卡西尼號將最後一次探索土星系統

卡西尼號飛船自2004年以來一直在繞土星運行。這項任務的發現，如發現土衛二噴出的水，以及追蹤土星的一些新衛星。現在燃料不足該航天器將在2017年以自殺的方式進入環行星，並在途中捕捉一些有關土星內部的數據

這一雄心勃勃的任務是幾個太空機構的聯合項目，這與NASA過去的大型調查（如先驅號和旅行者號）形成了鮮明的對比。在這種情況下，主要參與者是美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(European Space Agency)和義大利太空總署(Agenzia Spaziale Italiana)(義大利航天局)。

發展歷史

卡西尼號是第一個專門研究土星及其系統的航天器。它以喬瓦尼·卡西尼的名字命名。卡西尼是17世紀的天文學家，他第一次觀察到土星的四顆衛星——伊阿佩塔斯(1671年)、瑞亞(1672年)、特提斯(1684年)和第1號(1684年)。

卡西尼號宇宙飛船在土星附近的概念圖。圖片版權：NASA/JPL

在這艘宇宙飛船之前，由先鋒11(1979)、旅行者1號(1980)和旅行者2號(1981)進行了幾次土星的飛行。這些任務中出現的一些發現包括發現土衛六的表面不能在可見光波段(由於其厚重的大氣層)看到，並發現了一些土星的光環，這些土星環是地面望遠鏡無法觀測到的。

在1982年的最後一次飛行之後不久，美國和歐洲的科學委員會組成了一個工作組，討論未來可能的合作。該組織提出了一項將環繞土星軌道的旗艦任務，並將向泰坦發射一顆大氣探測器。然而上世紀80年代初，美國宇航局噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)在《使命的簡史》(brief history of the mission)中指出了一個艱難的「財政氣候」，該實驗室推動了卡西尼號(Cassini)在1989年的批准。

歐洲人和美國人都認為要麼一起工作，要麼獨自工作。例如1987年前宇航員薩麗·萊德(Sally Ride)的一份報告主張獨自前往土星。該報告稱研究外氣體巨行星(如土星)幫助科學家了解其大氣和內部結構，這被稱為「美國宇航局的領導和美國太空的未來」。(今天我們也知道這種研究幫助我們預測了太陽系外行星的結構，但第一顆系外行星直到上世紀90年代早期才被發現。)

泰坦是一個特別有趣的目標探索有機化學,因為現在發生提供了唯一的世界範圍的實驗室研究過程,可能是重要的生命起源以前的地球大氣層，這意味著土衛六可能是類似於地球上的生命誕生之前是的情況。

卡西尼的發展至少面臨兩大挑戰。到1993年和1994年該項目的價格為33億美元(約為50億美元，相當於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的一半成本)。一些評論家認為這對執行任務來說太高了。美國國家航空航天局(NASA)指出，歐洲航天局(European Space Agency)也在提供資金，卡西尼號(Cassini)的技術正在幫助為NASA的低成本任務提供資金，比如火星全球測量員、火星探路者號(Mars Pathfinder)和斯皮策太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)。

「卡西尼號」還收到了來自環保組織的抨擊，他們擔心當宇宙飛船飛到地球時，它的放射性同位素熱電發生器(核動力)可能對我們的星球構成威脅。這些團體在1997年發射前在夏威夷提出了法律挑戰，但這一挑戰被夏威夷聯邦地區法院和第九巡迴上訴法院駁回。

為了解決人們對NASA任務中常用的航天器放射性同位素熱電發生器的擔憂，美國國家航空航天局(NASA)發布了一份關於該飛行器的補充文件，並詳細說明了該機構保護地球的方法，稱撞擊發生的可能性不到百萬分之一。

土星最大的衛星土衛六，從NASA的卡西尼號宇宙飛船的真實彩色快照中穿過地球和它的光環。這一觀點從環面上看向北，陽光照射的一面。這是在2011年5月21日，卡西尼號距離泰坦約140萬英里(230萬公里)。圖片版權：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

發射和巡航

卡西尼號沒有直接向土星。相反它的任務涉及複雜的軌道力學。它經過了幾顆行星——包括金星(兩次)、地球和木星——通過利用每顆行星的引力來獲得速度的提升。

將近12600磅，1997年10月15日(大約5700公斤)宇宙飛船在地球上被發射。它於1998年4月和1999年6月在金星上，1999年8月及2000年12月在木星。

2004年7月1日，卡西尼號進入土星軌道。它的主要目標是尋找更多的衛星，找出土星環和土星環的顏色，並了解更多關於行星的衛星。

也許卡西尼號最詳細的觀察是在釋放惠更斯著陸器后，土星最大的衛星土衛六。登月艙,荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯的名字命名,他在1654年望遠鏡轉向土星和觀察到的奇怪狀的形狀——伽利略第一次看到的形狀在望遠鏡和畫在他的筆記本類似地球上的耳朵，實際上是由環引起的。

2005年1月14日，惠更斯著陸器降落在環繞月球的神秘迷霧中。它在下降過程中向地球傳回了近2.5個小時的信息，然後繼續在地面上傳遞1小時12分鐘的信息。

在那短暫的時間窗口，研究人員看到了岩石場的照片，並得到了關於月球風和大氣和表面氣體的信息。

歐空局發布的第一個全景圖顯示了惠更斯號的360度全景圖。左側顯示了光與暗區域之間的邊界。在這個邊界附近看到的白色條紋可能是地面的「霧」，因為它們在高海拔地區無法立即看到。惠更斯在一個高原上漂流(圖像中心)，在降落的時候正朝著它的著陸點著陸。圖片版權：ESA/NASA/University of Arizona.

華麗的衛星

土星的特徵之一是它的衛星數量。除去組成土星環的數萬億顆小岩石，土星有62顆衛星在2012年9月被發現。美國國家航空航天局(NASA)在其一個網站上列出了53個被命名的衛星。

事實上卡西尼號在到達(Methone和Pallene)之後發現了兩顆新的月球，在2004年之前，它發現了多聚體。當探測器在土星的衛星上遊盪時，它帶回地球的發現揭示了它們的環境和外觀的新事物。一些更值得注意的發現包括：

1、在土衛二上發現液態水的證據，這是一個冰凍的衛星，它在土星的重力作用下噴射出冰冷的氣流。2015年，卡西尼號完成了一系列的土衛二的飛行，以獲得更多關於羽流中的氣體和塵埃的信息;

2、發現並確定了泰坦上一個巨大的甲烷湖的更多細節;

3、土衛八50英里山體滑坡;

4、一個特寫的土衛五，露出一個麻子表面;

5、一個巨大的環，離土星800萬英里，很可能是由菲比的碎片組成的。

6、土星也沒有被忽視。例如，2012年，美國航空航天局(NASA)的一項研究假設，土星在大氣層中的噴射流可能是由內部熱量而不是來自太陽的能量驅動的。科學家們認為熱量會從地球內部產生水蒸氣，當水蒸氣上升併產生熱量時，水蒸氣就會凝結，這一熱量與急流形成和風暴的形成有關。

任務擴展和結束

卡西尼號原計劃在土星上持續四年，直到2008年，但它的任務已經延長了好幾次。它的最後一條也是最後一條腿被稱為「卡西尼日」，命名為「因為這個星球和它的衛星再次到達了任務結束的日」。土星繞太陽運行29個地球年。卡西尼號的任務持續了13年，這意味著在土星繞其軌道運行的時候，航天器觀測到了土星的近一半的季節性變化。

在2016年飛船被設定為一系列最後的動作，以提供近距離的土星環的視圖，最終目標是在2017年9月15日將卡西尼號送入土星。這保護土衛二和其他可能適宜居住的衛星，從(小的)卡西尼的機會與地表碰撞，傳播地球微生物。

大結局的主要里程碑包括：

在2016年11月30日至2017年4月22日之間的每一周，卡西尼繞土星的兩極繞圈，觀察環的外邊緣，了解它們的粒子、氣體和結構。它還觀察了這個地區的小衛星，包括Atlas、Daphnis、Pan和Pandora。

2017年4月22日，卡西尼號最後一次飛越土衛六。這次飛行是為了改變卡西尼的軌道，這樣它就能在行星和土星環之間開始22次潛水(每周一次)。這是宇宙飛船第一次探索這一區域，它會帶來一些風險，因為軌道把它帶到大氣層的外圍和環的內部區域(在那裡它有可能發生碰撞粒子或氣體分子)。

2017年9月15日，卡西尼號將會有自殺式的進入土星，只要它的儀器能讓通訊回到地球上，它就會進行測量。在這段時間裡，卡西尼號的一些科學研究包括繪製地球引力和磁場的地圖，估計在土星環中有多少物質，並拍攝土星的高解析度圖像和近距離的土星環。

宇宙飛船從新的有利位置上發現了一個有趣的發現。研究發現，土星的磁場與地球的自轉軸緊密地結合在一起，這讓科學家們困惑不已，因為他們認為磁場是如何產生的——通過磁場和行星旋轉之間的差異。然而到2017年7月底，科學家們計劃收集更多的數據，看看土星的內部過程是否會混淆他們的測量。

作者：Elizabeth Howell

來自：Space

編譯：中子星

審校：博科園

本文為作者原創，未經授權不得轉載