窺探土星

方玄昌　張　雙

“卡西尼號”穿越土星光環(huán)。

在接下來4年中，太陽系中最美麗、最神秘的這顆行星的面紗將被“卡西尼號”探測器逐步揭開

經(jīng)過近7年的長途跋涉，在太空飛行35億公里后，土星探測飛船“卡西尼號”于北京時間7月1日12時12分，按照預(yù)定計劃成功飛入土星軌道。

“卡西尼-惠更斯”土星探索計劃耗資33億美元，由美國宇航局、歐洲航天局和意大利航天局聯(lián)合實(shí)施。在進(jìn)入軌道后短短幾天，它已經(jīng)向地球發(fā)回一系列有關(guān)土星的極具價值的信息。在此后長達(dá)4年的繞土星飛行中，“卡西尼號”將對土星大氣、光環(huán)和衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)研究。

煞費(fèi)苦心的飛行路線

據(jù)北京天文臺研究員李競介紹，“卡西尼號”要考察的信息量極其龐大，單是要拍攝的圖片就不少于50萬幅。這就使得它攜帶的儀器設(shè)備五花八門，有將近30種儀器，使得重量空前，達(dá)到6噸左右(有5.7噸、6.4噸、6.2噸等不同數(shù)字)。它是人類有史以來建造并已經(jīng)發(fā)射的最復(fù)雜的太空探測器。

這個數(shù)字決定了一個事實(shí)：如果正常地用火箭發(fā)射并使它的速度達(dá)到現(xiàn)在這么大(7年飛到土星)，使用的燃料決不能少于70噸，則這件事情變成一個不可能——至今沒有那么大的火箭。這就逼迫它走另外一條路線——借行星的引力加快速度。

“卡西尼號”1997年發(fā)射，以略高于11.2公里(第二宇宙速度)的速度擺脫地球引力。但發(fā)射時卻沒有對準(zhǔn)遠(yuǎn)離太陽的土星軌道，而是“南轅北轍”，向地球公轉(zhuǎn)軌道的內(nèi)側(cè)飛去。發(fā)射方向和地球公轉(zhuǎn)方向一致，相當(dāng)于地球給了它一個加速。1998年4月，它在距金星284公里處飛掠，在金星重力場借力獲得加速。之后它繞太陽一圈，于1999年6月在距金星600公里處再次飛掠，獲得金星的第二次加速。同年8月，“卡西尼號”在距地球1171公里處飛掠，被地球再次加速。

第二次離開地球后，“卡西尼號”才飛往太陽系的外層行星軌道。2000年12月，它在距木星約1千萬公里處飛掠，獲得了木星的加速。這樣，它的速度超過了每秒30公里——這是導(dǎo)致恐龍滅絕的那個撞擊地球的小天體的飛行速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何炮彈、子彈的速度。最后，它才向真正目的地土星飛去。

“僅僅7年時間，‘卡西尼號就得以飛到土星。這么復(fù)雜的加速、飛行路線，就決定在發(fā)射的一瞬間，發(fā)射的方向和力量都要計算得準(zhǔn)確無誤。這真是科學(xué)的成功?！崩罡傇诮邮鼙究浾卟稍L時不由得發(fā)出感慨。李競在當(dāng)年“卡西尼號”發(fā)射升空時，曾經(jīng)應(yīng)《科技日報》之邀寫作《“卡西尼號”空間探測器為何飛赴土星？》一文。

核能供電遭遇尷尬

“卡西尼號”要工作4年，攜帶將近30種儀器，儀器需要的電能從哪里來呢？

往常飛行器上的儀器都配置太陽能電池，但土星離太陽的距離10倍于日地距離。離太陽越遠(yuǎn)，需要的太陽能板越大，在那么遠(yuǎn)的地方靠太陽充電，也成為不可能。而火箭上攜帶的固體燃料又不能用在儀器上，所有科學(xué)試驗(yàn)都得另找能源。

最后，科學(xué)家利用的是惟一可行的一種能源——放射性核能，供電設(shè)備叫做“放射性熱電發(fā)生器”。放射線能累積成為熱能，熱能轉(zhuǎn)變成電能。

但帶有放射性元素的電池卻是環(huán)保大忌。“卡西尼號”的發(fā)射因此而引起全球環(huán)保組織的抗議。歐洲綠色環(huán)保組織集體抗議，理由是“卡西尼號”將再次經(jīng)過地球上空不高的地方，萬一出現(xiàn)意外撞擊地球，砸到紐約怎么辦？

熱電發(fā)生器是有大爭議的，但如果沒有它，飛船上的計算機(jī)就沒有能源，不可能有持續(xù)四年的考察。熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)精巧，提供電能又比較可靠，人類目前還沒有更好的方法來代替它。于是，“卡西尼號”的發(fā)射出現(xiàn)了戲劇場面——科學(xué)家最后只好背著抗議者偷偷發(fā)射。

復(fù)雜之極的任務(wù)

“卡西尼號”在今后4年內(nèi)，將繞土星飛行74圈到76圈，這期間不光盯住土星和它美麗的環(huán)，還要考察衛(wèi)星，考察包括土衛(wèi)六在內(nèi)的9顆衛(wèi)星，每顆不少于一次接近它。

它重要的一項(xiàng)任務(wù)是研究土星的大氣活動。土星10個多小時自轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)速度快得異常，“塊頭”又大，結(jié)果它的形狀變成了扁橢形。土星的赤道半徑和極半徑之比是10：9，這種比例在太陽系大行星中獨(dú)一無二。

快速的旋轉(zhuǎn)還導(dǎo)致另一種結(jié)果，那就是土星上的大氣環(huán)流非常激烈。劇烈的大氣活動又導(dǎo)致土星上出現(xiàn)大白斑(與木星上的大紅斑類似)，大白斑是一個大氣旋，直徑至少要比地球的大。初步研究認(rèn)為，大白斑已經(jīng)有400年歷史了，沒人知道它為什么持久保留?！翱ㄎ髂崽枴睂Υ蟀装叩却髿饣顒舆M(jìn)行考察，還要研究土星大氣的化學(xué)成分，

“卡西尼號”的另一項(xiàng)任務(wù)是要研究土星的磁場。土星的磁極極其怪異，其方向和土星南北極方向幾乎垂直，這在太陽系中絕無僅有。而且土星磁場強(qiáng)度十倍于地球?！把芯客列堑拇盘卣魇亲屓舜箝_眼界的，得說明它是怎么回事，是怎么起源的。還要研究磁極對地球的影響：磁極對著地球時會怎樣，不對著地球時又怎樣?！崩罡傉f，“卡西尼號”上因此裝了很多探測磁的設(shè)備。

另外，“卡西尼號”還要間接研究土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)是無法看到的，但長時間觀察表面現(xiàn)象可以得到關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。

“卡西尼號”還有一項(xiàng)引人注目的任務(wù)，就是觀察環(huán)繞土星的多層、多帶的環(huán)。上個世紀(jì)50年代以后，天文學(xué)家有一個假說“大體積行星的環(huán)結(jié)構(gòu)普遍存在”，這一假說后來被證實(shí)?，F(xiàn)在證明太陽系四個大行星(木星、土星、天王星和海王星)全有環(huán)，環(huán)結(jié)構(gòu)的形成和演化變成了一個值得研究的問題。

土星的光環(huán)之雄偉其他行星無法可比，又寬又大。對于這個環(huán)，人類了解很少，但根據(jù)環(huán)動力學(xué)，它是個年輕的結(jié)構(gòu)，比土星要年輕得多，而且很可能也是短命的?！巴列黔h(huán)不是永久存在的，它將怎樣演變、將來以什么方式瓦解，都要通過近距離觀察來了解，這對研究同類行星的環(huán)的形成及演化都具有價值?！崩罡傉f。

“惠更斯”將在土衛(wèi)六尋找生命

在土星周圍，現(xiàn)在真正讓科學(xué)家和天文愛好者感興趣的是土衛(wèi)六，因?yàn)檫@顆衛(wèi)星的大氣環(huán)境與地球形成初期十分相像，觀測土衛(wèi)六就相當(dāng)于觀測40億年前的地球。并且，它是被科學(xué)家認(rèn)為可能存在地外生命的已知少數(shù)幾顆星球之一。

土衛(wèi)六是太陽系中惟一擁有濃密大氣層的衛(wèi)星。今年12月25日，“卡西尼”號所攜帶的“惠更斯”探測器將與“卡西尼號”軌道器分離，經(jīng)過20多天飛行后，預(yù)計于明年1月14日穿過土衛(wèi)六外圍大氣層，展開降落傘著陸，對土衛(wèi)六的大氣和表面進(jìn)行探測。

“希望它能平安著陸，順利工作半小時，那就能帶回相當(dāng)多信息。最大的謎就是上面有沒有、有什么形態(tài)的生命形式存在。如果有，那就是破天荒的——現(xiàn)在人們都認(rèn)為地球生命不是惟一的，但一直沒有拿到證據(jù)。假如土衛(wèi)六上存在某種我們不熟悉的生命，那就說明生命的形式更多樣化。無論生命在土衛(wèi)六上存在與否，結(jié)果都很重要?？赡苊髂瓿蹙蜁薪Y(jié)果。”李競說，土衛(wèi)六表面溫度極低(平均約為-178°C)，其冰層下如果存在生命，可能完全不需要氧氣，不需要太陽能，生命形態(tài)肯定讓人大開眼界。土衛(wèi)六表面有冰的海洋，“先驅(qū)者”11號、“旅行者”1號、2號都證明了這一點(diǎn)。

如果“惠更斯”能按計劃成功著陸，它將是首個在月球以外的一顆天然衛(wèi)星上登陸的人造探測器。雖然它可能只是在短短的時間內(nèi)進(jìn)行實(shí)地考察，但其意義是空前的。

“卡西尼號”的最終歸宿

“卡西尼號”將在4年后完成探測任務(wù)，之后它將飛往何處？

“‘卡西尼號完成任務(wù)后，即使能量沒有耗盡，也已經(jīng)沒有足夠力量擺脫土星引力。它的最終命運(yùn)將和木星探測器‘伽利略號一樣，科學(xué)家會指揮它主動墜毀于土星?！崩罡傉f?！百だ蕴枴庇?003年9月21日主動墜毀于木星，讓它主動墜毀的原因是怕它能量耗盡后失去控制，萬一撞上木衛(wèi)二等可能存在生命的衛(wèi)星，飛行器上可能攜帶的地球微生物會污染這些衛(wèi)星，妨礙以后對它們的研究。

現(xiàn)在“卡西尼號”也面臨同樣的問題。對于這些鞠躬盡瘁的飛行器來說，科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)有時似乎變成了一種地地道道的殘忍。