卡西尼号：最后的战役

本文写于2017年4月15日，首发于知乎专栏。当时没有发，这次趁卡西尼号坠毁一周年之际补发一下。

卡西尼号要退役了。

从下周开始，卡西尼号将会燃烧最后的能量，继续开拓前所未有的神秘领域：探索土星环、土星大气层和外层结构——卡西尼项目组给这场最后的战役起了个炫酷的名字The Cassini Grand Finale（卡西尼号的壮丽终章）。

The Cassini Grand Finale

首先是20圈准备和变轨期（Ring-Grazing Orbits，灰色轨道，开始于2017年4月19日，预计于4月22日最近飞掠土卫六Titan并借助其重力变轨）；

然后是22圈土星环探测期（Grand Finale Orbits，下图蓝色轨道，预计开始于4月26日），卡西尼号会一次一次地穿过环缝（gap）；

最终，卡西尼号会撞向土星坠毁（Final Orbit，下图橙色轨道，预计坠毁日为9月15日）。

卡西尼号壮丽终章的轨道。来源：NASA

关于土星环

土星环最早是伽利略于1610年通过望远镜观测到的，但当时受分辨率所限，他看到的并不是一个环，而是“土星两侧的小点”，因此以为只是土星的卫星。

直到1655年，惠更斯用改良的望远镜才确认了之前的“卫星”其实是土星环。

目前认为土星环的主要成分是水冰的冰砾，这些冰砾总体都比较小，最大不超过几米。

图：土星环物质的假想图。来源：NASA

最靠近土星的内环，从内到外分别D环、C环、B环和A环，中间夹杂着几个环缝（Gap），再往外是F环（不要问我为什么这么没创意还不按位置顺序来，因为这货原本是按发现顺序起的名字！）

土星系的整体结构。来源：NASA

土星内环的细节。来源：NASA

关于土星环的年龄，之前主要有两种猜想：

老年说：土星环和土星差不多时候形成（也就是太阳系早期，略晚于45亿年前左右），这样，土星环的总质量应该很大，比如目前估计的B环的总质量应当比土星的卫星Mimas（直径约400千米）还要重；

青年说：土星环是约1亿年前土星轨道上曾经存在过的一颗卫星的残骸碎片，这一猜想一部分来源于卡西尼号拍摄的明亮而近乎透明的B环外观——如果B环那么老了，那应该会被日久经年的微陨石和星际物质染成深色了呀，怎么还会这么透明呢？如果这一假说成立的话，B环总质量就要轻的多——只有Mimas的20%到80%左右。

这次（预计）能探测到什么？如何探测？

按轨道的深入顺序：

1）深入土星环内部，通过探测土星环的质量来推测土星环的年龄

在卡西尼号一次一次穿过土星环缝的过程中，通过连续观测卡西尼号微弱的多普勒频移信号（这反映了土星和土星环对卡西尼号的引力作用变化），反推土星环的质量，以此推测土星环究竟是否年轻。据说卡西尼项目组的成员们为此在组内开了一个赌局，赌土星环究竟是很老还是很年轻——一注5美元，投注截止到卡西尼号进入土星环第一圈之前。

2）用相机拍摄土星上空风暴和云的结构

3）通过近距离测量土星磁场，精确确定土星的自转周期

我真的没有在逗你们，由于气态巨行星没有明确的固体表面，所以我们之前真的不知道土星内部真正的一天具体有多长。因此，科学家们希冀这次可以通过测量土星磁场的周期来确定土星内部的自转周期。

4）最后五圈，卡西尼号将深入土星大气层，对土星的外层大气进行采样分析

这将是人类自2003年伽利略号撞木星之后的另一次壮举。幸运的话，卡西尼号将通过采样分析，估算出土星外层的氦气和氢气含量，帮助我们进一步了解土星的结构和气态巨行星的形成。

前路险阻，勇往直前

虽然目前的计划“看上去很美”，但这最后的旅程实际上充满凶险。

尽管按照之前观测结果的模型估计，土星环缝应当相当安全，环缝中的颗粒物应当跟灰尘一样细小，不会对探测器造成伤害。但一旦实际情况有丝毫意外——速度高达122,000千米/时的卡西尼号，即使不慎撞上了任何一个肉眼可见的小物体，都会是灾难性的。因此谨慎起见，卡西尼号将在进入土星环的轨道之前，会将它的高增益天线（就是那个白色的锅一样的东西）调整到行进的前方，用它作为盾牌来保护仪器。

即使22圈土星环观测可以顺利完成，此后的每一步深入，都面临着各种意想不到的危险，最重要的是，机会只此一次，任何一个小差池，就是提前game over。卡西尼号能否冲破重重险阻，完成最后的探测目标呢？

最后的战役即将拉开序幕，让我们拭目以待。

（当然现在我们都已经知道了，卡西尼号圆满完成了最后的战役，于2017年9月15日，也就是1年前的今天撞向土星坠毁。）