卡西尼號(hào)揭秘土星大家庭 | 星星背后的物理（十六）
?卡西尼號(hào)于2004年10月6號(hào)所拍攝的土星照片。來(lái)源：NASA
撰文 | 張?zhí)烊兀绹?guó)德州大學(xué)奧斯汀分校理論物理博士）
責(zé)編 | 寒凌旭
審校 | 張雙南（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員）
鄭永春（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員）
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物理學(xué)家惠更斯的名字大家聽(tīng)得多了，流傳最廣的的應(yīng)該是光學(xué)中的惠更斯原理，將波動(dòng)的傳播過(guò)程，諸如反射、折射、衍射等，用次波的包絡(luò)來(lái)分析和解釋，簡(jiǎn)潔明了，直觀而形象。
實(shí)際上，荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629年－1695年），在天文觀察中有不少重要的發(fā)現(xiàn)，特別是他用自制望遠(yuǎn)鏡對(duì)土星的觀測(cè)功勞不?。核l(fā)現(xiàn)了土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六，以及繼伽利略發(fā)現(xiàn)土星有“耳朵”之后，第一次正確地用“圓盤形狀”來(lái)描述這個(gè)獨(dú)特而美麗的光環(huán)。
多美尼科·卡西尼（Domenico Cassini，1625年－1712年）是另一位勤于觀察土星的法國(guó)天文學(xué)家?？ㄎ髂釋?duì)木星也有研究，與胡克同時(shí)第一次觀察到木星表面的大紅斑。他發(fā)現(xiàn)了木星赤道旋轉(zhuǎn)得比兩極快，這是一種后來(lái)被稱為“較差自轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。對(duì)土星而言，卡西尼發(fā)現(xiàn)了土星四個(gè)較大的衛(wèi)星，還將土星光環(huán)看得比惠更斯更清楚，他發(fā)現(xiàn)土星環(huán)不僅僅是個(gè)“圓盤”，盤中還有一條暗縫，后人以他的名字命名這條縫為“卡西尼縫”。
也許是因?yàn)樘煳暮臀锢砥氐姆较虍吘褂兴顒e，卡西尼和惠更斯的物理思想表現(xiàn)迥異。
惠更斯首先是一名物理學(xué)家，從學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)研究光學(xué)，到發(fā)明望遠(yuǎn)鏡再用于觀察天象而有所獲，他與稍后的牛頓和萊布尼茨都有交往。卡西尼在物理思想上卻是少見(jiàn)的保守，他不接受哥白尼的日心說(shuō)，也反對(duì)開普勒定律及牛頓的萬(wàn)有引力定律。
?圖1：卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器
卡西尼和惠更斯是同時(shí)代的人物，生前互相認(rèn)識(shí)但不見(jiàn)得有密切的交往，幾百年之后的科學(xué)家們卻將他們“綁在一起”組成了一個(gè)卡西尼-惠更斯號(hào)（圖1）【1】，開啟了野心勃勃的土星探測(cè)計(jì)劃。
對(duì)地球人來(lái)說(shuō)，土星從來(lái)就頗具神秘感：與木星類似，離地球遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，有一個(gè)眾多天然衛(wèi)星的大家庭。但木星好像比較活潑，土星卻像一個(gè)寧?kù)o美麗、 “環(huán)帶”繞身的女神，漂浮在比木星更為遙遠(yuǎn)的天際。
月球探索的成功使人類雄心勃勃，接著便向太陽(yáng)系的其它行星進(jìn)軍。因此，除了讓“水手”“海盜”“探路者” ，前仆后繼地奔赴火星之外，其后，又有伽利略號(hào)“駐扎”繞行于木星附近。土星呢，人類當(dāng)然不會(huì)忘記這個(gè)“腰纏”一圈絢麗多彩光環(huán)的美麗女神，經(jīng)常會(huì)派幾個(gè)過(guò)客去拜訪拜訪她。
土星類似木星，沒(méi)有固體表面可以供探測(cè)器登陸。土星厚厚的大氣層，又妨礙了我們用望遠(yuǎn)鏡從地球上仔細(xì)觀察它的表面形態(tài)。對(duì)這個(gè)距離地球大約比木星還遠(yuǎn)一倍的神秘天體，科學(xué)家們知之不多，充滿了困惑和疑問(wèn)：土星環(huán)由何物構(gòu)成？云層下面是個(gè)什么模樣？有生命存在的可能性嗎？
1979年9月，先鋒11號(hào)飛越土星時(shí)第一次拍攝到幾張它表面的照片，發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)中（最細(xì)的）F環(huán)。如今飛離地球最遠(yuǎn)的旅行者1號(hào)，也曾經(jīng)于1980年11月造訪土星并借助其引力而為自己“加油”來(lái)獲取能量。它拍到土星一個(gè)令人迷惑的景象：北極地區(qū)的六邊形。第二年，旅行者2號(hào)也經(jīng)過(guò)了土星。
先鋒號(hào)和旅行者都不以土星為主要探索目標(biāo)，“順訪”者行程匆匆，來(lái)有影去無(wú)蹤。但它們從土星得到的信息卻更給予人們更多的疑問(wèn)，也大大激發(fā)了科學(xué)家們對(duì)土星大家庭的興趣，希望極力弄清這片神秘而遼闊的區(qū)域。
?圖2：卡西尼－惠更斯號(hào)土星探測(cè)器飛向土星的軌道
1997年，卡西尼－惠更斯號(hào)土星探測(cè)器從美國(guó)弗羅里達(dá)升空，這是人類迄今為止發(fā)射的規(guī)模最大、復(fù)雜程度最高的行星探測(cè)器，多國(guó)合作，耗資巨大，設(shè)計(jì)十年，計(jì)劃周密?？ㄎ髂幔莞固?hào)升空后走過(guò)了7年的漫漫長(zhǎng)途，繞過(guò)金星、地球、和木星，獲得多次“引力助推”，于2004年7月終于到達(dá)土星周圍。
卡西尼－惠更斯號(hào)外形龐大，攜帶了十幾臺(tái)科學(xué)儀器，加上燃料總質(zhì)量超過(guò)5700公斤，即使當(dāng)前推力最大的火箭，也無(wú)法使其加速到能夠直飛土星。如果考慮靠攜帶更多的燃料沿途加速達(dá)到7年內(nèi)抵達(dá)火星的辦法，僅僅燃料就有70噸重，那樣就更找不出火箭來(lái)推它上天了！這一次，自然又是行星間的“引力助推”為我們解決了問(wèn)題，圖2顯示了科學(xué)家們?yōu)檫@個(gè)5700公斤的龐然大物設(shè)計(jì)的“智慧軌道”，整個(gè)軌道利用了4次引力助推來(lái)加速航天器。
這個(gè)探測(cè)計(jì)劃由兩部分組成：一旦到達(dá)土星軌道范圍之后，惠更斯號(hào)探測(cè)器便與主軌道器卡西尼號(hào)分離，軌道器環(huán)繞土星及其衛(wèi)星繼續(xù)不斷地繞圈，惠更斯號(hào)則沖向它感興趣的土衛(wèi)六，見(jiàn)圖3。
?圖3：惠更斯號(hào)和卡西尼號(hào)的不同任務(wù)
為什么選中土衛(wèi)六呢？不僅僅因?yàn)橥列l(wèi)六最大，還因?yàn)樵缙诘奶綔y(cè)（早到1943年）發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六擁有濃厚的大氣層，在航海家1號(hào)接近土衛(wèi)六的過(guò)程中又證實(shí)了可見(jiàn)光難以穿過(guò)它的大氣層。那么，土衛(wèi)六大氣層的成分到底如何？與地球大氣層有何異同？云層下面有著怎樣的地貌？是否覆蓋著液態(tài)物質(zhì)？有無(wú)產(chǎn)生生命的條件？
要回答這些謎中之謎，看來(lái)有必要派一個(gè)探測(cè)器“鉆進(jìn)” 土衛(wèi)六的大氣層中，當(dāng)然最好還能降落在它的表面上。雖然土星是個(gè)無(wú)法“登陸”的氣體巨星球，但土衛(wèi)六是應(yīng)該可以登上去的。作為人類成員，惠更斯早在1655年就發(fā)現(xiàn)了土星這顆最大的衛(wèi)星，350年過(guò)去了，怎么能仍然對(duì)它一無(wú)所知呢？所以，讓機(jī)器人“惠更斯”去一探究竟，完成這個(gè)光榮的使命吧。
2004年底，卡西尼號(hào)對(duì)準(zhǔn)土衛(wèi)六，拋出了一個(gè)圓圓的飛碟——惠更斯探測(cè)器。雖然惠更斯號(hào)專為登陸土星六而研制，有隔熱板保護(hù)，使其免遭大氣層的高溫?fù)p傷，但卻很難保證一定能“安全”著陸到一個(gè)未知世界。不過(guò)，惠更斯號(hào)不負(fù)眾望，一個(gè)多月后，“飛碟”進(jìn)入土衛(wèi)六大氣層，成功地在土衛(wèi)六上實(shí)現(xiàn)了軟著陸，成為第一艘在太陽(yáng)系較外側(cè)天體上著陸的飛船。
惠更斯號(hào)的降落過(guò)程長(zhǎng)達(dá)2小時(shí)27分鐘，如果土衛(wèi)六上有高等生物的話，他們能看到一幅從未見(jiàn)過(guò)的有趣景象：遠(yuǎn)遠(yuǎn)的天邊飛來(lái)一個(gè)碟狀物！接著，大概到了地表上方170公里左右，它撐開了一把降落傘，慢慢地、悠閑自在地一邊在桔黃色霾霧的天空中飄移，一邊忙于拍照。它用6臺(tái)科學(xué)儀器不斷地測(cè)試，包括測(cè)量周圍的風(fēng)速及壓力，分析土衛(wèi)六大氣層氣體，并將得到數(shù)據(jù)發(fā)回給它的“朋友”卡西尼號(hào)，見(jiàn)圖4，那是藝術(shù)家畫的惠更斯號(hào)登陸土衛(wèi)六時(shí)的想象圖。
?圖4：惠更斯著陸土衛(wèi)六
飛碟慢慢下降到了低于50公里的高度，突然，探測(cè)器上發(fā)出一道白光，照亮了原來(lái)暗紅色的地表，這是飛碟上的地表照相機(jī)及測(cè)量?jī)x器要開始工作了！它們將拍攝土衛(wèi)六表面的照片，測(cè)量表面附近的溫度、氣壓，對(duì)表面的物質(zhì)進(jìn)行光譜分析等等，最后，惠更斯號(hào)以每秒只有數(shù)米的輕緩速度，軟軟地著“陸”，周圍并不是希望中的海洋，它有氣無(wú)力地躺倒在土衛(wèi)六一片“坑坑洼洼” 遍布鵝卵石的泥灘表面上。
工作還沒(méi)完，惠更斯號(hào)趕緊與主航行器聯(lián)系，進(jìn)行了10分鐘左右的通話之后，它在土衛(wèi)六上大約總共“存活”了90分鐘，最后終因電池耗盡而“犧牲”了。
不過(guò)，接下去的十幾年里，卡西尼號(hào)主探測(cè)器繼續(xù)傳回來(lái)有關(guān)土衛(wèi)六的資料，它的紅外像機(jī)向我們展現(xiàn)出土衛(wèi)六表面朦朧的景色，它的能穿透煙霧的雷達(dá)則提供了更清晰的圖像，它的離子和中子質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六上有復(fù)雜的碳?xì)浠衔?，有機(jī)物的蹤跡。
科學(xué)家們認(rèn)為，土衛(wèi)六與生命出現(xiàn)之前的地球十分相似。它有河流有湖泊有海洋有降雨有風(fēng)暴，不過(guò)這一切并非如地球上那樣因?yàn)樗难h(huán)造成，卻是“甲烷循環(huán)”的結(jié)果。也就是說(shuō)，貌似地球氣象的土衛(wèi)六上，下的是“甲烷雨”，漲的是“甲烷潮”。土衛(wèi)六大氣成分有與地球大氣類似之處：主要是氮?dú)?。但是土衛(wèi)六大氣沒(méi)有氧氣，第二多的成分便是甲烷，但這正好符合科學(xué)家們預(yù)言的地球早期生命演化過(guò)程中的情形。因此，對(duì)土衛(wèi)六的探測(cè)和研究，將有助于揭示地球生命誕生之謎。
卡西尼號(hào)還發(fā)現(xiàn)，在這顆被濃霧環(huán)繞的衛(wèi)星厚厚的冰殼之下，擁有一個(gè)晃動(dòng)著的全球性海洋。從土衛(wèi)六表面拍攝到的流動(dòng)著的液態(tài)溝渠，造成的陡峭峽谷頗似美國(guó)亞利桑那州沿科羅拉多河一帶的風(fēng)光。土衛(wèi)六擁有許多與地球相似的地質(zhì)過(guò)程。這些過(guò)程產(chǎn)生了甲烷雨，它們沖刷出河道，形成了湖泊和海洋，其中積蓄著液態(tài)的甲烷和乙烷。
卡西尼號(hào)對(duì)土衛(wèi)五（圖5b）有兩個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：一是它的大氣的主要成分是氧氣和二氧化碳，兩者的比例約為5∶2。與地球相比，土衛(wèi)五的大氣非常稀薄，但無(wú)論如何，這是首次在地球以外的星球上發(fā)現(xiàn)存在以氧氣為主的大氣。對(duì)土衛(wèi)五的第二個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是它擁有一個(gè)稀薄的環(huán)帶（麗亞環(huán)），由三條密度較高的細(xì)環(huán)帶構(gòu)成，這也是人類首次在星系的衛(wèi)星中衛(wèi)星環(huán)帶系統(tǒng)，但麗亞環(huán)非常稀薄，尚未從照片影像證實(shí)。
土衛(wèi)八是衛(wèi)星中最別致的一顆，幾百年前被人類發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，卡西尼就觀察到它總是一半黑、一半亮，長(zhǎng)著一張陰陽(yáng)臉。這個(gè)事實(shí)如今被“卡西尼號(hào)”多次的近距離觀察所證實(shí)?？茖W(xué)家解釋陰陽(yáng)臉的形成原因是因?yàn)殡E石撞擊形成的溫差在演化過(guò)程中熱效應(yīng)正反饋的原因。此外，卡西尼號(hào)還發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)八中間赤道附近有一條神奇的分界線，見(jiàn)圖5a。
?圖5：卡西尼號(hào)拍攝的土星衛(wèi)星
土衛(wèi)二是諸多土星衛(wèi)星中探測(cè)的重要目標(biāo)之一，原因是發(fā)現(xiàn)其上存在液態(tài)水，這是生命最需要的基本元素之一。
人類飛向太空總是暗藏一個(gè)“移民”的潛在目的，水星和金星離太陽(yáng)太近，溫度高，顯然不是一個(gè)合適的人居之地?；鹦羌邦惸拘行堑膸讉€(gè)衛(wèi)星，成為可能的候選者。因此，每當(dāng)太空探索中發(fā)現(xiàn)與生命相關(guān)之事，都會(huì)引起人們一陣激動(dòng)。
在土衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)巨型冰噴泉后，設(shè)計(jì)者對(duì)卡西尼的探測(cè)計(jì)劃進(jìn)行了徹底地重新規(guī)劃，以便它能夠?qū)ⅰ皣娙笨磦€(gè)清楚?？ㄎ髂崽?hào)之后發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二的地下可能有全球性海洋存在。2014年4月3日， 美國(guó)宇航局科學(xué)家宣布土衛(wèi)二南極地底存在液態(tài)水海洋，使土衛(wèi)二成為太陽(yáng)系有可能存在生物的星球之一。如今，卡西尼號(hào)還剩一年左右的壽命，也許還將給我們意外之喜？讓我們拭目以待。
土星以神奇的光環(huán)著稱。旅行者號(hào)又發(fā)現(xiàn)它另一個(gè)非常鮮明的特點(diǎn)。在土星的北極，存在一個(gè)超級(jí)風(fēng)暴圈。卡西尼號(hào)探測(cè)器傳回的圖像顯示了這個(gè)風(fēng)暴的詭異之處——這個(gè)超級(jí)風(fēng)暴與地球的圓形風(fēng)暴不同，呈現(xiàn)的是六邊形。
這是一個(gè)名副其實(shí)的巨大超級(jí)風(fēng)暴，六邊形的直徑比地球直徑的3倍還大，一股氣流沿著六邊形的邊緣快速流動(dòng)。風(fēng)暴中心是旋轉(zhuǎn)的漩渦形成的嚇人的“鳳眼”，比地球上風(fēng)暴的風(fēng)眼要大50倍。并且，地球上的風(fēng)暴只持續(xù)一周或十幾天左右，而土星的這個(gè)北極風(fēng)暴從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)存在幾十年了，或許它已經(jīng)存在了幾百年或更久，謎底無(wú)人知道。
?圖6：土星北極的六邊形渦旋（圖片來(lái)源：NASA）
這個(gè)六角星云隨土星的自轉(zhuǎn)一同旋轉(zhuǎn)，在環(huán)繞北極的風(fēng)暴中，還伴隨著旋轉(zhuǎn)方向與六邊形云帶相反的小型漩渦。另外，土星南極也有風(fēng)暴和鳳眼，但卻沒(méi)有六邊形。物理學(xué)家們感興趣的是這個(gè)奇怪的六邊形風(fēng)暴是如何形成的？為什么會(huì)如此穩(wěn)定？為什么只在北極才有六邊形？對(duì)此人們提出多種解釋，但至今仍無(wú)定論。
有人認(rèn)為，六邊形星云的穩(wěn)定性可能與土星缺乏固體地形有關(guān)，地球上的風(fēng)暴在遭遇地貌產(chǎn)生的摩擦后會(huì)被打亂，而土星實(shí)際上是一個(gè)龐大的氣體球，所以造成風(fēng)暴形態(tài)不容易變化。
六邊形的形成則可能用流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及湍流理論來(lái)解釋。不過(guò)，如何正確描述湍流的性質(zhì)，至今仍然是物理學(xué)中的一個(gè)重大難題。地球南極的臭氧空洞也呈現(xiàn)六邊形形狀，因此也有科學(xué)家將土星北極的六邊形與此聯(lián)想起來(lái)。
其實(shí)，渦旋流體形成多邊形圖案也是實(shí)際中常見(jiàn)的現(xiàn)象，六邊形更是自然界中最常見(jiàn)的對(duì)稱圖案，水結(jié)晶形成各種雪花的圖案就是六角對(duì)稱的。不過(guò)，出現(xiàn)在土星如此巨大的天體上還如此穩(wěn)定的圖像，仍然令人吃驚，總得有個(gè)合理的模型來(lái)解釋。因此，牛津大學(xué)等處的科學(xué)家們使用旋轉(zhuǎn)圓形罐汽缸模擬土星大氣環(huán)境【2】，觀察是否能制造出這種奇異的流體模型。
結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，隨著自轉(zhuǎn)速率的提高，當(dāng)液體中心和周邊以不同的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，上層氣流形成了多邊形模樣，其中最常見(jiàn)的是六邊，但也形成從三邊到八邊的其它圖案，并在具有不同速度的兩個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)流體之間形成湍流區(qū)域。這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明土星北極的六邊形風(fēng)暴與土星的自轉(zhuǎn)速率存在關(guān)系。
卡西尼號(hào)長(zhǎng)達(dá)12年的探測(cè)過(guò)程，當(dāng)然不會(huì)忘記研究土星最迷人的神秘光環(huán)，它發(fā)現(xiàn)土星環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是文人騷客們想象和描述的那么溫柔安詳，而是一個(gè)充滿了變化和動(dòng)態(tài)的世界。請(qǐng)看下一篇：神秘的行星環(huán)。
參考文獻(xiàn)：
【1】維基百科：卡西尼-惠更斯號(hào)https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E5%B0%BC%EF%BC%8D%E6%83%A0%E6%9B%B4%E6%96%AF%E5%8F%B7
【2】實(shí)驗(yàn)室模擬土星北極的六角星云：
http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2010/2471.html
