刘声远 刘安立等

发现泰坦（土卫六）的甲烷湖、含冰土卫二恩克拉多斯表面的热水喷泉、海绵状的亥伯龙（土卫七）、百叶包形状的潘（土卫十八）和阿特拉斯（土卫十五）、伊阿珀托斯（土卫八）及其布满古老陨击坑的赤道脊，对土星环的近距离拍照，以及对土星两极超巨型飓风的特写……所有这一切，都属于“卡西尼号”探测器（以下简称“卡西尼号”）的功勋。

美国宇航局1997年发射的“卡西尼号”环绕土星系统长达13年。它獲得的系列发现之所以惊人，是因为它们挑战了科学家对行星及其卫星的认识：如果所有天体源自相同的过程，那么复杂的天体多样性从何而来？现在看来，不要说行星，就连每颗卫星都有自己的独特故事。

直到2017年9月坠毁于土星大气层之前最后一刻，“卡西尼号”一直在采集土星系统的数据。它多次俯冲到土星卫星（土卫）上空，多次穿越土星环，拍摄了大量前所未见的珍贵图像。可以说，“卡西尼号”对土星的了解远远超过任何其他探测器对一颗行星的发现。正是由于这个原因，科学家对“卡西尼号”的牺牲倍感惋惜。

科学家评述

像其他太空探测器一样，“卡西尼号”在1997年10月仅仅有一个很窄的发射窗口来借助金星、地球和木星的引力援助，从而踏上计划中前往土星的征程。回想当初，多尔蒂刚准备接手“卡西尼号”磁强计（测量磁场强度）的主要负责人一职。她说自己当时很紧张：“我想，这真是一个激动人心的任务。我给人的印象是我知道自己在干什么，但我其实并不知道。我们连续3天凌晨起床，因为发射时间是在凌晨两点。但因为狂风等缘故，前两次都没能发射。发射时刻终于来临，我们目睹火箭升空，感到大地震颤，祈祷一切顺利。那一刻，我们紧张极了。”

多尔蒂说，在“卡西尼号”前往土星的6年半行程中，“卡西尼号”任务团队一点都不敢懈怠：“通过没完没了的视频会议，每周大约4～5次，我们仔细策划‘卡西尼号在头4年里的观测内容。我们花几小时讨论每次观测的时间，每个人都在争抢观测时段，但渐渐地大家懂得了相互理解。团队成员们说，这段时间归你，我可以找其他时间。那真是一段美好时光，因为我们真的是作为一个团队在工作。”

土星环

经过6年半的航程，“卡西尼号”终于在2004年7月1日进入环绕土星的轨道，并立即遭遇了土星的标志性特征——土星环。美国宇航局“旅行者号”双探测器分别在1980年和1981年飞过土星，它们当时拍摄的图像表明土星被大约1万条环包围，其中每条环中的颗粒都局限于一条狭窄轨道上。但“卡西尼号”的紫外成像光谱仪主要负责人拉里指出，“卡西尼号”查明土星环的数量实际上有几百万条。

土星环非常复杂：“卡西尼号”拍摄的图像显示，土星环中有隆起，有空洞，有间隙，还有其他很多结构。其中一些波浪状特征，是由土星环内部卫星之间的相互作用形成的。但其他一些特征的起源则不清楚。

土星环的最初成因，可能是一颗大卫星过于靠近土星，从而被土星引力作用撕碎。拉里推测，这发生在早期太阳系，自那以后土星环一直在延伸，在此过程中或许还形成了多颗卫星。其他科学家认为，土星环有周期性：卫星之间的碰撞形成新的环，新环聚合成新的卫星，新卫星接着再度碰撞……而今天所见的土星环的历史可能只有1亿年。

古老的土星环可能比年轻土星环的质量大得多。在坠毁之前的几星期里。“卡西尼号”重复穿行于土星环之间和土星环与土星之间，准确测量土星环的质量，从而有助于最终解决上述争议。

恩克拉多斯

在“卡西尼号”任务之前，科学家一直以为含冰量大、直径500千米的恩克拉多斯是一个冻结的大冰块。但在2005年2月初的一次飞近恩克拉多斯期间，“卡西尼号”的磁强计感知到这颗土卫的磁场有异常情况。

“卡西尼号”后来对恩克拉多斯的一次飞近，发现这颗土卫的南极温度比科学家预想的高得多，而且南极有盐水喷泉射向太空。在个头更大的狄俄涅（土卫四）环绕土星一圈的过程中，恩克拉多斯环绕土星两圈。在此过程中诱导的引力作用，让这两颗土卫内部的冰融化。恩克拉多斯在这一过程中受到挤压，导致南极附近的大型裂缝地带喷出水流。“卡西尼号”探测了这些射流的成分，发现其中含有盐、水、二氧化碳、甲烷和其他有机分子等构建生命所需的原材料。后来，“卡西尼号”又在这些射流中发现了氢，这是一种理想的生命能量源。

在恩克拉多斯射流中还发现了硅，而硅只可能在接近沸点的水中形成。这表明恩克拉多斯的地下海洋中也存在地热喷口。如此一来，恩克拉多斯就变成了寻找外星生命的一个炙手可热的目的地。

科学家评述

“卡西尼号”在恩克拉多斯磁场中感知到的异常，意味着多尔蒂团队必须查明它。为得到答案，“卡西尼号”就必须飞近恩克拉多斯，而且要比计划的距离近得多。

多尔蒂说：“‘卡西尼号首次飞近恩克拉多斯时，与后者的距离是1000千米。第二次是500千米。我当时去美国宇航局喷气动力实验室，向大家描述土卫群。就在这次会议前等待取咖啡时，我偶遇了负责驱动‘卡西尼号的杰瑞。我对他说，我们在数据中看到了一些奇怪的东西，我们希望‘卡西尼号第三次飞近恩克拉多斯时能飞得更近。他说：‘这太酷了。我一直都比其他人更希望能靠近一个行星体。在会上，有些人说这（指让‘卡西尼号飞得离恩克拉多斯更近）简直疯了，但杰瑞说没有问题。最终，大家同意把‘卡西尼号与恩克拉多斯之间的距离降到173千米。这时恰逢‘卡西尼号看见恩克拉多斯南极喷出水汽柱。没错，恩克拉多斯南极有裂缝，有地热泉，它们喷出尘埃和有机分子。突然间，恩克拉多斯变成了必须去的目的地，而且必须去到离它更近的地方。”

亥伯龙

与泰坦形成引力共振的亥伯龙，在环绕土星的轨道中跌跌撞撞。“卡西尼号”在2005年9月对亥伯龙进行了初次飞近，发现它看似多孔的明亮表面就像一只被捏的海绵，但科学家并不知道亥伯龙为何会这样。一种可能性是，过去的一次碰撞导致一个较大的天体碎裂，而亥伯龙就是其中的一块碎片。亥伯龙的暗色地带比亮色脊位置低，这可能是因为前者吸收了更多阳光，导致下方冰层蒸发，暗色层沉降。

伊阿珀托斯

一眼看去，缠绕伊阿珀托斯的一条赤道脊就像是刚出厂的橡胶球上的铸模标记。“卡西尼号”2007年对伊阿珀托斯的飞近揭示，这条脊就像伊阿珀托斯（直径1500千米）的其余表面一样布满陨击坑。由此推测，这条脊一定是很久以前形成的。伊阿珀托斯的表面也奇怪地呈现双色调，其中前半球显得较暗。这是由把伊阿珀托斯锁定在环绕土星位置上的引力作用造成的，这导致伊阿珀托斯的前半球面临尘埃袭击。

泰坦

当“旅行者1号”在1980年经过泰坦时，它看不见这颗最大土卫的表面：太阳紫外辐射驱动泰坦大气层中氮分子与甲烷分子反应，由此产生稠密的橘褐色泥状物质。“卡西尼号”搭载的“惠更斯”泰坦登陆器由欧洲空间局建造，该登陆器的目的就是查明在这些泥状物质下方是什么样的世界。“旅行者号”此前已发现，泰坦表面温度和气压允许液态甲烷存在。由“卡西尼号”在2005年1月14日释放到泰坦表面的“惠更斯”，能够胜任干或湿的登陆。

“惠更斯”向泰坦表面下降的过程长达150分钟。在此过程中，“惠更斯”拍摄的图像显示出可能是由液态甲烷刻凿出的分叉溪流网络。但“惠更斯”最终实现的是硬着陆，它的着陆地点是泰坦赤道附近散落着鹅卵石的冲积平原，那里的环境有点像美国著名的“死亡山谷”，但前者的温度低至-180℃，地面上覆盖着有塑性的“刨花”和“泡沫珠”。

“惠更斯”在泰坦表面传送数据72分钟，直到它的电池用尽。自那以后，“卡西尼号”在连续飞近过程中探测了泰坦大气层，并且绘制了泰坦表面地图，证实了液态甲烷在泰坦表面的存在。在相隔几星期的多次雷达观测中，“卡西尼号”发现的证据表明甲烷雨渗透进泰坦表面土壤，然后蒸发。这是在地球之外的首个降雨证据。

泰坦表面平静得可怕，无论甲烷海还是甲烷湖都风平浪静。这些湖海比地球湖水还透明：其中一座湖的雷达回波反射自它的160米深湖底。明亮的“魔幻岛”在暗色湖面上升起后不久就消失无踪，它们被认为是从湖水析出的氮泡。

或许最奇怪的是，泰坦竟然有两个海平面。在表面的碳氢化合物海洋下方是一个水冰壳，水冰壳下方是含盐的液态水。科学家说，这个地下海洋是太阳系中的前驱生物化学实验室，是潜在的生命栖居地。

科学家评述

多尔蒂说，“惠更斯”的硬着陆意味着，过了很久才能证实泰坦竟然是一个湿润的世界。她说：“当探测器刚登陆泰坦时，我们期待看见泰坦表面有液体，但没看见有。‘卡西尼号进入第6个任务年后，它搭载的红外光谱仪探测到了反射自泰坦北极的阳光。这是我们首次知道泰坦表面有液体。我们在这之前没有探测到它，是因为不在雨季。”

米玛斯

直径为396千米的土卫一米玛斯，是太阳系中最小的圆球状天体。然而，“卡西尼号”在2010年2月最接近米玛斯时发现，这颗土卫并非是正圆球形：它有一侧被130千米宽的赫歇尔陨击坑占据，坑壁高达5千米。这个巨大陨击坑，让米玛斯看上去就像是好莱坞著名科幻片《星球大战》中能摧毁行星的那颗“死亡之星”。但实际上，米玛斯相当脆弱：它主要由水冰构成，而赫歇尔陨击坑反面的裂缝表明，过去的一次碰撞差点让米玛斯粉身碎骨。

土星飓风

地球上的飓风容易向两极地区集中，而土星上的飓风是固定的。土星飓风也有地球飓风那样的中心眼和眼墙云，两者旋转方式一样，但土星飓风直径达4000千米，相当于地球直径的1/3。地球飓风由来自温暖洋面的热量驱动。土星上没有这样的机制，所以土星飓风的驱动力是什么依然是一大谜团。

科学家评述

多尔蒂说：“当我还是个小孩时，我爸爸建造了一部25厘米望远镜。我姐姐为望远镜的基座搅拌了混凝土。望远镜镜面是爸爸自己打磨的。他把望远镜安装在花园里。我记得自己在那里第一次看见土星。我看到了那些看上去小小的环。我还看见了木星，还有四颗大木卫的斑点。但我从未想到过自己今天干的大事。我爸爸13年前去世了，几年后我妈妈也走了。他们知道当时我参与了‘卡西尼号任务，而且对此很自豪。然而，他们等不到看见这项任务的进展如此美好。这是我最大的遗憾之一。”

潘

“身体圆胖”、呈百叶包形状的潘，在最亮、最外侧的土星环——A环的一道缝隙中环绕土星。潘的核心是冰，但土星环中的颗粒在潘的一部分赤道上累积，最终让潘的直径达到了35千米。“卡西尼号”2017年3月拍摄的图像显示，环颗粒堆积地带有不少陨击坑，还有小规模滑坡现象。A环中的另一颗土卫——阿特拉斯也有类似现象，但阿特拉斯的赤道没有陨击坑，而且显得蓬松。这两颗土卫的生长可能都受到了它们与土星之间引力较量的钳制。如果土星环颗粒在潘的赤道上堆积得过高，土星的引力就会把它们拉下来。

科学家评述

多尔蒂说，“卡西尼号”的发现远未结束，因为该任务团队科学家将持续调查“卡西尼号”获得的超大量观测数据。她说：“‘卡西尼号之旅是发现之旅。想真正了解一个天体系统的唯一方式，就是对它进行环绕观测。‘旅行者号和‘先锋号探测器给了我们小小的惊喜，而‘卡西尼号让我们能决定下一趟土星之旅该关注什么。是去恩克拉多斯，还是去泰坦？是发射极地轨道器，还是发射地下海洋钻探器？‘卡西尼号大谢幕，我们都在场。至少在公众面前，我不会太感伤。不久前我接受过一次访谈，展示了喷气动力实验室制作的一部电影。它描述了‘卡西尼号的一生，以及它最终会燃尽自己的结局。我站在那里，泪眼婆娑。我希望记者不要把鏡头对着此时的我，但我会坚强。我有遗憾，也有放松，这13年的经历让我疲惫，但我更有自豪，绝对的自豪！”

为什么要大谢幕？

在离开地球差不多20年后，“卡西尼号”由钚驱动的发电机的燃料逐渐耗尽，这样一来，“卡西尼号”就难以调整自己的轨道。如果放任这艘探测器自行飘飞，它就可能会撞击土卫，污染可能包含生命或生命条件的环境。为避免这种风险，“卡西尼号”被导入土星大气层，像流星一样燃烧自己，最终成为土星的一部分，与自己一生探索的环境融为一体。“卡西尼号”这样的大谢幕可能还不算太令人伤感。