卡西尼-惠更斯探測器的 20 年旅程即將終結，它讓我們重新認識了土星

27 個國家參與，1997 年 10 月 15 日發射升空，在太空中飛行了 79 億公里，執行了 250 萬條指令，發動機點火 360 次，繞軌飛行 294 圈，飛掠土星衛星 162 次，採集了 635GB 數據，拍攝了 453048 張照片，發現了 6 顆全新的土星衛星，據此發表了 3948 頁科學論文 …

這是美國航空航天局主管行星際探測的部門加州理工大學噴氣推進實驗室（JPL）對卡西尼-惠更斯號行星際探測器的總結。在約 20 天之後，也就是 9 月 15 日前後這艘「功高德勛」的探測器將墜入土星稠密的氫、氦、氨大氣中焚毀，結束 20 年的探測歷程。

除了上述的一組數字，卡西尼-惠更斯號探測器曾是美國發射的成果最豐碩的行星際探測器之一，它不僅近距離飛掠了土星系中的多個衛星，攜帶的惠更斯號著陸器還直接在土衛六「泰坦」上著陸，這是第一個在外圍太陽系天體上著陸的人造物體。實際上，現今大眾媒體上幾乎所有關於土星、土星環的高清照片都是由卡西尼-惠更斯號拍攝的。

卡西尼-惠更斯任務拍攝

卡西尼-惠更斯號以兩個人命名，他們參與認識了最初的土星

卡西尼-惠更斯號探測器是由美國宇航局、歐洲空間局、義大利太空局三個國家機構聯合完成，27 個國家的人員參與其中，作為名字的兩位科學家代表了探測器的兩個重要部分：發現土星環縫的義大利科學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼，以他的名字命名了探測器的主體；發現了土衛六的荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯，以他的名字命名了土衛六著陸器惠更斯號。

現代人類熟知的是，土星是太陽系中擁有最明顯星環的行星，這顆行星肉眼看上去呈現非常獨特的草帽狀，在天氣晴好的夜晚，甚至家用望遠鏡都能看到土星和它的環。著名科學家伽利略在 1610 年用手磨望遠鏡看到它時，因為解析度太低，一度以為土星有一個伴星。

1655 年，克里斯蒂安·惠更斯用一台更強大的專門天文望遠鏡確認了土星環的存在，並且準確描述道，土星被一個薄且平坦的環環繞著，環與土星沒有接觸，並且相對黃道傾斜。1675 年，喬凡尼·卡西尼確認土星環之間又一個寬達 4800 公里的縫隙，這個縫後來也用他的名字來命名了。1859 年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出，土星環預計不是固體，因為理論上來說它無法保持固體狀態，一定會碎裂。

卡西尼-惠更斯任務拍攝

後來的研究證實，土星環是一大堆碎石、冰塊和塵埃組成，整個環甚至有獨立的大氣層；環不止有一個縫，在引力的作用下，現在確認的縫有 6 個，在卡西尼縫中，運行著一顆衛星土衛一。

地球的衛星是月球，也是唯一的一顆，但土星衛星有幾十顆之多，傳統上，他們都是以希臘神話里巨人的名字來命名的。這其中大部分的衛星其實都只能算是大石頭，因為它們不夠大，沒有達到流體靜力平衡呈現球狀，30 顆的直徑在 10 公里以下，只有 7 顆衛星呈現球狀。

衛星中最大、最著名的是惠更斯發現的土衛六「泰坦」（Titan），這顆衛星有大約兩個月球那麼大，1990 年代確認它擁有稠密的大氣層，這在太陽系衛星中是絕無僅有的。

卡西尼-惠更斯號之前，人類的探測器到過土星附近

1973 年，著名的先驅者 11 號發射升空，它最著名的公眾印象就是那個裝在探測器上一起飛往宇宙的，向可能的「外星人」揭示地球、人類形象的金盤。1979 年，先驅者 11 號距離土星最高雲層 21000 公里左右飛過，匆匆瞥了一眼土星。這是第一個接近土星的人類探測器。

1977 年，目標是太陽系外探測的旅行者 1 號發射升空，為了藉助大行星的引力加速，1980 年它近距離飛過了土星，拍攝了一大堆高清照片，確認了土星龐大的衛星系統，以及土衛六可見光無法穿過的稠密大氣。1981 年，旅行者 2 號也飛過土星，發現了更多的環縫。

旅行者 1 號任務拍攝

土星是一顆巨大的氣體行星，沒有固態表面，但有可能有一個固態核心。它自轉速度和很快，大概 10 個半小時就轉一圈，在這個自轉速度下，土星呈現扁球形。

這些探測器看到了土星更多細節，也帶來了更多的問題，比如土星環為什麼會分縫？環是怎麼形成的？是衛星碎裂還是引力捕捉？土星大氣是什麼成分？土衛六上有生命嗎？等等。

1982 年，歐洲科學基金會和美國國家科學院的兩位科學家開始計劃土星的探測任務，任務等級被 NASA 稱為「旗艦級」，意思是最重要、最昂貴、最複雜的深空探索任務，「旗艦級」除了卡西尼-惠更斯號，還有去木星的伽利略號、去火星的海盜號、去太陽系外的旅行者系列，現在正在進行的任務有飛行在地球軌道的「錢德拉 X 射線天文台」，以及在火星上默默挖土的火星科學實驗室「好奇號」火星車。

卡西尼-惠更斯號是一艘花了 32 億美元的核動力飛船

和其他深空項目一樣，卡西尼-惠更斯號設計是飛行在遠離太陽的外圍太陽系，靠太陽能電池沒辦法正常工作。和更早的「伽利略號」一樣，卡西尼-惠更斯號搭載的是同位素熱能電池。

在電影《火星救援》里，男主角詳細展示了這種電池：所謂同位素熱能電池，實際上核心就是一大坨鈈-238，它時刻在釋放中子和熱量，根據西貝克效應，電池直接把熱量變成電能供飛行器使用。

同位素熱能電池

在卡西尼-惠更斯號上，同位素熱能電池有三個，共裝了 32.7 千克鈈-238，可以提供至少 900 瓦的電池功率，供飛船上 18 個儀器工作。實際上，飛船上的這種電池是 NASA 的標準設計，在早先的「伽利略號」上和後來飛往冥王星的「新視野號」上用的是同個型號的電池。這種電池非常耐用，壽命可以長達數十年，10 年壽命之後還能提供至少 600 瓦的電力。

卡西尼-惠更斯號在加註燃料後重超過 5 噸，長 6 米寬 4 米，和一輛實心的麵包車體型相仿。作為獨立部分的惠更斯號探測器像一個涼亭大的圓盤，重量 300 公斤，帶有三個降落傘，用來著陸在土衛六「泰坦」的表面。

卡西尼號正在製造

惠更斯號著陸器

整個項目直接經費共為 32.6 億美元，製造耗費 14 億，發射耗費 4.2 億，運行經費 7 億。總額未計算通貨膨脹，80% 由美國承擔。

任務的主要任務如下：

測量土星環的三維結構和動態

測量衛星表面的組成和每一科的地質歷史

測量磁場的三維結構和動態

研究土星的大氣層在各個層面的動態

研究土衛八上不尋常的黑暗物質的性質和起源

研究土衛六雲、霾和表面特徵

卡西尼-惠更斯號發現，土衛六上會下液化氣雨

1997 年 10 月 15 日，卡西尼-惠更斯號由大力神 4 號運載火箭從卡納維拉爾角發射升空。在 1989 年，重量相仿的「伽利略號」沒有採用這種方式，而是採用由太空梭攜帶發射，入軌後釋放的方式進入太空。當時「伽利略號」任務因為火箭沒有準備好和一系列延遲，延遲兩年多才藉助太空梭發射。

1989 年服役的美國空軍大力神火箭 4 號滿足了發射需求，把卡西尼-惠更斯號送進了軌道。但為了節省燃料，飛船不是徑直飛往土星，而是以螺旋線的軌跡，分別飛掠幾個太陽系大行星，利用重力加速，最終達到土星。

1998 年 4 月 26 日與 1999 年 6 月 4 日卡西尼-惠更斯號兩次接近金星，進行重力助推調整和加速，1999 年 8 月 18 日飛過地球，2000 年 1 月 23 日，飛過小行星2685，2000 年 12 月 30 日掠過木星，拍攝了一組解析度高達 60 千米的高清晰木星照片，這也是卡西尼-惠更斯號首個科學成果。

2004 年 7 月 1 日，飛船通過土星環 F 環與 G 環之間抵達繞行土星軌道，成為首艘繞行土星的人類探測器，計劃任務周期為四年。卡西尼-惠更斯號距離土星最近時，距離上層大氣只有 20000 千米，不到土星半徑的三分之一。

來到土星系統的第一個大任務，就是釋放惠更斯號探測器，第一次近距離研究土衛六「泰坦」。

卡西尼-惠更斯任務拍攝：泰坦和背景中的土星

在卡西尼-惠更斯任務之前，人類對土衛六的了解非常有限，僅僅知道它有濃密的、可見光無法穿透的大氣，還知道它具有明顯的地質活動。但大氣的成分，星球表面的地貌和成分都不清楚。

7 月 2 日，卡西尼-惠更斯號接近土衛六，12 月 25 日，惠更斯號脫離母船卡西尼號飛向土衛六。2005 年 1 月 14 日，惠更斯號以超過 2 萬公里的時速進入土衛六大氣層，在靠大氣摩擦減速之後打開降落傘，在距離地面幾百米處，探測器開機，探照燈打開，地球收到了土衛六的第一張圖像。

惠更斯號拍攝的真色照片：泰坦表面

土衛六是一個橙色的世界，大氣是氮氣、甲烷、乙烷和各種碳氫化合物組成，因為在太陽風的吹拂下，甲烷分解成了橙色的霧霾，整個星球呈現橙色。和地球類似，泰坦的大氣中也有風暴和雲，南北極也有極地雲層。

但是這個類似也就是形態類似，泰坦和地球是完全不同的世界：泰坦表面溫度約零下 179.2 攝氏度，大氣阻擋了本來就比地球上少得多的陽光，泰坦表面的光照強度只有地球的千分之一。在這個溫度下，甲烷液化形成雲，在高空變成雨和雪再落到地面上。換句話說，泰坦表面下的是液化氣形成的雨和雪花。

這些「液化氣」雪填滿了泰坦表面的凹陷和隕石坑，讓星球表面顯得很光滑。甲烷雨和其他碳氫化合物在泰坦表面形成湖泊和海洋，液體流動形成河流、峽谷甚至沖積扇。泰坦上最大的甲烷區域被命名為海怪「克拉肯」海，面積超過 40 萬平方公里，超過了義大利的國土面積。深度超過 160 米，但波浪和潮汐非常微弱，只有幾厘米到十幾厘米。

雷達數據製作的偽色泰坦海洋地圖：藍色表示海洋，並非實際顏色

想像一下，在橙黃色的天空下，一片一望無際的深色液體，在甲烷風的吹拂下緩慢蠕動，因為氣溫過低，表面似乎是粘稠的，也不反光。在某些氣溫更低的地方，這些液體凍結成冰，但因為固體甲烷密度更大，冰會沉入海底。岸邊堆積著橙色的甲烷雪泥，液體甲烷經過河口河流匯入大海。

惠更斯降落的區域不是海洋，能看到黃色的大地和球狀的岩石。這些岩石和土壤不清楚具體的成分，但預計和地球上的不一樣，他們可能是固體的碳氫化合物、冰和破碎的岩石組成。

卡西尼-惠更斯任務拍攝：泰坦的真色照片

科學家猜測，泰坦表面有可能出現和地球截然不同的生命形式：這些生命可能呼吸氫氣，像代謝糖類那樣代謝乙炔，最終呼出甲烷。

2017 年 7 月卡西尼號傳回的數據顯示，泰坦的大氣中似乎有高分子量的碳化合物和丙烯腈的存在，這些成分可能能成為生命細胞的必須組成部分。

土星被發現了六十多顆衛星，北極還有一個會變色的六邊形風暴

分離惠更斯著陸器之後，卡西尼號繼續在土星軌道上運行了 12 年。這十幾年中，卡西尼號反覆掠過土星和土星環，拍攝和測量了一大堆數據。

卡西尼發現了 7 個新的土星衛星，加起來，土星衛星目前確認的超過 60 顆，有 52 顆有正式的名稱。

在土星環的 Keeler 縫中卡西尼號發現了一個新衛星 Daphnis，這基本上是一顆直徑 7 公里的大石頭，但是它和土星環產生了奇特的相互作用：在重力的影響下，Daphnis 周邊的土星環像波浪一樣翻動，後來發現這現象在土星環和衛星之間很常見。

卡西尼-惠更斯任務拍攝

1981 年，旅行者 1 號飛過土星時觀察到土星北極又一個巨大的常年風暴，在流體動力和土星自轉的影響下，這個風暴呈現相當規則的正六邊形。卡西尼號重新研究了這個風暴，發現它直徑超過 13800 公里，略大於地球直徑，每 10 個半小時轉一圈。

卡西尼號還發現，在不同的季節不同的光照條件下，這個六邊形風暴會在藍色和金色之間變化。科學家推測，這可能是太陽光分解了土星大氣的成分，形成了不同顏色的煙霧。

GIF/195K

卡西尼-惠更斯任務拍攝

在卡西尼號飛躍土衛二「恩多克拉斯」時，有了一個重要的發現：這顆衛星凍結的表面之下，很有可能有一個聯通整個衛星的液態水海洋。NASA 認為，這讓土衛二成為整個太陽系最有可能存在地外生命的地方。

卡西尼-惠更斯任務拍攝：土衛二「恩多克拉斯」

兩次任務延期之後，卡西尼號下個月將墜入土星大氣

卡西尼-惠更斯任務拍攝的最著名照片之一「地球微笑日」：這張背對太陽的照片包含了土星和其他太陽系天體，土星右下方處為地球

2008 年 4 月 16 日，NASA 宣布再投資兩年這項任務在地面所需的經費，同時更改任務名稱為卡西尼分點任務。2010 年 2 月 3 日，NASA 宣布卡西尼號第二次任務延期至 2017 年 5 月，這已經遠遠超過了它的設計壽命，但它狀況良好，可以繼續工作。

2016 年底，NASA 開始考慮如何結束卡西尼號的任務。他們列舉了幾種可能，比如去更遠的地方，比如海王星或者飛出太陽系；或者撞擊到土星環、土星表面或者土星的衛星上；還有更簡單的，讓它停留在土星軌道上。

最終，在研究了剩餘燃料可能，軌道變化可能性，科學研究的必要性之後，決定讓卡西尼號墜毀在土星大氣中。這其中有一個重要的原因，就是土衛二和土衛六上很有可能有生命或者支持生命的環境，而發射時未經太空檢疫的卡西尼號很有可能帶有地球微生物，墜毀在土星衛星上可能會帶來污染。

卡西尼號的預定墜落路徑

2017 年 4 月，卡西尼號進入最終的任務。它降低了飛行軌道，從距離土星 3100 公里的地方穿過土星和土星環之間，距離土星環內緣直只有 320 公里。

NASA 預計，2017 年 9 月 15 日前後，卡西尼號的軌道將低至土星大氣中，它將在土星大氣中燒毀，結束 20 年的科學任務。在最終毀滅之前，它將一直傳回探測數據。

卡西尼號燒毀的 CG 想像場景

未來，NASA 正在計劃關於土星的新探測計劃，比如再次進入土衛六的大氣中，或者設計一個潛水艇，深入土衛二的冰凍海洋。

題圖：NASA

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