卡西尼號揭秘土星大家庭 | 星星背後的物理（十六）
?卡西尼號於2004年10月6號所拍攝的土星照片。來源：NASA
撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）
責編 | 寒凌旭
審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）
鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）
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物理學家惠更斯的名字大家聽得多了，流傳最廣的的應該是光學中的惠更斯原理，將波動的傳播過程，諸如反射、折射、衍射等，用次波的包絡來分析和解釋，簡潔明了，直觀而形象。
實際上，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629年－1695年），在天文觀察中有不少重要的發現，特別是他用自製望遠鏡對土星的觀測功勞不小：他發現了土星最大的衛星土衛六，以及繼伽利略發現土星有「耳朵」之後，第一次正確地用「圓盤形狀」來描述這個獨特而美麗的光環。
多美尼科·卡西尼（Domenico Cassini，1625年－1712年）是另一位勤於觀察土星的法國天文學家。卡西尼對木星也有研究，與胡克同時第一次觀察到木星表面的大紅斑。他發現了木星赤道旋轉得比兩極快，這是一種後來被稱為「較差自轉」的現象。對土星而言，卡西尼發現了土星四個較大的衛星，還將土星光環看得比惠更斯更清楚，他發現土星環不僅僅是個「圓盤」，盤中還有一條暗縫，後人以他的名字命名這條縫為「卡西尼縫」。
也許是因為天文和物理偏重的方向畢竟有所差別，卡西尼和惠更斯的物理思想表現迥異。
惠更斯首先是一名物理學家，從學習數學研究光學，到發明望遠鏡再用於觀察天象而有所獲，他與稍後的牛頓和萊布尼茨都有交往。卡西尼在物理思想上卻是少見的保守，他不接受哥白尼的日心說，也反對開普勒定律及牛頓的萬有引力定律。
?圖1：卡西尼-惠更斯號土星探測器
卡西尼和惠更斯是同時代的人物，生前互相認識但不見得有密切的交往，幾百年之後的科學家們卻將他們「綁在一起」組成了一個卡西尼-惠更斯號（圖1）【1】，開啟了野心勃勃的土星探測計劃。
對地球人來說，土星從來就頗具神秘感：與木星類似，離地球遠遠的，有一個眾多天然衛星的大家庭。但木星好像比較活潑，土星卻像一個寧靜美麗、 「環帶」繞身的女神，漂浮在比木星更為遙遠的天際。
月球探索的成功使人類雄心勃勃，接著便向太陽系的其它行星進軍。因此，除了讓「水手」「海盜」「探路者」 ，前仆後繼地奔赴火星之外，其後，又有伽利略號「駐紮」繞行於木星附近。土星呢，人類當然不會忘記這個「腰纏」一圈絢麗多彩光環的美麗女神，經常會派幾個過客去拜訪拜訪她。
土星類似木星，沒有固體表面可以供探測器登陸。土星厚厚的大氣層，又妨礙了我們用望遠鏡從地球上仔細觀察它的表面形態。對這個距離地球大約比木星還遠一倍的神秘天體，科學家們知之不多，充滿了困惑和疑問：土星環由何物構成？雲層下面是個什麼模樣？有生命存在的可能性嗎？
1979年9月，先鋒11號飛越土星時第一次拍攝到幾張它表面的照片，發現了土星環中（最細的）F環。如今飛離地球最遠的旅行者1號，也曾經於1980年11月造訪土星並藉助其引力而為自己「加油」來獲取能量。它拍到土星一個令人迷惑的景象：北極地區的六邊形。第二年，旅行者2號也經過了土星。
先鋒號和旅行者都不以土星為主要探索目標，「順訪」者行程匆匆，來有影去無蹤。但它們從土星得到的信息卻更給予人們更多的疑問，也大大激發了科學家們對土星大家庭的興趣，希望極力弄清這片神秘而遼闊的區域。
?圖2：卡西尼－惠更斯號土星探測器飛向土星的軌道
1997年，卡西尼－惠更斯號土星探測器從美國弗羅里達升空，這是人類迄今為止發射的規模最大、複雜程度最高的行星探測器，多國合作，耗資巨大，設計十年，計劃周密。卡西尼－惠更斯號升空後走過了7年的漫漫長途，繞過金星、地球、和木星，獲得多次「引力助推」，於2004年7月終於到達土星周圍。
卡西尼－惠更斯號外形龐大，攜帶了十幾台科學儀器，加上燃料總質量超過5700公斤，即使當前推力最大的火箭，也無法使其加速到能夠直飛土星。如果考慮靠攜帶更多的燃料沿途加速達到7年內抵達火星的辦法，僅僅燃料就有70噸重，那樣就更找不出火箭來推它上天了！這一次，自然又是行星間的「引力助推」為我們解決了問題，圖2顯示了科學家們為這個5700公斤的龐然大物設計的「智慧軌道」，整個軌道利用了4次引力助推來加速航天器。
這個探測計劃由兩部分組成：一旦到達土星軌道範圍之後，惠更斯號探測器便與主軌道器卡西尼號分離，軌道器環繞土星及其衛星繼續不斷地繞圈，惠更斯號則沖向它感興趣的土衛六，見圖3。
?圖3：惠更斯號和卡西尼號的不同任務
為什麼選中土衛六呢？不僅僅因為土衛六最大，還因為早期的探測（早到1943年）發現土衛六擁有濃厚的大氣層，在航海家1號接近土衛六的過程中又證實了可見光難以穿過它的大氣層。那麼，土衛六大氣層的成分到底如何？與地球大氣層有何異同？雲層下面有著怎樣的地貌？是否覆蓋著液態物質？有無產生生命的條件？
要回答這些謎中之謎，看來有必要派一個探測器「鑽進」 土衛六的大氣層中，當然最好還能降落在它的表面上。雖然土星是個無法「登陸」的氣體巨星球，但土衛六是應該可以登上去的。作為人類成員，惠更斯早在1655年就發現了土星這顆最大的衛星，350年過去了，怎麼能仍然對它一無所知呢？所以，讓機器人「惠更斯」去一探究竟，完成這個光榮的使命吧。
2004年底，卡西尼號對準土衛六，拋出了一個圓圓的飛碟——惠更斯探測器。雖然惠更斯號專為登陸土星六而研製，有隔熱板保護，使其免遭大氣層的高溫損傷，但卻很難保證一定能「安全」著陸到一個未知世界。不過，惠更斯號不負眾望，一個多月後，「飛碟」進入土衛六大氣層，成功地在土衛六上實現了軟著陸，成為第一艘在太陽系較外側天體上著陸的飛船。
惠更斯號的降落過程長達2小時27分鐘，如果土衛六上有高等生物的話，他們能看到一幅從未見過的有趣景象：遠遠的天邊飛來一個碟狀物！接著，大概到了地表上方170公里左右，它撐開了一把降落傘，慢慢地、悠閑自在地一邊在桔黃色霾霧的天空中飄移，一邊忙於拍照。它用6台科學儀器不斷地測試，包括測量周圍的風速及壓力，分析土衛六大氣層氣體，並將得到數據發回給它的「朋友」卡西尼號，見圖4，那是藝術家畫的惠更斯號登陸土衛六時的想像圖。
?圖4：惠更斯著陸土衛六
飛碟慢慢下降到了低於50公里的高度，突然，探測器上發出一道白光，照亮了原來暗紅色的地表，這是飛碟上的地表照相機及測量儀器要開始工作了！它們將拍攝土衛六表面的照片，測量表面附近的溫度、氣壓，對錶面的物質進行光譜分析等等，最後，惠更斯號以每秒只有數米的輕緩速度，軟軟地著「陸」，周圍並不是希望中的海洋，它有氣無力地躺倒在土衛六一片「坑坑窪窪」 遍布鵝卵石的泥灘表面上。
工作還沒完，惠更斯號趕緊與主航行器聯繫，進行了10分鐘左右的通話之後，它在土衛六上大約總共「存活」了90分鐘，最後終因電池耗盡而「犧牲」了。
不過，接下去的十幾年裡，卡西尼號主探測器繼續傳回來有關土衛六的資料，它的紅外像機向我們展現出土衛六表面朦朧的景色，它的能穿透煙霧的雷達則提供了更清晰的圖像，它的離子和中子質譜儀發現了土衛六上有複雜的碳氫化合物，有機物的蹤跡。
科學家們認為，土衛六與生命出現之前的地球十分相似。它有河流有湖泊有海洋有降雨有風暴，不過這一切並非如地球上那樣因為水的循環造成，卻是「甲烷循環」的結果。也就是說，貌似地球氣象的土衛六上，下的是「甲烷雨」，漲的是「甲烷潮」。土衛六大氣成分有與地球大氣類似之處：主要是氮氣。但是土衛六大氣沒有氧氣，第二多的成分便是甲烷，但這正好符合科學家們預言的地球早期生命演化過程中的情形。因此，對土衛六的探測和研究，將有助於揭示地球生命誕生之謎。
卡西尼號還發現，在這顆被濃霧環繞的衛星厚厚的冰殼之下，擁有一個晃動著的全球性海洋。從土衛六表面拍攝到的流動著的液態溝渠，造成的陡峭峽谷頗似美國亞利桑那州沿科羅拉多河一帶的風光。土衛六擁有許多與地球相似的地質過程。這些過程產生了甲烷雨，它們沖刷出河道，形成了湖泊和海洋，其中積蓄著液態的甲烷和乙烷。
卡西尼號對土衛五（圖5b）有兩個驚人的發現：一是它的大氣的主要成分是氧氣和二氧化碳，兩者的比例約為5∶2。與地球相比，土衛五的大氣非常稀薄，但無論如何，這是首次在地球以外的星球上發現存在以氧氣為主的大氣。對土衛五的第二個有趣的發現是它擁有一個稀薄的環帶（麗亞環），由三條密度較高的細環帶構成，這也是人類首次在星系的衛星中衛星環帶系統，但麗亞環非常稀薄，尚未從照片影像證實。
土衛八是衛星中最別緻的一顆，幾百年前被人類發現的時候，卡西尼就觀察到它總是一半黑、一半亮，長著一張陰陽臉。這個事實如今被「卡西尼號」多次的近距離觀察所證實。科學家解釋陰陽臉的形成原因是因為隕石撞擊形成的溫差在演化過程中熱效應正反饋的原因。此外，卡西尼號還發現土衛八中間赤道附近有一條神奇的分界線，見圖5a。
?圖5：卡西尼號拍攝的土星衛星
土衛二是諸多土星衛星中探測的重要目標之一，原因是發現其上存在液態水，這是生命最需要的基本元素之一。
人類飛向太空總是暗藏一個「移民」的潛在目的，水星和金星離太陽太近，溫度高，顯然不是一個合適的人居之地。火星及類木行星的幾個衛星，成為可能的候選者。因此，每當太空探索中發現與生命相關之事，都會引起人們一陣激動。
在土衛二上發現巨型冰噴泉後，設計者對卡西尼的探測計劃進行了徹底地重新規劃，以便它能夠將「噴泉」看個清楚。卡西尼號之後發現，土衛二的地下可能有全球性海洋存在。2014年4月3日， 美國宇航局科學家宣布土衛二南極地底存在液態水海洋，使土衛二成為太陽系有可能存在生物的星球之一。如今，卡西尼號還剩一年左右的壽命，也許還將給我們意外之喜？讓我們拭目以待。
土星以神奇的光環著稱。旅行者號又發現它另一個非常鮮明的特點。在土星的北極，存在一個超級風暴圈。卡西尼號探測器傳回的圖像顯示了這個風暴的詭異之處——這個超級風暴與地球的圓形風暴不同，呈現的是六邊形。
這是一個名副其實的巨大超級風暴，六邊形的直徑比地球直徑的3倍還大，一股氣流沿著六邊形的邊緣快速流動。風暴中心是旋轉的漩渦形成的嚇人的「鳳眼」，比地球上風暴的風眼要大50倍。並且，地球上的風暴只持續一周或十幾天左右，而土星的這個北極風暴從發現至今已經存在幾十年了，或許它已經存在了幾百年或更久，謎底無人知道。
?圖6：土星北極的六邊形渦旋（圖片來源：NASA）
這個六角星雲隨土星的自轉一同旋轉，在環繞北極的風暴中，還伴隨著旋轉方向與六邊形雲帶相反的小型漩渦。另外，土星南極也有風暴和鳳眼，但卻沒有六邊形。物理學家們感興趣的是這個奇怪的六邊形風暴是如何形成的？為什麼會如此穩定？為什麼只在北極才有六邊形？對此人們提出多種解釋，但至今仍無定論。
有人認為，六邊形星雲的穩定性可能與土星缺乏固體地形有關，地球上的風暴在遭遇地貌產生的摩擦後會被打亂，而土星實際上是一個龐大的氣體球，所以造成風暴形態不容易變化。
六邊形的形成則可能用流體運動的規律以及湍流理論來解釋。不過，如何正確描述湍流的性質，至今仍然是物理學中的一個重大難題。地球南極的臭氧空洞也呈現六邊形形狀，因此也有科學家將土星北極的六邊形與此聯想起來。
其實，渦旋流體形成多邊形圖案也是實際中常見的現象，六邊形更是自然界中最常見的對稱圖案，水結晶形成各種雪花的圖案就是六角對稱的。不過，出現在土星如此巨大的天體上還如此穩定的圖像，仍然令人吃驚，總得有個合理的模型來解釋。因此，牛津大學等處的科學家們使用旋轉圓形罐汽缸模擬土星大氣環境【2】，觀察是否能製造出這種奇異的流體模型。
結果，他們發現，隨著自轉速率的提高，當液體中心和周邊以不同的速度旋轉時，上層氣流形成了多邊形模樣，其中最常見的是六邊，但也形成從三邊到八邊的其它圖案，並在具有不同速度的兩個不同的旋轉流體之間形成湍流區域。這些實驗說明土星北極的六邊形風暴與土星的自轉速率存在關係。
卡西尼號長達12年的探測過程，當然不會忘記研究土星最迷人的神秘光環，它發現土星環遠遠不是文人騷客們想像和描述的那麼溫柔安詳，而是一個充滿了變化和動態的世界。請看下一篇：神秘的行星環。
參考文獻：
【1】維基百科：卡西尼-惠更斯號https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E5%B0%BC%EF%BC%8D%E6%83%A0%E6%9B%B4%E6%96%AF%E5%8F%B7
【2】實驗室模擬土星北極的六角星云：
http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2010/2471.html
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