太陽系最偉大的謝幕：卡西尼號的終章

2017年9月15日，20歲的“老將”卡西尼號探測器在完成最後一個任務後，結束了他偉大而又壯麗的一生。在衝向土星表面的過程中化作一縷塵埃，最終成為土星的一部分，就好像英雄的骨灰撒在了他所熱愛和奮鬥一生的土地上。

為此，NASA JPL （美國國家航空航天局噴氣推進實驗室）為卡西尼號專門製作一段令人熱淚盈眶的影片，名為<Cassini's Grand Finale>以紀念卡西尼號最後的使命和光輝的一生。下面我先來靜靜地觀賞這一太陽系最偉大的謝幕。

NASA作品《卡西尼號的壯麗終章》(<Cassini's Grand Finale>) 請點選觀看▲

1962年-1973年，NASA在”水手計劃”中發射了一系列為探索火星、金星、水星三大行星而設計的無人探測器，其中水手1號-1水手0號這10個探測器7個成功，3個失敗。後期由於預算收緊，水手11號、水手12號計劃被迫改為了飛掠木星和土星，這就是後來“旅行者計劃”的前身。1964年夏，一個名叫加里·弗蘭德羅（Gary Flandro）的加州理工學院研究生，到NASA JPL 實習。他的任務是計算從地球飛往其他行星都有哪些可能的航線。這是一份技術含量不高的差事，所以一般人都不願意做。但在算了上百條平淡無奇的航線之後，弗蘭德羅卻發現了一條意義非凡的航線。

弗蘭德羅發現，在1976-1977年，木星、土星、天王星和海王星都會執行到特別合適的位置。在此期間，如果向木星發射一個探測器，它會先被木星的引力彈弓效應甩向土星，然後被土星的引力彈弓甩向天王星，接著被天王星的引力彈弓甩向海王星，最後被海王星的引力彈弓甩向外太空。也就是說，靠著引力彈弓效應的幫助，一個探測器就可以同時遊歷這四大行星。這樣不但可以節省大量的燃料，而且可以將探測器的速度提升至常規火箭推進器難以達到的程度，從而節省探測器大量的漫遊時間（正常情況下飛往海王星至少需要花40年；但要是選擇這條航線，就能把航行時間一下縮短到12年）。事實上這是一次百年不遇的機會：如果到 1977年還不能把空間探測器發射出去，要想有下一次同時遊歷這4個行星的機會，就得再等上整整 176 年。這條航線的發現，開啟了旅行者號的偉大征程。

旅行者2號的航線圖 ▲

1980年11月12日，旅行者1號在距土星1.26萬千米的地方飛過，它只是匆匆的一瞥土星大概樣貌即向太陽系外飛去了。這一瞥共發回1萬餘幅土星的彩色照片，科學家在這些照片中發現土星光環可細分成數千條小環，有強磁場和大紅斑；土衛六上空籠罩有280千米厚的霧層，大氣成分主要是氮而不是過去認為的甲烷；土衛六的直徑為4828千米而不是原來估計的5800千米。

為了弄清楚土星環帶和土衛六具體大氣情況，NASA打算髮射一個專門的探測器，對土星進行全方位的空間探測，卡西尼計劃便由此提出。這個計劃是美國國家航專空航天局、歐洲航屬天局和義大利航天局的一個合作專案。卡西尼號嚴格的講應該是卡西尼—惠更斯號（Cassini-Huygens，卡西尼號以著名的天文學家卡西尼的名字命名，以紀念他對發現土星的貢獻；惠更斯號以著名的天文學家惠更斯的名字命名，以紀念他對發現土衛六的貢獻）。這個探測器由卡西尼號和惠更斯號兩部分組成，是聯在一起的，其中卡西尼的任務是環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察，惠更斯的任務則是在土衛六上著陸（以下我們簡稱卡西尼號）。卡西尼號直徑3米，高7米，總重量5.7噸，攜帶27種當時最先進的探測裝置發射升空。這是二十世紀最後一艘行星際探測器。

卡西尼號探測器▲

1997年，在旅行者號發射升空的20年後，同樣藉助引力彈弓效應，卡西尼號也開始了它的旅行。首先，它飛向方向相反的金星，並於1998年4月和1999年6月兩次向金星借力；然後，它於1999年8月飛回到地球附近，向地球也借了一次力；接著，它於2000年12月飛到木星附近，向木星又借了一次力；最後，它於2004年7月飛到土星，成了土星的第一顆人造衛星。儘管整個路程是正常路程的2.5倍，由於引力彈弓大大提升了探測器的飛行速度，最終的飛行時間反而大大減少。[1]

卡西尼號的航線圖▲

經過了6年8個月17天的漫長的星際旅行，2004年5月18日，土星的引力第一次開始超過太陽對卡西尼號的引力，這代表著卡西尼號正式進入了土星系統。然而這並不代表著卡西尼號成功地進入了土星系統。由於卡西尼號以一個高速飛向土星，因此土星強大的重力場很有可能直接捕獲卡西尼號，使得卡西尼號墜入土星大氣層，從而墜毀。2004年7月1日卡西尼號開始進入了土星軌道，扣人心絃的“最後一跳”。為了防止直接進入土星，卡西尼號開啟了減速火箭，完成了一次長達96.4分鐘的關鍵性減速，最終成功地進入了環土星軌道，人類歷史上第一顆土星人造衛星就此誕生。[2]

土星近照▲

入軌後卡西尼號便迅速開始了它的工作，先是利用進入預定軌道的機會，冒著被土星環縫顆粒撞擊的風險兩次從土星光環中最寬的環縫穿越，對土星光環進行觀測，然後在預定軌道熄火，開始對土星，土星衛星及土星光環進行近距離觀測、拍照、測量等。

土星環近照▲

2005年1月，為了拍攝土衛六（泰坦）的地表照片，卡西尼號將攜帶的惠更斯號地表探測器送至土衛六。2005年1月15日惠更斯號徑直降落到土衛六地表，併成功軟著陸於土衛六表面。但由於土衛六地表非常寒冷，低於零下170攝氏度，使惠更斯號的能量迅速地耗盡，在九十分鐘後便與地球失去了聯絡，永久地留在了土衛六。惠更斯號傳回的資料使人類發現土衛六擁有和地球相似的地表。它對土衛六大氣的第一次現場測量，確定了從1400公里高度到地面的大氣壓力、密度和溫度。它的多普勒風實驗(DWE)在大氣中發現了強烈的東西向風，其中一些風的旋轉速度比衛星本身還快。它揭示了為什麼土衛六的大氣中含有甲烷、氮氣和微小的氣溶膠，數量是多少，並在內部探測到地質過程和特徵的跡象，如冰火山作用，以及潛在的大型地下海洋。

惠更斯號著陸意象圖▲

從2004年卡西尼抵達土星環之後，就為我們展現了土星及其衛星的驚人景象，他的任務也延長了不止一次而是兩次。他在土星上發現了土星極地六邊形颶風，土星北半球出現的超級風暴，土星環固有的漣漪和“浮雕”結構等。

土星極地六邊形颶風▲

土星北半球的超級風暴▲

土星環固有的漣漪和“浮雕”結構▲

卡西尼的探索也並不侷限於土星，它在土星最大的衛星土衛六上發現了甲烷和乙烷湖，這是已知地球之外唯一存在的液體湖。卡西尼號不僅揭開了這些星球上的奇怪地貌，還在冰冷的土衛二南極發現了間歇泉現象，揭開了隱藏在冰冷地殼下的液體海洋。這些觀測結果幫助我們確定太陽系中遍佈擁有海洋的世界，生命可能在這些世界進化，甚至在遠離太陽的星球上繁榮昌盛。

2013年的7月18日NASA發表了卡西尼在入軌後回望地球方向，並且第一次從外太陽系拍到了地球與土星的合影。這張照片是在土星陰影之下拍攝的，雖然土星環和大氣層都被照亮，但從中能清晰看到一顆淡藍色圓點狀星球，這個小藍點則是我們賴以生存的地球。放眼茫茫宇宙地球如滄海一粟，實在太渺小。

卡西尼拍到的地球▲

到了2017年，卡西尼已經入軌工作了12年之久。隨著卡西尼的燃料即將耗盡，他的導航團隊探索了卡西尼號飛船在燃料耗盡時幾條可能的飛行軌道: 它可能永久圍繞土星軌道執行，並且在未來幾年繼續為我們傳送回土星的資訊。它也有可能衝進土星環，讓我們瞭解其中的景象。它也有可能墜毀到土星的一顆衛星上，或者離開土星飛往另外一顆巨大的星球或外層太陽系的古怪小行星。

為防止他墜入土星的衛星，保護存在生命跡象的土星衛星不受碰撞汙染，NASA決定採取受控撞擊土星的方式來結束“卡西尼”的一生。這也給“卡西尼”提供了一次發揮餘熱、深入到一般探測器不敢接近的高度實施探測的獨特機會，可以首次獲得土星電離層和熱層的溫度、磁場和等離子體密度等科學資料。

2016年11月30日卡西尼開啟了倒數第二項任務，進入新軌道——「掠環軌道（Ring-Grazing Orbit）」，並於2016年12月4日首次從土星環所在的平面穿過。所謂「掠環軌道」，指的是卡西尼號在土星F環邊緣從土星環所在的平面穿越而過。這一任務階段將持續到2017年4月22日，卡西尼號將共計完成20次「掠環軌道」。在此期間，卡西尼號不僅可以進行取樣分析，還能以前所未有的視角對土星進行拍攝。

在2017年4月22日完成「掠環軌道」任務後，卡西尼號將最後一次掠過土衛六，並藉助其引力修正軌道，於4月26日進入最後一個任務階段。屆時，卡西尼號將從土星和其最內側的環（D環）之間穿越22次。下圖中灰色的曲線為卡西尼號的掠環軌道，藍色曲線為卡西尼號的大結局軌道，橙色曲線則為卡西尼號墜向土星的軌道。

卡西尼號任務尾聲的軌道圖▲

2017年9月13日上午3:53，卡西尼號任務工程師Michael Staab向飛船下達了最後的指令。儘管卡西尼號飛船的路線已經設定，最後一系列指令確定了它的命運。在卡西尼號飛船毀滅數小時前，Staab笑著說：“我是個無情的工程師。”

從1997年發射到2017年，20年的時間卡西尼號飛行了2.2億英里，執行了240萬次命令，拍攝了379300張照片，發現了10顆衛星，傳回了599GB資料，科學家從這些資料中研究發表了3616篇論文。時至今日，我們對土星的瞭解幾乎全部來自於卡西尼的觀測。

最終，太平洋時間2017年9月15日凌晨4時55分（北京時間9月15日19時55分），“卡西尼號”的訊號消失，這意味著這顆探測器在83分鐘前於高壓和高溫下蒸發殆盡，完全投入土星的懷抱。這也標誌著“卡西尼號”土星探測任務的結束。NASA在場人員始終平靜地監控訊號直到最後一刻，在現場負責人宣佈訊號消失後，全體起立鼓掌歡送這位英雄。

卡西尼這一生對土星的探索，不僅向人類揭示了土星不為人知的秘密，同時也向人類展示了宇宙的神奇。作為一個孤獨的勇士，如果卡西尼有思想，不知道當他最後回望地球的時候該是怎樣的心情，也許他知道人類對他的牽掛，希冀，與讚許，也許他會為自己短暫的一生感到悲涼，我想更多應的該是視死如歸的悲壯。也許有一天，會有更多的探測器拜訪“卡西尼的新家”，沿著先行者的足跡，走過他所走過的地方，經過他所經歷的故事，開啟人類探索宇宙新的征程。

-THE END-

引力彈弓效應：美國數學家米諾維奇的研究表明，當航天器靠近一顆行星的時候，會被它的引力所吸引。由於行星本身也在以很高的速度繞著太陽旋轉，它就會拖著航天器和它一起跑，從而把自己的速度也傳給航天器。這樣一來，只要航天器不被行星捕獲，它就能獲得行星提供的額外速度，從而以比原來大得多的速度被拋射出去。

免責宣告：

本文引用一些文章內容及作者的觀點：

引文來源：

[1]《“三體問題”開啟的卡西尼之路》

https://www.sohu.com/a/192715591_465226

[2]《太空13年之旅“卡西尼號”在土星發現了什麼》

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1671935234895948736&wfr=spider&for=pc

[3]《卡西尼號傳回進入新軌道後拍攝的首批土星照》https://www.sohu.com/a/121007645_341698

圖片來源於網路

影片來源於：https://solarsystem.nasa.gov/resources/17628/cassinis-grand-finale/

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