卡西尼探測器飛了20年後墜入土星，目前有何進展？

出品：科普中國

製作：川陀太空

監製：中國科學院計算機網路信息中心

卡西尼號即將受控墜入土星大氣，據美國宇航局最新消息，在美國東部時間9月15日上午4時55分，地球與卡西尼探測器的聯繫將中斷，這就是意味著這艘價值近33億美元的探測器徹底告別我們，墜入土星上層大氣。

圖1.卡西尼探測器自拍照，注意圖中土星的六邊形氣旋

撞擊土星上層大氣位置大約在土星北緯10度附近，高度距離土星上層大氣雲頂1915公里，速度為每小時11萬公里，大約為每秒30公里。據美國宇航局的推演，卡西尼號第一次接觸土星上層大氣時，調姿推進器還會在短時間內工作，並將探測器的蝶形天線對準地球方向，目的是獲得土星大氣的寶貴數據。

畢竟這是一次死亡之旅，多少年來才有一次，就像LCROSS探測器撞擊月球那樣，NASA在揚塵中發現了水。而這一次，卡西尼號也會帶給我們意想不到的驚喜。就像那句話，死亡並不可怕，那些對社會有貢獻的遺產才是人們敬仰你的原因。

當卡西尼號與地球聯繫中斷後，其生存時間只有30秒左右，高度從土星雲頂上方1915公里下降至1500公里。隨著大氣逐漸稠密，卡西尼號開始解體，畢竟這不是一個符合空氣動力學的玩意，在宇宙真空環境中運行也根本不需要流體外形設計。只要幾分鐘，卡西尼號將變成一顆流星，在土星大氣中完全燒毀。

圖2.卡西尼號的死亡軌道

名副其實的「旗艦」

土星作為太陽系中外側軌道的氣態行星，遠日點10個天文單位，相當於15億公里。地球和太陽之間的距離為1個天文單位，由此看出，土星距離我們也挺遠的，無線電信號傳輸需要80多分鐘。也就是說，卡西尼探測器在墜入土星大氣之時，在80多分鐘之後我們才知道。

確切地說，是美國宇航局在澳大利亞堪培拉安裝的深空網路天線。這也是宇宙神奇的地方，所有的故事都發生在過去，由於光速恆定，加之宇宙空間的浩渺，電磁波的傳播也需要時間。我們所看到的所有光其實都來自過去，只不過我們感覺不到罷了。宇宙如此之龐大，而我們也只能從探索自己的恆星系統開始，美國宇航局為此制定了一系列覆蓋整個太陽系的探索計劃，並設置了旗艦級的項目。

圖3.美國宇航局在澳大利亞堪培拉安裝的深空網路天線

旗艦級項目是相對而言，相對於那些中低端項目，旗艦級項目定位是最高的。

首先，探測器的造價最高，普遍在20億至30億美元，這個造價相當一艘遼寧號這樣的中重型航母，比一般的探測器幾億美元造價要高得多。

其次，探測器的功能全面，可解決一個方向上的重大問題。比如卡西尼號就是，搭載了18台各種科學儀器，並且攜帶了惠更斯號著陸器，對土衛六泰坦進行登陸考察。

第三，運行時間長，卡西尼從1997年發射，2004年進入土星軌道，2008年全部完全任務，然後開始超期服役。直到今天，已經超期服役近10年，期間兩次延長任務期。超期服役讓NASA也比較尷尬，因為地面控制中心要經費才能維持，深空通信網路運營也要錢，機遇號就是因為超期服役太久，差點讓NASA安排安樂死。

從1970年代以來，美國宇航局再有錢，也無法維持多個旗艦任務，比如1977年發射的旅行者系列就是旗艦任務，至今還沒掛，還在燒錢，從兩個方向上飛出太陽系，距地110億公里以上。還在運行的最新旗艦任務就是好奇號火星科學實驗室，造價25億美元，核動力驅動 ，旨在尋找火星生命，現在還在火星赤道以南的蓋爾撞擊坑附近考察。

圖4.還在運行的最新旗艦任務就是好奇號火星科學實驗室，造價25億美元，核動力驅動 ，旨在尋找火星生命

飛出太陽系有訣竅

土星作為中外側軌道的行星，要想對其進行探索，只有太陽能電池板肯定是不行的。這裡的光照效率較低，一般都需要核動力驅動。但核動力也不是萬能的，放射性同位素熱電機最大輸出也才300多瓦，靠這點動力想飛到土星是不可能的。

因此，在深空飛行的軌道設計中，利用行星引力加速才是飛出太陽系的訣竅。旅行者系列成功開啟了行星引力彈弓加速的序幕，卡西尼探測器也使用了引力彈弓加速。首先，卡西尼號雖然目標土星，但是它要先往金星方向飛，利用兩次飛掠金星進行加速，然後再飛掠地球和木星，利用後者引力進一步加速，前往土星。

就在飛掠地球時出現了一個插曲，由於卡西尼號使用鈈-238作為核燃料，因此飛掠地球其實是有危險的，如果卡西尼號突然發生故障並且撞上地球，那麼33公斤的鈈-238核燃料就會散布到大氣層中。美國宇航局還為此進行了一次關於卡西尼號偏離軌道後鈈-238對地球的影響，評估認為至少5000人可能因此喪命，間接影響人群數量最高可達50萬人。

圖5.卡西尼號使用鈈-238作為核燃料

美航天專家稱，幸好沒有撞上地球，雖然發生這樣事件的概率不到百萬分之一，但從概率學的角度看，還是存在發生的可能性，既然有可能發生，就要做好最壞的打算。而且還有那個神奇的墨菲定律，越擔心的事，越有可能發生，只要它存在發生的可能性。

1978年，蘇聯核動力衛星宇宙954墜毀加拿大，美加用了10個月時間在長800公里、寬50公里的區域內找到3000多個放射性碎片，對地面造了一定的放射性污染。隨著深空核動力裝置的普及，探測器製造的費用也增加，但隨之帶來的高效模式讓後期探索變得更加從容，畢竟用了核動力之後根本不需要擔心電力不足的問題，也只有這樣才能飛出太陽系，至少目前看是如此。

目前旅行者系列兩艘探測器已經在太陽系邊緣，1號已經飛出太陽系，2號在未來數年內飛出，從兩個不同方向上離開太陽系。

圖6.核動力衛星

未來的旗艦項目

在2018年至2020年，美國宇航局計劃打造新一代火星車，旨在對火星的宜居性進行全面評估，並且建立技術示範。從機遇號、勇氣號開始，經過好奇號的進一步強化，美國宇航局對火星的了解逐漸加深，新一代火星車有望掘地三尺發現火星生命。

2022年，木衛二的飛掠任務也是一個旗艦級項目，在木星的一顆衛星上大動干戈確實有點大手筆，但考慮到木衛二的全球性冰下海洋，就不那麼吝嗇了。

圖7.2022年，木衛二的飛掠任務也是一個旗艦級項目

該探測器還會釋放一個著陸器，具備鑽探能力，這裡有望發現首個地外生命，其意義必然不亞於阿波羅登月。如果我們發現首個地外生命，對人類而言是個不小的撼動，正如異形契約中所言，我們到底來自哪裡？

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公元2017年9月15日，卡西尼探測器像一顆隕星一樣在土星大氣層中燃燒，最後潛衝進入土星大氣層，結束了13年的土星系統探索歷史。

卡西尼探測器在土星天空北緯 9.4 度、西經 53 度位置燃燒。美國宇航局官員對可見光圖像描述稱，這個位置位於土星黑暗的一側，但是當卡西尼探測器最終潛沖碰撞土星上層大氣時，土星旋轉到光亮一側。

「卡西尼」號於1997年前往土星，2004年到達軌道，在過去的13年里，這架探測器持續為我們探索著土星系統，早已超額完成任務。

這是人類迄今最雄心勃勃的太空探索項目之一。它是第一個將土星、火星、金星以及地球拍進「合影」的設備；它發回了前所未有的土星精確數據；它對土衛二上生命必要元素的確認，讓地外生命的猜想接近了現實；它對土衛六的探測將載入史冊……而在這個九月，我們永別「卡西尼」號。

北京時間1997年10月15日，「卡西尼」號發射升空，它肩負的使命是要對土星系統進行空間探測，包括環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察等。

但如果僅僅依靠火箭的推力直接飛向土星，並像現在這樣在7年之內抵達，那麼「卡西尼」號出發時攜帶的燃料就決不能少於70噸。於是，它採取了「曲線救國」的策略——先後從金星和地球借用行星的引力，再利用木星的引力加速，最後才把目標對準土星。這讓它的旅程延長至35億千米，是地球與土星實際距離的2.5倍以上。

經過6年8個月，「卡西尼」號終於在2004年7月1日順利進入土星軌道。

此後的13年里，它代替了人類的眼睛，無數次近距離觀測土星。由「卡西尼」號拍攝的39萬張照片，逐一加深了科學家對這個美麗行星系統的了解，而它提供的土星與周圍太陽系行星的疊合照，更讓世人感到震撼——如果說人類能拿肉眼俯瞰半個星系的話，這照片就和我們看到的景象別無二致。

土衛二表面被厚厚的冰層覆蓋。但「卡西尼」號2014年發現，這裡的冰層下藏著一個海洋。

2015年，「卡西尼」號看見了土衛二噴發的冰，依靠自身搭載的設備加以分析後發現，當中含有大量氫氣分子和二氧化碳。二者存在的最佳解釋是，它們由溫暖海洋和海底岩層之間的水熱反應產生，而這可以為深海微生物提供能量——就和地球數十億年前誕生、孕育生命的環境非常相似。由此，土衛二這顆星幾乎具備了生命所需的所有條件——水、有機物以及能量來源，那些微生物，或許就「藏身」海床之中！

在更早時間，「卡西尼」號還曾向另一顆衛星——土衛六釋放了「惠更斯」號著陸器，這是第一艘在太陽系較外側天體上著陸的飛船，它的調查告訴我們：土衛六上有原理與地球水循環相似的「甲烷循環」，還有湖泊和丘陵，氣候則有霧、霾和雨，就像地球上的英格蘭一樣。

到了2016年，「卡西尼」號又在土衛六表面確認了液態溝渠。不過這些峽谷不再像英格蘭了，而是十分形似早期的美國亞利桑那州沿科羅拉多河一帶。

想要真實見證地球早期的狀態幾乎是不可能的，但「卡西尼」號卻是一架時光機，讓我們領略到一個十分貼近嬰兒地球的星體。

這兩次不朽的探測，讓人類關於地外生命的想法更加接近現實，也有助於我們揭開自身誕生之謎，被視為「卡西尼」號職業生涯的巔峰之作。

精彩成就何止一二。「卡西尼」號探測器還陸續發現了土衛五上富含氧氣的大氣，土衛十六神秘的F環，土星上的季節性變化和北極的漩渦……它在前所未有的極端環境中開展科學任務，而在這過程中，還一直在向地球提供著來自土星系統的海量素材和珍貴資料。

崢嶸歲月慢慢流逝，「卡西尼」號現已走到盡頭。今年10月15日，正是「卡西尼」號升空20周年紀念日，不過，它是等不到這一天了。它接到的最新指令是：9月15日自行焚毀。

這架探測器的粉絲認為，「卡西尼」號的落幕，是一個時代的終結。

不過，它的東家、美國國家航空航天局(NASA)卻稱，這一退役時機合情合理，「卡西尼」號的燃料已慢慢耗盡，它悲情的自我毀滅行為，也是為了確保附著在這一航天器上的任何來自地球的微生物不會污染土星潛在的宜居衛星——如流星般燃燒殆盡，讓下一個來此的探測器續寫輝煌。

據國外媒體報道，美國宇航局的卡西尼探測器正在逐漸接近完成它最後一次穿過土星及其光環之間狹窄縫隙的任務，隨後卡西尼探測器燃料即將耗盡，並將於9月15日衝進土星大氣層，13年的土星探索即將結束。未來NASA將重新調整方向，將重心放在卡西尼號帶來的疑惑上，比如落向土星的行星星際塵埃雨，以及冰質的各種衛星，比如在土衛二上發現的地下海洋。

　　卡西尼飛船的最後一圈飛行將在9月9日(本周六)開始執行，之後它將正式準備為自己長達20年的漫漫太空之路畫上一個圓滿的句點。

　　9月14日，卡西尼飛船將抓緊拍攝它生命中的最後一批土星照片，對土星北極上空的六邊形神秘氣體雲團以及土衛六和土衛二進行最後一次觀測。在那之後，卡西尼飛船將把天線對準地球，開始回傳數據，一直會堅持工作到它在9月15日一頭沖入土星大氣層焚毀的最後一刻。

　　據《紐約時報》消息，1997年10月15日，卡西尼號飛船發射升空，宇宙飛船由NASA建造的軌道飛行器以及由歐洲太空總署建造的惠更斯探測器這兩個部分組成。

　　2005年1月13日，惠更斯探測器著陸土衛六泰坦，解開了土星環，土星大氣及其衛星系統的神秘面紗。並為我們帶來了大量突破性的重要發現，其中包括土星上季節的變化，土衛六與地球環境之間驚人的相似性，以及土衛二上巨大的地下海洋和極區水冰噴泉現象等等。

　　目前NASA已經差不多探索了包括土星系統在內的整個太陽系。

　　卡西尼項目科學家科特·尼布爾博士(Curt Niebur)在上周與媒體記者之間進行的一次電話會議中表示：「卡西尼任務是一個難以置信，不可思議，簡直完美的成功典範。」

　　美國宇航局方面表示，9月15日在飛船最終沖入土星大氣時，它將發回幾乎實時的土星大氣探測數據，直到生命最後一刻——預計到9月15日美國東部時間7：54(北京時間9月15日19：54)，卡西尼探測器將最終與地球之間失去通訊聯繫。任務組對外表示，卡西尼飛船在最後幾圈飛行中收集的土星光環顆粒數據顯示土星光環內側的物質顆粒物質量要比原本的更輕。

　　自從2004年以來，卡西尼飛船一直在對土星以及追隨它的62顆已知衛星組成的巨大系統進行考察，任務期間發回的數據讓科學家們發表了超過4000篇科研論文。

　　由於卡西尼飛船搭載的燃料正逐漸耗盡，美國宇航局決定使其主動墜入土星，以免造成對土衛六，土衛二或者其他可能潛在具備生命宜居環境條件的冰凍衛星的環境構成污染。

　　通過讓卡西尼飛船主動燒毀，美國宇航局將確保任何從地球上僥倖附著在卡西尼飛船上並且一直存活到現在的微生物都會被消滅而不至於造成其他星球的任何污染。

　　據了解，卡西尼-惠更斯號項目由27個國家參與，自1997年10月15日發射升空，走了79億公里，執行了250萬條指令，採集了635GB的科學數據，新發現了6顆土星衛星，發動機點火360次，完成軌道圈數294次，飛掠土星衛星162次，拍攝了453048張照片，研究人員發表了3948篇科學論文。

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