舉世矚目的土星探測(上)土星探測

[舉世矚目的土星探測(上)]土星探測2009年4月21日，美國航宇局公布了卡西尼土星探測器拍攝的一組頗具震撼力的土星照片，它們以迄今最令人難以置信的細節(jié)揭示了土星及其衛(wèi)星和光環(huán)的秘密。最新公布的這組圖片顯示了土星系統(tǒng)內部的驚人差異，在其中一張照片上，看似寧靜的光環(huán)優(yōu)美地堆疊于土星赤道周圍，令其與土星衛(wèi)星坑坑洼洼的外觀形成鮮明對比。這一探測項目的科學家正在對土星壯觀的光環(huán)、迷人的衛(wèi)星、充滿活力的磁氣圈和土衛(wèi)6的表面及其大氣層展開深入研究。迄今為止，這次任務的一些重大亮點有：發(fā)現土衛(wèi)6具有像地球一樣的進程，土衛(wèi)2的南極有一個熱點，表面不斷向空中噴射冰狀晶體，以及土衛(wèi)2地下蘊含液態(tài)水的證據。土星探測的先驅最早探測土星的是先驅者11號、旅行者1號和2號3個探測器，它們對土星進行了走馬觀花式的尋訪。1979年9月1日，先驅者11號成為第1個造訪土星的探測器，為土星拍攝了第1張近距離照片。它在距土星云頂20200千米的上空飛越，對土星進行了10天的探測，不僅發(fā)現了2條新的土星光環(huán)和土星的第11顆衛(wèi)星，而且證實土星的磁場比地球磁場強600倍。它2次穿過土星環(huán)平面，并利用土星的引力作用拐向土衛(wèi)6，從而探測了這顆可能孕育有生命的星球。不過，當先驅者11號考察土衛(wèi)6時，正趕上一陣強烈的太陽風，嚴重地影響了發(fā)回的信息。地面控制中心只收到它在35萬千米處拍下的5張高分辨率的照片。在照片上，土衛(wèi)6呈現美麗的桔紅色，像熟透了的桔子。1980年11月12日，旅行者1號從距土星12600千米的地方飛過，一共發(fā)回1萬余幅彩色照片。這次探測不僅證實了土衛(wèi)10、11、12的存在，而且又發(fā)現了3顆新的土星小衛(wèi)星。當它距離土衛(wèi)6不到5000千米的地方飛過時，首次探測了這顆衛(wèi)星的大氣，發(fā)現土衛(wèi)6的大氣中既沒有充足的水蒸氣，其表面也沒有足夠數量的液態(tài)水，約有2700千米厚，比地球大氣密度還高。大氣的主要成分是氮氣，占98％，甲烷占1％，還有少量的乙烷和氫等。金星、地球和火星的大氣中也部有氮氣，但是都沒有土衛(wèi)6這么多得-晾人。通過這次探測，測得土衛(wèi)6的直徑為4828千米，而不是過去認為的5550千米。旅行者1號還發(fā)現土衛(wèi)6大氣呈霧狀，土衛(wèi)6的南北兩半球的明暗有差異：南半球明亮，北半球暗淡。這是什么原因造成的呢?？赡苁峭列l(wèi)6上南北不同季節(jié)引起的。旅行者1號拜訪時，土衛(wèi)6北半球正好是春季的開始。不過，也有人認為這可能是土星磁層對土衛(wèi)6的影響。由于濃密的霧層使陽光不能照到土衛(wèi)6的表面，影響了旅行者1號對土衛(wèi)6表面的觀測。同時，也有的科學家根據旅行者1號的觀測資料，認為土衛(wèi)6大氣中充滿甲烷。1981年8月25日，旅行者2號從距離土星云頂10100千米的高空飛越，傳回18000多幅土星照片。探測發(fā)現：土星表面寒冷多風，北半球高緯度地帶有強大而穩(wěn)定的風暴；像木星一樣，土星也有一個大紅斑，長8000千米，寬6000千米，可能是由于土星大氣中上升氣流重新落入云層時引起擾動和旋轉而形成的。在土星光環(huán)中不時有閃電穿過，其威力超過地球上閃電的幾萬倍乃至幾十萬倍；再次證實，土星環(huán)有7條，它們由直徑為幾厘米到幾米的粒子和礫石組成，每一條環(huán)又可細分成上千條大大小小的小環(huán)，即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環(huán)；土星環(huán)的整體形狀類似一個巨大的密紋唱片，從土星的云頂一直延伸到32萬千米遠的地方。旅行者2號還發(fā)現了土星的13顆新衛(wèi)星，使土星的衛(wèi)星增至23顆。它考察了其中的9顆衛(wèi)星，其中土衛(wèi)6的實際直徑為4828千米，而不是原來認為的5800千米，是太陽系行星中的第2大衛(wèi)星（第1大衛(wèi)星是木衛(wèi)2，月球是第3大衛(wèi)星）。它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗紅的天空，偶爾灑下幾點夾雜著碳氫化合物的氮雨等，這是人類了解生命起源和各種化學反應的理想之處。美國國立光學天文臺的科學家們在研究旅行者2號發(fā)回的土星照片時，發(fā)現了一個奇怪的現象：在土星的北極上空有個6角形的云團。這個云團以北極點為中心，并按照土星自轉的速度旋轉。土星北極的6角形云團并不是旅行者2號直接拍到，因為旅行者2號并沒有直接飛越土星北極上空。但它在土星周圍繞行時，從各個角度拍下了土星照片。天文學家們把那些照片合成以后，才看清了土星北極上空的全貌，也才發(fā)現了那個6角形云團。土星北極上空6角形云團的出現，促使科學家們不得不重新認識土星。通過上述3個探測器的探測，使人類大大加深了對土星的了解。然而，由于它們都是四處漫游的多用途探測器，均為路過土星時順便“看看”，所以存在探測時間短、探測距離遠等不足，無法獲得有關土星的更多信息進行深入研究。要想進一步認識土星，必須發(fā)射土星專用探測器，為此，美國和歐洲聯合研制了以天文學家卡西尼名字命名的專用土星探測器，卡西尼曾發(fā)現過幾顆土星的衛(wèi)星和土星光環(huán)的縫隙；它所攜帶的子探測器以荷蘭天文學家“惠更斯”命名，惠更斯早在1655年就首次觀測到土星光環(huán)，土衛(wèi)6也是他發(fā)現的。首個土星探測專業(yè)戶世界上第1個土星專用探測器“卡西尼”是1997年10月15日升空的。它由軌道器和著陸器組成，總重約6噸。其中軌道器由美國研制，高6.8米，高增益天線主反射面的最大直徑處為4米，帶有12臺科學儀器；惠更斯著陸器由歐洲空間局研制，裝載6臺科學儀器。為了節(jié)省發(fā)射時運載器的能量，“卡西尼”并不直接進人奔向土星的航線，而是進入一條近日點在地球軌道內的以太陽為焦點的橢圓軌道。它沿著金星一金星一地球一木星的借力飛行軌道飛臨土星軌道的。它于1998年4月27日首次掠過金星；1999年6月24日再次掠過金星；1999年8月18日掠過地球；2000年12月30日掠過木星。在經過長達約7年、航行35億千米的星際歷程之后，價值連城、技術先進的美國大型空間探測器“卡西尼”，終于在2004年7月1日進入土星軌道后于2004年12月25日向土衛(wèi)6釋放惠更斯著陸器，所釋放的“惠更斯”于2005年1月14日降落到土衛(wèi)6表面。并從土衛(wèi)6表面發(fā)回科學數據和黑白照片。剩下的“卡西尼”軌道器圍繞土星飛76圈，從容就近探測土星的大氣、風、磁場、光環(huán)，并多次臨近土星的衛(wèi)星族，預計可送回從近距離記錄下的土星、土星環(huán)和土衛(wèi)族的圖像50萬幅?？ㄎ髂彳壍榔髦饕糜跍y量行星的全球風場，包括波動；長期觀測云的特征以了解云是怎樣增長、演化和消失的；確定土星大氣層的溫度場、云的特征和成分，以及深層大氣的內部結構和旋轉；還確定土星形成和演變期間的成分、熱通量和輻射環(huán)境；研究電離層和磁場之間的關系和日變化，以及土星閃電（其跨度可達6萬千米）的源和特征。土星的環(huán)是神秘的，卡西尼軌道器在環(huán)中穿過，有望揭開其神秘的面紗。它將繪制環(huán)物質的成分和大小分布，研究環(huán)的構形及與土星衛(wèi)星的相互作用等。土衛(wèi)6是土星最大的1顆衛(wèi)星，直徑比水星還要大，體積是冥王星的2倍。它在太陽系各行星的衛(wèi)星中之所以獨樹一幟。就是因為它有著厚密的大氣層。據科學家們推斷，其大氣中含有氮氣、甲烷和烴類化合物，與早期的地球大氣很相似。20世紀80年代，美國旅行者號探測器曾幾經飛越土衛(wèi)6，但并沒有弄清楚其表面和大氣的有關特征。科學家們展開探索工作需要解決的問題是：土衛(wèi)6的季節(jié)特點如何，在它的煙狀大氣中是否會有云，它的地表及地貌結構、成份怎樣。最重要的是，到目前為止沒有人提出足夠的理由排除土衛(wèi)6上會存在著某種原始的生命形式，也許“惠更斯”將為人類解答這一系列的困惑。專家們認為，土衛(wèi)6上面可能正在進行著各種各樣有機化學反應。令人最為感興趣的還是土衛(wèi)6表面一片所謂的明亮“大陸”，據估計這片“大陸”僅存在于土衛(wèi)6的半個球面上，有關它是如何形成的科學家們目前還不得而知。這片“大陸”有可能是山脈、海洋、平原，也可能是上述三者的結合，還可能被碳氫化合物組成的湖泊所覆蓋。地球生命的起源目前仍然是個謎。比較普遍的一種推測認為。地球生命也許是復雜的碳化合物在一種所謂“原始湯”中隨機組合時誕生的，但科學家們對早期地球上的化學環(huán)境一無所知。生命誕生時地球上到底有些什么原材料。“卡西尼”以及“惠更斯”對土衛(wèi)6的探測，將幫助科學家們進一步尋找答案。在太陽系各大行星及其衛(wèi)星中，只有地球和土衛(wèi)6大氣層中富含氮。據推測，早期地球上也許存在大量類似甲烷的碳氫化合物?？茖W家們說。土衛(wèi)6上可能冷藏著很多化合物，一些類似化合物也許在生命誕生之前就存在于地球上。甚至有科學家認為，“卡西尼”以及“惠更斯”的探測結果將會顯示，土衛(wèi)6將比現階段的地球與早期地球更為相似。歐洲“惠更斯”項目首席科學家勒布勒東形容說，探測土衛(wèi)6，就好比是“回到了40億年前的地球”。目前尚不清楚土衛(wèi)6表面到底是固態(tài)物質還是液態(tài)物質，如果是固態(tài)，“惠更斯”降落后也許能工作十幾到幾十分鐘或當場撞得“粉身碎骨”；如果是液態(tài)，“惠更斯”降落后最多漂浮工作幾分鐘就會結束使命，但它可能是地球以外最適合沖浪的地方之一，因為最新的電腦模擬結果顯示，只要有風，它就會產生巨大的波浪，其高度是地