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土星，我来了！

撰文/Jonathan I. Lunine

1997年10月15日凌晨，我站在佛罗里达州卡纳维拉尔角附近一个常有鳄鱼出没的水湾旁，透过漆黑的夜空，同数以千计的人一起观看几千米外的发射台上，被聚光灯照得通亮的火箭下方冒出一团小小的火焰，接着火箭腾空而起，划破层层积云，然后沿着一条弧线从大西洋上空飞过，进入茫茫太空，此时人们只能隐约望见助推火箭那闪闪发光的尾部。这枚运载火箭的顶部安放着卡西尼号轨道飞行器，其内部携带着惠更斯号探测器，它们是迄今为止最先进的自动太空船，需要经过7年的行星际旅程才能到达土星。我刚参加这项土星探测行动的规划工作时还是一名研究生，而当我最终等到开始对土星系统进行有史以来首次长期探测这一最扣人心弦的阶段时，我已经步入自己科研生涯的中期了。

卡西尼-惠更斯飞船将于2004年7月进入绕太阳系第二大行星的轨道。20多年前，先驱者11号以及旅行者1号和2号等飞船曾先后从土星近旁经过，它们的观测激起了研究人员对土星的极大兴趣，自那以来就热切期盼着这一天的到来。虽然土星比木星小，而且其表面看起来也远不如木星那样别具魅力，但它可能深藏着所有气态巨行星长期演化的关键线索。土星卫星的阵容庞大，包括30颗冰质卫星以及一颗其大小堪与行星比肩的卫星，即土卫六。土卫六稠密的大气层引起了科学家们的极大关注，因为它或许有助于揭开地球上的生命起源之谜。研究人员还希望弄清楚土星的光环是如何形成的，以及土星的强磁场对冰质卫星和土卫六的高层大气有什么影响。

科学家们期盼着卡西尼-惠更斯飞船能够重现伽利略号飞船床下的奇迹，后者在绕木星运行的8年时间里，彻底改变了我们对木星及其卫星的认识。但是在两项外行星探测行动存在根本的差别。伽利略号飞船投下的探测器旨在考察木星的大气层，而卡西尼号轨道飞行器则将向土卫六而不是土星投下惠更斯号探测器。此外与伽利略号飞船不同的是，卡西尼-惠更斯飞船真正称得上是国际合作产物。美国航空航天局建造了卡西尼号轨道飞行器并负责管理这个项目，而欧洲空间局则研制了惠更斯号探测器，飞船所行仪器的科研小组均由来自欧美两方的科学家组成。

探测计划缘起

土星到太阳的距离（14亿千米）差不多是木星到太阳距离（7.8亿下米）的两倍，因此一直显得更加神秘莫测。土星表面可以确定其大气层中风流类型的可见带状结构及区域比木星少；土星的磁层比木星平静得多，磁层是行星磁场占主导地位的区域，木星磁层所引起的射电噪声很容易从地球上探测到。1943年，天文学家发现土卫六周围有一个大气层，但直到太空时代，人们对土卫六以及土星其它卫星的情况几乎一无所知。在地球上的天文爱好者看来，漂浮在遥远寒世界中的土星展示的是一片宁静的美丽和神秘，与木星上一览无遗的狂暴景象正好形成鲜明对比。

第一艘造访土星的飞船是先驱者11号，是个比较简单的空间探测器，千1974年6越木星，1979年从土星近傍掠过。它所携带的仪器探测出土星有一个先前人们所不知道的光环（F环），这些仪器还付土星大气记的特性进行了遥测，同时测量了土星磁场的强度和几何结构。旅行者1号和2号分别于1980年和1981年飞越土星系统，它们携带了灵敏度更高的成像系统和分光仪。这两艘飞船发现土星的光环具有惊人的结构，暗黑的径向条纹像车轮的辐条般横穿过光环，其成因显然是电磁力的作用使尘埃悬浮于光环平面之上。此现象和其它一些测量结果表明，七M光环由大小不一的物体构成，大的犹如巨石，小的只有细微的尘粒那么大。

旅行芹3飞船还拍摄了土星多个冰质卫星部分表面的图像，这些卫星表面有程度不等的熔融和再生的现象。最激动人心的发现是在土卫六上获得的，土卫八足太阳系中第二大卫星，仅次于木卫三。旅行者1号曾飞到距土卫六只有4000千米的地，土卫六上厚厚的一层橙色霾雾使摄像机无法观测到卫星表面上的具体结构，但其他仪器测量了上卫六的大温度与仄力，表明含量最丰富的体是氮，其次是甲烷。

旅行者号揭示了土卫六大的动力学与地球出奇地相似，两苫大气的主要成份都是氮，但在土卫六上甲烷起右地球上水在气象中所起的作用。甲烷的分子可以被太阳紫外辐射分解，因而是土卫六高层大气中有机化学反应的关键。科学家们认为，这一大气循环可能包括液态烃像下雨般落回土卫六表面的过程，这些液态烃可以在土卫六表面上的湖泊或海洋中积聚起来。土卫八表而温度为94开氏度（-179摄氏度），这一温度太低，不能存庄液态水，但却正好适合蓄积液态烃的篆件。在土卫六上或许不会演化出我们已知的生命形式，然而对土卫六上的行机化学循环进行分折，可能有助于我们获得地球早期历史中生命起源过程的线索。

旅行者号所获得的结果，促使研究人员开始考虑研制一种能够对土星系统进行广泛考察的轨道飞行器，但在1980年代初，用于行星探索的资金比较紧张，因此美国航空航天局和欧洲空间局的官员们打算集中双方的力量共同进行探索。1982至1983年，欧美双方的科学家们在一起，制定了未来的太阳系合作探索计划，而探索七星系统则是他们考虑的重点。

别开生面的旅程

很明显，此项探索行动的核心部分是一艘考察土星大气层、光环、卫星及磁层的轨道飞行器，徂在是否将大气层探测装置投向土星还是投向土卫六、抑或这两个天体各投一个探测器的问题上却有很多牛议。各投一个探测器的方案费用过于高昂，规划人员最终把目标锁定土卫六上，因为旅行者号飞船在土卫六大气层所获得的发现实在太吊人胃口了。到1985年，欧洲空间局对于进入大的探测器巳经提出了若干新颖的设计方案，使它能够在土卫六的高密度、低重力的大气环境中巡游。欧洲空间局的官员们最终把这台探测器命名为惠更斯号，以纪念发现土卫六的17世纪荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯。轨道飞行器则由，美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室负贵建造，并以发现土星的四个卫星和土星光环--条大环缝的17世纪意大利裔法国天文学家让·多米尼克.卡西尼的名字命名。整个项目的总费用起过30亿美元，其中25%由欧洲方面承担。同大多数行星探索行动相比，这一费用相当高昂，相当于哈勃太空望远镜之类大型太空项目的费用。

卡西尼号轨道飞行器和惠更斯号探测器合起来可以跻身于有史以来最大和最重的行星际空间飞船之列。轨道飞行器携带了12套科学仪器，探测器则携带了6套仪器[见34页图示]。装满燃料后，卡西尼-惠更斯飞船重达5500千克，立起来高达6.8米。由于计划卡西尼号飞船在太空中穿越的距离是伽利略号飞船的两倍，因此它需要更大和更可靠的通信系统和天线，需要更多的燃料用于机动飞行，还需要更多的电力。同伽利略号一样，卡西尼号飞船也是靠放射性元素钚的天然衰变来提供电力。钚的天然衰变产生热量，然后热能转换为点。

发射卡西尼-惠更斯飞船的运载工具以美国空军的大力神4B型火箭为第一级，半人马座火箭为第二级。虽然这是现今功率最强大的无人运载系统，但由于飞船太重，仍然无法将其直接送往土星。依循先前探索外太阳系空间飞行的做法，通过一系列的借助引力来获得必要的速度，也就是让飞船从某颗行星的近傍掠过使其加速。在1998年到2000年间，卡西尼号飞船先后飞跃金星（两次）、地球和木星。该飞船在2000年12月掠过木星期间，它从木星的外围区域考差了这颗巨行星的磁层，而伽利略号飞船则从距木星较近的轨道位置上进行测量，这是空间探索史上第一次同时进行这样的观测。这些考察揭示木星的磁层是不对称的，从磁层的一侧逸出多得惊人的离子和电子。卡西尼号飞船还拍摄了一组引人注目的木星图像，极其相近地揭示了木星的湍动大气层的细节。

2004年6月11日，卡西尼号飞船将掠过土卫九，这是它与土星系统的首次近距离接触。土卫九沿行一条不规则的椭圆轨道绕十星运行，距十星约1300万千米。卡西尼号将在距这颗直径220千米的卫星不到2000千米的地方飞驰而过。土卫九可能是45亿年以前形成外行星心质内核的原始物质所遗留下来的，因此科学家们对它很感兴趣。三周后，即7月1日，卡西尼号将穿过F环与G环之间的宽缝，由光环平面下方接近土星。为了使飞船减速进入轨道，飞船的发动机将工作97分钟，产生一个与飞船运动方向相反的推力。在发动机工作期间，卡西尼号将到达距七星最近的位置，不到1.8万千米。如装一切顺利的话，这次变轨行动将使卡西尼号进入一条高度椭圆形的轨道，随后还将通过若干次发动机点火对轨道进行调整[见31页图示]。

降临土卫六

在接下来的6个月内，卡西尼号将两次飞越土卫六，对这颗巨型卫星的大气层和表面进行考察，并为开展惠更斯行动作好准备。12月25日，卡西尼号将放出惠更斯号探测器，探测器将用3周的时间逐渐靠近土卫六。2005年1月14日，以电池为动力的探测器将进人土卫六的大气层。土卫六的大气层约有1000T米厚，相当于地球大气层的10倍[见34页图示]。探测器行碟状隔热底板保护，免受进入大气层时所产生高温的影响。在距土卫六表面还有170千米时，探测器将打开降落伞，减缓下降的速度以稳定降落。当探测器在橙色的霾雾层漂移时，它所携带的气相层析质谱仪（GCMS）将分析大气层的组成，另一台议器将收集并气化固体颗粒，使GCMS也能对这些颗粒进行鉴定。与此同时，探测器携带的降落成像分光辐射计（DISR）将拍摄甲烷云层的图像，以便研究人员能测定其大小与形状。

当探测器下降到约50千米高度时，DISR开始拍摄下方景色的全景图。由于大气层吸收丫太阳光中的蓝光，因此土卫六的表面通常呈深红色。在下降的最后几百米，探测器上的白光灯将照亮土卫六的表面，使DISR能够对其表面成份进行光谱分析。在整个下降过程中，母船将对探测器发回的无线电信号频移进行持续的监测，由此推断出土卫六上的风的强度，而惠更斯号上的大气结构探测仪（HASI)则将测量温度、气压和以及揭示大气中是否存在闪电的电场。整个下降过程将持续两个半到三个小时。

惠更斯号探测器的主要目的是考察土卫六的大气层，其设计并不保证它的安全着陆（因为其花费过于高昂），但是科学家们对土卫六表面的特性极感兴趣。土卫六表面是否被液态烃所覆盖？是否存在地质活动或有机化学物质演化的迹象？抑或土卫六仅仅是一个满布陨石坑的冰质卫星？为了回答这些问题，惠更斯号携带了一套地表科学仪器组件（SSP)，它将在探测器着陆的最后阶段发出声波，以测定土卫六表面的崎岖程度，HASI也将借助雷达信号进行类似的测量9

探测器的着地将相当平缓，其速度只有每秒几米。在着地的刹那间，探测器上的加速计将极其迅速地把数据通过SSP发送出去，由此可确定土卫六表面的性质，它究竟是硬表面、积雪的表面还是液态的表面。如果探测器挺过了着陆的撞击而得以幸存下来，那么它可能还有3到30分钟的时间向卡西尼号轨道飞行器发送数据，直到卡西尼号消失在土星的地平线后为止。如果探测器掉在一片烃类的湖泊或海洋上，SSP就可以测量液烃的温度、密度及其他特性。传感器也可以测量声波穿过液烃传播的速度，甚至或许能测定液烃的密度。与此同时，DISR将拍摄图像，而GCMS则将尝试对烃类进行分析。尽管液烃的密度比水小得多，但惠更斯号的设计使该探测器能漂浮在液烃上。

四年之旅

在惠更斯号降临土卫六之后，卡西尼号轨道飞行器将在木星系统中邀游4年，继续对土卫六进行考察。在这段时期，卡西尼号将环绕木星运行76次，几乎每次都会从土卫六的近傍掠过。每次会合也将改变卡西尼号飞船的轨道，使它能够对木星的其他卫星及光环进行近距离观测，同时能对木星磁曾的各个不同区域取样。与伽利略号及旅行者号飞船不同，卡西尼号轨道飞行器上没有设置用于调整仪器指向的移动平台；为了节咨研制成本，仪器被凼定在卡西尼号飞船的圆朴形主体上。这样，项目科学家们就必须对各项观测进行非常周密的安排，因为该飞船不能让所有仪器同时观测一个目标。

考察土星系统是一个范围极其广泛的科研课题，本文对此只能作一个概括的介绍[见32页图示]。我自己的研究方向集中在土卫六上。除了十卫六表面是否已经演化出复杂的有机化合物外，研究人员对十土卫六迚提出了他一大堆问题。地球上足靠水的作卬促使地及形状改变以及地面与大气层之间能量和物质的交换，而在土卫六则是甲烷起着这一作用。由于太阳紫外辐射所引起的光化学反应不断消耗土卫六人气层中的甲烷，因此甲烷必定通过某种方式从土卫六的表面或内部获得补充，甚至有时能通过彗星的撞击而获得补充。旅行者号飞船曾测量了土卫六现今的甲烷丰度，其值似乎正处于--个临界点上，也就是刚好足以使甲烷云和甲烷雨形成，但甲烷浓度还不够髙，不足以使纯净的液态甲烷在土卫六表面上存在，甲烷雨滴还没有落到地上就蒸发掉了。乙烷是七卫六大气层中发生的光化学反应的产物，如果土卫六上有海，那多半是液态乙烷，其中混有溶解的甲烷。

弄清甲烷来自何处，而其光化学反应的产物又去向何方，是卡西尼-惠更斯项目能够解答的最重_人问题之-。甲烷与乙烷在土卫六表面上的烃湖或烃海中混在一起吗？波多黎各的阿雷丙博射电望远镜新近的观测资料似乎这样暗示，但只有卡西尼号轨道飞行器和惠更斯号探测器能够予以证实。如果卡西尼-惠更斯船没有发现湖和海存在的迹象，那就表明土卫六在其存在的绝大部分时间里或许没有足够多的甲烷和乙烷来形成湖和海。如果确是如此的话，靠甲烷温室效应维持的土卫六太气层现有的组成和规模很可能就纯属新近发生的彗星撞击或土卫六内部发生剧烈变动所造成的偶然结果。最后，行星科学家们急于了解土卫六上的氮和甲烷起源十何处，以及为什么土卫六是太阳系中唯一一颗拥有稠密大气层的卫星。

为了解决这些问题，卡西尼-惠更斯飞船上的全套仪器一件也不能少。轨道飞行器携带的成像仪、分光仪以及能够透土卫六厚厚的的霾雾层进行观测的雷达将在绘制土卫六表面图的过程中寻找烃海存在的迹象，其它一些仪器将考察土卫六火气层与来自土星磁层的带电粒子的相互作用；穿过土卫六大气层的无线电信号将揭示温度随纬度和高度而变化的幅度，把这些结果与轨道飞行器及惠更斯号探测器所拍摄的图像综合起来，吋能有助于确定甲烷降雨的范围。探测器也将对温度和压力进行直接测量，并拍摄甲烷云的图像。此外，对含氘甲烷的丰度以及氮与惰性气体氩和氪之比这两项关键的大气参数进行测量，或许将会揭示土卫六的甲烷和氮的可能来源。

在卡西尼号飞船首次飞越土卫六和惠更斯号探测器降临土卫六之后，项目科学家们可能会连珠般地抛出一系列的发现，令人眼花缭乱、目不暇接；此后随着轨道飞行器持续考察这颗巨型卫星，新的发现也将逐渐公诸于世。土卫六比太阳系中其他任何天体都更称得是一个神秘的世界，对这样一个陌生的新世界进行考察，单靠一次探索行动不可能解答所有问题。土卫六所展示的非凡魅力可能将推动科学家们提出一系列后续的探索计划，把气球、飞艇和着陆装置送入其稠密的大气层。卡西尼-惠更斯飞船的壮举揭开了--场通向无数新发现的伟人远征的序幕，而这场远征看来决不会很快结束。

[武晓岚/译赵庚新/校]