卡西尼號||最後的戰役

02-11

昨天整個被各大新聞公眾號關於土衛二的「大新聞」刷屏了如何評價 NASA 宣布土衛二具有全部生命條件? - 知乎，反倒沒有多少目光剩給卡西尼號了。其實同樣在昨天（2017年4月14日）的Science上，還發表了名為Cassini embarks on twilight mission at Saturn 的報道，Nature也在2017年4月13日發表了Saturn spacecraft begins science swan-song。是的，卡西尼號要退役了。不過如果你們以為，這個「大新聞」就是卡西尼號最後的成果了的話，那就太小看這顆叱吒土星系十多年的王者了。

從下周開始，卡西尼號將會燃燒最後的能量，繼續開拓前所未有的神秘領域：探索土星環、土星大氣層和外層結構——卡西尼項目組給這場最後的戰役起了個炫酷的名字The Cassini Grand Finale（卡西尼號的壯麗終章）。

The Cassini Grand Finale

首先是20圈準備和變軌期（Ring-Grazing Orbits，灰色軌道，開始於2017年4月19日，預計於4月22日最近飛掠土衛六Titan並藉助其重力變軌），然後是22圈土星環探測期（Grand Finale Orbits，下圖藍色軌道，預計開始於4月26日），卡西尼號會一次一次地穿過環縫（gap），最終撞向土星墜毀（Final Orbit，下圖橙色軌道，預計墜毀日為9月15日）（全都是美東時間）

（Final Orbits and Titan: Cassini Grand Finale (Artists Concept)）

關於土星環

土星環最早由伽利略於1610年通過望遠鏡觀測到，但當時因為解析度所限，他看到的並不是一個環，而是「土星兩側的小點」，因此以為只是土星的衛星。直到1655年，惠更斯用改良的望遠鏡才確認了之前的「衛星」其實是土星環。目前認為土星環的主要成分是水冰的冰礫，這些冰礫總體都比較小，最大不超過幾米。

（想像中的土星環物質 Rings of Saturn | Wikiwand）

最靠近土星的內環，從內到外分別D環、C環、B環和A環，中間夾雜著幾個環縫（Gap），再往外是F環（不要問我為什麼這麼沒創意還不按位置順序來，因為這貨原本是按發現順序起的名字！）

↓ 土星系的整體結構（Saturnian System）

↓ 放大看土星內環（Saturnian inner Ring 點擊查看大圖）

關於土星環的年齡，目前主要有兩種猜想：

老年說：土星環和土星差不多時候形成（也就是太陽系早期，略晚於45億年前左右），這樣，土星環的總質量應該很大，比如目前估計的B環的總質量應當比土星的衛星Mimas（直徑約400km）還要重；

青年說：土星環是約1億年前土星軌道上曾經存在過的一顆衛星的殘骸碎片，這一猜想一部分來源於卡西尼號拍攝的明亮而近乎透明的B環外觀——如果B環那麼老了，那應該會被日久經年的微隕石和星際物質染成深色了呀，怎麼還會這麼透明呢？如果這一假說成立的話，B環總質量就要輕的多——只有Mimas的20%到80%左右。

這次（預計）能探測到什麼？如何探測？

按軌道的深入順序：

1）深入土星環內部，通過探測土星環的質量來推測土星環的年齡。

在卡西尼號一次一次穿過土星環縫的過程中，通過連續觀測卡西尼號信號微弱的多普勒頻移（反映了土星和土星環對卡西尼號的引力作用變化），反推土星環的質量，以此推測土星環究竟是否年輕。據說卡西尼項目組的成員們為此在組內開了一個賭局，賭土星環究竟是很老還是很年輕——一注5美元，投注截止到卡西尼號進入土星環第一圈之前。

2）進入土星雲層，用相機拍攝土星上空風暴和雲的結構

3）通過近距離測量土星磁場，精確確定土星的自轉周期

我真的沒有在逗你們，由於氣態巨行星沒有明確的固體表面，所以我們之前真的不知道土星內部真正的一天具體有多長。因此，科學家們希冀這次可以通過測量土星磁場的周期來確定土星內部的自轉周期。

4）最後五圈，卡西尼號將深入土星大氣層，對土星的外層進行採樣分析

這將是人類自2003年伽利略號撞木星之後的另一次壯舉。幸運的話，卡西尼號將通過採樣分析，估算出土星外層的氦氣和氫氣含量，幫助我們進一步了解土星的結構和氣態巨行星的形成。

（目前對土星結構的認知，卡西尼號可能探測和採樣到的部分已標紅 Saturn | Wikiwand）

前路險阻，勇往直前

雖然目前的計劃「看上去很美」，但這最後的旅程實際上充滿險阻。

儘管按照之前觀測成果的模型估計，土星環縫應當相當安全，環縫中的顆粒物應當跟灰塵一樣細小，不會對探測器造成傷害。但一旦實際情況有絲毫意外——時速122,000千米的卡西尼號，即使不慎撞上了任何一個肉眼可見的小物體，都會是災難性的。因此謹慎起見，卡西尼號將在進入土星環的軌道之前，將它的高增益天線（就是封面圖上那個白色的鍋一樣的東西）調整到行進的前方，把它作為遮擋的盾牌來保護儀器。

即使22圈土星環觀測可以順利完成，此後的每一步深入，都面臨著各種意想不到的危險，最重要的是，機會只此一次，任何一個小差池，就是提前game over。卡西尼號能否衝破重重險阻，完成最後的探測目標呢？

最後的戰役即將拉開序幕，讓我們拭目以待。

PS：最後，Cassini: Mission to Saturn這個網頁有卡西尼號實時位置的實況轉播和倒計時。

4月15日，還有四天進入Ring-Grazing Orbits

4月22日，Ring-Grazing Orbits即將結束，卡西尼號即將飛掠土衛六，這將是卡西尼號最後一次用它的雷達觀測土衛六的甲烷海洋（Radar Shows Evidence of Seas）和「神秘地帶」（Mystery Feature Evolves in Titans Ligeia Mare），並首次嘗試研究其甲烷湖泊的成分和深度。卡西尼號攜帶的離子及中性粒子質譜儀（Ion and Neutral Mass Spectrometer ，INMS）也將最後一次採樣分析土衛六周圍的粒子成分，幫助我們理解土衛六最外層大氣層中的擴散的氣體粒子密度的時變特徵。

之後，卡西尼號將藉助土衛六的重力變軌後進入Grand Finale Orbits Titan Flyby T-126: Final Close Encounter, Gateway to the Grand Finale

So Long, and Thanks for ALL the Science