再见“卡西尼”

Amateur Astronomer - - 宇宙奥秘 - □谢 懿 /编译

2017年4月22日卡西尼探测器最后一次飞掠土卫六,宣告其任务正式进入了倒计时阶段。但在飞入土星的那一刻来临之前,它仍然会站好最后一班岗。 对于探测土星的卡西尼探测器来说,它的时间已经不多了。2016年11月末,就在土星的主光环之外,它进入了一系列会多次飞过土星两极的轨道。这20条越 极地轨道是“卡西尼”绝唱的序幕。在此过程中,它的轨道会义无反顾地向内缩减,直至2017年9月撞上土星。这将标志着“卡

西尼”扩展任务的结束,但这也给了它对北半球处于夏至时分的土星进行探测的机会,此时土星的轴倾角会使得它北半球的高纬地区处于直射的阳光 之下。但在这一刻来临之前,还有许多任务要完成。在最后的几个月中,它会对土星的光环、天气以及内部结构开展更加细致的 探测。夏至时分,阳光会从一个全新的角度照亮土星及其光环系统还有它的冰质卫星,光和影会来揭示出此前并不为人所知的特征。

极地风暴

在“卡西尼”飞过土星的两极时,它会对那里的巨型风暴做最后的观测,这其中也包括了著名的北极六边形风暴。在土星北极,云系会以不寻常的六边形结构来绕极点转动,在其中心是一个巨型风暴。科学家们仍在试图搞明白为什么形成一个对称的六边形,为什么这个六边形的顶点会以和土星北半球自转几乎相同的速度转动,以及这个构形是如何保持稳定的。“旅行者”1号于1980年飞掠土星时首次发现了这个六边形。但“卡西尼”在它的轨道上,从一个更有利的视角用其可见光和红外仪器在漫长的土星北半球冬季对这个风暴进行探测。进入新的越极轨道之后,它能对北半球的六边形风暴和南极点附近一个稍小的风暴进行更好地观测。

结局前奏

这些越极地轨道看上去有点像是为该任务最后高节奏和高风险阶段的彩排。相对于土星赤道,它们和最终大结局时的轨道有着相同的倾角,只是距离更远。2017年4月,“卡西尼”转移到了更加靠近土星的轨道,开启了大结局。在其轨道的最低点,“卡西尼”会从土星最内侧环的里面通过,掠过土星大气层的顶部。“卡西尼”在这些大结局轨道上只要6或7天就能绕土星一周,相比之下它此前的轨道周期都长达数周。对于“卡西尼”来说,与大结局轨道所对应的新环境,例如尘埃颗粒和土星大气,也许会带来一些潜在的危险。

土卫六助力

为了进入近距离轨道,“卡西尼”还需要土卫六的一臂之力。2017年4月22日它最后一次飞掠土卫六,土卫六的引力对它进行了助推,在改变其速度的同时,也把它送入了一条更加靠近土星的轨道。在过去7年的夏至任务中,“卡西尼”一直受益于土卫六的帮助。夏至任务需要“卡西尼”以相对较少的推进剂做大量的轨道机动。这一拓展任务使得“卡西尼”在轨工作的时间翻了一倍多。但在2010年末该任务启动时,推进剂只剩下了约1/5。为了实现既定的科学目标,“卡西尼”需要机动到一系列有着不同 倾角和距离的轨道。为了改变轨道,就需要改变探测器的速度。要改变速度, “卡西尼”的发动机就要燃烧推进剂。为了节省燃料,“卡西尼”会使用推进器把自己送到一个相对于土卫六恰到好处的位置上,随后土卫六的引力会对其助推,补足它所需的速度,把它送入一条新的轨道。从2015年春开始,一系列的发动机点火把“卡西尼”不断地送入飞掠土卫六的轨道。在土卫六的引力助推下,“卡西尼”从此前的赤道轨道逐步机动到了目前从土星两极上空飞过的越极轨道。2016年年中它进行了最

后一次大规模的发动机点火。眼下“卡西尼”主引擎的燃料箱几乎已经是空的了;为了避免主引擎点火中出现推进剂中途耗尽的风险,科学家们选择使用“卡西 尼”上较小的推进器来做最后的机动。根据“卡西尼”的任务规划,科学家花了2年的时间制定出了一系列的土卫六飞掠方案,以 此来帮助它尽可能多地实现科学目标。不同轨道可以有不同的用途,例如探测土星赤道平面内的冰质卫星,或者是对土卫六的极区进行观测。

神秘的内部

在最后的这些科学目标中,有一个谜题已经困扰了科学家们超过10年:土星上的一天究竟有多长?由于土星的云层和云带会以不同的速度运动,因此很难测量土星的自转速度。20世纪80年代,根据从土星内部发出的周期性射电辐射,科学家们估计土星的自转周期为10.66个小时。然而,“卡西尼”却发现事情其实比这要更复杂。它探明土星的这些射电信号并非来自内部,而是来自土星的两个极区。它发现土星的两个半球当时

有着不同的自转周期:北半球为10.6小时,南半球为10.8小时。就在2009年土星春分过后,土星北半球的自转开始放缓,而南半球则开始加速。在春分后7个月,即2010年3月,南北半球自转速度 大致相等,约为10.67个小时,但现在北半球的自转周期比南半球的稍长。这一季节变化可能与太阳和土星磁场的相互作用有关。事实上,土星的磁场也许一直掩盖着其内部 真正的自转速度。不同于地球的情况,土星的自转轴与磁轴几乎重合。在大结局轨道期间,“卡西尼”会从极低的高度来探测土星的磁场和引力场,寻找其自转速率和内部组成的线索。

光环上的光

大结局轨道也会让“卡西尼”从近距离来探测土星环,进而了解它们的组成以及它们是如何与土星及其卫星相互作用的。“卡西尼”最终的轨道会使得它穿过土星的D环,它所携带的宇宙尘分析器会采集其中的粒子。在第一次穿越D环时,“卡西尼”使用其直径4米的高增益天线来作为护盾。这些数据将有助于解释为什么土星环呈金黄色。土星环中的多数 物质是冰,但必定还存在其他的化学物质,否则环不会呈现出现在所见颜色。这些物质有可能是铁、硅或含碳的化合物,只有“卡西尼”对D环实地探测后才有望知晓。了解土星环的成分并测量环的引力场将有助于科学家估计出环的质量,进而解开它的起源之谜。如果环的质量超出了现有模型的预期,那它有可能是在46亿年前与土星一起形成的。但是,如果环的质 量小于预期,那它形成的时间就会较晚,可能源于一颗被土星瓦解的彗星。如果土星环的年龄很轻,那它很有可能是土星的卫星被撕裂开之后所留下的遗存。从土卫六到光环中的微小卫星,今天的土星有62颗卫星。这些卫星有的形成于土星的吸积盘中,有的是被土星俘获的外来天体,有的则是由光环物质聚合而成的。

冰质卫星的季节

随着夏至的来临,“卡西尼”会看到光照的变化对土星卫星的影响。科学家们尤其对土卫六上的天气感兴趣,那里的甲烷会遵循类似于地球上的水循环过程。土卫六的北半球会逐步进入夏季,那里分布着它大部分的甲烷海洋和湖泊。到目前为止,土卫六上的天气一直让 “卡西尼”的科学家感到惊讶。理论模型预言,土卫六上有大量的降雨,会形成甲烷云,尤其是在它的北极。但是,“卡西尼”还没有看到这些降雨,这也给了科学家们一个机会来重新审视自己的理论模型。与此同时,夏至的到来意味着 土卫二的南极会处于阴影之中。“卡西尼”的科学家们想知道,冬季的黑暗是不是会降低其水汽喷发的活跃程度。在任务最终结束前, “卡西尼”会对土卫二的南极做最后一次近距离测量,由此可以帮助科学家了解其巨型喷泉是如何形成的。

倒计时

对于“卡西尼”团队来说,大结局轨道是非常忙碌的,还有许多工作要做。但在4月22日飞掠土卫六之后,“卡西尼”任务真正进入了倒计时阶段。在土卫六的引力助推下,“卡西尼”将在2017年9月15日义无反顾地撞入土星大气层。这样做的目的是为了避免 “卡西尼”上可能携带的微生物或者能量系统中的辐射污染土卫六或土卫二。即便在飞入土星上层大气的过程中,“卡西尼”仍会对其进行采样分析并将数据发回地球,直到最后一秒钟。尽管如此,科学家们应该不会看到“卡西尼”被 烧毁的场面。在此之前,土星大气的湍流就会将它的天线震歪,无法再对准地球。“卡西尼”20年的任务行将结束,届时并不会出现爆炸的火球,而是它所发出的信号会逐渐衰弱,直至消失在茫茫的宇宙中……

2013年7月19日,“卡西尼”上的大视场相机拍摄到了这幅土星光环和地球(白色箭头所指)的罕见“合影”。再把图像进一步放大之后,还能看见地球旁的月球。版权:N AS A / JPL-CALTECH/ SPACE SCIENCE IN S T IT U T E。

“卡西尼”任务的最后阶段轨道的示意图。版权:N A S A /JP L-C altech/A S I/U S G S。

在土卫六的表面,“卡西尼”的雷达发现了众多的湖泊。其中一些充满了液体,另一些则似乎已经干涸。这些湖泊中的液体并非是水,而是液态甲烷。版权: NASA/JPL-Caltech/ASI/USGS。

在土星的北极,有一个巨大的六边形风暴。在这幅伪彩色照片中,其风暴眼用暗红色表示,其六条边则为黄色,土星的光环则为蓝色。版权:N AS A /JP LCALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE。

2004年10月6日卡西尼探测器在2个小时里所拍摄的126幅图像合成出了这幅土星的拼接影像。当时它距离土星约630万千米。版权:N A S A /JP L-C A LTE C H /S P A C E SCIENCE INSTITUTE。

发源于土卫二南极的地下海洋,“卡西尼”观测到从那里喷发出的多道水蒸气。版权:N AS A /JP L/S S I。

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