“卡西尼”这13年

土卫二上的间歇泉喷出水蒸气和混合有有机分子的冰。

资料来源:美国宇航局/JPL-加州理工大学/亚利桑那大学/爱达荷大学

土星环大约100米厚，由许多卫星和嵌入其中的小卫星组成。图为土星主环外的土卫二17。

资料来源:美国航天局/JPL/SSI

恩克拉多斯17号清理了主环内一条名为恩克拉多斯的通道。

资料来源:美国航天局/JPL-加州理工学院/SSI

土星的两极会产生闪亮的光带。资料来源:美国航天局/JPL/亚利桑那大学

在土星的F环上，重力扰动导致环粒子聚集在一起，喷出看起来像灰尘的东西。资料来源:美国航天局/JPL-加州理工学院/SSI

土星的卫星形状各异。资料来源:美国航天局/JPL-加州理工学院/SSI

从2010年到2011年，雷云高速穿过土星的北半球。资料来源:美国航天局

太阳照耀在土卫六的湖面上，那里有液态碳氢化合物。

资料来源:美国宇航局/JPL-加州理工大学/亚利桑那大学/爱达荷大学

二十年前，在佛罗里达州一个闷热的早晨，卡西尼号航天探测器从卡纳维拉尔角发射升空，照亮了天空。今天，在经历了35亿公里的旅程和围绕土星13年的轨道运行后，轨道飞行器的燃料即将耗尽。9月15日，卡西尼号的地球控制器将它丢入土星的云层，以防止它突然撞击并污染任何可能孕育生命的卫星。

由美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局联合开发的卡西尼号是第一个环绕土星飞行的太空探测器。与1979年先锋11号、1980年航海家1号和1981年航海家2号之前的近地探测器不同，卡西尼号花了更多时间收集科学数据。当环绕土星飞行时，它有一系列令人印象深刻的发现，并飞过土星许多奇怪的卫星。“我们等卡西尼号到达已经等了很长时间，但这绝对是值得的。”加利福尼亚州帕萨迪纳市美国国家航空航天局喷气推进实验室的行星科学家琳达·斯皮尔克说，“我们为其令人难以置信的成就感到骄傲。”

卡西尼揭示了土星环的混沌动力学，发现了从土卫二喷出的间歇泉，并观察到了搅动土星大气的巨大风暴。它观察土星的季节变化将近半年——首先是昼夜之间的分点，然后是夏至，因此改变了天气模式。在卡西尼号的整个生命周期中，土星已经变得不那么奇怪了，并且证明了自己是一颗不断变化的充满活力的行星。太空探测器已经成为理解气态巨行星复杂性的试金石，美国宇航局的“朱诺”号宇宙飞船目前正在木星上延续这一传奇。

当卡西尼号作为第一艘降落在外太阳系的宇宙飞船——惠更斯号探测器被释放时，它再次创造了历史。2005年，“惠更斯”号在土卫六表面惊险着陆两个半小时后，传回了多岩石的冰冻洪水平原的快照。随后的卡西尼号探测证实，土卫六是一个充满碳氢化合物湖泊和河流的世界，甲烷和乙烷雨为其提供能量。

然而，由于没有短期内返回土星的官方计划，9月15日标志着一个时代的结束。

几种卫星的研究

当卡西尼号研究土星60多颗卫星中的一些时，它带来了许多惊喜，也提出了许多问题。

当研究人员发现巨大的环状物质从土星的另一个卫星土卫五流出时，他们终于解开了土卫五的秘密，土卫五以其黑白两面而闻名。当土卫五的主表面穿过土卫五的残骸时，土卫五似乎获得了这个“阴阳面”。当卡西尼号的科学家研究充满陨石坑的土卫二如何绕其轴旋转时，他们意识到这个世界可能有一个埋藏的海洋或一个细长的核心。

对土星最小的卫星的观察——以前从未如此近距离地见过——揭示了奇怪的形状。惠更斯就像一块海绵，而土卫二17就像太空中的饺子。后者的特征是巨大的陨石坑——很久以前撞击留下的疤痕。

最令人惊讶的观测来自土卫六和土卫二。在土星最大的卫星土卫二上，卡西尼发现了一个与生命诞生前的地球相似的复杂化学反应的世界。在惠更斯停留在土卫六表面的72分钟里，这个电池驱动的着陆器拍摄了散布着冰冻岩石和笼罩在橙色烟雾中的景观图像。卡西尼号使用雷达和其他设备从上面绘制了一张卫星地图，发现了巨大的“沙丘”，上面覆盖着碳氢化合物的冰。液态甲烷和乙烷像雨滴一样落下，形成含有碳氢化合物的河流和湖泊。卡西尼号捕获了这些被太阳光线反射的液体物质的图像，甚至用雷达绘制了它们的底部。

即便如此，土卫二还是抢了风头。卡西尼号到达之前，这颗卫星被认为是惰性的。但事实上，它从巨大的裂缝中喷射出冰和水蒸气，并像老虎条纹一样装饰南极地区。在土星的引力作用下，间歇泉每秒钟喷射出200公斤含盐物质和各种有机物质的混合物。

卡西尼号的科学家非常惊讶地发现，这种物质含有微小的二氧化硅颗粒。这可能是由土卫二深处热液喷口的水和岩石之间的相互作用造成的。在地球上，类似的深海喷口居住着微生物，它们可以在没有阳光的情况下茁壮成长。因此，土卫二已经成为寻找外来微生物的最重要地点之一。行星科学家正在计划一次返回任务，穿越土卫二的羽流，寻找生命的痕迹。

土星不断变化的光环

土星环是卫星最具标志性的特征，包含数十亿个冰粒。从远处看，它们似乎是固定的和精心制作的，但卡西尼号揭示了它们的一些形成过程，并证实它们具有强大的生命力。有时，在几个小时内，环特征将经历形成、形状改变和消失的过程。

卡西尼发现，即使是土星最小的卫星的引力也在引导环形粒子形成看起来像是精心修剪的丝带的过程中发挥了作用。例如，直径只有28公里的土卫二17，在穿过土星环时，扫清了一条宽阔的道路。土星环中这个缝隙两侧的暗带和亮带反映了土卫二17的引力效应。这些年来拍摄的图像揭示了土星的一些卫星是如何继续形成和雕刻出这些光环的——直到卡尼斯观察了它们很长时间，这一现象才完全显现出来。

然而，并不是所有的卫星都是完美的“向导”在土星的F环上，沿着主环外缘的一条狭长地带，卡西尼发现了一个暂时的物质喷射。这种现象被称为微喷射。附近卫星土卫六的重力可能会导致土星环上的冰粒像雪球一样聚集。后来，较大的物体被冲出去，被拖到后面的粒子看起来像被灰尘覆盖的180公里长的面纱，摧毁了土星环，而土星环本来应该是完美的。在土星环系统的边缘，这些特征会来来去去。

巨大的变化也可能在更大的范围内发生。在土星的昼夜平分点附近，当太阳光线落在土星环的陡峭斜坡上时，卡西尼号观察到了像*辐条一样的特征。它们随着土星环旋转，类似于自行车车轮。这些“辐条”可能是巨大的静电粒子带，在土星环上上下流动。它们可以在几个小时内形成和消失。

了解大气层的深度

因为华丽的土星环系统转移了人们的注意力，这颗行星的旋转云顶模型有时并不被欣赏。卡西尼改变了这一点。它观察了风暴如何在多个地球年里搅动土星大气，从而有助于更深入地理解形成土星大气的气流。

2010年底，当雷暴发展成巨大的旋转白云(直径超过10，000公里)时，宇宙飞船“见证”了这一过程。在接下来的几个月里，雷暴开始从大气层深处翻腾到顶部，并完全包围北半球，直到它的“头”碰到它的尾巴。类似的风暴每20到30年发生一次，它们的速度可能受大气中水蒸气的数量控制。太阳系中的其他行星，比如木星，也有大风暴，但是没有这样的大风暴围绕着这些行星。

卡西尼号还在土星北极探测到直径约30，000公里的奇怪六边形特征。六边形易受风速超过每小时300公里的风的影响，是漩涡的位置，就像在里面旋转的小飓风。奇怪的是，土星的南极没有这样的特征。

多亏了卡西尼号，甚至土星的内部也得到了更好的关注。这颗行星有一个强大而复杂的磁场，它是由内部深处搅动的液体产生的。土星两极附近明亮的极光是一个路标，有助于揭示极地磁场的模式和强度。

然而，一些基本难题仍未解决。卡西尼号科学家仍在试图确定土星一天的长度。由于这颗行星没有固体表面，研究人员无法追踪固定的特征来测量其转速。相反，他们试图通过观察土星强大的无线电辐射来测量土星的真实转速。这应该反映了土星内部深处的磁场运动。然而，卡西尼号发现辐射比预期的要复杂得多，因此利用它来了解自转速率就更加复杂了。

尽管卡西尼号已经坠毁，但它将为未来的研究留下大量信息。“‘卡西尼’号在广度和深度上产生的有价值的数据是‘旅行者’号的100倍，要完全理解这些数据需要几十年的时间。位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德的美国宇航局艾姆斯研究中心的行星科学家杰夫·奎兹说，卡西尼号主动任务的结束可能只是了解其发现的真正进展的开始。(宗华编译)

《中国科学日报》(20109-21第三版国际版)