卡西尼之后我们如何探索：太阳系是最好的实验室

（原标题：卡西尼之后的太空探索：太阳系是最好的实验室）

作者 叶永烜

公众号：环球科学ScientificAmerican

卡西尼号探测器在美国东部时间15日上午冲入土星大气坠毁，结束了二十年的征程。卡西尼号是第一艘环绕土星的空间探测器，完成最后任务之后，除了带给我们土星系统的第一手数据，也将启发人类继续探索太空。《科学美国人》繁体中文版邀请中国台湾“中央大学”的天文学家叶永烜为我们解读了卡西尼号取得的科学成就，以及卡西尼之后，人类的太空探索之旅。

作者简介：

叶永烜曾任职于马克斯普朗克高层大气研究所（今马克斯·普朗克太阳系研究所），现在中国台湾“中央大学”天文研究所与太空科学研究所任教。

卡西尼号宇宙飞船从2004年进入土星系统，至今已13年。今年，卡西尼号的燃料所剩无几，不能再像以前一样大幅改变轨道，美国航空航天局（NASA）因此执行“盛大谢幕”（TheGrandFinale）任务，在这最后一段旅程中，卡西尼号的绕行轨道会进入土星大气层和土星环内侧，经过最接近土星的位置总共22次，一次又一次进行实地测量，希望能解答几个基本问题，例如土星的内部构造和非常对称的磁场来源。

在今年展开“盛大谢幕”计划前，卡西尼号已经探测了土星环20次（灰色）；4月26日开始进行22次贴进土星大气的探测（蓝色）

自从我们提出卡西尼计划开始，35年转瞬即逝，当年遥不可及的目标，现在不仅近在咫尺，甚至擦肩而过，卡西尼号很多重要发现让科学家更了解土星及其卫星，例如土卫六（Titan）的局部甲烷海、土卫二（Enceladus）的地底热泉及土星磁层的带电粒子加速作用。现在回想，这项极为复杂的计划，费尽了多少人的心血和努力才有今日的成就，或许我们一开始的工作是最简单且容易的。

然而，我们如果要了解是什么因素驱动了这样充满雄心的探索计划，可能要从两位18、19世纪的德国人说起。洪堡（AlexanderVon Humboldt）与谢里曼（HeinrichSchliemann）是我非常景仰的人。洪堡是博物学家，年轻时游历南美洲，把这块陌生大陆的地理人文介绍给欧洲科学家，也引起达尔文对生态学的兴趣。谢里曼是白手起家的商人，他对荷马史诗中的木马屠城记很有兴趣，壮年后投入所有财富和精力发掘特洛伊古城，改变西方人对古代史的认识。这两个例子说明，好奇心是人类本性，有好奇心才能不怕失败发掘新知，勇闯前所未见、人迹罕至之处，成为社会和科学发展的动力。所以欧美国家资助基础科学研究不遗余力，希望激发潜在的好奇心，使科技更进步。因此，先进国家积极发展天文学和行星探测计划以拓展人类知识疆界，例如卡西尼计划及其他太空任务，特别是前往外太阳系的一连串计划。

外太阳系探索序曲 

1972年12月，当NASA阿波罗17号的航天员还在月球执行任务时，先驱10号也航向木星（紧接着是先驱11号），并在1979年9月1日飞掠土星。那天我在NASA阿姆斯研究中心与加州大学圣地亚哥分校的博士菲烈斯（WalkerFillius），一同等待高能粒子实验仪器的数据传回；这是我和土星首次相遇，好像和宇宙飞船一起到人类未涉足之地，这种感觉实在难忘。

先驱10号和11号是NASA原名伟大旅程（TheGrandTour）的外太阳系探测计划前奏曲。1980~1990年，木星、土星、天王星、海王星和冥王星在轨道上的位置恰好可让宇宙飞船依序飞掠，是近距离观测的最佳机会。该计划后来更名为旅行者（Voyager），两艘宇宙飞船在1977年相继发射。

当旅行者任务尚在规划时，科学家经地面望远镜观察发现，土卫六有很厚的大气层。根据光谱分析，大气主要成份除甲烷外，可能还有氮气或其他气体。旅行者1号因此改道经过土卫六，失去“行星全垒打”的机会。直到2015年新视野号（NewHorizons）传回影像，我们才一窥冥王星的庐山真面目。

旅行者1号在1980年11月穿越土星系统，并飞掠土卫六这颗土星卫星中的“巨人”，证实氮气在其大气中所占比率最高，虽然表面温度只有-180℃，但表面气压是地球的1.6倍。科学家也发现，大气之所以呈现橙黄色且不透明，是其中占 2~3% 的甲烷经光化学反应生成乙烷（ C2H6 ）和碳氢化合物，累积在大气或掉落表面所致。奇妙的是，根据物理化学分析，甲烷和乙烷在表面是以液态存在，如果土卫六形成后乙烷和碳氢化合物便不断生成，那不透明的大气下可能有一片深达1~2公里的海洋。这样的环境加上以氮气为主的大气，十分类似原始地球，是探究生命起源的绝佳地点，对当时科学家来说，土卫六是一个充满谜团的新世界！

卡西尼向土星 前进

完成了行星探测计划的首要任务：投石问路，飞掠探查，接着就是长期绕行该行星，仔细测量各区域和不同时间尺度的变化。因此在两艘旅行者号发射之前三年，NASA已和德国航空太空中心(DLR)讨论绕行木星的伽利略任务，希望长期观测木星大气层和磁层及其各颗卫星，所以下一步自然该是土星任务。但1980年代初期，由于太空计划经费超支和种种技术问题，NASA的行星探测计划好像泄了气的皮球，所有新计划只强调简单和省钱。

在此背景下，我在1982年初的一场会议上偶然拾起NASA阿姆斯研究中心的一本宣传书，书中介绍土卫六的大气探测器和雷达实验。该中心曾研发金星（先驱金星号）任务和木星（伽利略任务）的大气探测器，因而对土卫六大气有兴趣；土卫六雷达发射的无线电波则可以穿越不透明的大气层，对地表进行勘察。这两个想法具有科学价值又大胆，但只能对土卫六进行一次短暂的近地测量，而且只对某些研究领域有贡献，所以不算是完整计划。但这提醒我们，雷达实验和大气探测器对土卫六的研究很重要 。因此当年欧洲航天局（ESA）在征求太空任务提案时，我们便提出土卫六探测器计划，也促成ESA与NASA再次合作。当卡西尼-惠更斯任务最终成行后，这两个想法也分别成为最有特色、成果丰硕的科学仪器——惠更斯探测器与卡西尼号上的雷达实验。

卡西尼惠更斯号在2004年7月1日抵达木星，同年12月23日投放ESA的惠更斯探测器，进入土卫六大气，过程中有两个多小时可针对大气构造和化学成分进行测量。卡西尼号继续绕行土星，并近距离（离表面仅一千公里）对土卫六进行雷达、质谱仪和其它观测。由于原定四年的任务相当顺利，成果很丰硕，卡西尼号的任务不断增加、服役时间不断延长，首先是2008-2001年的春分任务，目标是研究太阳光直射土星赤道时土星环和大气的变化，最后是2010到2017年的夏至任务。监测太阳光逐渐上移到土星北半球对应的季节变化。

卡西尼号利用土卫六重力改变航道飞越其它土星卫星。土卫二本来不是最重要的目标，但是在发现其南极的喷流后，NASA几乎重新设计卡西尼号的轨道，增加飞掠次数达22次。这功夫没有白费，在距离土卫二表面仅24公里的一次飞掠中，卡西尼号穿越南极喷流，透过质谱仪实验发现地下海洋可能适合生命存在， NASA 可能就因这一点决定提早进行新的土卫二探测计划。

土卫二有一片遍布全卫星的地下海洋，表面部分区域没有陨石坑，和其他坑坑洼洼的部分区别很大。土卫二南极有数条裂缝，水汽和尘埃从中喷出。

放眼新旅程

今年在执行盛大谢幕任务前，NASA先让卡西尼号移至土星环F环外侧，从4月26日到9月15日为止，太空船每11天经过土星环内侧和土星大气外侧，进行前所未见的探测，总共22次。这次卡西尼号将距离土星气压一巴（bar）处仅2000公里，测量重力场；科学家希望借此得到土星环质量、土星核心大小及内部质量分布的精确数据；另外关于土星大气纬向风系统的来源、非常对称的磁场强度是否有变化，极光圈的形成，以及土星大气和土星环间的作用，或是土星大气的动力学是否和内部结构有关，都是这次的任务重点。

卡西尼号在9月15日进入土星大气焚毁，成为土星的一部分，这样做是根据空间研究委员会（COSPAR）制定的《行星保护国际公约》，目的是防止地球有机物质进入其他可能适合地球生命生存的行星或卫星表面而造成污染，因此火星登陆器和探测车在发射前都要消毒，以免地球的细菌和微生物对火星可能存在的生物圈造成影响。同样的，火星带回来的标本也要隔离，防止和外界直接接触。顺带一提，20年前我参加COSPAR会议，听到相关讨论的重点多放在月球和火星，发言者多为欧美和俄罗斯科学家。现今日本、中国、印度的研究人员也加入讨论，目标天体则包括多颗卫星和最大的小行星谷神星(Ceres)。

NASA很注重地外生命议题，因为探索太阳系的下一步将是两项用于寻找生命踪迹的卫星探测计划，绕行木星的土卫二快艇号（Europaclipper），以及飞掠土卫二及土卫六的海洋世界计划（OceanWorlds），这两项计划也将采用比卡西尼号的离子及中性粒子质谱仪灵敏度更高的仪器，希望测量出木卫二或土卫二的大气及喷流中测量出来的稀少大质量有机分子和同位素（甚至微生物）。海洋世界计划尚需NASA定夺，但木卫二快艇号预计在2022年发射，另外ESA也预计于同年发射木星冰冻卫星探险者号（JUICE），绕行木卫三（Ganymede）。未来十年，木星系统将很热闹。

太阳系是最好的实验室

过去也有针对外太阳系行星探测的提议。最成熟的是1982年的土星大气探测器，另外是天王星轨道探测器。本来紧接着卡西尼计划的应该是土星大气探测器任务，但因为木卫二和土卫二在生命起源上扮演关键角色而搁置一旁。从此例可以看到长期规划对科学发展固然重要，但也常被重要发现打乱脚步，反而引领我们转往新方向。目前科学家已提出各种有趣想法，可作为发展新一代木卫二和土卫二地下海洋，以及土卫六大气和甲烷海的探测计划基础，说不定将有数代科学家会把一生精力放在这里，就像谢里曼挖掘特洛伊遗迹那样。

深空探测目的是开拓人类的知识边界，就像洪堡短短五年的南美洲之旅带给地理学和生物学翻天覆地的改变。假如有机会我们应该积极争取国际大型合作计划，例如天王星和海王星的轨道探测器以及大气探测器——UNO（Uranus& NeptuneOrbiters）计划。天王星很特别，其自转轴与黄道面倾角是98°。一种说法是天王星形成后，被另一颗大小类似地球的天体撞击，把本来与黄道面几乎垂直的自转轴撞歪，其卫星可能也是碰撞后才形成。海王星更有趣，最大的卫星海卫一（Triton）的绕行方向与海王星自转方向相反，说明它不是与行星一同形成的，可能是一颗从海王星轨道外捕获的天体。旅行者2号在1989年飞掠海王星时，发现海卫一有氮气组成的稀薄大气，表面分布氮冰与甲烷还有气体和尘埃从表面喷出。海卫一可能是太阳系生成时留下的行星胚胎，值得在UNO计划中近距离飞掠，或者利用轨道探测器对海卫一仔细研究。

搜寻系外行星和地外生命是当前天文学进展最快的领域之一，从此观点来看，太阳系其实是最好的实验室。因此需要尽快完成所有行星和卫星的探测工作，尤其是关于天王星和海王星如何从太阳系内侧移动到外侧，这是太阳系演化过程中特别重要的轨迹移动现象，要等到UNO计划真正执行，人类才能完成太阳系勘察。如果可以联合各国太空机构参与，肯定更有意义。