刘声远+刘安立

它1997年离开地球前往土星。经过漫长飞行和探测之旅后，今年——

20年前，重达6吨的“卡西尼号”飞船（以下简称卡西尼号）从美国佛罗里达州东海岸一座发射场升空，踏上穿越几乎整个太阳系的前往土星之旅。

7年后的2004年夏季，卡西尼号终于进入土星轨道。当时：美国总统候选人布什和克里正在鏖战；iPhone尚未问世；现在的超级巨星阿黛尔，还是一个鲜为人知的英国女孩。从那以后的12年里，卡西尼号对土星进行了数百次环绕，多次飞掠土星云顶，造访土卫（土星卫星的简称），甚至发射了一艘探测器登陆最大的土卫——泰坦（土卫六）表面。

如今，卡西尼号正在上演终极大结局，再过几个月它就会壮烈牺牲。然而，它的临终岁月却注定是最伟大、最有建树和最危险的。2016年12月5日，这个大结局大幕拉开。

土星是一颗充满魅力的星球，但它的最大魅力在于它那特别显眼的环。不过，卡西尼号每次接近土星环都小心翼翼。科学家对62颗土卫的大小和质量都已了解。就算是在远离土星12亿千米的地球上，科学家也很清楚应该怎样接近土卫但又不靠得太近。然而，土星环更复杂。土星环一共有10道，还有两道不完整的弧环。这些环由数十亿块（个）飘移的岩石、尘埃和冰粒构成，其中任何一个都可能撞坏靠得太近的高速飞船。

到了2016年12月，卡西尼号搭载的燃料已所剩不多，因此美国宇航局愿意让这艘飞船冒险。从2016年11月30日起，卡西尼号开始了总共20次掠环绕行（每次持续7天）中的第一次。之所以叫掠环，是因为每次都是掠过土星环——接近但又不能靠得太近。卡西尼号已经在距离土星最外环——F环1.1万千米处飞过。请注意，从太空规模上说，1.1万千米几乎等于零距离。

在卡西尼号大结局的第一个阶段，它发回地球的最惊人图像并不是关于土星环，而是有关土星北极和位于土星北极的奇异六边形云阵（它被认为是土星极地射流与土星自转交互作用的结果）。在接下来19次掠环中，卡西尼号将发回大量像素超过以往的土星环图像。其中，最后一次发送将是在2017年4月19日格林威治标准时间下午5时44分。

就算在掠环绕行结束之后，卡西尼号依然会带给我们更大的惊喜。届时，卡西尼号的真正结局将开启。这一任务阶段包括另外22次环绕，在此期间，卡西尼号将穿越土星与其最内环內缘之间的2400千米距离。在这一穿越期间，卡西尼号搭载的4米高增益天线指向前方，作为盾牌保护后面的敏感设备不被高速微粒撞坏。

2017年9月15日，在第22次繞行结束后，卡西尼号将上演自己的壮烈殒命。科学家已经知道恩克拉多斯（土卫二）有地下海洋，那里可能支持生命。美国宇航局不想冒这个险：卡西尼号上可能残留的地球生物材料，污染恩克拉多斯海洋中潜在的生命。正由于此，卡西尼号最终将坠入土星云层。在此过程中，就像从1997年开始的那样，卡西尼号将继续向地球传回数据，直到自己被无比巨大的土星大气压力摧毁。这样的结局不仅不算惨烈，而且可以说恰如其分——环绕土星十几年的卡西尼号，终将永久融入土星，不是很好吗？

卡西尼任务全揭秘 一波三折的合作

卡西尼号是“卡西尼-惠更斯”任务中的旗舰飞船。该任务的起源要回溯到1982年。当时，欧洲科学基础学会和美国国家科学院组成了一个联合工作组，调研未来的合作任务。当时，两位欧洲科学家提出，让一艘土星轨道器和一艘泰坦探测器成对执行机器人土星探测任务。1984～1985年，美国宇航局和欧洲空间局（简称欧空局）联合调研了这项可能的任务。随后，美欧双方各自继续调查这方面的可能性。1987年，美国著名女宇航员莱德在其一份颇有影响力的报告中，检视并认可了卡西尼任务。

莱德在其报告中指出，无论是土星轨道器还是泰坦探测器都应该由美国宇航局单独主导。1988年，美国宇航局有关人士再次提出，这项土星探测任务应该由美欧联合执行。当时，欧空局意识到美方并未将其视为平等合作伙伴，这导致美欧航天机构之间出现紧张。美国宇航局对此很敏感，参与“卡西尼-惠更斯”任务的美方人士希望，通过这项合作任务缓解这一紧张情势。

这项合作最终不仅改变了双方关系，而且让“卡西尼-惠更斯”任务幸免于美国国会的预算削减。1992和1994年，该任务在美国国内遭到批评，但美国宇航局向国会指出，欧方已经向这项任务注资，如果美方停止合作，双方关系必然会受影响。1994年之后，该任务终于得以相对顺利进行。

为什么叫“卡西尼-惠更斯”

“卡西尼-惠更斯”任务包含两个元素：以意大利-法国天文学家卡西尼（1625～1712）之名命名的“卡西尼号”轨道器（由美国宇航局负责），卡西尼是土星环分界线和4颗土卫的发现者；以荷兰科学家惠更斯（1629～1695）之名命名的“惠更斯号”探测器（以下简称惠更斯号。它由欧空局负责）。1655年，惠更斯提出土星由一条固体环包围。使用一台自行设计的50倍折光式望远镜，惠更斯发现了第一颗土卫——泰坦。

“卡西尼-惠更斯”任务是前往太阳系外行星（外围行星）的一项旗舰级任务，类似的行星旗舰还有“伽利略号”“旅行者号”和“海盗号”。

探测目标

卡西尼号肩负多个探测目标，其中包括：

——确定土星环的三维结构和动态行为；

——确定每一颗土卫的表面情况和地质历史；

——确定伊阿佩托斯（土卫八）表面暗色材料的起源和性质；

——测量磁层的三维结构和动态行为；

——调查土星大气层云顶处的动态行为；

——调查泰坦云层和雾霭的随时间可变性；

——描述泰坦表面情况。

飞船设计

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯”联合飞船从位于卡纳维纳尔角的美国空军站发射升空。

包括卡西尼号和惠更斯号在内，这对联合飞船是迄今为止第二大规模的机器人行星际飞船，也是最复杂的同类飞船之一。卡西尼号的质量为2150千克，惠更斯号为350千克。加上运载火箭适配器及发射时3123千克的燃料重量，这对联合飞船的总重量为5600千克，其重量只被苏联发射到火星的“福波斯”1号和2号飞船超过。

卡西尼号高6.8米，宽4米。它的复杂性由前往土星的轨道架构和探测任务决定。卡西尼号有1630组相互连接的电子元器件、2.2万组连接电线和14千米长的缆线。卡西尼号由32.7千克钚-238供电——来自钚-238放射性衰变的热量被转化成电力。惠更斯号在巡航期间由卡西尼号提供动力，但使用化学电池执行独立探测。

目前，卡西尼号仍在环绕土星。发自地球的无线电信号要等68～84分钟才能到达卡西尼号。反之亦然。因此，地面控制人员无法向卡西尼号发出“实时”指令以应对日常操作或意外情况。就算反应及时，从卡西尼号报告自己出现问题到它接收到卫星传输的地面控制指令，期间要花超过2小时。

钚电源

由于土星远离太阳，因此太阳能电池阵列不能被用于土星探测飞船。为了产生足够电力，土星探测飞船所需的太阳能电池阵列过大也过重。所以，卡西尼号由3台放射性同位素热电发生器（简称RTG）供电。RTG利用钚-238（以二氧化钚的形式）天然衰变产生的热量，经由热电技术产生直流电。卡西尼号搭载的RTG与用在美国宇航局“新地平线号”“伽利略号”和“尤利西斯号”飞船上的RTG设计相同，发电时间都很长。在卡西尼号原定11年的任务期后，它的RTG依然能发电600～700瓦。为卡西尼号准备的一台备用RTG，被用于为后来前往冥王星和柯伊伯带的“新地平线号”供电。

为了增加飞行中的动能，卡西尼号的轨道包括多次引力弹射操作：两次飞近金星，一次飞近地球，还有一次飞近木星。其中，飞近地球是卡西尼号可能最后一次给地球带来危险的情况。但这次操作很成功：1999年8月18日，卡西尼号从地球上空1171千米处飞过。如果卡西尼号坠落地球，在最坏情况下——卡西尼号以一个锐角进入地球大气层并逐渐烧毁，其RTG剩余的大量钚-238将散布于地球大气层中，40亿人将受其影响，其中至少5000人将死于癌症。不过，这种情况的发生概率仅为100万分之1。

卡西尼号机载仪器

光学遥感仪器组

——综合红外光谱仪

——成像科学系统

——紫外成像摄谱仪

——可见光和红外成像光谱仪

场、粒子和波仪器组

——卡西尼等离子体光谱仪

——宇宙尘埃分析仪

——离子及中性质谱仪

——磁强计

——磁层成像仪

——射电和等离子体波科学套组

微波遥感仪器组

——雷达

——雷达科学套组

惠更斯号

由欧空局提供的惠更斯号，负责检视泰坦云层、大气层和表面情况。它被设计得能进入泰坦大气层并且在其中制动，然后用降落伞把一部装载着机器人实验室的登陆器投送至泰坦表面。这一登陆器系统由登陆器本身及登陆器支持设备（简称PTE）构成，PTE位于环绕泰坦的惠更斯号上。PTE搭载的电子仪器能追踪登陆器，回收登陆器在下降过程中采集的数据，处理和传输数据到惠更斯轨道器，经由轨道器发回地球。

这些数据通过惠更斯号和卡西尼号之间的无限电连接传递，这一无线电连接则由探测器数据中转系统提供。由于距离地球太遥远，这一探测任务不能从地球遥控，而是由惠更斯号搭载的指令数据管理系统自动管理。在一次飞行测试期间，偶然发现了惠更斯号通信系统中的一个与多普勒频移效应有关的故障，最终通过环绕轨道调整清除了故障。要是这一故障未被清除，惠更斯号上的通信数据就会全盘丢失。

里程碑事件 一波三折的合作

飛近金星、地球和木星

1998年4月26日和1999年6月24日，卡西尼号两次借助金星引力援助。这两次飞近金星，为卡西尼号提供了一路飞向小行星带所需的足够动能。到了这个时点，太阳引力把卡西尼号拉回内太阳系。

1999年8月18日，卡西尼号飞近地球借助引力。在最接近地球之前80分钟，卡西尼号在距离月球37.7万千米处飞过，拍摄了一系列照片。

2000年1月23日，卡西尼号飞近2685号小行星。在飞近前5～7小时期间，在距离2685号小行星160万千米处，卡西尼号为这颗小行星拍摄了多幅照片，它提供的信息让科学家估计出2685号小行星的直径——15～20千米。

2000年12月30日，卡西尼号飞近木星，进行了许多项科学测量。在这次为期6个月的飞近期间，卡西尼号拍摄了2.6万幅木星系统图像，其中包括木星的微弱环和木卫。它还帮助制作了迄今为止最详尽的木星全球彩图。

2003年3月6日，科学家宣布了卡西尼号在飞近木星期间有关木星大气循环的一大发现。在木星大气层中，明暗区域交替。科学家长期以来一直认为，这些有苍白云层的区域是空气上涌地带，部分原因是，地球上的许多云团形成于空气上升处。然而，对卡西尼号所拍图像的分析表明，在地球上因为规模太小而看不见的单个风暴单元（由上涌的亮白云组成），在木星大气层的暗色地带却司空见惯。

卡西尼号对木星大气层的观测结果，还包括由高层大气雾霭组成的一个旋转的暗色椭圆。它靠近木星北极，大小与木星的大红斑相仿。红外图像揭示了木星两极附近的循环模式，包括席卷全球的风暴，邻近地带的风向却正好相反。

根据对卡西尼号所拍木星环图像的分析，科学家探讨了木星环的本质。木星环中微粒散射的光线表明，这些微粒的形状不规则，而不是像科学家之前推测的那样呈圆球形。这些微粒很可能源自微流星对木卫的撞击，被撞的木卫很可能是墨提斯（木卫十六）和安德拉斯蒂（木卫十五）。

环绕土星

2004年7月1日，在经过7年的飞行后，卡西尼号飞越土星F环和G环之间的间隙，进入环绕土星的轨道。这也是第一次有飞船环绕土星。

当时，卡西尼号执行的土星轨道插入操作非常复杂，要求飞船的高增益天线不能指向地球，而需要指向飞行方向，目的是保护船载仪器不被土星环微粒损坏。一旦飞船穿越土星环平面，它就必须再次旋转，将自己的发动机指向飞行路径，接着，发动机点火，让飞船的速度每秒降低622米，从而让土星引力俘获飞船。2004年6月30日太平洋时间大约20时54分，卡西尼号被土星引力俘获。在这一操作期间，卡西尼号飞到了土星云顶以内2万千米。

测试相对论

2003年10月10日，卡西尼任务科学团队宣布了对爱因斯坦广义相对论的测试结果，这些测试是运用传输自卡西尼号的无线电波进行的。科学家测量了往返于卡西尼号的无线电波频移（正如那些接近太阳的无线电波频移）。根据广义相对论，像太阳这样的大质量天体会造成时-空弯曲，导致经过太阳的射电波束（或光线，或任何形式的电磁辐射）跑得更远。

根据一些宇宙学模型的预测，一些可测结果与使用广义相对论算出的数值之间有偏差。然而，这次实验结果与根据广义相对论算出的数值并无偏差。在这之前，运用由“海盗号”和“旅行者号”飞船传输的无线电波进行的测试结果，也都符合根据广义相对论算出的数值，准确度达千分之999。而利用卡西尼号所传输无线电波进行的测试结果，更符合根据广义相对论算出的数值，准确度高达5.1万分之5.0999万。这一结果强有力支持了爱因斯坦广义相对论。

发现新土卫

卡西尼任务总共发现了7颗新的土卫。运用卡西尼号拍摄的图像，科学家在2004年发现了3颗此前未知的土卫。后来的分析显示，“旅行者2号”飞船1981年飞近土星时，就已拍摄到了这3颗土卫中的一颗。

2004年6月11日，卡西尼号经过福柏（土卫九）。自从“旅行者2号”1981年飞近它以来，这是第二次有机会近距离探索这颗土卫。科学家在2004年6月12日收到卡西尼号对福柏拍摄的首批近距离图像，他们立即意识到福柏的表面特征与飞行器拍摄的所有小行星都不同。从这些图像上看，密集分布着陨击坑的福柏部分表面很亮。科学家现在相信，从福柏表面下很浅处开始，有大量水冰存在。

土星自转变了？

2004年6月28日，卡西尼任务团队宣布了对土星自转周期的测量结果。由于土星表面没有固定地貌能被用来获得这一周期，所以科学家采用了无线电发射。新的测量结果与从地球上最新测量的土星自转周期匹配，这反而让科学家感到奇怪。现已知道，自从“旅行者1号”1980年测量土星自转周期以来，这一周期如今已增加了6分钟。但这并不表明土星的自转总体上有变化，而被认为是由于无线电发射源运动到了一个不同的位置，这里的自转速率有所不同。

飞近泰坦

2004年7月2日，卡西尼号首次飞近泰坦，它与泰坦之间距离不到33.9万千米。透过多个特制滤器（它们能看穿包裹泰坦的雾霭）拍摄的图像，显示了泰坦南极云层（它们被认为由甲烷组成），以及亮度差异很大的表面地貌。

2004年10月27日，卡西尼号执行计划中45次飞近探测泰坦中的第一次，距离泰坦表面僅1200千米。它采集了大量数据并传回地球，其中包括被雾霭覆盖的泰坦表面的首批雷达图像。这些图像揭示，泰坦表面（至少是被雷达图像拍到的表面区域）相对平坦，地貌高度不超过大约50米。与之前的探测相比，这次飞近拍照的像素显著增加。

飞近恩克拉多斯

2005年，在头两次飞近恩克拉多斯期间，卡西尼号发现了这颗土卫的局部磁场中的一种偏向，它表明恩克拉多斯有稀薄却又重要的大气层。当时进行的其他测量，暗示这一大气层的主要成分是离子化的水蒸气。卡西尼号还发现了恩克拉多斯南极的水冰喷泉，这进一步证明恩克拉多斯向土星的E环提供材料。科学家开始相信，恩克拉多斯表面下有液态水。

2008年3月12日，卡西尼号再次飞近恩克拉多斯，距离这颗土卫表面不到50千米。卡西尼号穿越了从恩克拉多斯南极喷泉延伸出的羽流，用质谱仪在其中探测到了水、二氧化碳及其他多种碳氢化合物，还用红外光谱仪绘制表面地貌。但由于软件故障，卡西尼号未能运用宇宙尘埃分析仪采集数据。

2009年11月21日，卡西尼号第8次飞近恩克拉多斯，距离恩克拉多斯表面不到1600千米。卡西尼号搭载的复合红外光谱仪，绘制了恩克拉多斯表面巴格达沟虎纹带地貌的热离子发射图。从卡西尼号发回地球的数据，帮助科学家创制了恩克拉多斯南半球的高像素图像。

2014年4月3日，在卡西尼号进入土星轨道近10年后，美国宇航局报告说，有证据表明恩克拉多斯地下存在含盐的海洋，这让恩克拉多斯成为太阳系中最可能存在微生物的地方之一。

美国宇航局2015年9月宣布，来自卡西尼号的引力和成像数据被用于分析恩克拉多斯轨道的天平动，结果发现这颗土卫的表面并非与内核紧固结合，因此表明恩克拉多斯的地下海洋是全球性的大规模海洋。2015年10月28日，卡西尼号再次飞近恩克拉多斯，距离后者表面不到49千米，再次穿越南极上空羽流。

任务期延长

2008年4月15日，卡西尼号任务期被延长27个月，包括再环绕土星60次、21次飞近探测泰坦，7次飞近探测恩克拉多斯、6次飞近探测米玛斯（土卫一）、8次飞近探测特提斯（土卫三），以及飞近探测狄俄涅（土卫四）、瑞亚（土卫五）、海琳（土卫十二）各一次。延长任务期始于2008年7月1日。第二次延长任务期于2010年2月獲准，包括再环绕土星155次，再飞近探测泰坦54次，再飞近探测恩克拉多斯11次。

惠更斯登陆器登陆泰坦

2004年12月25日，卡西尼号释放惠更斯探测器，并且通过弹簧和螺旋轨旋转惠更斯号，以获得更大稳定性。2005年1月14日，惠更斯探测器进入泰坦大气层。两个半小时后，探测器在泰坦地面登陆。虽然卡西尼号成功中转了它从惠更斯探测器那里接收的350幅图像，但由于卡西尼号的一只接收器软件出错，导致另外350幅图像丢失。

测量土星环

2005年5月，卡西尼号开始了一系列无线电屏蔽实验，目的是测量土星环微粒的大小分布，并测量土星大气层。在超过4个月时间里，卡西尼号为这一目的而多次环绕恩克拉多斯。在这些实验期间，卡西尼号飞到了从地球上看去的土星环平面的背后，向环微粒发射无线电波。在地球上接收到的卡西尼号无线电信号，被用来分析频率、相位等，以确定土星环结构。

土星飓风

科学家2006年11月宣布，他们发现了土星南极的一场有明显眼壁的飓风风暴。这样的飓风在地球上不罕见，但在其他行星上还是首次发现。但与地球飓风不同的是，这场风暴看来固定在土星极地，风暴直径达8000千米，高度达70千米，风速达每小时560千米。

飞近伊阿佩托斯

2007年9月10日，卡西尼号完成了对伊阿佩托斯的飞近探测。这颗双色调的栗子形土卫看起来很怪异。在伊阿佩托斯上空1600千米处，卡西尼号拍摄了这颗土卫的图像。在向地球传送图像时，卡西尼号遭遇了一次宇宙射线袭击，它被迫暂时进入安全模式。随后，这次飞近所得的全部探测数据都被恢复。

发现泰坦湖泊

卡西尼号2006年7月21日获得的雷达图像，显示泰坦北纬地区看来有多座液态碳氢化合物（例如甲烷和乙烷）湖泊。这是首次在太阳系中地球之外的地方发现湖泊。这些湖泊的直径从1～100千米不等。美国宇航局喷气推进实验室2007年3月13日宣布，他们发现了强有力证据，证明泰坦北半球有甲烷和乙烷海洋。

大风暴后遗症

2012年10月25日，卡西尼号目击了一场土星大白斑大风暴的后续影响，土星上每过大约30年就会发生一次这样的大风暴。来自复合光谱仪的探测数据表明，来自风暴的一次强力放电，导致土星同温层温度比正常情况下陡增83℃。与此同时，美国宇航局戈达德研究中心探测到土星大白斑中乙烯气体猛增。乙烯是一种无色气体，在土星上很罕见。在地球上，乙烯可天然或人工产生。2010年12月5日，卡西尼号在土星北半球首次观测到这场风暴。这也是环绕土星的飞船首次观测到如此规模的风暴，以及首次在热红外波长观测到如此大规模的风暴，科学家由此得以观测土星大气层温度，并且追踪肉眼不可见的现象。这场风暴的强度和规模超过科学家此前推测的土星风暴最大强度和规模的100倍，乙烯气体量飙升就是这种超级风暴强度和规模的结果。科学家还认为，这场风暴是迄今为止在太阳系中探测到的最大规模、最高温度的同温层涡旋，比木星大红斑的规模还大。

观测金星凌日

2012年12月21日，卡西尼号观测到金星凌日（行星从其母恒星正前方经过）现象。机载仪器检测了经过金星大气层的太阳光，此前还观测过一颗系外行星（太阳系之外的行星）从正面经过其母恒星的现象。

地球微笑日

2013年7月19日，卡西尼号掉头对准地球，抓拍地球和月球图像，以及部分自然光状态下的太阳系全景图。这次事件的特别之处在于，这是美国宇航局第一次提前告知公众即将拍摄远距太空照。卡西尼任务成像团队科学家说，他们希望人们对着天空微笑招手，以此“庆祝这个蓝色光斑（指地球）上的生命”。言下之意是，地球人能探测外太空是多么不容易，至少在太阳系内，至今未发现像地球生命这么智能的生命。

飞近亥伯龙

2015年5月31日，卡西尼号最近（可能也是最后）一次飞近亥伯龙，两者之间距离仅为3.4万千米。

飞近瑞亚

2015年2月，卡西尼号更近距离造访了瑞亚。当时，它与瑞亚的距离不到4.7万千米。卡西尼号拍摄了一些迄今为止最高像素的瑞亚彩照。

飞近狄俄涅

2015年8月17日，卡西尼号最后一次飞近狄俄涅，两者间距离只有大约475千米。此前，在2015年6月16日，卡西尼号曾飞近过狄俄涅。

六边形云团变色

2012～2016年，土星极地的六边形云团从基本上为蓝色变为更像金色。有科学家推测，由于季节变换，土星极地被阳光照射，产生薄雾，造成六边形云团变色。2004～2008年，土星的整体颜色也被发现减少了一些蓝色调。

殒命土星

卡西尼任务的终结，包括卡西尼号的一系列越来越近距离环绕土星、进入土星环，最终于2017年9月15日进入土星大气层而被摧毁。之所以要让卡西尼号如此殒命，是为了保护所有被认为存在生命潜能的土卫，因而不能让卡西尼号坠毁在这些卫星上，造成污染（无论是卡西尼号上可能残留的地球生物材料污染还是其他污染）。

回溯2008年，科学家曾为卡西尼号的最终命运考虑过多种选择，其中每种都有不同的资金、科学和技术难度。在这些选择中，短周期碰撞土星被列为“最佳”，理由主要是“经由D环撞向土星能实现余下的探测目标，成本低而且容易实现”；撞击一颗含冰土卫被列为“不错”，理由是“成本低，并且随时随地都能实现”。

2016年11月20日，卡西尼号最后一次飞近泰坦，然后踏上进入土星F环系列轨道的行程，从而开启终极谢幕。2017年，卡西尼号将消失于土星大气层中。事实上，卡西尼号殒命之旅所经之处都是它此前未曾到过的地方，在此过程中它将继续向地球发回探测数据，直到生命终结。