壯麗而終後，留下了一片寶藏
原文作者：Chris Gebhardt
編譯：陸漸
卡西尼-惠更斯號（Cassini–Huygens）是前往土星系統的旗艦級空間探測器，是前往土星的空間探測器當中第一個成功環繞土星的，主要由 NASA、ESA和意大利航天局（ASI）合作研發。探測器由兩部分組成：卡西尼號（Cassini）軌道器環繞土星運行；惠更斯號（Huygens）探測器在土星最大衛星土衛六（Titan）上登陸。它們分別以天文學家喬凡尼•多美尼科•卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）和克里斯蒂安•惠更斯（Christiaan Huygens）的名字命名。
卡西尼-惠更斯號（圖：NASA）
1997年10月15日，探測器由大力神VB/半人馬型運載火箭搭載升空，並於2004年7月初抵達土星軌道。卡西尼號與惠更斯號在同年12月25日依依惜別，各自踏上了完成使命的道路。卡西尼號自進入土星後持續運作超過13年，直到2017年9月15日進入土星大氣層焚燬；惠更斯號則於2005年1月14日成功在土衛六軟著陸，並利用卡西尼號中繼傳回了數據，是首個在外太陽系天體完成登陸的探測器。
（發射臺上的卡西尼惠更斯號，圖：Wiki）
卡西尼號的輝煌一生
參與研製“卡西尼-惠更斯號”的國家一共有17個，它是人類進入空間時代以來最大型國際合作課題之一。它的主要任務是對土星系統進行全面空間探測，自身攜帶了27種最先進的科學儀器設備。卡西尼號對土星的探測成果非凡，包括對土星旋轉週期、土星環年齡、土衛六沙塵暴的探測，還包括許多其他科學發現的深入瞭解。
（組裝中的卡西尼惠更斯號，圖：Wiki）
卡西尼號在抵達後就持續地研究土星系統，主要任務已經於2008年7月完成。但因資源尚足夠便延長至2010年6月（因在2009年8月經過春分點，也稱為“分點任務”）。在2010年2月，卡西尼號的任務再度延長。隨著航天器用於調整與校正軌道的燃料不斷減少，2016年11月30日卡西尼號進入了任務的最後階段。它將駛入土星環的內圈，每7天繞行土星一次。航天器將一點一點地深入這過去從未觸及的區域，以得到最接近土星環的外觀。
在2016年12月4日，探測器首度通過土星環。2017年9月15日，卡西尼號進入土星大氣層，北京時間9月15日20時55分，“卡西尼號”的信號消失。地球大約需要68-84分鐘才能收到信號，這意味著這顆探測器在幾十分鐘前於高壓和高溫下蒸發殆盡，完全投入土星的懷抱。而在結束前它傳送回了最後的圖像。因土衛六上可能存有生命，所以選擇這樣的處置方法，從而避免汙染土衛六。
卡西尼土星撞擊點（圖：Wiki）
到目前為止，儘管卡西尼號在帶有美麗光環的土星的主要任務在一年多前就結束了，但是它在土星系統的最後一段旅程的數據仍然在持續被科學家們所研究，幫助解開圍繞這顆太陽系第六顆行星的謎團。這段偉大的旅程，稱之為“壯麗終章”（Grand Finale）。
壯麗終章
為了執行好星球保護計劃，確保卡西尼號在最後的階段不會意外地汙染土星衛星的任何潛在生命，這艘飛船在最後一段旅程中進入這顆環狀行星的大氣層，進行了一次破壞性的進入。此前，這顆行星的最後22次近距離軌道飛行構成了此次土星探測任務的“壯麗終章”。科學家們知道，這對於卡西尼號來說是一個最好的結局，此前從未有宇宙飛船像卡西尼號這樣，多次穿過土星環進入土星的高層大氣。
“終章”的大膽操作給人類帶來了豐厚的回報，取得了前幾年飛船穩定繞行所不可能得到的科研數據。“終章”描繪了納米顆粒中的複雜有機化合物從土星環中傾瀉而下、進入土星高層大氣的景象，觀察到了土星環如何與行星相互作用，以及土星環內的粒子和氣體如何直接落入土星大氣層，並揭示出土星環與行星大氣層之間空隙中物質的樣子。
卡西尼號最後拍攝的圖像（圖：Wiki）
根據在納米顆粒中觀察到的有機化合物，科學家們看到了甲烷、氨、一氧化碳、氮和二氧化碳——這些有機成分與在冰冷的土衛二和富含甲烷的土衛六上發現的有機化合物有著天壤之別。這一結果揭示了土星系統中至少存在三種不同的有機分子群！這是極其意料之外的發現。
此外，卡西尼號還觀測到來自土星環最內環的粒子和氣體像雨點一樣降落到行星的大氣層中。內環粒子可以帶上電荷，沿著土星的磁場線螺旋運動，最終在高緯度落入土星的大氣層，這種現象被稱為“環雨”。但是“終章”的數據顯示，一些內環粒子會從土星環上降落下來，以每秒2.2萬磅(10000千克)的驚人速度被拖進土星赤道緯度的大氣層。
當卡西尼號最終能夠對土星環間隙的物質進行取樣時，土星和土星環之間的區域給科學家們帶來了更多的驚喜。採樣顯示了納米大小的粒子像煙霧一樣駐留在該區域，這表明一定有一個目前未知的過程能夠持續將環上的粒子研磨成煙狀的結構。
這是卡西尼號在大結局時直接對土星環和大氣取樣的一些發現（圖：NASA）
來自卡西尼號“壯麗終章”的其他數據還展示了從土星環到土星大氣層頂部的未知電流運動，這表明土星和土星環之間的聯繫比科學家們想象的要緊密。
對於NASA來說，卡西尼號大膽而冒險的結局設計，已經被傳回的大量數據證明是合理的。卡西尼號項目的科學家Linda Spilker說:“這個地區發生的任何事情幾乎都是驚喜。這就是去那裡的重要性，去探索一個我們從未去過的地方。這次探險確實得到了回報——數據看起來非常令人興奮。”
“當我們把謎團的零零碎碎拼湊在一起時，許多謎團仍然存在。卡西尼號最後軌道運行的結果比我們想象的更有趣。”Linda補充說。
心有所疑，星環求索
幾十年來，一個長久以來困擾著科學家們的謎題是土星上的一天到底有多長。這似乎是一個很容易回答的問題，畢竟，我們只需要觀察行星的自轉速度就可以。但問題就在這裡。土星沒有固體表面，在它的氣態大氣中也沒有固定的特徵來跟蹤它的旋轉。此外，這顆行星不尋常的磁場也掩蓋了它的自轉速度。
但事實最終證明，土星自轉速度以及一天長度的答案，都隱藏在土星的標誌性光環中。
卡西尼號在土星及其最內環之間俯衝，這是這次任務的最後一項（圖：NASA）
在“終章”中，卡西尼號多次飛越土星環，以前所未有的細節精度觀測了冰和岩石組成部分。這一觀測讓科學家研究了土星環的波動模式，發現土星環對土星內部的振動有響應。
加州大學聖克魯茲分校的天文學和天體物理學研究生Christopher Mankovich說，土星環內的振動就像地震儀一樣能反映土星內部的振動。“土星環中的粒子在重力場中會被動地受這些振動影響。在環的特定位置，這些振盪能夠在特定時間捕獲軌道上的粒子，從而逐漸積累能量，而這種能量以可觀測波的形式被帶走。”
通過追蹤這些可觀測到的波，Mankovich發展出了土星內部結構的數值模型。這讓他能夠繼續追蹤土星內部的運動，從而計算出土星的自轉速率。利用這些數據，Mankovich確定出土星的自轉速度是10小時33分38秒。
土星環本身也給科學家們帶來了一個誘人的驚喜，這個驚喜直到卡西尼號進入這個冰塊和石塊交織的環形世界時才被揭示出來。土星環是它最著名的特徵，使它成為太陽系中最容易辨認和最奇特的行星。但是來自卡西尼號大結局的新信息顯示，這些光環形成於1000萬到1億年前，這意味著這顆行星最具標誌性的特徵也是它最年輕的特徵之一。
要了解土星環的年齡，就要確定這顆行星的質量、土星對土星環的引力、以及土星環的質量。為了直接採集所需數據點的樣本，卡西尼號不得不在土星和土星環之間飛行，這在飛船的主要任務中是不允許的，但這也成為了它“終章”中的一個特點和亮點。
通過直接在土星和土星環之間飛行，卡西尼號能夠獲得返回的數據，讓科學家能夠計算出吸引卡西尼號的引力有多大，從而使它加速到直至每秒零點幾毫米。有了這些信息，科學家們就可以瞭解行星的質量和土星環的質量。
“只有卡西尼號最後的軌道上如此的接近土星，我們才能收集到所需的測量數據，做出新的發現”，卡西尼無線電科學小組成員、羅馬薩皮恩扎大學的Luciano less是該研究的主要作者。“通過這項工作，卡西尼號完成了其任務的一個基本目標：不僅要確定環的質量，還要利用這些信息來完善模型、確定環的年齡。”
從卡西尼號的數據中可以看出，土星環的質量較低、年齡在1000萬至1億年之間。與此相印證的是光環的外觀——明亮而乾淨；一個年齡較大的環形結構將是黑暗的，並受到碎片的汙染。
卡西尼號拍攝的照片顯示，2016年土星的北半球正接近夏至（圖：NASA）
當然，所需要的技術不僅僅是“終章”中收集的數據（當然這些數據將繼續為人類揭示土星系統），還要包括在卡西尼號的整個任務期間中收集的信息，它們都將繼續被分析，並繼續揭示這個系統新的和令人興奮的元素。
土衛六上的沙塵暴
土衛六，也就是泰坦（Titan），是一個複雜的世界，至少可以說，它是太陽系中唯一一顆大氣厚重而複雜、有水循環的衛星。現在，這顆令人印象深刻的衛星加入了“太陽系沙塵暴俱樂部”，此前太陽系中只有地球和火星表面有沙塵暴。
惠更斯拍攝的泰坦全貌（圖：Wiki）
正如在地球和火星上一樣，土衛六上的天氣模式隨著季節的變化而變化，卡西尼號在整個任務期間的數據揭示了土衛六天氣的變化，包括在2009年春分時土衛六赤道附近出現了強大的“甲烷風暴”。
在此期間，法國巴黎狄德羅大學的天文學家Sebastien Rodriguez和他的團隊注意到了卡西尼號傳回的紅外數據中不尋常的赤道亮點。他們當時解釋說，這些亮點與在北半球春分時在土衛六其他區域觀測到的甲烷雲和風暴是一樣的。
但隨後的調查顯示，這些光亮實際上是完全不同的。它們不是甲烷風暴。它們是沙塵暴！
這個動畫顯示了清晰的亮點，被解釋為沙塵暴的證據（圖：NASA）
“根據我們對土衛六上的雲形成的瞭解，我們可以說，在這個地區、這個時間，這樣的甲烷雲在物理上是不可能的”，Rodriguez說，“在這個區域和這段時間內可以形成這樣的對流甲烷雲，需要包含巨大的液滴，而且必須位於非常高的海拔——遠遠高於模型告訴我們的6英里(10公里)所在位置。”
惠更斯降落後拍攝的圖片和處理後的圖片（圖：Wiki）
建模和調查揭示了2009年在靠近土衛六表面的大氣層中已經觀測到的一些特徵，並且可能形成那是“一層非常薄的固體有機顆粒”的結論。這些亮點直接出現在土衛六赤道附近的沙丘上，對此只有一個解釋：沙丘上揚起的塵埃雲。
“像我們在這些沙塵暴中看到的那樣，產生如此多的塵埃所需要的近地表風速必須非常強——大約是基於惠更斯號測量後氣、候模型估計的平均風速的5倍。”Rodriguez認為。
土衛六表面強風的存在以及沙塵暴的證實，意味著土衛六的沙丘仍然活躍並在不斷變化。此外，土衛六上的風可能攜帶著從很遠的地方收集來的塵埃，“有助於土衛六上有機塵埃形成全球循環，並造成了與地球和火星上所能觀測到的類似的影響”。
結語
卡西尼-惠更斯號”是人類首次專門針對土星的詳盡考察，科學家將由此探知了土星的獨特特性、土星環具有何種複雜結構、如何形成和演化，並探索土星衛星家族的許多成員。這一切，都隨著“卡西尼”號軌道器和“惠更斯”號探測器的深入探測而越來越清晰。尤其是在“壯麗終章”任務中，如此近距離觀測，人類不僅能看清土星光環的結構,還能瞭解它的更細微的方面，比如它的斑點、風暴、波動形式等，這比我們早先對土星的觀察細緻了10倍以上。即便任務已經結束了一年多，卡西尼號仍然在揭示著土星的奧祕，仍然在帶給人類驚喜。