“卡西尼”探测器的“告别演出”

文/谢 懿

 

2017年9月15日,美国国家航空航天局的“卡西尼”土星探测器(以下简称“卡西尼”)结束长达20年的探测任务,飞入了土星的云层,化成一个火球。“卡西尼”一直工作到冲入土星大气层焚毁的最后一刻。在最后的时日中,它依然取得了丰硕的成果。

新的道路
土星的卫星土卫六比水星还大,它的引力为“卡西尼”的探测任务提供了重要的帮助。它可以帮助调整“卡西尼”的轨道,否则科学家将不得不发动引擎,而这会消耗宝贵的燃料。
“卡西尼”的重大的轨道机动都通过飞掠土卫六来完成,这对于它的任务执行来说至关重要。土卫六的引力还在2016年11月为“卡西尼”提供了一条向内飞行的轨道,使得它可以以近20年内最近的距离掠过土星环。
土卫六并不是第一个为“卡西尼”提供助推引力的天体。事实上,在前往土星的过程中,“卡西尼”多次采用了这个策略。“卡西尼”2004年7月1日进入环土星轨道,此时距离它发射升空已经有7年时间。从地球到土星,它经历了4次行星引力助推:2次飞掠金星(1998年4月和1999年6月),1次飞掠地球(1999年8月),最后1次则是飞掠木星(2000年12月)。
在离开地球20年后,“卡西尼”通过飞掠土卫六前往最终的归宿——土星大气层。在这之前,“卡西尼”已经对土星的卫星进行了几十次探测,仔细研究了土星的磁层和云层。而在它最后的时日里,土星环会成为它探测的重点。
最后的探测任务最棘手,回报也最大。从2016年11月开始,“卡西尼”进入了飞掠土星环外环的轨道,它到土星的最近距离不断减小。到2017年4月,“卡西尼”已完成了20圈掠环轨道。此后,它改变了轨道,以便能够从土星环和土星之间穿过。
接着,在土卫六引力的帮助下,“卡西尼”的轨道再次进行了重大改变。飞行工程师命令“卡西尼”以一定的角度飞掠土卫六,进而将其飞行路线抬升到土星环平面之外。新的轨道让“卡西尼”可以从土星的北极上空飞过。
2017年4月22日,在“卡西尼”飞掠了土卫六之后,飞行工程师不再点燃它的引擎来改变轨道,它的最终目的地已锁定为土星大气。尽管如此,控制人员仍会对“卡西尼”进行微调,以便它“浅尝”土星的大气。在“卡西尼”绕土星转动的最后5圈中,它到土星的距离已近到可以对土星的大气成分进行采样。星载的仪器设备一直处于工作状态,直到最后一刻。

新的认识
通过在射电、紫外和红外波段对土星环进行高分辨率成像观测,“卡西尼”对土星巨大的光环系统有了前所未有的新认识。它发现,光环中粒子协同运动的时间比天文学家所预期的更长,它们似乎以一种意想不到的方式“凝结”在一起。这正是科学家所关注和想要了解的细节。
环状结构是行星形成过程的初始阶段。对土星环的研究可以为天文学家研究诞生出行星的吸积盘提供线索。“卡西尼”最后阶段的探测可以让科学家了解土星环中较小的粒子是如何运动的以及它们运动之间的协同性。
在最后阶段的轨道上,“卡西尼”还可以拍摄那些靠近光环的土星卫星的影像。土卫十七、土卫十六和土卫十一上有奇怪的凹槽和山壁已经坍塌的环形山。由于这些卫星的重力场极弱,山体滑坡体可以流出很长的距离。这为研究低重力环境下物质的输运提供了样例。
“卡西尼”还帮助科学家确认了土卫三十五的存在。这是颗微小的卫星,其轨道就位于土星环的基勒环缝中。它在该环缝的边缘掀起巨浪,由光环物质构成的细丝延伸到它的周围。科学家正是根据这些环物质波推测基勒环缝中存在一颗卫星,但是直到2005年5月1日,“卡西尼”才首次直接发现了土卫三十五。

寻找答案
在初次飞过土星环平面的时候,“卡西尼”把碟形高增益天线指向了飞行方向,把它用作防护光环中的粒子的盾牌。但是,当工程师发现光环中的粒子对“卡西尼”几乎没有任何危害时,就把天线调整到了对准地球的方向。
这对于许多实验来说至关重要,由此可以对土星的重力场进行精密测量并探测土星的风能向下延伸多深。研究人员还想要确定土星是否是层化的,是否具有一个大小与地球相仿的岩质核心。所有这些问题的答案都只有在近距离轨道上进行探测才能得知。
天文学家想要测定的一个最重要的数值就是土星环的质量。“卡西尼”对土星系统10多年的探测已精确测定了土星及其光环系统的总质量。当“卡西尼”进入光环以内时,就能单独测定土星的质量。把两者相减,即可得到土星环的质量。
此前,对光环的间接测量表明,土星B环的质量可能远小于科学家的预期。天文学家过去认为,土星环的质量与土卫一的质量相当。土星环的质量能够揭示它们的年龄。如果土星环的质量远小于预期,那它的年龄就会比估计的更轻,有可能是彗星或者土星卫星被瓦解所留下的。如果土星环的质量比估计的更大,则可能是与土星同时形成的。通过对土星环进行直接测量,天文学家能以5%的精度来确定它的质量。
“卡西尼”与土星的近距离接触,有望解决另外一个谜题:土星的一天有多长。对于气态和冰质巨行星来说,它们没有固态表面,因此无法测量其自转周期。天文学家是通过与自转轴稍有偏差的磁场来测量它们自转的。但是,土星的磁轴几乎与其自转轴完全重合,迄今都未曾观测到其磁场可能存在的摆动。
科学家希望,当“卡西尼”从土星及其光环之间飞过时,可以具有足够高的分辨率来测量土星磁场的摆动。即便是一个很小角度的摆动,只要测量到就可以用来确定土星的自转时长。有了这些数据,天文学家还能更精确地测量土星上的风暴,它们中的一些堪称太阳系中最猛烈的风暴之一。

最后的工作
“卡西尼”并不会安静地消失在黑暗中。在快速而壮观的终止之前,它会为科学家提供宝贵的实地勘测数据。
2017年9月15日,在土星当地时间中午过后,“卡西尼”以119100千米每时的速度飞入土星的大气层。此时,它的推进器保持在工作状态,尽可能地把天线对准地球,以此来传输最后的数据。但是,土星的大气压会对从“卡西尼”一侧伸出的长11米的磁力计吊臂产生巨大的阻力,最终磁力计吊臂压倒了姿态控制推进器,使得“卡西尼”的天线不再对准地球。
在地面站失去了“卡西尼”发出的信号之后,“卡西尼”走向了它最后的时刻。“卡西尼”开始在土星多云的天空中燃烧,最终化成一团灿烂的火球。

(本文作者谢懿为天文学博士,现供职于南京大学天文与空间科学学院)

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