永别了，卡西尼！
2017年4月4日，NASA的喷气动力实验室（JPL）正式公布了卡西尼探测器的最终轨道计划。预计在9月15日，已经在太空飞行接近整整20年的卡西尼探测器将进入土星大气，在剧烈的大气摩擦中解体蒸发成土星超音速风暴的一部分。为避免卡西尼上携带的人造物质污染可能有生命存在的土星卫星，NASA决定让这个从1988年开始，17个国家合作的太空探测器以最绚丽的方式结束任务。今日就让我们来回顾下“卡西尼”探测器极具传奇的一生。
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“卡西尼”的谢幕演出，为此JPL特别制作了一段壮美的回顾动画，即使你不打算通读全文，我们也强烈建议你戴上耳机或者调大音量，看一遍这个动画，感谢群友“火星”翻墙搬运，David Jul翻译、压制和上传
卡西尼的故事要从1983年开始，NASA和ESA听从天文学家的建议，开始研究前往太阳系外层行星的可能的探测器。随后1988年卡西尼-惠更斯项目正式创立，NASA负责土星探测器“卡西尼”，ESA则负责子探测器土卫六“泰坦”的“惠更斯”降落器。探测器以意大利出生的法国天文学家乔凡尼•多美尼科•卡西尼命名，他是土星四大卫星（土卫三，四，五，八）和土星环环缝的发现者。子降落器则以荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安•惠更斯命名，他是土星环和土卫六“泰坦”的发现者。除去建造“卡西尼”的美国喷气动力实验室（JPL），建造“惠更斯”的法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司，和提供“卡西尼”-“惠更斯”通讯天线的意大利宇航局以外，另有14个欧洲国家加入其中，使“卡西尼-惠更斯”成为有史以来参与国家最多的太空探测项目。
克里斯蒂安•惠更斯对土星的描述手本
“卡西尼”的主要任务包括研究土星磁场以确定土星自转轴，研究土星大气和土星环成分，以及通过近距离飞掠土星7颗大型卫星来获得关于土星卫星的信息，进一步了解这些质量和体积已堪比行星的巨型卫星。“惠更斯”降落器的任务则是降落到拥有稠密大气层，且最有可能地表存在液体的土卫六“泰坦”，调查土卫六的大气和表面地貌状况。
“卡西尼-惠更斯”探测器发射
在长达9年的建造后，“卡西尼-惠更斯”探测器在1997年10月15日从卡纳维拉尔角的SLC-40发射升空，有趣的是发射的火箭恰好是和土卫六同名的“泰坦”IV型火箭。随后半人马座上面级将探测器送入环太阳轨道，开始预计7年的深空飞行。为确保探测器有足够动能到达土星，“卡西尼-惠更斯”探测器在1998和1999年两次借助金星引力加速，随后又借助地球和月球引力加速，在2000年借助木星引力加速后，终于在2004年7月1日进入土星轨道。12月15日“惠更斯”和“卡西尼”分离，次年1月14日成功在土卫六表面着陆，“泰坦”也成了人类迄今为止造访过天体表面的距离地球最远的星体。
“卡西尼-惠更斯”的漫漫长路
由于土星距离太阳平均距离是地球的9.6倍，太阳能电池板供电严重不足，为支持预计的11年任务时长，“卡西尼”一口气带了三个放射性同位素热电机（RTG）供电，（有兴趣了解RTG的可以参阅我们的往期文章：如果把核反应堆送上太空，后果会如何？说不定某天会砸在你头上！）预计可提供电力一直到2030年。这总共99千克的二氧化钚-238外加上“卡西尼-惠更斯”携带的18台各类型光学和电磁仪器，使其成为迄今为止造过的发射质量最大的深空探测器（5712千克）。
“卡西尼-惠更斯”发射组装
“卡西尼-惠更斯”探测器结构图，底部三个黑色圆柱体即为RTG
“惠更斯”降落器在和“卡西尼”分离前由RTG供电，分离后则由自身的燃料电池供电。“惠更斯”的相机拍下了完整的两个半小时降落过程，并通过携带的6台仪器测量了土卫六表面风速，气压和气体成分，这些数据随后经由“卡西尼”接力传回地球。在拍摄了土卫六表面的第一张彩色照片后，“惠更斯” 在着陆传输了90分钟数据后，因电池能量耗尽而停止工作。正是这唯一的一张地表照片，为人类揭示了一个真实的“泰坦”，一个有着液体甲烷河流，烟雾弥漫的橙色星球。“惠更斯”的麦克风更捕捉到了“泰坦”上的声音，这亦是人类第一次听到来自其他星体的声音。
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惠更斯着陆时的实拍录像，JPL发布，人类首次亲眼见到浓密大气下泰坦的真容
“惠更斯”降落过程
土卫六“泰坦”地表
有趣的是因为先前对土卫六的观测认为其表面存在液体甲烷，“惠更斯”被设计成可漂浮在液体甲烷表面。虽说最终降落在固体上，但“惠更斯”的仪器证实了土卫六大气有着相当多的气体甲烷，大约占大气成分4%-6%，地表的甲烷相对湿度更是达到了50%，这意味着土卫六大气层中气体甲烷饱和度非常高。
“惠更斯”降落器图解
送走了“惠更斯”，“卡西尼”继续土星系统的探索任务。作为第一个环绕土星飞行的人造卫星，“卡西尼”取得了大量土星大气，土星环和土星卫星的数据。这其中比较有名的包括发现7个全新的土星卫星，以及在2010年近距离观测了30年一遇的土星乙烯大白斑风暴，科学家们估算此次“卡西尼”观测到的静电风暴比木星大红斑的风暴还要巨大且猛烈，很可能是太阳系内观测到的最大风暴。
“卡西尼”拍摄到的几乎覆盖土星北半球的大白斑静电风暴。
不仅是土星本身，“卡西尼”对土星卫星的观测更具有科学价值。2006年7月21日，“卡西尼”的雷达成像照片中首次发现土卫六“泰坦”的北半球存在直径约为100千米的碳氢化合物湖泊，这是首次在地球以外的星体发现湖泊。2007年3月13日，喷气推进实验室（JPL）正式宣布土卫六北半球存在碳氢化合物湖泊群，至少其中一个湖泊的面积要大于北美五大湖中最大的苏必利尔湖。随着甲烷-液氧引擎慢慢步入火箭飞船推进主流，富含液体和气体甲烷的“泰坦”颇有一种未来太空“加油站”的感觉。
“卡西尼”发现的位于土卫六北极的诸多碳氢化合物湖泊（图中蓝色）
不过对于大部分天文学家来说，土卫六的甲烷远没有“卡西尼”对另一个土星卫星的新发现来的劲爆。2005年“卡西尼”首次近距离观测土卫二“恩克拉多斯”，和之前认为的其是一颗稳定的由冰层覆盖的卫星不同，“卡西尼”的雷达成像系统拍摄到土卫二南极冰层裂缝剧烈的冰晶喷射，这使得土卫二成为太阳系第四颗被证实存在火山活动的天体。（其余三颗分别是地球、海卫一和木卫一）此发现为土卫二是土星E环主要物质来源的猜想提供了关键证据。
表层由冰层完全覆盖的土卫二，此照片由“卡西尼”的高清相机拍摄
“卡西尼”的雷达成像相机拍摄到的冰晶喷射
随后在2008年3月12日，“卡西尼”以距离地表仅50千米的距离再次飞掠土卫二，质谱仪发现喷射物质中含有包括丙烷，乙烷和乙炔在内的化学物质，这意味着土卫二有存在生命所需的复杂碳氢化合物。NASA在2014年4月3日宣布根据喷射物质的数据分析，土卫二冰层下存在液态咸水海洋。紧接着在2015年9月NASA又宣布根据“卡西尼”的引力和拍摄数据，土卫二的表层冰层与星核并不相连，这意味着覆盖整个星球的冰层下还有覆盖整个星球的海洋。部分科学家认为咸水海洋中的有机物，配合上土卫二因被土星和其他土星卫星引力合力下往复挤压产生的热量，非常有可能会诞生生命。至此“恩克拉多斯”正式成为太阳系可能存在生物的天体中的一份子。
NASA现阶段认为的土卫二“恩克拉多斯”星体构造
正因为“卡西尼”众多的科学成就，原计划4年的任务分别在2008年和2010年获得更多经费两次延长任务时长，直至2017年“卡西尼”用完携带的全部轨道调整燃料为止。2016年11月29日“卡西尼”第125次飞掠“泰坦”，朝着穿越土星F环的轨道驶去。这是“卡西尼”绝唱”，它将会成为首个穿越土星环的探测器，并在接下来的140天内连续20次穿越土星环，在任务的最后用余热近距离对土星环进行拍摄。2017年4月22日“卡西尼”将最后一次近距离飞掠土卫六，借助土卫六的引力最后一次变轨，开始真正的“谢幕”飞行。
“卡西尼”两次任务延长后不同的土星环绕轨道
“卡西尼”的谢幕演出“绝唱”（Grand Finale Orbits，图中蓝色）的轨道
从2017年4月26日开始，“卡西尼”要22次穿越土星与最内缘土星环之间只有2400公里的缝隙，并在第23次穿越时一头扎进土星上层大气，为自己漫长的探测旅程画上句号。不过JPL不打算让如此传奇的“卡西尼”简单的坠入土星大气，从来没有那个探测器能如此近距离接触土星，所以“卡西尼”全程都要尽力把自己的高频天线对准地球，发送近距离获取的关于土星大气的所有数据，直到化作土星上空绚丽的流星。
卡西尼的最后22次轨道，最右的红色轨道及进入土星大气轨道
接近20年的任务将在2017年9月15日正式结束
对于已在“卡西尼-惠更斯”项目上工作20余年的NASA，ESA和JPL工作人员来说，这是好友的诀别也是一整个篇章的结束。不过这绝不是整本书的结语，“卡西尼-惠更斯”的科学成就，应激发更多的深空太阳系探索，继续着人类最终疆界的探索。就像许多已经把“地球微笑之日”当作电脑背景的项目工作人员那样，“卡西尼-惠更斯”探索的不仅是未知的世界，也是人类自己。
这张“卡西尼”在格林尼治标准时间2013年7月19日21:27分拍摄的完整土星系统照片，被NASA命名为“地球微笑之日”。土星巨大的身躯挡住了太阳的光芒，“卡西尼”的相机得以把部分土星卫星，金星，火星以及地球拍摄在同一张照片上。我们所认识的所有人，所有人类的历史和60多亿的生命，在这张照片中不过是几个像素的浅蓝色亮光，“地球的微笑”在宇宙中便是如此的渺小，却又如此的美丽。
永别了，卡西尼，谢谢你给人类留下了最好的礼物。
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