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回到土星

2011-04-02  在宇宙的...

回到土星
卡西尼号进入火星轨道,开始探测活动

作者 石青


卡西尼与土星


  压题图:卡西尼号接近火星,艺术想象图。点击看大图。

  7月1日,在经历了7年的漫长旅途之后,卡西尼—惠更斯探测器顺利进入了环绕土星飞行的轨道。在进入土星轨道1个多小时之后,卡西尼号向地球传来了第一张在轨照片。这也是自1981年以来,人类能够再一次近距离观察这颗太阳系第二大行星。


卡西尼号与土星
卡西尼号与土星,艺术想象图


  行星指环王

  作为太阳系第二大行星,土星的密度却低得惊人,甚至比不上水的密度。原因也很简单:土星和它的邻居木星一样,外层主要是由氢、氦这样较轻的元素组成的。

  大约400年以前,当伽利略把他自制的望远镜指向土星的时候,他所看到的景象令他感到困惑:为什么用肉眼看来明亮的土星,在望远镜中竟然多了两个“耳朵”?那不是耳朵。直到半个世纪以后,荷兰的天文学家惠更斯用更强大的望远镜发现,土星的“耳朵”实际上是围绕土星的一个环带。又过了1/4个世纪,意大利天文学家卡西尼发现土星的环带并非完美无缺,而是由同心环组成。环与环之间的缝隙叫做环缝,一个最著名的环缝后来就被命名为卡西尼环缝。

土星
行星指环王:土星照片


  但是土星环的许多秘密仍然没有揭开,直到20世纪70年代末80年代初,人类才有机会在较近距离上观察土星和它神奇的环。1979年,先驱者11号行星探测器飞过了土星,拍下了土星的近距离照片。在这样的距离下,科学家发现了两个新的土星环——F和G环。先驱者号飞过土星两年之后,另外两艘行星际探测器——旅行者1、2号也分别拜访了土星。在更近的距离,旅行者号更详细的探测了土星的大气、磁场以及土星环。

土星环
土星环照片,经色彩增强以区分环结构


  尽管照片上的土星环显得十分壮观,如果能有机会走进环的内部,就会发现组成环的物质其实是冰和尘埃。令科学家感兴趣的是土星环的起源和结构。土星环可能起源于某颗土星卫星的碰撞,或者很早以前某颗正在形成的卫星——还没有完全形成卫星,就被土星的引力拉碎了,而碎片就是今天的土星环。


  最大的探测器

  20世纪的七、八十年代曾经是行星探测的黄金时代,在那之后美国便把重点转移到了载人航天(航天飞机计划)上。而卡西尼号可以称得上是那个黄金时代的最后一笔遗产。

  早在1980年代初,美国和欧洲的科学家就计划对土星进行进一步的探索。80年代中期,卡西尼号的设计初步完成。整个项目耗资大约30亿美元,其中欧洲负担25%。探测器的主体和大部分科学仪器由美国建造,一个用来探测土卫六“泰坦”的小型探测器由欧洲航天局负责。而卡西尼号的巨大的抛物面天线则是意大利科学家制造的。

  最终完成的探测器让同时代的其他行星探测器相形见绌:卡西尼号的重量超过5吨,足有两层楼那么高。自从旅行者号之后,美国宇航局还没有发射过这么大的探测器——在经费的压力下,它们通常又小又轻。

卡西尼
卡西尼号


  但是对于一个要在茫茫太空中独自旅行14亿公里的机器来说,科学家相信探测器庞大的体积和重量是必要的:探测器需要更多的燃料以备不时之需;探测器需要更大的天线向地球传回数据(土星到地球的距离大约是木星到地球的两倍);就连探测器所携带的发电用核燃料也是最多的。

  由于卡西尼号要飞行到距离太阳很远的地方,使用太阳能电池就显得有些杯水车薪。作长距离旅行的行星际探测器——例如卡西尼的前辈旅行者号——都携带由放射性同位素发电机。这种发电机利用放射性元素裂变产生的热量和宇宙中温度的温差发电。

  但是33千克的钚238也足以让一些人感到恐惧。如果把钚吸入肺中,即使是一小粒钚238也能让人罹患癌症。因此在1997年卡西尼号即将升空之前也招来了不少抗议者,要求修改其供电设计。

  除了最初发射时可能带来的风险,另外一个危险的时刻在1999年。由于人类还无法制造能让卡西尼号直接飞往土星的火箭,和其他行星际探测器一样,卡西尼号也需要借助其他行星的引力场加速。这年8月,它在南太平洋上空1100公里的高度掠过了地球,这也是它最后一次可能给地球带来危险。

  如果与探测木星的伽利略号相比,卡西尼号的旅行几乎可以称得上完美。在伽利略号升空后不久,科学家就发现他们遇到了一个从未想到、但却是致命的问题:伽利略号的主天线没有按计划展开(后来发现原因是低温造成的“冷焊”),从而导致数据只能通过探测器上的低增益天线慢慢的传回。卡西尼号没有遇到这样的尴尬。除了一个通讯系统的设计失误(已经修正),卡西尼号在7年的旅程中几乎没有遇到什么困难。


  登陆巨人卫星

  卡西尼号携带了一个用来探测土星卫星的小型探测器,即惠更斯号。明年一月,卡西尼号将释放这个探测器,让它飞向土星的一颗卫星——土卫六。

  土卫六“泰坦”是土星最大的卫星,也是太阳系中第二大的卫星(比月球还大)。另外,它也是一颗拥有稠密大气层的卫星(主要由氮气构成)。尽管土卫六的表面温度是零下150摄氏度,不太可能有类似地球上的生命活动,但是科学家相信,土卫六的环境可能与地球早期类似,研究土卫六大气和地表的有机物,有可能为重现地球早期生命演化提供帮助。更何况,土卫六稠密的大气遮住了表面,以往任何观测都没法看到它的地面。

惠更斯与泰坦
惠更斯号接近土卫六,艺术想象图


  惠更斯号将是第一个进入土卫六的大气层的人造物体。在距离土卫六表面150公里的高度上,惠更斯号会打开降落伞缓慢落向地面,在接下来的数个小时里,它所携带的仪器将分析土卫六的大气成分,并拍摄其表面的照片。如果惠更斯号在地面着陆之后仍然幸存,那么它将抓紧时间传回土卫六地面的特征——坚硬、柔软或者布满甲烷湖泊的表面。

土星环
精密如线的环,穿越它们投在土星上的阴影。卡西尼号摄影


  在惠更斯号履行完它的使命之后,卡西尼号还将环绕土星数十圈,详细考察土星的磁场、大气以及神奇的土星环。它将一直工作到2008年,在那以后的很长一段时间里都不会再有这么巨大的探测器访问土星。因此,卡西尼号带来的科学发现是值得人们期待的。 end

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