03.02 卡西尼号是什么探测器?

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作为二十世纪最后一艘行星际探测器,卡西尼号由美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局合作研发,主要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。 从1997年10月15日16时43分发射升空,到2000年12月飞掠木星;从探索土卫一、土卫二、土卫六等土星卫星,到最后坠入土星大气层,卡西尼号完成了伟大的终结。

卡西尼号探测器是以法国天文学家多米尼克•卡西尼的名字命名的。作为一名伟大的天文学家,卡西尼于1693年提出了卡西尼定律,精确描述了月球的运行;他先后发现了木星的大红斑和木星的较差自转,对黄道光也有极大的研究贡献。然而,卡西尼最广为人知的,是他对土星的观测:他发现了土星的四个卫星(土卫八、土卫五、土卫四、土卫三)以及土星环中间的暗缝(卡西尼环缝)。他猜测土星环是由无数小颗粒构成,这个猜想直到两个多世纪后,人们才通过观测证实。

卡西尼号的旅程漫长而艰辛。发射伊始,它并没有直奔土星,而是朝着相反的方向,向金星飞去。1998年4月26日,卡西尼号在金星上空300千米处第一次掠过金星,不仅增加了速度,而且还被金星的引力改变了飞行方向,往太阳系外侧飞去。奈何金星的引力太小了,1998年12月,卡西尼号飞至地球与火星轨道之间,速度又渐渐变慢,再次被太阳引力拉回内侧,并在1999年6月24日再度回到金星轨道,再一次由金星引力加速。2000年1月,它成功穿越荆棘丛生的小行星带。2000年12月,卡西尼号在距木星约1000万千米处飞掠,借力木星完成最后一跃。2004年7月1日,卡西尼号成功进入预定轨道,成为环绕土星运行的第一颗人造卫星。

2013年7月19日,美国宇航局卡西尼探测器飞入土星阴影区并拍下了下面这张照片,展示土星美丽的光环和卫星。图像上还可以看到我们的家园——地球,那是一个暗弱的蓝色光点。

2017年9月15日,卡西尼号完成了最后一个任务:坠入土星的大气层中。这场伟大的终结在天文界掀起了一股热潮,令无数人为之牵肠挂肚。再见,卡西尼号土星探测器。归来时,流星划过,灿若烟火~


天马行文


如何从零开始快速认识一颗探测器?可以遵循这样的顺序:

1、探测目标

简单的来说就是这颗探测器是要飞向哪里,要探测哪个天体。比如罗塞塔号探测的是彗星67P/楚留莫夫-格拉希门克,那它就是一颗彗星探测器;好奇号探测的是火星,那么就是一颗火星探测器;卡西尼号探测的是土星系统,也就是土星及其卫星这一整个体系,那么卡西尼号首先是一颗土星探测器。

(图:木星探测器卡西尼号。来源:NASA)


2、探测器类型

探测一个天体,有各种各样的形式。最简单的有飞掠(flyby),就是飞着经过这个天体,探测到啥算啥;难度高一点的有绕飞,就是探测器进入这个天体的轨道,然后绕着这个天体一圈一圈的飞(类似人造卫星),这样的探测器也叫轨道器(orbiter)。轨道器可以更有针对性地探测这个天体,而且这一圈没测到的下一圈可能就测到了,大大增加了探测数据的全球覆盖,卡西尼号就是一颗轨道器;难度更高的,探测器绕着飞几圈还会在这个天体表面软着陆,着陆后继续近距离探测这个天体的表面,这样的探测器叫做着陆器(lander),卡西尼号虽然自身并不是一颗着陆器,但它发射的时候就携带了一枚着陆器,叫做惠更斯号,探测目标是土卫六。所以严格来说,这个探测器的全名叫做卡西尼-惠更斯号,也就是说是一颗轨道器+一颗着陆器。

(图:轨道器卡西尼号和着陆器惠更斯号。来源:NASA)


3、探测内容

也就是这颗探测器具体可以让我们了解这个天体的哪些特征,这完全是由这个探测器设计时携带的科学仪器决定的,也就是说带了什么仪器就可以测出什么。最常见的科学仪器是相机,也就是可以拍摄这个天体的图像;复杂一点的,会带激光高度计,就可以测这个天体的表面地形;带磁力计就可以测磁场;带光谱仪就可以测成分……卡西尼号带了相机、多个波段的光谱仪、磁力计、等离子体和宇宙尘埃分析仪等仪器,所以我们可以看到美丽的土星及其卫星们的照片,可以知道土星系统的表面形貌、磁场、极光、带电粒子等空间环境和性质……

(图:卡西尼号携带的科学仪器。图:NASA)

至此,恭喜你对卡西尼号的了解已经超过了90%的人类了~如果还能了解一些细节,比如什么时候发射的,目前是否已经结束任务了,什么时候结束的,有过哪些开拓性的发现,那么可以对这颗探测器会有更加感性的认识。


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就像发现新大陆的英雄们一样 ,每一个太空探测器就像是一位战士,将人类的足迹带到了星际,将人类的视野拓展到了太空,他们值得我们去铭记。

图1. “卡西尼”降落在土星的位置(来源:NASA官网)

发射于1997年的“卡西尼”号探测器将人类的视野拓展到了土星及其卫星,让我们以前所未有的细节领略了这颗带有美丽行星环的行星。在星际空间战斗近20年后,2017年9月15日,“卡西尼”号燃料耗尽,坠入土星。

图2. NASA高管Julie Webster向完成服役的“卡西尼号”致敬(图片来自于NASA官网)

在人类探索太空的历程中,“卡西尼”号处于一个什么样的位置;这二十年的探索,它都取得了哪些发现;以“卡西尼”的离去作为节点,在一个新的纪元,人类进一步探索太空的脚步又将走向何方,接下来就让我们一起回顾一下。

NASA数十年的太空探索

说起太空探索,我们最先想到的就是NASA(美国航空航天局)。自1958年建立以来,NASA为探索太阳系都发射过哪些有名的探测器呢,让我们一起来盘点一下。

  • 从 1961年8月~1965年3月,美国先后向月球发射了9颗“徘徊者号”探测器,为“阿波罗登月计划”做准备;

  • 1966年~1969年,NASA依次发射七艘“测量者号”探测器进行月面软着陆试验,探测月球并为“阿波罗”号飞船载人登月选择着陆点;

  • 1961年-1972年的阿波罗登月计划;

  • 1962年,美国的水手2号金星探测器发射成功,揭开了人类探测金星的序幕(水手1号因出现故障而被摧毁)。从1962年7月至1973年11月共发射10个水手号探测器,其中3个飞向金星2个成功,6个飞向火星,4个成功;另一个是对金星和水星进行双星观测,成为第一个双星观测器;

  • 2004年发射“信使号”水星探测器,2011年进入水星的轨道;

  • 2011年11月发射了“好奇号”火星探测器,2012年8月成功登陆火星表面。成为美国第七个火星着陆探测器;

  • 1989年从“亚特兰蒂斯”号航天飞机上发射的“伽利略号”木星探测器,是美国航天局第一个直接专用探测木星的航天器;

  • 对于土星探测器,除了1997年发射的“卡西尼”,其实此前还有1973年发射的“先驱者十一号”探测器以及1977年的“旅行者”一号和二号探测器;

  • 2006年发射了“新地平线号”冥王星探测器;

以上提到的探测器,涉及到了太阳系各大行星的探测。当然还有两个没提到,就是天王星和海王星。虽然NASA没有直接发射这两大行星专门的探测器,但1977年发射的两个太阳系外空间探测器“旅行者”一号和二号探测器在飞掠这两大行星时,也顺便进行了一些基本的探测,传回了很多重要的数据。目前这两个探测器或许已经飞到太阳系边缘甚至已经飞出了太阳系。

“卡西尼”的探测成果

“卡西尼”为期近20年的探测任务取得了很多重大的成果:

  • 卡西尼号“亲密接触”土卫五,并拍摄了超清晰冰冻表面;

  • 卡西尼号探测器捕捉到了金星从土星环中穿过;

  • 卡西尼号在土卫六发现微型“尼罗河;

  • “卡西尼”曾经探测到土星喷射出了巨大氧气流;

作为一个具有时代意义的土星探测器,卡西尼号的成果绝对比我们目前所知道的还要多,说不定未来对回传数据的分析会获得更多的成果。

图3. “卡西尼号”坠入土星(图片来自于NASA官网)

未来的太空探索

回想苏联和美帝当年的太空军备竞赛,虽然已过去许久,但仍在现在甚至未来影响着人类对外太空的探索,同时也影响着世界太空军备力量的格局。无可否认,美国在太空探测方面远远领先于其他国家,但今几年来,我国也不甘示弱,努力发展航空航天技术。2022年前后,我国将拥有自己的空间站,这将是我国对太空探索的一个里程碑式的事件。而NASA也将发射更多的空间探测器,探测太阳系甚至更远的星际空间。此前,NASA也开始进行人类的“火星登陆”计划。相信在我们的有生之年,会亲眼看到人类外太空探索的更多激动人心的事。

最后借用三体中的一句话来结束本文,

越透明的东西越神秘,宇宙本身就是透明的,只要目力能及,你想看多远就看多远,但越看越神秘。——刘慈欣《三体》


量子驿站


“在一个有限的世界里,无限的宇宙视野并不是奢侈品,而是生存的必需品。”\n——《星际唱片》

在人类探索未知宇宙的过程中,1997年发射的卡西尼号在2004年7月1日正式进入土星系预定轨道,13年后,在2017年9月15日,它将结束这次宇宙冒险,坠入土星大气层。

有些地方你只能去一次,在土星环和大气之间不太深也不太远的位置上,卡西尼号将沿这22个轨道进行最后的飞行。

今年4月26号,Google Doodle形象的展示了卡西尼号这个拍照狂魔在穿越土星与土星环的状态。

在这么些服务于人类探索的生涯里,我们跟随卡西尼号,都看到了哪些从未想到过的狂野又美丽的画面呢?我们先读取一下上面的涂鸦中相机拍到的内容~

2005年,经过国际技术的通力合作,在成千上万地球人的注视下,由卡西尼号携带的惠更斯号轻轻降落在泰坦(土卫六)的表面上,并传回了第一张图像。

自此开启的星际旅行,卡西尼号见证了各种不同于地球的“怪异”现象。比如它不断的看到不同的“月亮”——

有时它看到月亮躲在土星环里;

有时月亮也在看它;

更多时候,月亮跟地球的那个月亮一样,孤傲地待在夜空中,

⬆️这颗是泰坦(土卫六)

这些月亮都是土星的卫星,它们不断的出现消失,构成形态各异的景象。有如同母女般的关系,让卡西尼见证一下“双月牙”;

也有时候,卡西尼号能一下拍到“一家三口”。

而孤独的漫步在宇宙里,卡西尼号难免会感到孤独,从土星环的中间,它也会回望地球,远处那一点微弱的亮光证明着它的全部存在。

看着这颗粒大小的亮光,它告诉自己,还没到时候,还没到时候……。

而宇宙也从不让你失望。

卡西尼号在这里发现了液体,发现了跟地球,那个它出发的地方,更多的相通性。

celdus

从发现表面的坚硬物体,到南极冒出的水蒸气水冰粒子,证明了土卫海洋的存在,这种热液喷口的可能性,完全打破了其表面是坚硬土地的第一印象,也说明了土卫二拥有潜在生命的可能。

所以即使结束任务,也不能坠落在这样神奇的地方,因为卡西尼号可能带有地球污染,而这个污染可能对这些潜在生命造成威胁,于是卡西尼号会一直探索,直到9月15日坠入大气层,生命到了最后一秒,卡西尼号也会把大气中采集到的最后的数据传回地球。

在它结束生命前,我们再一起看看它居住了十三年的星球,门前屋后走一圈,搬走前看最后一眼曾住过的房间。


果壳视频


当卡西尼号于美国当地时间9月15日完成“大终章(Grand Finale)”任务时,距离它进入太空20周年纪念只有一个月的时间。1997年10月15日,美国宇航局、欧洲航天局(ESA)和意大利航天局于由美国国家航空航天局共同发射了卡西尼号。它用了7年时间接近任务目标土星,并于2004年到达土星轨道。现在,经历了将近13年时间观察这颗行星之后,卡西尼号已经消耗了大部分火箭推进剂,现在所剩燃料已经很少。

从今年4月起,卡西尼号开始“天鹅之歌”任务,而不是简单地坠入土星大气层中焚毁。这项任务也被称为“大终章”,卡西尼号长达6个月的最后任务是尽可能多地观察土星环及其大气层,它将以每小时近万公里的飞行速度撞入土星环和大气层中。

卡西尼为我们对土星及其卫星的理解做出了巨大贡献。它最早的发现始于2005年的土卫六(Titan)探测器“海根斯号”,这是史上首次有探测器在土星的卫星上着陆。海根斯号探测器的发现以及卡西尼号随后拍摄的照片,展示了这颗类似地球的卫星形成的过程。首先,它的大气中含有益生菌化合物,比如像苯和甲烷这样的碳氢化合物。这颗卫星上也有海洋、河流、湖泊以及雨水的形式。

说到土星的卫星,卡西尼号也发现了在土卫二(Enceladus)上的冰羽,它至今仍然活跃着。土卫六和土卫二上都存在水存,使得它们成为太阳系中潜在宜居星球的主要候选者。卡西尼号还解决了土星的另一颗卫星土卫八(Iapetus)上困扰了科学家300年之久的谜团。天文学家们对土卫八的双面表面感到困惑,卡西尼号发现这是由于卫星轨道上的红色尘埃移动和在其冰冷表面上溅洒造成的。

除了卫星之外,卡西尼还在土星本体上有了一系列发现。它不仅拍摄了土星环中垂直结构的第一张图像(表明它们是一个动态系统),还仔细研究了土星上的北极六边形。此外,这个探测器还发现了土星两极类似飓风的风暴,以及持续了相当于地球上30年的超级风暴。然而,推动这些运动背后的宇宙力量仍然是一个谜。

还有很多其他的发现,我们肯定会了解更多。卡西尼号将在土星大气层和土星环内壁之间的椭圆轨道上运行,在本周结束之前完成22次最终的轨道飞行。像卡西尼号这样的太空探测器对于我们理解银河系附近的邻居至关重要。在其他方面,诸如帮助我们在太阳系中寻找潜在宜居环境此类的任务,现在比以往任何时候都更加重要,因为我们已经考虑到成为多行星物种的意义。


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