土星探测器卡西尼号结束生命的最后瞬间

　　【导读】卡西尼在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空，经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行后，顺利开始土星探测任务，向地球传来了大量照片。从发射到现在将近20年了，它将于9月15日冲进土星大气层，13年的土星探索即将结束。这篇干货满满的长推送前半段整理了“卡西尼号”生命的最后瞬间，而在后半段，我们整理了一些关于卡西尼号谢幕的常见问题。希望在阅读之后，大家能真正意识到这次计划的伟大之处。

　　卡西尼号团队全家福最后一次飞掠土卫六文/罗辑发射于1997年的卡西尼-惠更斯号探测器即将在9月15日进入土星大气，之后探测器将与土星大气摩擦后烧毁。长达20年的任务期也算创造了一个小小的历史，让我们对土星有了非常充分的认识。卡西尼-惠更斯号其实有两个部分构成，卡西尼号是轨道器，惠更斯号是着陆器，当然不是降落土星，而是降落土星的卫星泰坦（土卫六）。惠更斯号在2005年登陆泰坦，收集到了这颗土星卫星的第一手数据，土卫六也是太阳系中的第二大卫星，被怀疑可能存在生命，因为其表面分布着大量液态烷烃，美国宇航局猜测液态烷烃的海洋能够支持生命，因为在地球早期也有类似的大气成分，嗜好烷烃的生命有可能在那儿生存。在任务的最后阶段，9月11日，卡西尼号对泰坦进行了最后一次飞掠，在9月12日，卡西尼号与美国宇航局进行数据传输，把泰坦最后的探测结果传到地球，之后卡西尼号将按计划从设定好的轨道上朝土星大气层飞去。与土卫六接触是卡西尼号死亡之旅的一个小插曲，因为美国宇航局设定的轨道需要土卫六提供引力，将卡西尼号彻底引入土星上层大气。卡西尼号并不是一个严格流线的外形，因此在接触到土星上层大气后会开始减速，这样可以让卡西尼号在土星上层大气中的生存时间更长一些。这对卡西尼号而言，那当然是个折磨，选择切入角更大的轨道可以快速让探测器烧毁，反之需要更长的时间。从2004年进入土星轨道以来，卡西尼号已经在这里运行了13年的时间，飞掠泰坦的次数多达127次，有时候会更近一些。美国宇航局喷气推进实验室的卡西尼号项目主管Earl Maize认为，卡西尼号的轨道一直是围绕土卫六而运行的，十几年来几乎每个月都会交叉，这次是卡西尼号最后一次与土卫六泰坦擦肩而过。美国宇航局为卡西尼号选择的墓地在土星上层大气中，因为首先要确保不破坏土卫六泰坦的表面环境，让其保持最原始的状态，因为即便是严格消毒灭菌过的探测器也不敢保证不会将地球生命引入到土卫六的环境中。根据卡西尼号的调查，土卫六是个非常复杂的有机化学工厂，这是一个天然的有机化学实验室，宇宙从无机环境到有机环境，这是一个突破，而土卫六就是一个潜在的生命诞生之地。在卡西尼号任务之后，美国宇航局科学家希望有一天能够再次回到土星轨道上，目前正在推进的任务涉及到在土卫六烷烃海洋上航行的探测器，收集可能存在的生物学信号。土卫六已经被证明拥有一个全球性的液态甲烷循环，这颗星球上所发现的一切化学过程与现在的地球有着明显的不同。到目前为止，太阳系外侧轨道行星依然没有被全面探索，旅行者2号仅仅做了简短的飞掠，尤其是天王星和海王星，它们主要由水、氨、甲烷构成。而木星、土星几乎是由氢气和氦气构成，与地球这样的岩质天体有着本质的区别。卡西尼-惠更斯任务是美国宇航局，欧空局和意大利航天局的合作项目，喷气推进实验室负责设计、开发和制造，项目运营和管理位于华盛顿总部。卡西尼号为何要选择自毁？人类未来又将如何研究土星？我们连线了米歇尔·布兰克教授，一起来听听这位文学天文双料导师的有趣讲解吧。

　　米歇尔·布兰克教授米歇尔?布兰克（Michel Blanc），就职于法国图卢兹的天体物理学与行星学研究所，是“卡西尼”号任务的跨学科科学家，同时还是国际空间科学研究所北京分部的执行主任。“卡西尼”号的继任者与“卡西尼”号任务有何区别？有没有中国的参与？首先，“卡西尼”号有两个继任者，但它们将探索木星系统。在欧洲，欧航局的“果汁”（JUICE）任务将于2022年发射，首先探索木星系统，而后进入木卫三“伽倪墨得斯”轨道。顺带一提，“果汁”任务是10年前由我通过“拉普拉斯”（LAPLACE）提议开启的。木卫三在伽利略卫星中排第三，是一颗“海洋卫星”，可能拥有适居性。同一年，美国宇航局将利用新型超级运载火箭SLS（推力超过土星V型火箭）发射“欧罗巴快帆”号。这项任务投资20多亿美元，将45次近距离飞跃木卫二“欧罗巴”，研究这颗卫星的宜居性。

　　JUICE  来源：http://sci.esa.int/juice/59341-juice-mission/Europa Clipper  来源：https://www.jpl.nasa.gov/missions/europa-clipper/木卫二在伽利略卫星中排第二，是太阳系内除地球外最有可能存在生命的星球。“欧罗巴快帆”号将对木卫二的地表进行测绘，帮助科学家选择未来登陆任务的着陆点，不过该任务尚未获得所需资金。本次登陆任务将在木卫二的多冰地壳搜寻生命存在证据。“欧罗巴快帆”号将一直对木星这个巨行星家族成员进行研究，直至2034年前后。至于是否有中国，从目前来看，中国和美国宇航局的官方合作会有困难，但科学家以个人身份参与还是有可能的。欧航局方面，显然更容易一些。我希望欧航局和中国航天机构不久后能够在当前卓越合作的基础上展开进一步磋商。“卡西尼”号坠落土星时会有残骸掉落土星，这会给土星环境造成污染吗？污染？可能性极低。“卡西尼”号将以极超音速进入土星大气层，短短几分钟内便会熔化，化为灰烬。我不认为飞船上的任何大的有机分子能够幸存。另外，土星并不是一颗具有适居性星球，也不可能孕育生命。这也是为什么我们决定让“卡西尼”号坠毁土星。“卡西尼”号在最后时刻传回的数据和图像是大概深入土星多少公里？“卡西尼”号将从中纬度地区的某个点开始最后的传输，是在上层大气层，也就是在云顶之上。有相关报道提到“卡西尼”号坠落土星后，还是会给科学家留下至少可供分析和研究十几年的图像、数据等内容，是真的吗？除此之外，还会给我们带来哪些（坠落前）更为惊人的发现？“卡西尼”号自2004年7月以来便环绕土星轨道飞行，它的遗产包括跨度13年的独一无二的图像以及非常宝贵的数据。所有这些都存入美国宇航局的行星数据系统，供全世界的科学家使用。每一个感兴趣的人都有机会利用“卡西尼”号获取的数据。此外，“卡西尼”号将以一种充满戏剧性的方式结束自己的使命。4月以来，我们便一直对土星和星环间的区域进行研究。这在“卡西尼”号任务史上还是第一次。“卡西尼”号获取了大量独特数据，能够为未来10年新的土星系统探索任务提供支持，同时帮助培养年轻科学家，让他们加入到巨行星探索的行列。“卡西尼”号数据的分析整理工作将于来年启动，参与这项工作的博士人数给我留下深刻印象。其中几名博士生就在这里。对于中国的行星学研究人员来说，能够利用“卡西尼”号所获数据无疑是一个极好的机会，有助于培养一批年轻科学家，让他们在不久之后（10年左右）可以参与到中国的木星探索任务。如果国际空间科学研究所北京分部能够为此提供帮助，我会感到非常欣慰。请记住一点，“卡西尼”号最后获取的数据——从“壮丽终章”轨道到最后的俯冲——可能最为引人注目，这毕竟是它与土星的最亲密接触。分析这些数据需要数年时间。

　　工作到最后一刻的卡西尼号。想了解一下“卡西尼”号坠入土星大气层时如何进行实时通讯，毕竟隔了那么远，虽然确切地说是“几乎达到”实时通讯的程度，但也觉得很不可思议。“卡西尼”号与地球的通讯依靠一种非常高效的高增益通讯天线（顺便说一下，这项技术由意大利航天局资助的一位意大利研究人员研发）。这种通讯天线的传输功率不大，将信号的集束性很好。每当“卡西尼”号处于对地传输模式，天线都需朝向地球。在“卡西尼”号的最后时刻，也就是所谓的“壮丽终章”，这艘飞船会始终将通讯天线指向地球，传输数据直至最后一刻……当推进器再也无法在土星大气中保持飞船的稳定，通讯天线将偏离地球，我们会与“卡西尼”号失联。至此，“卡西尼”号任务终结，几分钟后就会燃烧殆尽。永别了，“卡西尼”号！预计为北京时间9月15日晚间19点45分。土卫六有生命的可能性有多大？我们从未在宇宙的任何地方探测到过外星生命的存在，鉴于这一事实，我认为未来发现外星生命的可能性极低，无论是在土卫六“泰坦”，木卫二“欧罗巴”还是土卫二“恩克拉多斯”。它们是这场竞赛中处于领先地位的候选者。我隐约感觉是这样。实际上，土卫六与其它两颗卫星的情况有所不同，因为土卫六的天体生物学特征更富有多样性。它有两个截然不同的方面——地表究竟发生着什么？地下海洋又在发生着什么？——我们甚至不确定二者之间是否存在联系。在土卫六的地表和大气层，存在一个活跃的“甲烷循环”，与地球上的水循环非常类似。在这个循环中，甲烷取代了水的角色：甲烷从地表湖泊蒸发，形成云，而后带来“降雨”，形成河流，流入湖泊，结束整个循环。因此，土卫六存在“甲烷气候”。少量甲烷（以及乙烷）扩散到上层大气层，在磁层电子的作用下辐射分解，形成非常活跃的自由基，从而触发重有机分子的形成。这些有机分子最终随着“雨水”落到地表，形成了一层厚厚的有机物。但由于没有水，所以对于天体生物学家来说，一个长久以来悬而未决的问题便是：在没有水溶剂的情况下，能够孕育出生命形态吗？这是一个开放性的问题，恐怕没有答案，除非有“甲烷外星人”给我们打电话……化学家和天体生物学家目前尚未发现任何“无水生命形态”的可信模型，这一点是肯定的……如果拿是否存在这样的生命打赌，我不会下很大赌注。现在，“卡西尼”号已经通过重力测量和对土卫六旋转模式的研究得出结论，土卫六可能存在一个由水构成的内部海洋！这个海洋位于地下几十到一百公里，可能存在生命。木卫二和土卫二或多或少也是这种情况，但问题在于，与这两颗卫星不同，“卡西尼”号直到现在也没有发现这个地下海洋存在任何涉及水间歇泉的热液活动。我们在地表看到的唯一液体就是甲烷和乙烷……因此，我认为这只是纯粹的猜测。站在理性的角度，我不相信地表存在基于甲烷的生命形态。对于存在地表生命的可能性，我的答案是5%，毕竟要留点余地。说起土卫六，回顾一下：惠更斯号大约于北京时间2005年1月14日19时30分降落在土卫六泰坦，整个下降过程持续了2小时27分钟，并在土卫六泰坦表面存活了72分钟，这是人类第一个，也是唯一一个在外太阳系星球着陆的探测器。未来土星探测的重点是什么呢？我认为存在这样一个普遍共识，那就是我们需要重返土星系统，专注于勘测两颗存在海洋的卫星，也就是土卫六“泰坦”和土卫二“恩克拉多斯”，尤其是后者。我们有可能在那里寻找到生命迹象，但我要说明一点，这将是一项巨大的挑战。也许，我们要在完成木星任务之后重返土星。土星离我们那么远，为什么要花这么多钱去探索这种无所谓的东西？科学探索（不只是“卡西尼”号）帮助我们更好地了解我们生存的世界，发现世界的奇异所在和异乎寻常的美！还记得哈姆雷特说过的话吗，也就是对霍雷肖说的一句非常有名的话？

那是什么呢？想知道的话，后台回复“哈姆雷特”。

　　绘画：@黄月本问答由中国国家天文、NASA中文、漫步宇宙联合发布。感谢@我是疏，@yanni ,@Frank，@大鹏，@成韵文Teresa Chan，@狐步，@傅煜铭，@shuqinli的提问，以上问题由中科院记者辛玲在前方发回答案。再见卡西尼号！孤独探索20年的土星探测器即将“自杀”文章由企鹅科学和科普中国联合推出转载请注明来自“科普中国”