方玄昌　張　雙

“卡西尼號(hào)”穿越土星光環(huán)。

在接下來(lái)4年中，太陽(yáng)系中最美麗、最神秘的這顆行星的面紗將被“卡西尼號(hào)”探測(cè)器逐步揭開(kāi)

經(jīng)過(guò)近7年的長(zhǎng)途跋涉，在太空飛行35億公里后，土星探測(cè)飛船“卡西尼號(hào)”于北京時(shí)間7月1日12時(shí)12分，按照預(yù)定計(jì)劃成功飛入土星軌道。

“卡西尼-惠更斯”土星探索計(jì)劃耗資33億美元，由美國(guó)宇航局、歐洲航天局和意大利航天局聯(lián)合實(shí)施。在進(jìn)入軌道后短短幾天，它已經(jīng)向地球發(fā)回一系列有關(guān)土星的極具價(jià)值的信息。在此后長(zhǎng)達(dá)4年的繞土星飛行中，“卡西尼號(hào)”將對(duì)土星大氣、光環(huán)和衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)研究。

煞費(fèi)苦心的飛行路線

據(jù)北京天文臺(tái)研究員李競(jìng)介紹，“卡西尼號(hào)”要考察的信息量極其龐大，單是要拍攝的圖片就不少于50萬(wàn)幅。這就使得它攜帶的儀器設(shè)備五花八門(mén)，有將近30種儀器，使得重量空前，達(dá)到6噸左右(有5.7噸、6.4噸、6.2噸等不同數(shù)字)。它是人類(lèi)有史以來(lái)建造并已經(jīng)發(fā)射的最復(fù)雜的太空探測(cè)器。

這個(gè)數(shù)字決定了一個(gè)事實(shí)：如果正常地用火箭發(fā)射并使它的速度達(dá)到現(xiàn)在這么大(7年飛到土星)，使用的燃料決不能少于70噸，則這件事情變成一個(gè)不可能——至今沒(méi)有那么大的火箭。這就逼迫它走另外一條路線——借行星的引力加快速度。

“卡西尼號(hào)”1997年發(fā)射，以略高于11.2公里(第二宇宙速度)的速度擺脫地球引力。但發(fā)射時(shí)卻沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)離太陽(yáng)的土星軌道，而是“南轅北轍”，向地球公轉(zhuǎn)軌道的內(nèi)側(cè)飛去。發(fā)射方向和地球公轉(zhuǎn)方向一致，相當(dāng)于地球給了它一個(gè)加速。1998年4月，它在距金星284公里處飛掠，在金星重力場(chǎng)借力獲得加速。之后它繞太陽(yáng)一圈，于1999年6月在距金星600公里處再次飛掠，獲得金星的第二次加速。同年8月，“卡西尼號(hào)”在距地球1171公里處飛掠，被地球再次加速。

第二次離開(kāi)地球后，“卡西尼號(hào)”才飛往太陽(yáng)系的外層行星軌道。2000年12月，它在距木星約1千萬(wàn)公里處飛掠，獲得了木星的加速。這樣，它的速度超過(guò)了每秒30公里——這是導(dǎo)致恐龍滅絕的那個(gè)撞擊地球的小天體的飛行速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何炮彈、子彈的速度。最后，它才向真正目的地土星飛去。

“僅僅7年時(shí)間，‘卡西尼號(hào)就得以飛到土星。這么復(fù)雜的加速、飛行路線，就決定在發(fā)射的一瞬間，發(fā)射的方向和力量都要計(jì)算得準(zhǔn)確無(wú)誤。這真是科學(xué)的成功?！崩罡?jìng)在接受本刊記者采訪時(shí)不由得發(fā)出感慨。李競(jìng)在當(dāng)年“卡西尼號(hào)”發(fā)射升空時(shí)，曾經(jīng)應(yīng)《科技日?qǐng)?bào)》之邀寫(xiě)作《“卡西尼號(hào)”空間探測(cè)器為何飛赴土星？》一文。

核能供電遭遇尷尬

“卡西尼號(hào)”要工作4年，攜帶將近30種儀器，儀器需要的電能從哪里來(lái)呢？

往常飛行器上的儀器都配置太陽(yáng)能電池，但土星離太陽(yáng)的距離10倍于日地距離。離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，需要的太陽(yáng)能板越大，在那么遠(yuǎn)的地方靠太陽(yáng)充電，也成為不可能。而火箭上攜帶的固體燃料又不能用在儀器上，所有科學(xué)試驗(yàn)都得另找能源。

最后，科學(xué)家利用的是惟一可行的一種能源——放射性核能，供電設(shè)備叫做“放射性熱電發(fā)生器”。放射線能累積成為熱能，熱能轉(zhuǎn)變成電能。

但帶有放射性元素的電池卻是環(huán)保大忌?！翱ㄎ髂崽?hào)”的發(fā)射因此而引起全球環(huán)保組織的抗議。歐洲綠色環(huán)保組織集體抗議，理由是“卡西尼號(hào)”將再次經(jīng)過(guò)地球上空不高的地方，萬(wàn)一出現(xiàn)意外撞擊地球，砸到紐約怎么辦？

熱電發(fā)生器是有大爭(zhēng)議的，但如果沒(méi)有它，飛船上的計(jì)算機(jī)就沒(méi)有能源，不可能有持續(xù)四年的考察。熱電發(fā)生器結(jié)構(gòu)精巧，提供電能又比較可靠，人類(lèi)目前還沒(méi)有更好的方法來(lái)代替它。于是，“卡西尼號(hào)”的發(fā)射出現(xiàn)了戲劇場(chǎng)面——科學(xué)家最后只好背著抗議者偷偷發(fā)射。

復(fù)雜之極的任務(wù)

“卡西尼號(hào)”在今后4年內(nèi)，將繞土星飛行74圈到76圈，這期間不光盯住土星和它美麗的環(huán)，還要考察衛(wèi)星，考察包括土衛(wèi)六在內(nèi)的9顆衛(wèi)星，每顆不少于一次接近它。

它重要的一項(xiàng)任務(wù)是研究土星的大氣活動(dòng)。土星10個(gè)多小時(shí)自轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)速度快得異常，“塊頭”又大，結(jié)果它的形狀變成了扁橢形。土星的赤道半徑和極半徑之比是10：9，這種比例在太陽(yáng)系大行星中獨(dú)一無(wú)二。

快速的旋轉(zhuǎn)還導(dǎo)致另一種結(jié)果，那就是土星上的大氣環(huán)流非常激烈。劇烈的大氣活動(dòng)又導(dǎo)致土星上出現(xiàn)大白斑(與木星上的大紅斑類(lèi)似)，大白斑是一個(gè)大氣旋，直徑至少要比地球的大。初步研究認(rèn)為，大白斑已經(jīng)有400年歷史了，沒(méi)人知道它為什么持久保留?！翱ㄎ髂崽?hào)”將對(duì)大白斑等大氣活動(dòng)進(jìn)行考察，還要研究土星大氣的化學(xué)成分，

“卡西尼號(hào)”的另一項(xiàng)任務(wù)是要研究土星的磁場(chǎng)。土星的磁極極其怪異，其方向和土星南北極方向幾乎垂直，這在太陽(yáng)系中絕無(wú)僅有。而且土星磁場(chǎng)強(qiáng)度十倍于地球?！把芯客列堑拇盘卣魇亲屓舜箝_(kāi)眼界的，得說(shuō)明它是怎么回事，是怎么起源的。還要研究磁極對(duì)地球的影響：磁極對(duì)著地球時(shí)會(huì)怎樣，不對(duì)著地球時(shí)又怎樣?！崩罡?jìng)說(shuō)，“卡西尼號(hào)”上因此裝了很多探測(cè)磁的設(shè)備。

另外，“卡西尼號(hào)”還要間接研究土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)是無(wú)法看到的，但長(zhǎng)時(shí)間觀察表面現(xiàn)象可以得到關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。

“卡西尼號(hào)”還有一項(xiàng)引人注目的任務(wù)，就是觀察環(huán)繞土星的多層、多帶的環(huán)。上個(gè)世紀(jì)50年代以后，天文學(xué)家有一個(gè)假說(shuō)“大體積行星的環(huán)結(jié)構(gòu)普遍存在”，這一假說(shuō)后來(lái)被證實(shí)?，F(xiàn)在證明太陽(yáng)系四個(gè)大行星(木星、土星、天王星和海王星)全有環(huán)，環(huán)結(jié)構(gòu)的形成和演化變成了一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

土星的光環(huán)之雄偉其他行星無(wú)法可比，又寬又大。對(duì)于這個(gè)環(huán)，人類(lèi)了解很少，但根據(jù)環(huán)動(dòng)力學(xué)，它是個(gè)年輕的結(jié)構(gòu)，比土星要年輕得多，而且很可能也是短命的?！巴列黔h(huán)不是永久存在的，它將怎樣演變、將來(lái)以什么方式瓦解，都要通過(guò)近距離觀察來(lái)了解，這對(duì)研究同類(lèi)行星的環(huán)的形成及演化都具有價(jià)值。”李競(jìng)說(shuō)。

“惠更斯”將在土衛(wèi)六尋找生命

在土星周?chē)F(xiàn)在真正讓科學(xué)家和天文愛(ài)好者感興趣的是土衛(wèi)六，因?yàn)檫@顆衛(wèi)星的大氣環(huán)境與地球形成初期十分相像，觀測(cè)土衛(wèi)六就相當(dāng)于觀測(cè)40億年前的地球。并且，它是被科學(xué)家認(rèn)為可能存在地外生命的已知少數(shù)幾顆星球之一。

土衛(wèi)六是太陽(yáng)系中惟一擁有濃密大氣層的衛(wèi)星。今年12月25日，“卡西尼”號(hào)所攜帶的“惠更斯”探測(cè)器將與“卡西尼號(hào)”軌道器分離，經(jīng)過(guò)20多天飛行后，預(yù)計(jì)于明年1月14日穿過(guò)土衛(wèi)六外圍大氣層，展開(kāi)降落傘著陸，對(duì)土衛(wèi)六的大氣和表面進(jìn)行探測(cè)。

“希望它能平安著陸，順利工作半小時(shí)，那就能帶回相當(dāng)多信息。最大的謎就是上面有沒(méi)有、有什么形態(tài)的生命形式存在。如果有，那就是破天荒的——現(xiàn)在人們都認(rèn)為地球生命不是惟一的，但一直沒(méi)有拿到證據(jù)。假如土衛(wèi)六上存在某種我們不熟悉的生命，那就說(shuō)明生命的形式更多樣化。無(wú)論生命在土衛(wèi)六上存在與否，結(jié)果都很重要?？赡苊髂瓿蹙蜁?huì)有結(jié)果?！崩罡?jìng)說(shuō)，土衛(wèi)六表面溫度極低(平均約為-178°C)，其冰層下如果存在生命，可能完全不需要氧氣，不需要太陽(yáng)能，生命形態(tài)肯定讓人大開(kāi)眼界。土衛(wèi)六表面有冰的海洋，“先驅(qū)者”11號(hào)、“旅行者”1號(hào)、2號(hào)都證明了這一點(diǎn)。

如果“惠更斯”能按計(jì)劃成功著陸，它將是首個(gè)在月球以外的一顆天然衛(wèi)星上登陸的人造探測(cè)器。雖然它可能只是在短短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)地考察，但其意義是空前的。

“卡西尼號(hào)”的最終歸宿

“卡西尼號(hào)”將在4年后完成探測(cè)任務(wù)，之后它將飛往何處？

“‘卡西尼號(hào)完成任務(wù)后，即使能量沒(méi)有耗盡，也已經(jīng)沒(méi)有足夠力量擺脫土星引力。它的最終命運(yùn)將和木星探測(cè)器‘伽利略號(hào)一樣，科學(xué)家會(huì)指揮它主動(dòng)墜毀于土星。”李競(jìng)說(shuō)。“伽利略號(hào)”于2003年9月21日主動(dòng)墜毀于木星，讓它主動(dòng)墜毀的原因是怕它能量耗盡后失去控制，萬(wàn)一撞上木衛(wèi)二等可能存在生命的衛(wèi)星，飛行器上可能攜帶的地球微生物會(huì)污染這些衛(wèi)星，妨礙以后對(duì)它們的研究。

現(xiàn)在“卡西尼號(hào)”也面臨同樣的問(wèn)題。對(duì)于這些鞠躬盡瘁的飛行器來(lái)說(shuō)，科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)有時(shí)似乎變成了一種地地道道的殘忍。