天文太空

土星,我來了!

經過七年漫長的旅行,卡西尼–惠更斯號太空船即將揭開土星、土星環,以及它巨大的衛星土衛六的神秘面紗。

撰文/路寧(Jonathan I. Lunine)
翻譯/傅宗玫
-

天文太空

土星,我來了!

經過七年漫長的旅行,卡西尼–惠更斯號太空船即將揭開土星、土星環,以及它巨大的衛星土衛六的神秘面紗。

撰文/路寧(Jonathan I. Lunine)
翻譯/傅宗玫
-

1997年10月15日清晨,天色猶暗,我站在美國弗羅里達州卡那維爾角附近一個鱷魚群居的海口邊緣,和好幾千人一起看著數英里外的發射台上,被聚光燈照亮的火箭下射出一束細小的火焰。火箭上升穿透積雲、橫越海洋、朝著太空前進,我們只能隱約看到助力器下方熾烈的火焰尾。在發射器頂端,即將展開數年行星際旅行的卡西尼號軌道船和惠更斯號探測器,是人類目前為止所建造最精密的自動太空船。我從當研究生時就開始參與設計這項任務,卻一直等到科學生涯過了一半,才看到首次長期探索火星任務的實現。

今年7月,卡西尼–惠更斯號太空船將進入太陽系第二大行星的軌道。自從20多年前,第一批飛越任務「先鋒11號」和「航行者1號及2號」挑起人們的興趣以來,研究人員便殷殷期盼著這一天。土星雖然比木星小,且表面看起來沒有那麼引人注目,它卻可能掌握所有氣態巨行星長期演化的重要線索。土星有成群的隨扈,包括30個冰冷的衛星,以及一個大如行星的土衛六(Titan)。土衛六濃密的大氣令科學家大感興趣,因為它可能透露生命如何在地球上出現。研究人員同時希望了解土星環如何形成,以及土星強大的磁場如何影響其冰封的衛星和土衛六的高層大氣。


科學家希望卡西尼–惠更斯號能重現伽利略號太空船的成功,後者對木星進行了八年的繞軌觀測,徹底改變了我們對木星和其衛星的了解。但是這兩次外行星任務有重大的差異。伽利略號釋放了一枚探測器調查木星的大氣,但卡西尼號軌道船則將惠更斯號探測器送往土衛六,而非土星本身。此外與伽利略號不同的是,卡西尼–惠更斯號是真正的國際合作產物:雖然卡西尼號軌道船是由美國航太總署(NASA)所建造、統籌,但惠更斯號探測器卻是由歐洲太空總署(ESA)所發展,且所有太空船儀器的科學團隊都包括歐洲及美國科學家。


任務的誕生


土星到太陽的距離(14億公里)幾乎是木星到太陽的兩倍(7億8000萬公里),因而一直顯得較為神秘。與木星相比,土星大氣上較少有能夠顯現出風場的可見地帶或區塊。土星的磁層(受到行星磁場主控的區域)比木星的安靜得多,木星產生的無線電雜訊在地球上也可以輕易偵測到。1943年,天文學家就在土衛六上發現大氣,但是直到太空時代,我們對土衛六或土星其他衛星所知仍非常有限。對地球上的天文愛好者而言,相較於過份活潑的木星,土星可說是個寧靜、美麗、神秘的對比,飄浮在遙遠寒冷的天際。


第一艘造訪土星的太空船先鋒11號,是個相當簡單的探測器,於1974年飛越木星,然後於1979年快速經過土星。先鋒11號的儀器偵測到了一個前所未知的土星環(F環)、遙測這顆氣態巨行星的大氣性質,並測量了土星磁場的強度和形狀。航行者1號和2號配備更敏銳的影像系統和光譜儀,分別於1980年及1981年飛越土星系統。太空船在土星環中發現了驚人的結構:暗色徑向的條紋像車輪的輻條般橫切過環,可能是電磁力使得塵埃懸浮於環面上所造成。這個現象和其他測量顯示,組成土星環的物體,大至巨石、小至塵埃。


航行者同時拍攝了土星多個冰封衛星的部份表面,顯出其表面不同程度的融化和再生。但是最令人興奮的發現可說來自土衛六,它是太陽系第二大衛星,僅次於木星的木衛三。航行者1號飛行至距離土衛六4000公里處。土衛六濃密的橘色霾霧,讓太空船的鏡頭無法觀測到任何表面現象,但是其他儀器測量了大氣溫度和壓力,得出含量最多的氣體是氮氣,其次是甲烷。


航行者1號發現,土衛六的大氣動力與地球出奇地相似。兩顆星球大氣主要都為氮氣,但是在土衛六,甲烷扮演著如地球上水在氣象中扮演的角色。甲烷也是土衛六高層大氣有機化學反應的中心,因為它的分子可以被太陽的紫外線分解。科學家相信,土衛六大氣循環過程可能會降下「液態碳氫化合物」的雨,然後聚積在土衛六表面的湖泊或海洋中。它的表面溫度大約是94K(或是–179℃),對液態水來說太冷了,但是卻正適合蓄積液態碳氫化合物。我們所知的生命形式大概無法在土衛六上演化,但是分析其上的有機化合物循環,可以為生命如何由地球早期歷史中浮現提供線索。


航行者號的結果刺激研究人員研發一具軌道船,對土星系統進行長期調查。但是在1980年代初期,探索行星的經費有限,因此NASA和ESA的官員開始考慮結合彼此的資源。1982~83年,歐洲和美國的科學家團隊一起描繪未來合作探索太陽系的計畫,而前往土星系統的任務則首當其要。