卡西尼探测器最后的时日

Michael Carroll 文 Shea 编译

从飞掠土星光环到坠毁在其纷扰的大气层中,在卡西尼探测器最后的时日中,它依然会取得丰硕的成果。

美国宇航局的卡西尼土星探测器就犹如一匹野马,它打破了行星交会飞行中的几乎每一项纪录。到2014年它的第一个十年结束之际,“卡西尼”绕土星转动了206圈,拍摄了332 000幅图像,对土星的卫星进行了132次近距飞掠,发现了土星62颗卫星中的7颗,催生出了3 039篇科学论文。“卡西尼”强大的引擎和灵活的软件使得飞行工程师能够重新设计任务,以便对有着间歇喷发的土卫二和浸淫在液态甲烷中的土卫六开展计划外的研究。承载着上面这些纪录,“卡西尼”的扩展任务开启了它第2个十年的发现之路。

但一切都终会结束。2017年9月15日,“卡西尼”飞入了土星的云层,化成了一个火球。“卡西尼”的所有飞行路线都是预先计划好的,由此它不会意外地坠落到土卫二、土卫六以及土星其他可能拥有潜在生命的卫星上。土卫二的冰壳上散布着间歇泉喷出的丝丝水帘,在冰壳之下则隐藏着一个全球性的咸水海洋,那里是一个需要受到保护的潜在生物群落区。土卫六则具有和原初地球类似的前生命环境。

[图片说明]:在绕土星最后的数圈轨道中,卡西尼土星探测器从土星北极六边形风暴上空飞过的意识图。从它的高增益碟形天线下方伸出的金黄色磁力计吊臂直指画面的右侧。版权:NASA/JPL-Caltech。

新的道路

在“卡西尼”对它们进行多次飞掠探测之前,天文学家对这些卫星知之甚少。土卫六是“卡西尼”的主任务目标之一。需要注意的是,即便是“旅行者”号探测器也没提供太多的信息。“旅行者”号的相机无法看到土卫六的表面,一切皆被它表面上方的雾气所遮挡。

现在,“卡西尼”已揭开了这层面纱,向我们展示了一颗与地球类似的星球。沙丘涵盖了土卫六整个赤道和中纬度地区。它在地理上和地质上都极为复杂,这方面的既与地球相似,也有其自身的不同之处。

土卫六比水星还大,它的引力为“卡西尼”的侦察任务提供了重要的帮助。它可以帮助调整“卡西尼”的轨道,否则科学家们将不得不发动引擎,这会消耗宝贵的燃料。重大的轨道机动都通过飞掠土卫六来完成的。这对于“卡西尼”的任务执行来说至关重要。

土卫六的引力还在2016年11月为“卡西尼”提供了一条向内飞行的道路,使得它可以以近20年内最近的距离掠过土星环。

土卫六并不是第一个为“卡西尼”提供引力助推的天体。事实上,在前往土星的过程中,“卡西尼”多次利用了这个策略。在2004年7月1日点燃引擎进入环土星轨道之前,“卡西尼”花了7年的时间。从地球到土星,它经历了4次行星引力助推:2次飞掠金星(1998年4月和1999年6月),1次飞掠地球(1999年8月),最后1次则为木星(2000年12月)。在任务结束时,飞掠土卫六将把它送往最终的归宿——土星大气层。

在这之前,“卡西尼”已经对土星的卫星进行了几十次的探测,仔细研究了土星的磁层和云层。然而,在它最后的时日里,土星光环会成为它的重点。在这些最后的轨道上,探测任务也最棘手,但回报也最大。从2016年11月开始,“卡西尼”进入了掠环轨道,它到土星最近距离会不断减小。

到2017年4月,“卡西尼”已完成了20圈的越极轨道。此后,“卡西尼”改变了轨道,让它可以从土星环和土星之间穿过。

在土卫六引力的帮助下,“卡西尼”的轨道再次进行了重大改变。飞行工程师命令“卡西尼”以一定的角度飞掠土卫六,进而将其飞行路线抬升到土星光环平面之外。新的轨道让“卡西尼”可以从土星的北极上空飞过,到土星的最近距离就在土星的F环之外。2017年4月22日,在“卡西尼”飞掠了土卫六之后,飞行工程师就不需要在额外地点燃它的引擎来改变轨道,它的最终目的地已锁定为土星大气。

尽管如此,控制人员仍会对它进行微调,以便“卡西尼”可以浅尝土星的大气。在“卡西尼”绕土星转动的最后5圈中,它到土星的距离已近到可以对土星的大气成分进行采样。星载的仪器设备一直会处于工作状态,直到最后一刻。

仍在探索

通过在射电、紫外和红外波段对土星环进行高分辨率成像观测,“卡西尼”为土星巨大的光环系统提供了前所未有的新认识。它发现,光环中粒子协同运动的时间比天文学家所预期的更长,似乎以一种意想不到的方式“凝结”在一起。这正是科学家们所关注和想要的细节。

对土星环的研究可以为诞生出行星的吸积盘提供线索。环状结构是行星形成过程的初始阶段。“卡西尼”最后阶段的轨道可以让科学家们了解土星光环中较小的粒子是如何运动的以及它们运动之间的协同性。

这些轨道还可以让“卡西尼”拍摄到距离光环最近的土星卫星的影像。土卫十七、土卫十六和土卫十一上具有奇怪的凹槽和山壁已经坍塌的环形山。由于这些卫星的重力极小,山体滑坡体可以流出很长的距离。这也为研究低重力环境下物质的输运提供了样例。

其他的卫星则会看护光环中的物质。微小的土卫三十五其轨道就位于土星环的基勒环缝中。它会在该环缝的边缘掀起巨浪,由光环物质构成的细丝会延伸到它的周围。这些环物质波让科学家们推测在基勒环缝中存在一颗卫星,但是直到2005年5月1日“卡西尼”才首次直接发现了土卫三十五。

[图片说明]:嵌在土星环中的小卫星土卫三十五会在基勒环缝的边缘掀起波澜。版权:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute。

寻找答案

在初次飞过光环平面的时候,“卡西尼”把它的碟形高增益天线指向了飞行方向,把它用作防护光环中颗粒的盾牌。但是,一旦工程师们发现光环中的粒子对“卡西尼”几乎没有任何危害时,就把天线调整到了对准地球的方向。这对于许多实验来说至关重要,由此可以对土星的重力场进行精密测量并探测土星的风能向下延伸多深。研究人员想要确定土星是否是层化的,具有一个大小与地球相仿的岩质核心。所有这些认识都只有通过近距离轨道才能得知。

天文学家想要测定的最重要的一个数值就是土星环的质量。“卡西尼”对土星系统10多年的探测已精确测定了土星及其光环系统的总质量。但当“卡西尼”进入光环以内时,就能测定土星独自的质量。把两者相减,即可得到土星环的质量。

此前,对光环的间接测量表明,土星B环的质量可能远小于科学家的预期。天文学家此前认为,土星环的质量与土星卫星土卫一的相当。但是,如果光环的质量远小于估计,那它的年龄就会更轻,有可能是彗星或者土星卫星被瓦解所留下的。更大质量的光环则可能是与土星同时形成的。通过对光环进行直接测量,天文学家能以5%的精度来确定它的质量。

通过“卡西尼”近距离接触,有望解决的另外一个谜题是土星的一“天”有多长。对于气态和冰质巨行星来说,它们没有固态表面来用于测量其自身的转动周期。相反,天文学家是通过与自转轴稍有偏差的磁场来测量它们自转的。

但是,土星的磁轴几乎与其自转轴完全重合,迄今都未曾观测到其磁场可能存在的摆动。科学家们希望,当“卡西尼”从土星及其光环之间飞过时,可以具有足够高的分辨率来测量磁场的任何摆动。即便是一个很小的角度,如果测量到就可以用来确定土星的日长。有了这些数据,天文学家还能更精确地测量土星上的风暴,它们中的一些堪称太阳系中最猛烈的之一。

[图片说明]:2017年9月15日卡西尼土星探测器最终飞入土星大气层的示意图。其左下角的姿态控制推进器仍在工作,保持它的天线对准地球,但其长11米的磁力计吊臂(图中碟形天线右下方金黄色长条形结构)所产生巨大的阻力会使之失效。版权:NASA/JPL-Caltech。

最后的工作

“卡西尼”并不会安静地消失在黑暗中。在快速而壮观的终止之前,它会为科学家们提供宝贵的实地勘测数据。2017年9月15日,在土星当地时间中午过后,“卡西尼”以每小时119 100千米的速度飞入土星的大气层。此时,它的推进器保持在工作状态,尽可能地把它的天线对准地球,以此来传输最后的数据。但土星的大气压会对从“卡西尼”一侧伸出、长11米的磁力计吊臂产生巨大的阻力,最终它压倒了姿态控制推进器,使得“卡西尼”的天线不再对准地球。

在地面站失去了“卡西尼”发出的信号之后,接下去的事情就很快了。在最后的时刻,随着“卡西尼”在土星多云的天空中开始燃烧,最终化成一团光辉的火球。





[Astronomy 2017年09月]



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