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NASA新儀器——SELFI將進一步研究土衛二的噴射羽流

2015年10月28日,在卡西尼號航天器最後一次,也是最深一次穿越噴射羽流的過程中,探測到來自土二衛的氣狀、冰冷羽狀噴射物中含有氫氣。這幅圖描繪了水與衛星海底岩石相互作用產生氫氣的理論。戈達德太空飛行中心某團隊想要開發一種儀器來揭示更多關於海底熱泉的細節,這也許可以幫助我們知曉這個海洋世界是否存在生命。

來源:NASA/加州理工學院噴氣推進實驗室/西南研究院

NASA科學家和工程師們雄心勃勃,他們已經構想並計劃建造一架亞毫米波或無線電儀器,並搭載在土星南極的靜止小衛星——土衛二上,用以研究其噴射出的間歇泉中水汽和冰粒的成份。

NASA位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心的一個小組最近在推進亞毫米土衛二生命基礎儀SELFI(Submillimeter Enceladus Life Fundamentals Instrument)的技術開發時獲取到了所需的支持。SELFI首席研究員Gordon Chin表示,這台遙感儀器代表了當前最先進的亞毫米波設備的巨大進步。

SELFI旨在測量土星的第六大衛星,即土衛二,裂隙中噴射出的水汽和冰粒羽狀物中的化學物質痕迹,這些裂隙也被稱為老虎紋。科學家們相信通過研究這些羽狀噴射物,可以推斷出衛星冰殼下的海洋組成物質,以及存在外星生命的可能性。

NASA最近結束的卡西尼任務發現,土衛二表面大約有100個地點不斷噴射出顆粒、水蒸氣、二氧化碳、甲烷和其它氣體的羽狀物,科學家們對此興趣盎然。雖然最初科學家認為土衛二是冰凍固態的,但卡西尼的數據揭示了衛星軌道有輕微的擺動,意味著冰層下有全球性流動著的海洋。土星的潮汐力似乎拉動和擠壓著土衛二,使之產生足夠的熱量來保持其內部的水液態,並且這些熱量足以沖裂冰殼,從而水氣從這些裂隙中噴射到太空。

科學家最終想要解答的問題是,是否有生命存在於土衛二或外太陽系的其它冰冷世界中。在地球海洋的底部,海底熱泉容納了千萬種欣欣向榮的生命。土衛二也有溫暖的海底熱泉,那麼在那裡可能存在生命嗎?

「亞毫米波屬於很高頻的無線電波,它給我們提供了一種測量冰冷氣體中多種分子數量的方法。我們可以掃描所有的土衛二羽流來一探究竟,」Chin說道,「水蒸氣和其它分子可以揭示海洋中的某些化學物質,並引導航天器以最佳路徑穿越羽流以直接進行其它探測。」

就像電台調頻

「水和一氧化碳分子,包括其它分子,它們就像一些有著特殊頻率的小廣播電台一樣,在說『我是水,我是一氧化碳",」Chin繼續補充道,亞毫米頻譜儀對這些波長很敏感,就像調諧具有特定分子呼號的無線電台一樣。「這些頻譜線非常離散,我們可以毫不費力地識別和量化其化學成分,」戈達德工程師兼任系統總工程師Paul Racette補充道。

頻譜儀被用於所有波長或頻率的空間科學,可以分析行星、恆星、彗星和其它星球上的氣體和固體的化學成分,為科學家提供大量的物理性質信息。由於製造亞毫米敏感儀器極其複雜,因此調諧到亞毫米波段還是相對較新的實踐。

在NASA研發資金的支持下,Chin和他的團隊正在通過一台放大器增強557GHz附近的信號,該頻率能從水中發出最強信號,從而提高儀器的靈敏度。這將提高測量設備的測量能力,哪怕在低溫下也能探測到微乎其微的水量和氣體痕迹,並探查整個土衛二的地表噴射口,Racette說。

該團隊還在創建一套更加節能和靈活的射頻(RF)數據處理系統和一台尖端的數字頻譜儀。數字頻譜儀將採用高速可編程電路將RF轉換成數字信號,通過分析這些數字信號來測量羽流的氣體量、溫度和速度。

由於這些改進,SELFI將能夠同時檢測和分析13種分子,包括各種同位素形式的水以及甲醇、氨、臭氧、過氧化氫、二氧化硫和氯化鈉(即食鹽的主要成分,是它讓海水變鹹的!)

「SELFI很新,」Chin說道。他相信團隊能夠充分地完善儀器,滿足未來使命的需要,「這是有史以來最有野心的亞毫米級儀器之一。」

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