太阳系新知 06 | 卡西尼号的远征

2017 年 9 月 15 日，卡西尼号结束了它长达 19 年零 11 个月的光辉生命，在冲向土星表面的过程中，化作无数的流星成为了土星的一部分，就好像英雄的骨灰撒在了他所热爱的土地上。

美国宇航局特地为卡西尼号的最后旅程制作了一部足以媲美好莱坞大片的 3 分 40 秒影片，取名为 Cassini’s Grand Finale 卡西尼的伟大终章，这段影片让无数的天文爱好者流下了热泪，我也不例外。

视频：卡西尼的伟大终章

很多人都跟我一样，认为旅行者 1 号、2 号以及卡西尼号是人类有史以来最伟大的三个宇宙探测器，它们三个就像是三位史诗级的英雄。不同的是，旅行者号将会飞出太阳系，一直飞向银河系的中心，它们就好像得到了永生。但是，卡西尼号却是壮烈自毁的悲情英雄，它带给我们的感动是最多的，留给我们的记忆是最深的。

今天，我要带大家回顾卡西尼号的伟大征程，缅怀英雄的一生。

在上世纪八十年代，美国宇航局提出了一个十分宏伟的计划。这个计划真的十分宏伟，以至于当时有很多人都觉得 NASA 是吃了熊心豹子胆，野心也太大了点。此话怎讲呢，因为这是一个一箭双雕的计划，他们打算把一个轨道探测器（取名为卡西尼号）和一个着陆器（取名为惠更斯号）绑在一起，让它们一同飞往土星。然后，惠更斯号登陆土卫六，这就是著名的泰坦卫星，而卡西尼号则继续围绕土星转圈圈，不光要探测土星、土星环，还要探测土星的几乎所有卫星，甚至计划在土星环中来回穿越。是不是光听着就觉得十分的复杂，计划的预算也达到了惊人的 30 多亿美元。

你可能对这个金钱数量没概念。要知道 1977 年发射的旅行者 1 号、2 号两颗探测器加起来的总耗资也没有超过 10 亿美元，我前面跟大家讲的那些火星探测计划单次也都没有超过 10 亿美元，你还得算上通货膨胀。所以，卡西尼号计划耗资实在太巨大了，美国人就去找欧洲同行联合投资。结果一拍即合，其实早就有欧洲的科学家建议这样的一箭双雕计划。最终，美国宇航局出资 26 亿美元，欧空局出资 5 亿美元，意大利航天局出了 1.6 亿美元，三家单位联手总共花费大约 32.6 亿美元，开启了雄心勃勃的土星探测计划。这些数字来自于 2000 年 10 月份的新闻资料，其实，如果算上通货膨胀和任务延长所花费的费用，实际的耗资还远不止这些。但后来的事实证明，所有这些花费都是值得的。

经过 10 多年的筹备、设计、论证、制造，卡西尼-惠更斯号探测器终于在 1997 年的 10 月 15 日整装待发。世界协调时间 8 点 43 分整，巨大的大力神 4 号 B 型运载火箭冲向蓝天。你可能不知道，卡西尼-惠更斯号探测器的总重量大约是 5.7 吨，其中燃料占了 3 吨多，化学火箭的低效率是制约人类航天事业的最大障碍。

跟很多人想象的不一样，卡西尼号并不是直接飞向土星，而是走了一条经过精心计算，令人眼花缭乱的路线。大致说来是这样的：

首先，它飞向金星，利用金星的引力弹弓效应给自己做第一次加速，绕太阳一圈后再次遇到金星，用金星给自己做第二次加速，紧接着又刚好遇上地球，卡西尼号再次利用地球的引力弹弓效应把自己甩向木星。木星就像一个大胖子链球手，接过卡西尼号后一甩手就把它扔向了土星。

图：卡西尼号的飞行路线

我这说起来轻巧，似乎很快。其实，卡西尼号在太空中飞行了 6 年 8 个月又 17 天才抵达土星轨道。2004 年 7 月 1 日，卡西尼号（准确地说是卡西尼-惠更斯号）土星探测器成功泊入土星轨道，消息传回地球，很多人激动的热泪盈眶。这真的是人类航天史上的一个壮举，很多科学家从设计开始一干就是 20 年，从青葱少年干成了秃顶大叔，才终于等到卡西尼号入轨，很多人也没想到，卡西尼号还要陪伴他们直到头发半白。经过两次延长任务，卡西尼号一直工作了 13 年 2 个月又 14 天才谢幕。

虽然卡西尼号的探测计划非常庞大，但是，大多数人都只看重其中的一项任务，只有这个任务才是让无数人激动难眠的任务，是的，就是惠更斯号在泰坦星上的着陆计划。甚至有人认为，卡西尼号的其他所有任务哪怕都失败了，只要惠更斯号的着陆任务能够成功，就足以值得 30 多亿美元的耗资，以及 20 多年的辛勤努力。这时候的天文爱好者和科学家们哪里想得到卡西尼号能够带给他们多大的额外惊喜，泰坦星的着陆在这些额外惊喜面前，已经显得不重要了。就好像《大话西游》中那句经典的台词：我猜到了开始，但没有猜到结局。

卡西尼号的故事很精彩，你别急，让我按照时间顺序，一个一个为你讲述。咱们先从科学家们原以为最重要的任务——着陆泰坦星——开始讲起。

为什么泰坦星，也就是土卫六，如此令人着迷呢？热爱天文的听众应该都知道，它曾经一度是太阳系中的头号明星，我给你简单回顾一下泰坦星的发现史。

荷兰天文学家惠更斯在 1655 年首次发现了土卫六，现在你知道为什么着陆器取名为惠更斯号了吧。后来，约翰·赫歇尔把它命名为泰坦，沿用至今。泰坦星是太阳系中的第二大卫星，最大的是木卫三。泰坦星的体积甚至比水星还大，虽然质量没有水星大。

泰坦星一夜成名的时间是在 1980 年 11 月。那一年，旅行者 1 号探测器飞到土星附近，在给土星拍照的同时，顺便也给泰坦星拍了一张照片。哪知道这张照片传到地球后，让 NASA 的科学家们都看傻了，泰坦星的上空居然是厚厚的云层，换句话说，泰坦星拥有浓密的大气层。这可是一个了不得的发现，科学家们真的没想到居然能在卫星上发现大气层，而且是如此浓厚的大气层。更加令人感到惊喜的是，泰坦星大气层的主要成分是氮气，占 98.4%，然后是甲烷 1.4% 和氢气 0.2%。我们都知道，地球的大气层也是氮气最多，也含有甲烷。

图：土卫六 泰坦

这个大气组成让科学家们马上遐想联翩，尤其是 1.4% 的甲烷成分，马上就让人想到生命，还记得我在讲火星甲烷之谜时说的吗？甲烷被称为生命指征气体。有些想象力比较丰富的天文学家就禁不住幻想了一种泰坦星生命，他们以液态甲烷为溶剂，作用就好像水对地球生命的作用。

这个发现实在是太重大了，以至于美国宇航局喷气推进实验室召开紧急会议，讨论是否要临时变更旅行者1号的原计划。旅行者 1 号携带着无比珍贵的燃料，有能力变轨再次飞近泰坦星进行观测。但是，一旦这么做，就意味着旅行者 1 号飞向天王星和海王星的原计划也就全部泡汤了。因为，一旦再次接近泰坦星，旅行者1号就会由于受到额外的引力影响，而偏离黄道面，这也就意味着旅行者1号再也不可能飞向天王星和海王星。这真是一个两难的选择， NASA 的领导们好不纠结啊。

到底要不要放弃天海二星，奔向泰坦星呢？

经过一番辩论，喷气推进实验室的科学家们做出了一个重大的决定：再次飞向泰坦星，放弃原计划。这么做的原因，除了对泰坦星的强烈好奇，还有一个重要原因。那就是作为双保险的旅行者 2 号目前一切正常，它跟在旅行者 1 号的后面。即便旅行者 1 号去不了天王星和海王星，还有 2 号可以去。

于是，旅行者 1 号变轨飞向泰坦星，又给泰坦星从各个角度拍了数张照片传回地球。看过地球卫星云图的人都知道，虽然地球的上空也有厚厚的云层，但总有大片大片的透明区域，使得人类可以仰望星空，也使得卫星可以看清地表。正是抱着这样的希望，喷气推进实验室的天文学家们满怀期待地等着接收旅行者 1 号发回的照片。然而，让他们失望的是，所有的照片无一例外，都只能看到密实的云层，云层下面有什么，一点都看不到。可以说，旅行者 1 号这次高风险的决定，并没有给 NASA 带来高回报，押宝没押中。所以，当旅行者 1 号的姐妹探测器 2 号飞到土星时，只是远远地撇了一眼泰坦星，就继续飞向天王星了。好在旅行者 2 号没有出什么幺蛾子，它顺利地完成了旅行者 1 号未尽的事业，否则的话，NASA 估计又要被民众的口水淹了。

正是旅行者1号的这次重大发现，最终催生了卡西尼-惠更斯号的远征。泰坦星的云层下面到底有什么？这成了未来 20 多年中最令人着迷的太阳系谜题之一。

这个谜题能否被远道而来的惠更斯号着陆器破解呢？这种高难度的着陆存在着巨大的风险和不确定性，现实总是会时不时地露出它残酷的一面，并不是努力了就一定会有回报。很多时候，勤奋之外，我们还需要一些好运气。根据我的手工统计 ，在惠更斯号登陆泰坦星之前，苏联、美国、欧洲一共有过 12 次登陆火星的行动，其中 6 次完全成功，3 次部分成功，3 次彻底失败，完全成功率是50%，彻底失败的概率是 25%，别忘了，这可是在我们对地表了如指掌的火星。火星登陆尚且有这么高的失败率，这一次，要在一颗对于地表我们完全一无所知星球上着陆，成功的概率有多高，大家可以自己判断。

2004 年 11 月，卡西尼号抵达泰坦星附近，开始对泰坦星进行近距离地拍摄。科技的进步，使得卡西尼号上的照相设备比旅行者号精良得多，而且距离又更近。所以，当卡西尼号拍摄的照片传回到地球时，引发了阵阵惊呼。为什么呢？因为卡西尼号传回的照片与旅行者号传回的照片完全不可同日而语，简直就是 VCD 画质和 4K 画质的区别。

在卡西尼号的眼中，泰坦星上空的云层再也不是橘红色的一片，而是与地球上空的卫星云图一样，有了明显的浓淡区别，在云层稀薄区域，能够看到泰坦星的地表非常平坦，只有很少的环形山，它们在光线的作用下，呈现出了强烈的明暗对比。说实话，我第一次看到这些照片时，我觉得泰坦星和地球太像了，至少从太空中看去，简直像是双胞胎啊。

图：旅行者 1 号拍摄的泰坦

图：卡西尼号拍摄的泰坦

2004 年 12 月 25 日，惠更斯号从卡西尼号母船上分离，独自飞向土卫六，按计划，它将在 20 天后降落在泰坦星表面。在飞向泰坦星的过程中，惠更斯号不断地近距离拍摄照片，并且传回了许多宝贵的传感器数据，这些数据让我们知道了泰坦星大气成分的详细信息。2005 年1月14日，关键时刻来临了，惠更斯号进入泰坦星的大气层，着陆行动开始了。十多亿公里外的地球上，科学家们屏息凝神，接收着来自惠更斯号传回的图像数据，实际上，因为无线电信号从土星跑到地球需要一个多小时，所以，惠更斯号的命运其实已经在一个多小时前就已经决定了，但这并不会影响科学家们心跳加速，满怀期待。

惠更斯号凭借着一个巨大的降落伞在泰坦星浓密的大气层中减速，整个降落过程持续了二个半小时，惠更斯号看上去状态良好，数据源源不断地传回地球，最终，它成功地降落在了泰坦星的表面，又继续工作了 90 分钟。

只是惠更斯号并不是一辆有轮子的车，它只能把降落过程中看到的景象拍下来传回地球。在它着陆后，人类终于看清了泰坦的地表。怎么形容呢，如果我拿着惠更斯号降落后拍摄的照片让你猜这是哪里，我想你多半会猜这是中国西部地区的某个干涸的湖床。是的，惠更斯号看到的景象就是一片平坦的戈壁滩，上面布满了大大小小的石块，这些石块很像是被水流冲刷形成的鹅卵石，表面是圆滚滚的流线型。从后来公布的资料得知，这些石头其实是冰块，不是干冰，是真正的水冰。

美国宇航局没过多久就发布了经过优化和处理后的惠更斯号登陆泰坦星的全程录像，把 2 个多小时的降落过程压缩成了 1 分多钟，这段真实的降落外星球的录像我看了不下 10 遍，这也是人类迄今为止第一个降落在外太阳系卫星上的探测器，能够目睹大约 15 亿公里外的一颗外星球真实的地表，真是三生有幸。

视频：惠更斯号登陆泰坦星全程

我不知道你看着这段录像，会不会对科学充满了敬意？看上去只是几分钟的一段录像，可是，它却凝聚了人类在数学、物理、化学、信息技术、工程技术等等科学领域的所有精华。几千个科学家、工程师用了 20 多年，才终于完成了这次壮举。反正，我看着是心生很多的感概，忍不住鼻子发酸。

那么，泰坦星上到底有没有外星生物呢？我只能说，到目前为止，科学界还没有定论，但对泰坦星抱有生命幻想的科学家不是很多。截止到今天，我们对泰坦星所知道的情况是。它的表面温度大约是零下 179℃，是的，你没有听错，虽然有浓密的大气可以产生温室效应，但是它能接收到的阳光实在太少了，这是一个极端寒冷的世界。而我们也没有观测到任何泰坦星内部有热源的迹象，所以，在这个世界中，你不可能找到液态水。迄今为止，人类尚没有发现任何可以脱离液态水还能保持活动状态的生命形式，既没有直接的证据也没有间接的证据。

但是，还是有一些科学家认为 ，这么低温的世界刚好提供了液态甲烷湖泊形成的条件，甲烷的沸点是零下 161.5℃，所以，在泰坦星上完全可能存在由液态甲烷形成的湖泊与河流。卡西尼号在 2006 年证实了这个猜测，这年 7 月份，科学家从雷达照片中发现泰坦星北半球存在一个碳氢化合物的湖泊，甲烷、乙烷、乙炔等这些都是碳氢化合物，这个湖泊的直径大约100  千米，比北美洲的五大湖区还要大。到了 2007 年 3 月，NASA 又宣布在泰坦星上发现了更大的液态碳氢化合物区域，它的面积足以被称为海洋了。

图：泰坦碳氢湖泊假想图

那么，会不会存在一种生命形式，他们可以舒服地生活在这些液态的碳氢化合物中，呼吸着大气中的氢气和乙炔来转换成能量呢？当然，实事求是地说，这种幻想从理论上来说不是不可以，我们也没有找到哪条物理的或者化学的法则阻止生命在泰坦星这样的环境中发生，只是严重缺乏证据。所以，大多数痴迷于寻找外星生命的科学家不得不遗憾地把泰坦星从他们手头的清单中划掉了，或者把泰坦星的排名挪到后面去了。

就在惠更斯号着陆泰坦星的过程中，卡西尼号可没有闲着，他飞向了一个美丽的白色星球，也就是土卫二，它还有一个非常好听的别名——恩克拉多斯，这是希腊神话中的一个巨人。当所有人的目光都被惠更斯号和泰坦星吸引的那段日子中，卡西尼号默默地飞跃了恩克拉多斯的南极，它的科学成像子系统拍摄了很多张照片。但科学家们此时正忙着处理惠更斯号传回来的数据，似乎没有多余的时间来关注卡西尼号传回的数据，好在这些数据都在电脑中存着，不会丢失。

当人们对惠更斯号和泰坦星的兴奋之情逐渐褪去，注意到恩克拉多斯的照片时，科学家们才突然发现，原来，土星系统真正的明星不是泰坦星，而是这颗此前没有引起多少重视的神话巨人恩克拉多斯。它的名字似乎已经注定了它要成为土星系统，甚至是太阳系中最耀眼的巨星。

图：土卫二 恩科拉多斯

在恩克拉多斯的面前，泰坦星将黯然失色，在卡西尼未来 12 年多的探测生涯中，恩克拉多斯成为了毫无争议的绝对主角。而我今天这期用了整整一期节目的时长，都是在为巨星登场做铺垫。

你还记得吗？我上一集结尾的时候说，在太阳系中，欧罗巴有一个强大的竞争对手，而且截止到今天，欧罗巴还落在下风中。这个强大的竞争对手不是别人，正是白色巨人恩克拉多斯。

巨星即将登场，你做好准备了吗？科学有故事，咱们下期接着聊。

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