【博科园-科学科普】卡西尼号是卡西尼惠更斯号探测器的一个组成部分。卡西尼－惠更斯号是NASA、ESA和ASI的一个合作项目，主要任务是对土星系进行空间探测。卡西尼号探测器以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察。
土星是在太阳系的所有行星中最先成为天文观测者的一个谜，远早于望远镜本身的发明。
卡西尼号拍摄的土星上最壮观的马赛克图像之一显示了北极，土星环，行星的阴影，以及我们太阳系最具视觉色彩的世界的近照。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
当伽利略首次使用他最早的天文望远镜观看天空时土星是一个谜，伽利略注意到似乎显示 "戒指环"。在过去的几年里土星变得更加奇妙，在它们的缝隙中展示着光环，许多大小不同的卫星和其他有趣的特性，带状结构，瞬态风暴等等。现代天文望远镜的出现和土星的“航行者”的飞行只暴露了更深层的奥秘，揭开了许多稀奇古怪的问题。
卡西尼号于1997年10月15日发射。这一壮观的条纹是在卡纳维拉尔角空军基地上拍摄的，前景中有一艘固体火箭助推器。图片版权：NASA
1997年10月15日美国宇航局的“卡西尼号”首次投入使用。为了观测土星，拍摄图像和光谱及卫星等，它还配备了一个着陆器：惠更斯号探测器，它将降落到土星的大卫星“泰坦”上。装备了放射性同位素发生器，它将拥有自己的舰载能量，可以持续几十年的核衰变，从而达到前所未有的科学水平。
在发射前一年，卡西尼号宇宙飞船的一张图，包括各种仪器和机载设备和探测器。图片版权：NASA / ESA / Italian Space Agency; JPL-Caltech
卡西尼号于2004年到达目的地，经过了为期7年的太阳系之旅。当它到达土星时立即开始收集数据并在2008年完成了四年的主要任务。它发现土星环、风暴和土星表面的旋流模式的额外缺口及更多的卫星，还发现了各种分子的存在，惠更斯探测器甚至在泰坦表面发现了流动的液态甲烷的证据。尽管取得了巨大的成功，但有六项发现是卡西尼号最壮观的任务。当它准备结束生命的时候才是最伟大的。
土星北极，如图所示自卡西尼号首次进入土星轨道以来，是蓝色的。然而在过去的几年里，它开始从蓝色变成黄色，非常缓慢。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
卡西尼号20年使命结束，这是它6大最重要的发现：
TOP1、土星的极地六边形和飓风。尽管旅行者号发现了这种结构的蛛丝马迹，但直到卡西尼(Cassini)发现了这一奇观后，我们才发现了惊人的真相：土星有一场六角形的风暴在北极不断地肆虐。流体动力学和土星混乱但快速旋转的大气的结果，这是第一次在气态世界发现的这样的风暴。超过32000公里(20000英里)宽，风暴开始在78?纬度和延伸了约100公里(60英里)。
土星北极的伪彩色图像突出显示了六边形内部和周围的不同特征，包括北极涡旋。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
与其他大气特征不同，六边形的纬度随时间的变化而变化。在六边形周围360公里/小时(220英里/小时)的东移的气流，与低纬度气流相结合，可以在计算机模拟中再现六边形。也许最引人注目的是北极周围的极地涡旋本身就像飓风的眼睛，在卡西尼可以看到的漩涡中有一个断裂。
土星六边形的伪彩色动画，由大约70个独立框架缝合在一起。图片版权：NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University
土星的极地风暴本身直径约为1250英里(2000公里)，在卡西尼观测到的13年间，它一直持续存在。最引人注目的是在过去的几年里，这个漩涡的颜色已经开始改变了。正如科学家John Blalock所指出的：当我们从2012年到2016年的时候，六边形可能会稍微亮一点，但内部和特别是甜甜圈区域(在中心)看起来更亮。在上层大气中光化学烟雾产品的生产增加了。
2012年(L)和2016年(R)土星的北极图像，都带着卡西尼广角相机拍摄。颜色的差异是由于由直接光化学变化引起的土星大气化学成分的变化。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
为什么呢？土星的北极长期以来一直于太阳倾斜，只有在2015接近太阳的时候才回来，很明显：极地六边形的颜色发生了变化，就像它在阳光直射下一样。在太阳周围29年的轨道周期中，卡西尼号不可能很快看到这种变化，这仅仅是由于这个任务持续了很长时间，我们才发现这一点！
在长达8个月的时间里太阳系中最大的风暴肆虐，包围了整个土星世界，并能在里面容纳多达10到12个地球。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
TOP2、这是太阳系中已知的最大风暴。像所有的行星一样土星包含它自己的天气，包括大的和小的风暴。虽然卡西尼号的任务是在环地球上发现一些有趣的行星，比如长寿的极地六边形和南半球的龙风暴，但最壮观的发生在2011年，在北半球出现，环绕整个行星持续200多天。图像以一种旋转的方式被关闭，这表明风暴在土星表面以每小时60英里(100千米/小时)的速度移动。
土星(在风暴中)假色图。在风暴中缺乏白色/蓝色表示没有甲烷。风暴的眼睛是富含甲烷的;风暴的尾部是甲烷，边缘上的亮蓝色是水冰。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
虽然这一震级的风暴每隔20 - 30年就会出现一次，但在1876年这是最大的，持续最长的一次。4月发现这些风暴被土星大气层下层的水蒸气所抑制。不仅是氢和氦，还有甲烷，湿水汽形成了土星外外逸层的一层，使世界的内部绝缘。最终外层的冰凉如此之多，以至于它们下沉让内部、潮湿的层和风暴重新出现。从卡西尼的真实和假彩色图像中发展出这张照片，下一个主要的土星风暴，预计在本世纪30年代，可以最终告诉我们我们的邻居包含了多少水。
根据开普勒定律涟漪可能存在于一个环隙的内或外部分，这是由于一个中间的卫星由于内部的部分轨道更快速，而外部部分的轨道更慢造成的。图片版权：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
TOP3、土星环内固有的结构、涟漪和浮雕，土星在很多方面都很了不起，在我们所知道的所有行星中，它是密度最小的行星，也是唯一一个有明显可见的环的行星。这些环状物由冰冷的、尘埃状的物质组成，它们不是固体，而是由互相传递的粒子组成，它们被潮汐力短暂地粘合在一起。雪球和星子合并在一起，只能被土星及其传递的卫星所施加的潮汐力所撕裂。
土星环中的小卫星，如在Encke Gap或Keeler Gap的内部，可以在两边的圆环上看到皱纹和涟漪。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
环形系统本身的厚度只有10米到1千米，可能和土星本身一样古老。当土星环被观察到的时候，由于土星环与太阳的角度，在冰晶中微小的不完美可以被看到在剩下的光环上投射出令人着迷的长长的影子。
尽管土星环本身非常薄，但其高度只有厘米，可以看到接近土星分点的巨大阴影。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
主环从7000公里延伸到8万公里，高于土星的赤道:比土星的半径大。环系统由99.9%的水冰组成，有数千个稀薄的空隙，在过去更厚更多样。曾经的岩石物质已经合并成卫星，但只要我们的太阳系存在，水环就会继续存在。
由卡西尼号拍摄的土星环及其结构的可见光和射电图像。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
尽管它们具有高度的反射性，而且大部分都是由水冰构成的，但在光学和无线电中，环的反射率也不同，后者允许成像比前者更清晰。
土卫八的两种色调是一个谜，在大约300年的时间里，但最终在21世纪卡西尼号的任务中得到了解决。图片版权：NASA / JPL
TOP4、伊阿佩图斯两色自然的神秘被解开了。土卫八是土星的第二个卫星，可以说是它最神秘的地方。它不仅有一个赤道脊和一个大的轨道倾斜，而且它的一半像冰一样反射，而另一半则比冰深80%。不是它轨道的倾斜度而是它是土星上最远的大卫星。那，还有另一个同样不寻常的卫星。
土星的卫星菲比(Phoebe)，其颜色较深像蛹一样的表面，以及逆行轨道几乎可以肯定是一个被捕获的物体，而不是像大多数其他与土星系统本身形成的月亮一样。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
在土卫八的轨道之外是一个看起来没有其他行星环绕土星的卫星：菲比。菲比不是由土星其他卫星的相同物质组成的，而且它的轨道与其他卫星的方向相反。而不是(从北极往下看)在它的母星上逆时针旋转，而其他卫星都在绕着它旋转，菲比绕着土星顺时针旋转。这怎么可能？因为菲比不是来自土星，而是一个捕获的柯伊伯带天体！
斯皮策的红外图像能够发现一个微弱的外环，作为对卡西尼返回的暗示数据的追踪，这导致了土星周围的一个全新的环的发现。图片版权：NASA/JPL-Caltech/Keck
只在2004年被斯皮策太空望远镜(红外)探测到，菲比环是一个由菲比组成的分散的碎片环，而且非常黑暗，当然由于这些碎片围绕着土星与其他所有的卫星都是相反的，土星最外层的卫星可能会撞向它，将卫星的前侧暴露在黑暗的碎片中。这就是我们与伊阿佩图斯的配置，撞到菲比的碎片戒指上!
土星的图像，土卫八，菲比，以及土卫八和土星的外环，f -环的轨道。这是一个复杂的过程，最终导致了土卫八的两色性。图片版权：Smithsonian Air & Space, derived from NASA / Cassini images
因为土卫八被潮汐锁定在土星上，这意味着当它通过它的轨道时，同样的“侧边”总是会向前移动——它的前部积聚了这种黑暗物质，而后侧则没有。深色的物质在土卫八的一边收集，比浅色的物质更热，这导致地表的冰升华。在气相中蒸汽有相当大的动能。这还不足以让它逃脱I土卫八的引力，但足以让它移动到光线的一侧，在那里稳定地保持着，造成了土卫八的两种色调。卡西尼号的光谱功能提供了解开这个谜团的钥匙。
土卫二(Enceladus)的土卫二(Enceladus)，其高度反光的表面显示出持续的新鲜表面冰的存在和丰富，就像太阳系中没有其他卫星一样。图片版权：NASA / Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem
TOP5、土卫二在地下海洋中居住的潜力。随着卡西尼号的成像，恩克拉多斯被发现有一个光滑明亮的冰的表如此明亮，事实上它认为是太阳系中最反光的卫星。但表面光滑的表面会出现裂纹，裂缝表明结冰的表面有弱点。恩克拉多斯位于土星电子环的中心。
土星的弥漫性、明亮但冰冷的电子环，以及对土星环的存在负有责任的恩克拉多斯的“亮点”。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
土卫二地表下的冰物质被冰层上的冰和土星的潮汐力所压缩和加热，形成了一个盐水的地下海洋，液态水。然后水被喷射出来，这样它就从土卫二的重力中逃逸出来，而它的大部分形成了反光的电子环。水、热和有机分子的存在都应该存在于土卫二上，这使它成为我们太阳系中最有可能的生命之一。
在土卫二的表面(L)上出现了一幅火山喷发的图像，这幅图显示了地球科学家(R)的火山爆发的模拟。只有通过卡西尼号的令人难以置信的科学，我们才能够理解这个世界到底发生了什么。图片版权：NASA /Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem
水被证明是存在的，而来自土星的潮汐力提供了必要的热量。根据太阳系中其他天体的观察，土卫二可能也含有生命的原料。这三种迹象的存在都暗示着在这个巨大的海底海洋中可能存在着前驱体的氨基酸。
这是2005年11月27日卡西尼号宇宙飞船窄角照相机拍摄的南半球喷气机(蓝色区域)的伪彩色图像。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
这些间歇泉甚至可能成为寻找外星生命存在的未来任务的理想目标。一艘宇宙飞船穿过间歇泉的羽流，收集喷射出的物质，很可能找到人类一直希望存在的有机物质，因为我们第一次敢于梦想其他世界。“配料”都到位了，这种可能性太大，不容忽视。
从土星阴影的独特位置的大气，主环，甚至是外环都可以看到，以及在月食中土星系统的可见环隙。地球也在那里。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
TOP6、最后我们拍摄了地球。当旅行者号从太阳系出发时，首先拍摄了著名的“淡蓝色圆点”图像。在土星的阴影下从太阳下屏蔽卡西尼号，当它拍下这张照片时，它回头看向地球。土星的光环和大气层被明亮地照亮时，一盏淡蓝色的光在所有其他地方都显得格外耀眼。这不是一个遥远的恒星的图像，也不是一个微小的土星卫星的图像。相反那个点是我们的家——地球。
从土星光环的轮廓中可以看到，地球和月亮在土星令人难以置信的距离的蓝色光芒。图片版权：NASA/JPL/Space Science Institute
在那个点右侧的微小的不对称的污迹不仅仅是一个图像的产物，而是来自我们的伴侣世界的月亮。经过了20年的旅行和无数的发现，我们认为卡西尼带给我们的最伟大的东西是最不可避免的，最简单的的我们自己的家园。当卡西尼准备在9月15日(星期五)最后一次进入气体巨人的大气层时，重要的是要记住我们已经走了多远，以及我们是如何到达那里的。我们的旅程还没有完成，因为接下来的路要由我们所有人来完成。
参考：NASA/ JPL-Caltech / Science Institute等
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
