一个小时代的终结：14张图纪念卡西尼号13年土星之旅
原文以Cassini’s 13 years of stunning Saturn science — in pictures为标题
发布在2017年8月30日的《自然》新闻特刊上
原文作者：Alexandra Witze
随着卡西尼号的任务接近尾声，《自然》对科研人员已获得的土星卫星、土星环以及土星风起云涌的大气层的情报进行了总结。
20年前，在佛罗里达的一个闷热而又潮湿的清晨，卡西尼号无人航天器从卡纳维拉尔角呼啸而起，划亮了天空。在经历了35亿千米的旅程，并围绕土星运行了13年后，卡西尼号的燃料将要耗尽。今天，9月15日，卡西尼号在地球上的控制中心将使它坠入土星大气层的云顶，防止它和土星卫星意外相撞，污染任何可能孕育生命的星球。
2004年，卡西尼号成为首个环绕土星运行的航天器。
NASA/JPL
直到辉煌炙热的“终曲”响起前，卡西尼号会一直向地球发送数据——不愧是人类历史上最成功的星际任务之一。卡西尼号航天器是美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和意大利航天局（Italian Space Agency）的一个合作项目，也是第一个围绕土星运行的航天器。和最早飞临土星的航天器先驱者11号（Pioneer 11，1979年）、旅行者1号（Voyager 1 ，1980年）、旅行者2号（Voyager 2，1981年）相比，卡西尼号拥有更多搜集科学数据的时间，而卡西尼号也确实带来了不少新发现。
当卡西尼号绕着威严的土星旋转、沿着优美的土星环舞蹈，并和土星奇异的卫星擦身而过时，它收获了数量惊人的新数据。NASA喷气推进实验室（JPL）的行星科学家，同时参与了卡西尼号项目的Linda Spilker 表示，“筹备卡西尼号的时间很漫长，但绝对值得等待。它获得了如此多的令人难以置信的成就，我们感到非常自豪。”
Cassini: NASA/JPL; Orbital schematic: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech
卡西尼号发现了促使土星环形成的混沌动力学以及土卫二上喷发出的间歇泉，并且还目睹了土星大气层中汹涌澎湃的风暴。它还观察到了近半个土星年中季节的变换，一开始是昼夜平分点，后来是至日，季节变换也引起了气候模式的变化。纵观卡西尼号任务的始末可以发现，土星已不再是个陌生的星球，而把它富于连续变化的、充满活力的一面展现在我们面前。卡西尼号的观测成为了理解气态巨行星复杂性的基石。NASA的朱诺号太空探测器继承了卡西尼号的“遗志”，目前在木星附近探测。
土卫二上的间歇泉向太空喷射出水蒸气和混合着有机物分子的冰晶。
NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona/Univ. Idaho
卡西尼号释放惠更斯号探测器的那一刻也创造了历史，因为惠更斯号探测器是第一个在外太阳系着陆的航天器。2005年，惠更斯号探测器花了两个半小时才英勇地降落在了土卫六上，随后它发回了土卫六的快照。看起来这个星球是一片冰冻的漫滩，地表的岩石星罗棋布。卡西尼号随后的测绘表明，土卫六上密布着碳氢化合物的湖泊和河流，天上则下着甲烷雨和乙烷雨，雨水又回流到湖泊和河流里。
土卫六的湖泊里是液态的碳氢化合物，在阳光的照射下闪闪发光。
NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona/Univ. Idaho
由于官方并不打算在近期再次派探测器前往土星，因此9月15日将成为一个时代的终结。Spilker 表示，“在卡西尼号投身土星大气的最后那一天，我们将一直监视它发回的信号。那个道别的日子将很煎熬。”
卫星的展览馆
卡西尼号带来的最大惊喜是，它研究了超过60个土星卫星。它给我们带来的问题和解决的问题一样多。
在这一系列拍摄于2005年的照片中，土星的三个卫星——土卫十一、土卫十，以及更大的土卫四相互擦身而过。
NASA/JPL/Space Science Institute
当一大圈物体从土星的另一个卫星——土卫九上鱼贯而下时，研究人员终于发现了土卫八的秘密。原来土卫八长着一张阴阳脸——半面明亮，半面黯淡无光，这是因为它的前半面从土卫九上掉落的岩屑中跋涉过的原因。在研究为什么带着坑坑洼洼的环形山的土卫一在它的自转轴上晃晃悠悠的时候，卡西尼号的科学家意识到，这个星球要么有一个地下海洋，要么它的内核被拉得很长。
土星的卫星有各种各样的形状。
NASA/JPL-Caltech/SSI
卡西尼号对土星最小的卫星进行了观测，以前从没有那么近距离地观察它们。卡西尼号发现这些小卫星每个都长得奇形怪状。土卫七看起来像块海绵；土卫十八看起来像一个太空意大利饺子；土卫十七上有个巨大的撞击坑，这是很久以前的一次碰撞留下的“伤疤”。
在土卫六朦胧的地表，散落着和岩石一样坚硬的冰块，装饰着这片不一样的风景。
ESA/NASA/JPL/University of Arizona
不过最令人惊讶的观测来自土卫六和土卫二。土卫六是土星最大的卫星。在土卫六上，卡西尼号发现了一个和生命诞生前的洪荒地球的化学成分类似的世界。惠更斯号着陆器是电池驱动的，它在土卫六表面运行了72分钟。在这段期间，它拍摄了土卫六地表的照片，从照片中可以看到土卫六笼罩在橙色的浓雾中，地面上散落着冰冻的岩石。
卡西尼号从上方用雷达和其他仪器为土卫六进行了测绘。测绘结果表明，土卫六上有巨大的冰山丘，这些山丘的表面覆盖着一层薄薄的碳氢化合物。山丘在赤道附近蜿蜒了数百千米。在土卫六上会下甲烷雨和乙烷雨，雨水积聚成碳氢化合物的河流和湖泊。卡西尼号还拍摄到了这些水体反射阳光的照片，甚至用雷达对这些水体底部进行了测绘，大致测定了它们的深度，为未来潜水器的任务做了准备。
不过，土卫二还是抢走了土卫六的风头。在卡西尼号到来前，土卫二被认为是一颗没有生气的卫星，但实际上它的南极附近有一些形似虎纹的裂缝，这些巨大的裂缝向外喷吐着冰晶和水蒸气。这些间歇泉的能量来自于土星引力的拉扯，它们每秒会喷吐200千克含有盐和有机物的物质。
间歇泉喷出的物质中含有二氧化硅颗粒，这让卡西尼号的科学家大吃一惊。这些二氧化硅可能是土卫二深处海底热泉内的水和岩石相互作用形成的。在地球上，类似的海底热泉是微生物的沃土，虽然没有阳光，但它们却因为化学反应释放的能量欣欣向荣。因此，土卫二一跃成为外星微生物搜寻地榜单的第一位。行星科学家们已经在计划再派探测器飞跃土卫二间歇泉的烟羽，搜寻生命的痕迹。
不断变幻的土星环
土星环是土星的标志性特征，它们是由数十亿冰屑构成的。从远处望去，土星环看起来固定不动，如同一件完美的雕刻品。但是卡西尼号发现了土星环的一些形成机理，并展示出土星环动态的本貌。土星环也会成型、变形和消失，有时这整个过程只需几小时。
土星环只有100米左右的厚度，它的形状是由许许多多镶嵌在其中的卫星和小卫星造就的。在这张图片里，土卫十七并不在土星主环中。
NASA/JPL/SSI
卡西尼号发现，即使是土星最小的卫星的引力也能引导土星环颗粒形成光滑优美的环带。比如，小小的土卫十八的直径虽然只有28千米，但它在土星环中清扫出了一条宽宽的轨迹。这条空隙两边或明或暗的环带反映出了土卫十八引力的作用。多年间拍摄到的照片显示，土星的卫星在连续不断地塑造和雕刻土星环。在卡西尼号到来并长时间观测之前，这个现象并不为人所知。
土卫十八在土星环中扫除了一条名为恩克环缝的断带。
NASA/JPL-Caltech/SSI
但是土星的卫星们毕竟不是完美的“牧羊人”。土星的F环是一条狭窄的环带，位于主环外围。卡西尼号发现，F环内会瞬时喷发出一种名为“微型喷流”（mini-jets，见下图）的物质。附近土卫十六的引力或许就是造成环内冰晶聚结成雪球状的微型喷流的原因。
在土星的F环内，引力扰动使环内物质聚结起来并向外突起，形成一些“冒着烟”的喷流状物体。
NASA/JPL-Caltech/SSI
这些变大的物体向外凸起，像一张积灰的纱网一般在身后留下了一条可长达180千米的颗粒尾迹，使本来完美无缺的土星环留下了瑕疵。在土星环系统的边缘，类似的微型喷流不断产生又消逝。
在更宏观的尺度上也发生着戏剧性的变化。在土星昼夜平分点的时候，阳光以陡峭的斜角射在土星环上。这个时刻卡西尼号观察到，土星环上还具有类似自行车辐条一样的图案，它们随着土星环一起旋转。这些辐条可能是带静电的粒子形成的巨型条纹，这些粒子可能漂浮在土星环的上下层。只在几个小时的时间里，这些条纹形成而后又消失。
这些辐条状的图案可能是由围绕着土星旋转的带电粒子形成的。
NASA/JPL/Space Science Institute
土星大气层的厚度
土星环系统的壮丽使人目不转睛，因此土星大气层云顶旋转的图案有时就被遗忘在了角落。不过卡西尼号改变了人们的注意力，因为在好几个地球年里，它观察到土星大气层中汹涌的风暴。卡西尼号的观测为土星大气层气流的研究提供了深入的信息。
在2010年末，土星的一场雷暴演变成了一个宏伟的、不断旋转的白色云团，其直径超过1万千米，而当时卡西尼号正好处在一个得天独厚的观测位置上。这场风暴从土星大气层底部涌出，最后进入大气层上层。在后来的几个月里，这场风暴完全裹夹了土星北半球，最后风暴“首尾相连”起来。每20-30年，土星上就会出现类似的风暴，其发生几率可能是由大气层中水蒸气含量决定的。太阳系的其他行星，比如木星上也会发生大型风暴，不过像这种席卷整个星球的巨型风暴并不多见。
在2010年到2011年，雷云席卷了土星的北半球。
NASA/JPL-Caltech/SSI
卡西尼号也探测了土星上独一无二的六边形图案。这个六角形位于土星北极，跨度大约是3万千米。这个六角形是时速为300千米的狂风围绕而成，内部则有许多类似飓风的小型涡旋。吊诡的是，土星的南极并没有这样的图案。
土星的北极有一个由高速气流形成的六边形漩涡。
NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University
得益于卡西尼号任务，土星的内部也得到了进一步的认识。土星有个非常强大和复杂的磁场，它是土星内部翻滚的液体产生的。土星两极耀眼的极光如同路牌一样指明了土星两极磁场的强度和模式。
当太阳风横扫土星磁层时，土星两极会产生闪亮的极光带。
NASA/JPL/University of Arizona
不过还是有一些根本性的谜团尚未被揭开。卡西尼号的科学家们依旧在研究，到底土星的一天有多长。因为土星没有固体的地表，所以研究人员无法通过地表固定的特征来测量土星的转速。不过土星会发射周期性大功率无线电信号，这应该是土星深处磁场运动造成的。科学家们转而尝试利用这点来估算它的真实转速。
但是卡西尼号发现，这些无线电信号比想象中更错综复杂，想要利用它们来估算土星转速也并非易事。在卡西尼号进入任务的最后阶段——在土星和土星环之间绕圈的时候，应该能够得到土星磁场的更多细节。
虽然卡西尼号的任务行将终了，但是它将会为未来的研究留下丰富的信息。美国国家航空航天局埃姆斯研究中心的行星科学家Jeff Cuzzi 认为，“就广度和深度而言，卡西尼号采集的数据是旅行者号的100倍。我们要花数十年才能摸清这笔宝藏。卡西尼号的作业虽然即将画上句号，但我们对其发现的真正意义的理解或许才刚刚启程。” ⓝ
Nature|doi:10.1038/548512a
点击“阅读原文”阅读英文原文
Cassini’s 13 years of stunning Saturn science — in pictures
版权声明：
本文由施普林格·自然上海办公室负责翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。欢迎转发至朋友圈，如需转载，请邮件Chinapress@nature.com。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
© 2017 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All Rights Reserved