天文太空

道別卡西尼號 ─ 承先啟後丈量太陽系

卡西尼號將在今年9月墜入土星大氣層焚毀,完成最後任務之後,除了帶給我們土星系統的第一手資料,也將啟發人類繼續探索太空。

撰文/葉永烜

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道別卡西尼號 ─ 承先啟後丈量太陽系

卡西尼號將在今年9月墜入土星大氣層焚毀,完成最後任務之後,除了帶給我們土星系統的第一手資料,也將啟發人類繼續探索太空。

撰文/葉永烜


卡西尼號太空船從2004年進入土星系統,至今已13年。今年,卡西尼號的燃料所剩無幾,不能再像以前一樣大幅改變軌道,美國航太總署(NASA)因此執行「華麗大結局」(The Grand Finale)任務,在這最後一段旅程中,卡西尼號的繞行軌道會進入土星大氣層和土星環內側,經過最接近土星的位置總共22次(參見30頁圖),一次又一次進行實地測量,希望能解答幾個基本問題,例如土星的內部構造和非常對稱的磁場來源。


自從我們提出卡西尼計畫開始,35年轉瞬即逝,當年遙不可及的目標,現在不僅近在咫尺,甚至還「擦鼻」而過,卡西尼號很多重要發現讓科學家更了解土星及其衛星,例如土衛六(Titan)的局部甲烷海、土衛二(Enceladus)的地底熱泉及土星磁層的帶電粒子加速作用。現在回想,這項極為複雜的計畫,費盡了多少人的心血和努力才有今日的成就,或許我們一開始的工作是最簡單且容易的。


然而,我們如果要了解是什麼因素驅動了這樣充滿雄心的探索計畫,可能要從兩位18、19世紀的德國人說起。洪堡德(Alexander Von Humboldt)與謝里曼(Heinrich Schliemann)是我非常景仰的人。洪堡德是博物學家,年輕時遊歷南美洲,把這塊陌生大陸的地理人文介紹給歐洲科學家,也引起達爾文對生態學的興趣。謝里曼是白手起家的商人,他對荷馬史詩中的木馬屠城記很有興趣,壯年後投入所有財富和精力發掘特洛伊古城,改變西方人對古代史的認識。這兩個例子說明,好奇心是人類本性,有好奇心才能不怕失敗發掘新知,勇闖前所未見、人跡罕至之處,成為社會和科學發展的動力。所以歐美國家資助基礎科學研究不遺餘力,希望激發潛在的好奇心,使科技更進步。因此,先進國家積極發展天文學和行星探測計畫以拓展人類知識疆界,例如卡西尼計畫及其他太空任務,特別是前往外太陽系的一連串計畫。


外太陽系探索序曲


1972年12月,當NASA阿波羅17號的太空人還在月球執行任務時,先鋒10號也航向木星(緊接著是先鋒11號),並在1979年9月1日飛掠土星。那天我在NASA艾密斯研究中心與加州大學聖地牙哥分校的博士菲烈斯(Walker Fillius),一同等待高能粒子實驗儀器的資料傳回;這是我和土星首次相遇,好像和太空船一起到人類未涉足之地,這種感覺實在難忘。


先鋒10號和11號是NASA原名偉大旅程(The Grand Tour)的外太陽系探測計畫前奏曲。1980~1990年,木星、土星、天王星、海王星和冥王星在軌道上的位置恰好可讓太空船依序飛掠,是近距離觀測的最佳機會。該計畫後來更名為航海家(Voyager),兩艘太空船在1977年相繼發射。


當航海家任務尚在規劃時,科學家經地面望遠鏡觀察發現,土衛六有很厚的大氣層。根據光譜分析,大氣主要成份除甲烷外,可能還有氮氣或其他氣體。航海家1號因此改道經過土衛六,失去「行星全壘打」的機會。直到2015年新視野號(New Horizons)傳回影像,我們才一窺冥王星的廬山真面目。


航海家1號在1980年11月穿越土星系統,並飛掠土衛六這顆土星衛星中的「巨人」,證實氮氣在其大氣中所佔比率最高,雖然表面溫度只有-180℃,但表面氣壓是地球的1.6倍。科學家也發現,大氣之所以呈現橙黃色且不透明,是其中佔2~3%的甲烷經光化學反應生成乙烷(C2H6)和碳氫化合物,累積在大氣或掉落表面所致。奇妙的是,根據物理化學分析,甲烷和乙烷在表面是以液態存在,如果土衛六形成後乙烷和碳氫化合物便不斷生成,那不透明的大氣下可能有一片深達1~2公里的海洋。這樣的環境加上以氮氣為主的大氣,十分類似原始地球,是探究生命起源的絕佳地點,對當時科學家來說,土衛六是一個充滿謎團的新世界!


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