惠更斯探测器脱离“卡西尼”并降落在土星的这颗最大的卫星上时，我们看到了分叉的沟壑以及被鹅卵石覆盖表面的典型河床。“惠更斯”的测量表明土卫六的表面潮湿，“卡西尼”的后续观测则首次在地球之外发现了无数个充满液体的湖泊。土卫六表面乙烷和甲烷的流动形成了这些河流和湖泊。 不过，土卫六和地球在地质上的相似之处还不止于此。风和液体的侵蚀和沉积也在土卫六上也起到了关键的作用。从轨道上观测发现，在土卫六的赤道地区存在大面积的沙丘，类似于在地球上纳米比亚沙漠气候中的纵向沙丘。我们不知道土卫六上的“沙子”是什么，不过碳氢化合物颗粒的可能性最大。 和地球一样的，土卫六的裸露面相对比较年轻，“卡西尼”只发现了少量的陨击坑。土卫六上的山脉和山脊表明，一些构造活动可能也在发生，甚至有证据表明活火山的活动（至少在排出气体）。如果这个猜想被证明是真实的，土卫六将成为未来探测更令人兴奋的候选地。  2.土卫六的甲烷循环 土卫六与地球的相似性并不只是停留在表面。它具有太阳系中固态天体所拥有的第二浓密的大气（金星拥有最浓密的大气），和地球一样它的主要成分是氮。（“卡西尼”上的仪器已经发现了土卫六大气中复杂的碳氢化合物，但没有发现自由的氧。） 除了吸引人的化学成分之外，大气和地表之间的相互作用是土卫六的地质状况与地球极为相似的原因。土卫六还有会受到季节影响的云、雨和天气。由湖泊和海洋蒸发出的甲烷和其他碳氢化合物液体构成了和地球上水循环极为相似的甲烷循环。这是我们第一次能够在地球之外研究种现象。 “卡西尼”的长期观测甚至让我们看到了这个循环的运作过程。当2004年夏“卡西尼”到达土星时，土卫六的南半球正值夏季，它拍摄了其南极附近的一个湖泊。到2009年8月土星春分，“卡西尼”看到了它所经历的季节性变化，这个湖泊的大小较2004年略有收缩。  3.土卫四的辐射带 尽管一些行星周围也有像地球的范艾伦带这样的辐射带，但之前只在地球、木星和天王星上发现它们存在变化。在“卡西尼”任务的早期，它的磁层成像仪就在土星的上层大气和它的D环之间探测到了一个令人惊讶的新辐射带。 磁层成像仪之后又做出了另一个意外的发现，它探测到土星卫星土卫四和土卫三附近——距离土星约377,000千米——高能带电粒子的强度出现了突然的增加。2005年这些增加出现了三次，是太阳风暴轰击土星磁层所致。它形成了一个新的、临时的辐射带，被称为土卫四辐射带。这些辐射带的寿命很短。可能是因为土卫四和土卫三会逐渐吸收新形成的带电粒子，在每次突然出现之后土卫四辐射带只会维持几个星期的时间。 有趣的是，那些更靠近土星的其他辐射带在“卡西尼”多年的观测下却没有发现变化。沿着土卫三的轨道似乎存在一个永久的辐射缝隙，这也许是因为它阻碍了高能粒子的输运。目前的理论认为土卫三轨道以内的辐射带可能是由于土星的光环、大气和银河系宇宙线相互作用而产生的。（与太阳风粒子不同，宇宙射线具有非常高的能量和穿透能力）。如果真是这样，内辐射带将只有在当地的宇宙射线强度发生显著变化的时候才会跟着变化。 未来数年“卡西尼”将有更多的机会来观察这些辐射带的变化。随着太阳活动高峰的来临，土卫三轨道外侧辐射带对它的响应以及土卫四的辐射带是否有可能成为土星磁层尽管高度变化、但却更持久的一部分都将会是有趣的研究问题。  4.土星环前所未见的细节 当2004年“卡西尼”进入围绕土星的轨道时，它飞过了土星光环外围暗弱的F环和G环。从那时起它源源不断发回的有史以来最高分辨率的光环图像，让科学家看到了土星A环中数千米长类似麦秆的团块结构。自此，“卡西尼”观测了土星光环演化，不仅发现了自“旅行者”任务以来几十年间的变化，还发现了在数年甚至数周的时间上所发生的变化。科学家已经在F环区域中发现了许多天体，它们可能只是暂现的碎片团块。他们甚至还发现了邻近的土星卫星土卫十六从F环中窃取粒子以及由此形成的物质流动轨迹。 土星光环中绝大多数已知的结构都是由于光环本身和土星以及光环中的小卫星通过引力相互作用所产生的。这些小卫星可以在它们周围的物质中开凿出一条缝，例如“旅行者”2号首次拍摄到了土星光环的恩克环缝中的小卫星土卫十八（半径仅14千米）。“卡西尼”通过在基勒环缝中发现小卫星土卫三十五（半径4千米）进一步验证了这一观点。在土星春分时，“卡西尼”的图像显示，由光环中粒子组成的幕墙可以远高出10米厚的光环4千米，而这只有当它们在光环上投下长长的影子时才能被看见。这些光环环缝的宽度和小卫星的大小成正比，与理论的预言相一致。  [图片说明]：在“卡西尼”的眼中土星光环显露出了前所未有的精致细节。版权：NASA/JPL。 5.土星的动态大气 从“卡西尼”到达土星至今其最意想不到的发现之一是土星的整个北半球和当年“旅行者”号飞掠时大为不同。它的北半球大气看上去呈意料之外的深蓝色——与天王星和海王星的大气十分相似。可能的解释是光环的阴子使得土星北半球降温，造成云沉降到了土星大气看不见的深处。 随着土星北半球由冬季进入春季的季节变化，光环的影子开始向赤道移动，土星的北半球也失去了蓝色的色调，回归了其一贯的金黄色。在“卡西尼”7年的扩展任务结束时，正值土星南半球的冬季，光环的影子会落在南半球——它会随着季节变化再次变成蓝色吗？ “卡西尼”还观测到了土星上巨大的雷暴。它们可以突然出现并持续数周。2006年“卡西尼”上的仪器探测到了面积比美国还大的、迄今最强大的雷暴。“卡西尼”当年获得的另一个“第一”是在土星南极附近发现了一个具有清晰“眼”结构的台风形风暴——这是在地球之外有史以来第一次看到。 “卡西尼”上的仪器研究了和这些雷暴有关的云的性质，确定出了两种主要类型。第一类是比较明亮的氨云，这是第一次在土星上探测到氨冰的源头。第二类是成分中含有一部分碳的、不同寻常的乌云，它们是由于雷暴中的闪电而形成的。  6.土卫二的羽状喷发 直径只有504千米的土星卫星土卫二从20世纪80年代的两次“旅行者”探测器探访之后便一直困扰着天文学家，因为它就位于土星稀疏的E环中。我们知道，光环物质必须要获得补充，而土卫二表面缺乏陨击坑且整体为明亮而白净的冰所覆盖说明它上面极有可能存在冰火山。 早在任务之初，“卡西尼”便捕捉到了土卫二令人惊叹的影像，显示其南极地区存在几条几乎平行的长裂纹，它们之后被称为“虎皮纹”。磁场数据则显示它有稀薄的大气，暗示偶尔会有气体从这颗体型较小的卫星上逃逸。 2005年“卡西尼”拍摄到了从它南极附近的裂纹中喷出数百千米高羽状物的壮观景象。红外测量探测到了与“虎皮纹”重合的温度较高区域，其他仪器则探测到了羽状物中的水汽以及二氧化碳和氨这样的气体分子。 土星E环和土卫二羽状物之间的关联随后便行之有效地建立了起来。“卡西尼”上宇宙尘埃分析仪对E环颗粒的采样发现了钠，这说明在土卫二表面的冰壳之下可能存在一个海洋。“卡西尼”的这些发现已经让小小的土卫二变成了今后行星际探测的主要目标。如果其表面之下隐藏着液态水，那么土卫二就拥有了（我们已知的）所有生命要素：液态水，分子和热量。  7.土星的神秘六边形 大约30年前土星北极大气中的六边形结构就第一次出现在了“旅行者”发回的图像中，但是现在“卡西尼”让我们知道这一特征有多持久且耐人寻味。当“卡西尼”于2004年抵达的时候，土星的北极地区正沉浸在黑暗里，但它的可见光和红外探测分光仪却发现这个“六边形”还在那里，至少已经存在了30年。和其他的云或者风暴结构不同，这个“六边形”几乎是静止的。我们知道它深入到了下层大气中，每10小时39分24秒转动一周，与土星的射电辐射周期相同——和土星内部的自转周期大致相当。这个六边形的每条边长接近14,000千米。 在春分之后，随着土星北极地区逐渐被照亮，“卡西尼”的照相机拍摄到了“六边形”的更多细节，其中显示出了花边形、圆圈形和飘带形以及一个会改变位置的暗斑和一个位于“六边形”内部的极区旋涡。但是我们仍然无法确定是什么原因产生了这一结构以及为什么它会如此持久。 大多数科学家认为这是在大气中一些驻波模态的结果，在实验室中利用转动的水桶来模拟土星大气也产生了类似的结构。随着未来越来越多细节的出现，大气科学家希望他们能够解开这个谜。目前已经清楚的是，土星的北极有一个奇异而独特的天气系统，它将会推进我们对行星科学的知识。  8.生锈的光环？ 土星的光环与其他巨行星的有所不同，这不仅因为它们更大、更壮观，而且还因为它们冰粒子的纯度。其他的光环系统则要“更脏”一些，含有更多的岩石和碳——富含有机物质。土星A环和B环中的颗粒几乎完全是水冰，但看上去却是红色的。早期的理论认为这是由一种特殊的有机化合物所造成的，它在紫外线的照射下会呈红色，也正是它使得土卫六大气呈红色，不过“卡西尼”并没有发现它们。另一个合乎逻辑的假设是，在某些卫星上看到的一些冰和有机物（例如氨和二氧化碳）会出现在光环中，但是“卡西尼”还是什么也没发现。 “卡西尼”发现，A环和B环比土星的任何卫星都更红得多，但其成分仍是个谜。 在一些光环周围出乎意料的发现了氧激起了“生锈的光环”的想法，其中有两种候选物质：碳和赤铁矿（铁的氧化物或铁锈，也正是它让火星具有了红色）。“卡西尼”也许会给我们一个重要的答案，因为它会提供光环形成和演变的关键线索。 9.土卫九：被捕获的卫星 2004年当“卡西尼”接近土星的时候，它飞过了土星的小卫星土卫九。土卫九长期以来被都视为“不同”于土星其他卫星的异类，因为它逆行的轨道（即公转方向与土星自转方向相反）暗示它是被土星的引力所捕获，而非和其他卫星一样都形成于同一片原始物质。摆在“卡西尼”面前的一个问题是，土卫九究竟是一颗被捕获的小行星、柯伊伯带天体（位于海王星轨道以外的天体，包括了冥王星和阋神星）还是半人马型小天体（位于土星和天王星之间的小行星和彗星）。 “卡西尼”的图像显示土卫九是一个遭到过严重撞击的古老天体，有大片的表面为明亮的水冰所覆盖，此外还拥有散布的硅和有机物质。红外光谱分析表明，土卫九的表面粗糙且多尘，暗示它曾经释放出过气体。再加上表面的冰层，这些都告诉我们，土卫九在成为土星引力的奴隶之前必定形成于太阳系的外围。“卡西尼”没有探测到它上面具有和彗星活动相似的挥发性物质（例如在半人马型天体喀戎上所检测到的），所以土卫九极有可能是一个我们可以近距离研究的柯伊伯带天体。  10.土卫八：“双面”卫星 土卫八有两张迥然各异的面孔，其前导面（指向运动方向）比尾随面暗了约10倍。2004年“卡西尼”飞越土卫八时，发现了它另一个令人费解的特点：在其赤道上有一道由明亮物质组成的山脊，高约19千米，这使得它看上去就像一个核桃。虽然有人认为这是它早先因为高速自转而留下的扁球形遗迹，但这道山脊的起源仍然不明。 不过，“卡西尼”却为它的“两面性”提供了线索。它发现土卫八和土卫九的表面成分具有相似性，并且土卫八的深色表面是由一个只有几厘米厚的薄物质层所致。颜色较深的区域温度也较高，所以深色的物质是水冰升华成气体后所遗留下来的物质。整个过程是，深色的冰吸收较多的阳光进而升华，然后在极区和尾随面颜色较浅的地方重新凝聚成霜。随着时间的推移，这一对比会更加明显，最终形成了我们看到的阴阳脸。  那么这些深色物质来自哪里？2009年10月当斯皮策空间望远镜发现了围绕土星的巨大光环——被称为“土卫九环”，是最大、距离土星最远的光环——之后，土卫八和土卫九之间可能的联系得到了佐证。土卫九环中的粒子可能来自微流星体对土卫九的撞击。在过去数千年的时间里，阳光将这些颗粒向内推，落到了土卫八的身上。于是，土卫九不仅是来自太阳系外围的闯入者，而且为慢慢为土卫八“画”了一张脸。 虽然许多难题仍然存在，但这清楚地表明，土星系统比任何人想像得都更复杂。而“卡西尼”还将进一步为我们带来有关土星的新发现和新认识。 |
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[Astronomy 2010年11月]
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2001-2017 火流星工作组制作
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