“卡西尼号”的土星之旅

来源： 资料卡片杂志2004年第11期

   “卡西尼号”太空探测器在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后，已于北京时间2004年7月1日12时12分按计划顺利进入环绕土星转动的轨道，开始对土星大气、光环和卫星进行历时4年的科学考察。
35亿千米的征程


   380多年前，意大利科学家伽利略在人类历史上第一次把望远镜对准了天空中的星星，把古老的天文学推进到了一个全新的时代。伽利略在用望远镜观测土星的时候，发现土星的圆面两侧有好像人耳朵一样的东西。1659年，荷兰科学家惠更斯在经过更精细的观测之后确定，土星的这两个像耳朵一样的东西，实际上是连在一起的，是一个环绕土星的扁平圆环。


   卡西尼出生在意大利，后到法国，担任巴黎天文台首任台长。1675年，他在对土星光环进行观测时，发现在这个光环的中间有一条黑暗的缝隙，把光环分为内外两部分。后来，天文学家就把这条缝隙称为卡西尼环缝。


   1989年10月18日，美国和欧洲合作发射了“伽利略号”太空探测器。1995年12月7日，“伽利略号”进入绕木星飞行的轨道，开始对木星和木星的四颗大卫星进行科学研究。当年，正是伽利略用望远镜发现了这四颗木星卫星。把太空探测器取名为“伽利略号”，就是为了纪念伽利略的这一发现。


   受到“伽利略号”成功的鼓舞，美国和欧洲进一步合作，又研制了一个飞向土星的太空探测器，并且为了纪念卡西尼当年发现土星光环的环缝，就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。


   参加“卡西尼号”土星探测计划的国家一共有17个，它是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。“卡西尼号”直径3米，高7米，重6.4吨，携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器，取名为“惠更斯号”。


   “卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火箭的推力直接飞向土星，并要求它像现在这样在7年之内飞到土星，那么使用的燃料决不能少于70吨。然而，人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的火箭。因此，“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法，借用行星的引力来加快速度。


   “卡西尼号”发射后，首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠，利用金星引力获得加速。之后，它绕太阳一圈，于1999年6月再次在距金星600千米处飞掠，获得金星引力的第二次加速。同年8月，“卡西尼号”在距地球1171千米处飞掠，被地球引力再次加速。


   “卡西尼号”第二次离开地球后，才飞往太阳系的外层。2000年12月，它在距木星约１０００万千米处飞掠，获得了木星引力的加速。这时，它的速度超过了每秒30千米。然后，它才向目的地土星飞去。


   土星离开地球的距离，最近时不到13亿千米，最远时也不超过16亿千米，然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线，飞往土星的行程长达35亿千米。不过，磨刀不误砍柴功，飞行的时间并没有因此增加，而燃料却大大节省了。


进入环绕土星轨道


   北京时间2004年7月1日上午，“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”，离开我们的距离超过15亿千米，以至于它与地球之间的无线电通信联系，尽管无线电波以光速传播，可是单程就要花84分钟。于是，对于在“卡西尼号”发生的事情，就有了两个时间，一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间，另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间，后一时间比前一时间晚84分钟。


   下面，我们还是以地球上“看到”事情发生的时间为准，而且，我们采用北京时间来表示地球时间。
“卡西尼号”的任务之一就是对土星的光环进行探测。尽管它初来乍到，然而入轨过程本身，就是在预期4年的探测运行中一个绝好的与土星距离最近的机会，它与土星表面云层顶部的距离最近时只有大约2万千米。科学家自然不会放过这个机会开展对土星光环的探测，因此在它入轨的过程中安排了两次穿越土星光环。


   整个入轨过程，包括两次穿越光环，每一个步骤，都是预先经过精密计算设定的，由电脑控制着所有事情有条不紊地进行。


   “卡西尼号”是从F环和G环之间的缝隙穿越土星光环的。这道环缝是土星光环中最宽的一道环缝，宽达3万千米。环缝中，仍然可能弥漫着一些微粒。“卡西尼号”从环缝中穿过，如果有微粒撞击到它的要害部位或者携带的科学仪器，将有可能造成非常坏的后果。为此，“卡西尼号”在穿越土星光环之前，首先调整姿态，转身180度，把原来位于尾部朝向地球的直径4米的盘状天线，转到前进方向，成为对付环缝中微粒的“盾牌”。


   9时11分，“卡西尼号”调整姿态；10时08分，它开始从光环下面穿越光环；10时11分，它到达光环上方，穿环成功。然后，它再把身子转回来，让发动机的喷气管朝向前方，以便点火后形成减速阻力。10时21分，“卡西尼号”再次转身成功；10时36分，发动机点火，“卡西尼号”开始减速。在土星引力的作用下，减速后的“卡西尼号”转过一个大弯，逐渐进入预定的运行轨道。


   12时12分，“卡西尼号”的发动机熄火。这时，它已由原来的飞向土星的路线完全转到环绕土星运行的轨道。然后，它开始对土星和土星光环进行近距离的探测，包括用磁力计测量土星磁场的强度和方向，检测穿越光环时所碰到的微粒大小和光环厚度，以及估测光环的组成、温度和结构。


   13时32分，“卡西尼号”再次调整姿态；13时58分，它再次穿越光环，从光环上方回到光环下方。然后，它把盘状天线转到朝向地球方向，进入正常运行状态。


全面探测土星家族


   “卡西尼号”在环绕土星运行的4年中，将近距离地纵览土星全貌，对土星和它众多的卫星进行全面考察。


   “卡西尼号”从2004年1月起，就开始拍摄土星家族全面、完整的照片和电影。“卡西尼号”携带的照相机，比哈勃太空望远镜上的同类照相机性能更好。


   在临近入轨之前，6月11日，它对土卫九进行了探测，拍摄了这颗卫星极其清晰的照片。土卫九是土星距离最远的一颗卫星，半径110千米，科学家猜想它是被土星俘获的一颗小行星。“卡西尼号”在离开它2000千米处经过，对它的质量和密度进行了测量。


   2005年2月17日，“卡西尼号”将在离开土卫二1179千米处经过，而同年3月9日，距离更近到499千米。土卫二半径250千米，表面非常明亮，几乎能反射百分之百的阳光。科学家怀疑它的表面是光滑的冰层，“卡西尼号”将探测它的磁场，以判断它的表层下面是否有含盐分的水存在。


   2005年4～9月，“卡西尼号”的轨道将从土星赤道面改变到与这一平面成22度夹角，居高临下对土星光环和大气进行测量，进一步探测光环结构、组成光环的物质粒子和土星大气物理特性。


   2005年9～11月，“卡西尼号”将逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三，分别对它们进行观测。土卫四半径560千米，土卫五半径870千米，它们的外表很像我们的月亮，密布环形山。土卫七位于土卫六与土卫八之间，形状不规则，最长处直径175千米，很像一颗小行星。土卫三半径530千米，密度和水一样，很可能是一个冰球。


   2006年7月到2007年7月，“卡西尼号”将系统地监视和拍摄土星、土星光环、土星磁层的图像。2007年7～9月，它将再次拍摄土星及其家族的电影，并在9月10日到离开土卫八约1000千米处对土卫八进行观测。土卫八半径为720千米，其表面一面颜色很暗，另一面却接近白色，很为奇特。


   2007年10月到2008年7月，“卡西尼号”将逐步地进一步增大轨道与土星赤道平面的夹角，最后达到75?郾6度。这样，“卡西尼号”就能更好地观测土星的光环，测量远离土星赤道平面处的磁场和粒子、监视土星的两极地区和观测土星极光现象。其间，在2007年12月3日和2008年3月12日，它将两次接近土卫十一，分别在离开土卫十一6190千米和995千米处对这颗卫星进行观测。


   (严青摘自《自然与人》2004年9、10月号，王家骥文)


土星概况


   土星是离太阳第六远的一颗美丽的行星，凡是用望远镜看过土星的人，无不惊叹不已。土星公转轨道半径为14亿千米，冲日时最大亮度为0.4星等。土星那橘色的表面，漂浮着明暗相间的彩云，配以赤道面上那发出柔和光辉的光环，远远望去真像个戴着顶大沿遮阳帽的女郎。


   土星大小仅次于木星。其直径约12万千米，是地球的9.5倍；体积是地球的730倍。但它的平均密度却比水还要小，仅有0.7克/立方厘米。假如将土星放入水中，它会浮在水面上。


   土星内部结构与木星相似，也有岩石构成的核。核的外面是5000千米厚的冰层和金属、氢组成的壳层。土星的大气运动平静、单纯而快速。土星表面的喷射流，速度最快时可高达400米/秒以上。可真正的土星表面是看不到的，我们看到的只是云顶，其温度低于零下200℃。


   土星自转一周为10小时14分。由于自转迅速，赤道凸出成为一个扁球体，赤道半径要比两极半径大6000多千米。土星公转周期为29?郾5年，约合二十八宿之数，每年镇一宿，故古时我国又称其为“镇星”。土星运动迟缓，人们便将它看作时间和命运之神的象征。罗马神话中称其为萨图努斯神，即希腊神话中的克洛诺斯，是神王宙斯之父。


奇妙的土星环


   土星最让人着迷的便是美丽的土星环，其结构极为复杂。


   人们根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度最暗；其次是C环，透明度最高；B环最亮；最后是A环。在A环和B环之间就是著名的卡西尼环缝，缝宽约5000千米。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是E环，十分稀薄和宽广。


   这些环每一层可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环。土星环的整体形状类似一张巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。光环的颜色远看是红棕色，其实每层都稍有不同，C环是蓝色，B环内层为橙色，外层为绿色，A环为紫色，卡西尼缝是蓝色的。

(以上二则由本刊资料室编写)