2010年2月1日星期一

“卡西尼”之“春分”行动-科学松鼠会

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"卡西尼"之"春分"行动

Mon, 01 Feb 2010 18:29:49 +0800

2009年8月春天降临到了土星的北半球,"卡西尼"探测器专门为此开展了"春分"行动……

每过14-15年,阳光就会直射到土星的赤道之上,它的北半球或者南半球就会进入春季。当2009年8月土星的北半球再一次迎来春分的时候,在它的身边多了"卡西尼"探测器的相伴。这也许注定了它将有一个别样的春天。

"卡西尼"探测器和土星。版权:NASA。


土星,这颗密度比水还小的行星,有着太阳系中独一无二的光环和卫星系统。虽然从外表看去,它没有木星表面汹涌的湍流且透出一种静谧与优雅,但这一切完全无法掩盖它的生机勃勃。科学家们已经发现了土卫六上的甲烷湖、土卫二上的冰喷发以及土星光环和大气中前所未见的惊人细节。这都得益于"卡西尼"这个近距离的观察者,而它对土星系统的调查还在不断深入。

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"卡西尼-惠更斯"是一个由美国宇航局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和意大利空间局(ASI)联合打造的旨在研究土星及其天然卫星的无人探测计划。它的硬件由两部分组成:NASA设计、制造的"卡西尼"探测器以及ESA制造的"惠更斯"探测器。前者以意大利-法国天文学家卡西尼命名,后者则得名于荷兰天文学家、数学家和物理学家惠更斯。� �卡西尼"是有史以来最大的行星际探测器,长6.7米、宽4米,光建造就耗时超过十年。

1997年10月15日"卡西尼-惠更斯"发射升空,开始了奔赴土星的旅行。尽管用来发射的火箭已经是NASA当时最强大的,但它仍不足以把重达6吨的"卡西尼-惠更斯"直接送往土星。为此它先后经过金星、地球和木星的引力助推来助自己一臂之力。这场历时7年、总长35亿千米的马拉松在2004年6月30日终于抵达了终点。

在当年的圣诞节"惠更斯"与环绕土星的"卡西尼"分离,并于2005年1月14日成功降落到土星最大的卫星土卫六表面。土卫六同时也是仅次于木卫三的太阳系第二大卫星,有着浓密的富氮、甲烷大气,与40亿年前地球的原始大气极为相似。阳光中的紫外线会离解甲烷分子,由此可以形成更为复杂的成分,例如乙烷、丙烷、乙炔和苯。这使得在"惠更� "着陆之前没有人确切知道土卫六的表面到底是个什么样子。


[图片说明]:"卡西尼"之"春分"任务。版权:NASA。

虽然"惠更斯"的土卫六之行非常"高调",但这其中其实还有一个小插曲。在升空之后的检测中科学家发现"惠更斯"和"卡西尼"之间存在通讯问题,而前者要依赖后者来向地球发送探测数据。为此NASA的深空探测网专门重新调配了天线来捕捉"惠更斯"着陆土卫六时发回的信号。

另一方面,从2004年6月30日进入土星轨道到2008年6月30日为期4年的主任务阶段结束,"卡西尼"共环绕土星飞行了76圈,飞掠土卫六45次。此外它还飞掠了土星的其他七颗卫星:土卫二、土卫三、土卫四、土卫五、土卫七、土卫八和土卫九。除了土卫六之外,土卫二也给我们带来了出人意料的惊喜。与此同时它还对土星大气的动力学特征进行了探测,发现了许多诸如土星南极涡旋这样有意思的� �象。

什么是飞掠?飞掠是"卡西尼"在土星系统中进行探测的重要组成部分。当它以椭圆形轨道绕土星飞行的时候,就有可能从土星的卫星旁近距离飞过,即飞掠。

飞掠分为两种"目标飞掠"和"非目标飞掠"。前者飞行路线是设计好的,"卡西尼"会以事先确定的距离飞过特定的卫星,且最近距离可以小到只有25千米。由于可以拍摄局部的特写照片,"卡西尼"的绝大多数重要成果都来自目标飞掠,例如对土卫二南极羽状喷发的观测。

非目标飞掠时距离则要远得多,从几千到1百万千米不等。通常都是某个天体恰巧出现在"卡西尼"的轨道附近,进而变得容易观测。非目标飞掠往往也会带给我们意想不到的结果,例如对土卫十三的观测。

在飞掠的过程中,"卡西尼"会以高速接近目标。期间它会使用反作用� 或者推进器来调整自身的姿态,以此来保证探测仪器能精确地对准目标。在"卡西尼"穿过土卫六上层大气以及土卫二冰质喷出物的时候,推进器也会被用来保持探测器的姿态。

飞掠除了能为探测土星卫星提供绝佳机会之外,"卡西尼"的导航小组还会利用和土卫六的飞掠过程来调整"卡西尼"的轨道或者为未来的飞掠做准备。

考虑到"卡西尼"上的仪器设备工作状态一直非常良好以及在过去的4年中所取得的巨大成就,2008年4月15日NASA决定将其探测任务延长2年。由于2009年8月土星会经过它轨道的春分点,因此这一计划被称为"卡西尼春分任务"。

[图片说明]:"卡西尼"于2009年8月12日所拍摄的土星照片,此时恰逢土星春分之后一天半。版权:NASA/JPL/SSI。

这一"春分"行动从2008年7月1日开始,期间"卡西尼"将绕土星运行60多圈,飞掠土卫六21次、土卫二7次、土卫一6次以及土卫四、土卫五和土卫十二各1次。由这一安排可见,对土星卫星(尤其是土卫六和土卫二)的详尽探测是"春分任务"的重点。此外"卡西尼"还会监测土卫六和土星的季节变化,探测土星的磁层等。而在这其中最眩目的则还是在春分时土星光环和阳光之间的游戏。

光与影的交织

土星光环和土星的赤道面基本重合,厚度为10-20米,主要成分为水冰。春分时阳光会直射土星的赤道面,因此也会从侧向照亮土星的光环。这一低角度的光照条件对于发现土星环面中的新结构非常有利,因 ��这些高出环面的结构此时会投下长长的影子。

在"卡西尼"于2009年5月24日所拍摄的照片中发现了土星环自身垂直结构所投下的阴影,这完美地诠释了土星光环缝隙中的卫星可以对环缝边缘产生重要且复杂的影响。直径8千米的土卫三十五位于土星A环外侧42千米宽的基勒环缝之中。它的引力会对环缝边缘的物质产生作用,使得它们轨道的偏心率变大,由此就会在环缝的边缘处聚集。先前的"卡西尼"观测显示这一作用会随着时间以及到卫星的距离变化而改变。但最新的观测还显示,土卫三十五自身和光环平面并不重合的轨道也会对土星环的垂直结构产生影响。根据影子的长度估算,这些垂直结构的高度为1.6千米,是土星主要光环(A环、B环和C环)厚度的大约150倍。


[图片说明]:"卡西尼"于2009年5月24日拍摄的土卫三十五对环缝边缘物质的作用。版权:NASA/JPL/SSI。

同样的原理也适用于寻找隐藏在光环中的土星卫星。2009年7月26日也就在土星春分前不久,"卡西尼"在土星B环中发现了一颗土星的小卫星。这颗小卫星处于B环的外围,距离其外边界480千米。当时它在土星光环上投下的影子长达41千米,正是这一点"出卖"了它。根据影子的长度计算出这个小卫星位于光环平面上方200米。如果和周围的光环物质一样在相同的平面内绕土星运动的话,那么由此估算出它的直径大约为400米。这颗小卫星与早先在土星A环中发现的不同,它并没有在自己两侧的光环中"开凿"出螺旋桨形的窄缝。这也许是由于B环中的物质密度较高所造成的,它们会以较A环中更快的速度来填补缝隙。


[图片说明]:春分时"卡西尼"在土星B环中发现了一颗土星的小卫星。版权:NASA/JPL/SSI。

除了这些光影变幻之外,在"春分"任务中"卡西尼"还会继续对土星卫星和光环之间的相互作用进行研究。在土星的窄环F环的两侧,土卫十七和土卫十六犹如两只牧羊犬时刻看护着F环中的物质。土卫十七位于外侧,直径81千米。土豆形的土卫十六则位于内侧,直径86千米。它的引力会在F环中周期性地产生辐条状的纹路。

除了用自身的引力来维护光环之外,有的土星卫星还会通过喷出物质来为光环提供物质,例如土卫二喷出的物质直接导致了土星光环E环的形成。


[图片说明]:土卫十七和土卫十六对F环的作用。版权:NASA/JPL/SSI。

引力助推从发射至今,引力助推一直是"卡西尼"飞行控制的关键环节。这一"借力"技术的使用一直可以追溯到20世纪70年代早期的太阳系探测。

引力助推的核心牵涉到三个天体:探测器、助推天体和中心天体。在发射后不久,这三者分别为:"卡西尼"、金星和太阳。进入土星轨道之后则变成了"卡西尼"、土卫六和土星。虽然"卡西尼"从其他天体处获得了能量,但系统的能量守恒并没有被打破。

如果仅考虑"卡西尼"和土卫六,在接近土卫六的过程中,动能和势能之间会不断地转化,但总和不变,"卡西尼"前后的速度也相等。但如果把土星也考虑进来,土卫六在和"卡西尼"之间相互作用的时候,它们分别还会和土星相互作用。相对于土星而言,"卡西尼"会获得能量,土卫六则会损失能量。或者� 过来,这取决于飞掠的轨道。但三者的总能量依然保持不变。当这些能量分摊到"卡西尼"和土卫六身上的时候就表现为它们速度的改变(两者的质量恒定)。

对于"卡西尼"而言,一次近距离飞掠土卫六可以使得它相对于土星的速度改变800米/秒。这足以从本质上改变它的轨道。但对于土卫六而言,由于它和"卡西尼"相比所具有的绝对压倒性质量优势,因此它的轨道速度变化大约为7厘米/百万年,完全可以忽略。

生机盎然的土卫二

和一直备受关注的土卫六相比,土卫二是直到最近才开始吸引住人们的眼球的。

就在"卡西尼"进入环土星轨道之后半年,出现了太阳、土卫二的边缘和"卡西尼"探测器差不多正好在一条直线上的情形,这一构型称为"高太阳张角"。它非常有利于探测位于太阳和观 ��者之间的微小尘埃颗粒。观测显示土卫二的南极边缘存在向外的物质喷发。这对于直径刚超过500千米的土卫二而言是无法令人想象的,因为它自身似乎太小了,无法产生喷发所需的大量能量。


[图片说明]:"卡西尼"于2009年10月13日所拍摄到的从土卫二南极喷出的冰粒子云。版权:NASA/JPL/SSI。

为了搞清楚真相,科学家们特地把2005年7月"卡西尼"飞掠土卫二南极的高度从1,000千米降到了168千米。让人吃惊的是,土卫二的南极基本上是一个圆形的区域,完全没有环形山,但是明显地分布着一些平行的深裂纹,被称为"虎皮纹"。这些裂纹几乎以等间距排布,绵延130千米,终止于边上的弧形地带。在"虎皮纹"中温度最高的区域存在十几个射向太空的喷流,它们所喷出的微小冰粒在土卫二南极上空形成了一个虽然暗弱但是巨大的火焰形粒子云。

随后"卡西尼"穿越了这片粒子云来探察其中的成分。在2008年3月的一次飞掠中,"卡西尼"仔细地测量了其中的水蒸汽、氮、二氧化碳和甲烷,还发现了少量的其他含碳有机� ,例如乙炔、氰化氢,以及痕量的乙烷、丙烷、苯、和甲醛等。

[图片说明]:"卡西尼"于2009年8月拍摄的位于土卫二南极的"开罗沟",它是"虎皮纹"诸多裂缝中的一条。版权:NASA/JPL/SSI/USRA/LPI。

这些结果一下子让土卫二声名鹊起,因为对这一切最好的解释就是在它的表面之下存在一个由潮汐加热维持的海洋。这不能不让人联想到它的"生命潜能"。围绕这一议题"卡西尼"将在其"春分"任务中进行多方调查。

15年来阳光终于又再一次照射到了土星光环的北侧,而我们对土星及其卫星系统的新认识也正在和土星北半球的春天一起到来。

(本文已刊载于《中国国家天文》杂志2009年第12期)

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