土星探测 人类又一次科学壮举

——我卢所李良研究员被采访

http://www.sciencehuman.com   科学人 网站 2004-07-20

　　缘起　7月1日，“卡西尼”号土星探测器经过7年的漫漫太空跋涉，顺利进入土星轨道，成为首个绕土星飞行的人造飞船。“卡西尼 惠更斯”土星探测计划，是继阿波罗登月、“伽利略”探测木星、探测器着陆火星之后，又一次伟大的科学壮举。最近几天，“卡西尼”号飞船不断地传来与土星“亲密接触”的信息和图片，这让全世界的科学家为此兴奋不已。

特邀嘉宾：

中科院国家天文台研究员　 　中科院上海天文台研究员　 　《天文爱好者》杂志副编审

李竞　　　　　　　　　　　傅承启　　　　　　　　　　　李良

　　土星的魅力在哪里

　　李竞：土星是太阳系内第二大行星，仅次于木星，是从太阳向外数的第6个行星。1781年发现天王星之前，人们始终把土星公转轨道当做太阳系的疆界，再往外就是“天外天”的恒星世界了。土星直径约6万公里，是地球的10倍，质量是地球的95倍，密度只有0.7，比水还轻，假如把土星浸在水里它也不会沉下去。另外，土星有一个庞大的卫星家族，现在确认的有31个。

　　傅承启：土星类似木星，属于类木行星，即没有固态表面的巨行星，是与地球完全不同的一类行星。它的结构与壳、幔、核结构的地球很不相同，外层是一层薄薄的大气，主要由分子氢、氦及少量的甲烷和氨等组成。大气层以下是一层厚达几乎半个土星半径的液态氢氦层。更深处，压力超过100万大气压，以至氢氦呈现液态金属相。该层以内有一层冰层，它由水、甲烷、氨等混合组成。

　　李良：人们在天文望远镜中所看到的行星中，土星最为美丽动人的是 它腰部带有非常显著、宽阔和明亮的光环。这是1610年伽利略首先注意到的。后来的空间探测表明，土星光环是由无数大小不等的物质颗粒组成，其中有直径约几微米到几米的粒子或烁石、冰块等组成。这些物质以很高的速度围绕土星运动，在太阳光照射下呈现出多种颜色，土星因此被装扮得非常美丽动人。

　　“土卫六”为何如此抢眼

　　傅承启：“土卫六”，西方称之为“泰坦（取自希腊神话中巨神的名字）”。“泰坦”是土星最大的卫星，直径5150公里，约为地球的40％，比水星和冥王星都大，比月球几乎大一倍。与月球绕地球的转动十分相似，“泰坦”也始终以同一面朝向土星，绕土星转一周大约16天。“泰坦”的表面温度很低，达到零下178摄氏度。

　　“泰坦”是太阳系唯一一颗具有浓厚大气层的卫星，表面大气压是我们地球的1.5倍。“泰坦”大气的主要成分与地球大气很相像，也是氮气，其次的成分是甲烷和氩，以及一些简单的有机分子。长期以来，天文学家对“泰坦”为什么会有如此厚的大气一直疑惑不解。与“泰坦”差不多大小的卫星，如“木卫三”、“木卫四”几乎没有大气，土星的其他卫星也是没有大气。更令人费解的是，至今还不清楚为什么以氮气大气为主的星球在我们太阳系里只有地球和“泰坦”。要知道地球和“泰坦”相距那么远，环境相差那么大，却有相似的大气组成。现在大致有两种观点，一种认为是与“泰坦”碰撞的彗星带来的，另一种认为来自“泰坦”的内部，那是“泰坦”刚刚形成时遗留下来的。现在的观测证据似乎有利于后者。另外，“泰坦”大气中的甲烷又是从哪里来的？也是未解之谜。现在科学家常常把甲烷看作一个星球有没有可能发展生命的重要指标。

　　在众多的卫星世界里，科学家认为，既可能有液态水又有有机分子的卫星只有“泰坦”。所有的情况使我们联想到38亿年前的地球，与地球上生命尚未开始前的环境和发生的过程非常相像。那时地球的大气也充满了氮气和甲烷，没有氧气，氧气是后来经过原始生命的呼吸还原二氧化碳制造出来的。地球上的水也是那时冰陨星轰击地球的结果，给我们地球带来了生命的源泉——水。因此，有的科学家把“泰坦”视为原始地球的缩影，成为我们研究早期地球最好的实验室。

　　李良：最令人感兴趣的还是“土卫六”表面一片所谓的明亮“大陆”，据估计这片“大陆”仅存在于“土卫六”的半个球面上，有关它是如何形成的科学家们目前还不得而知。这片“大陆”有可能是山脉、海洋、平原，也可能是上述三者的结合，还可能被碳氢化合物组成的湖泊所覆盖。

　　“卡西尼”未来四年将做些什么

　　李良：“卡西尼”土星探测计划是一项以美国宇航局和欧洲空间局为主、总共有18个国家参加的大型国际合作项目，它是人类1957年进入空间时代以来最为激动人心的空间探测项目之一。

　　李竞：在“卡西尼”之前，人类曾有3次对土星进行了空间探测。20世纪70年代发射上天的“先驱者”11号、“旅行者”1号和2号飞船，于1979、1980和1981年相继飞掠土星，对土星及土卫族进行了近距离探测。这3个飞行器在与土星会合期间，发现并测量了土星的磁场，考察土星和“土卫六”的大气，发现新的光环和前所未知的卫星，发送回许多近距离纪录下的土星、土卫族和光环系统的图像，以及大量的测量资料，极大地丰富了人类对土星的认识。

　　李良：根据设计，“卡西尼”将环绕土星飞行4年。在未来4年中，“卡西尼”号要进行多项探测计划。我举其中的几项任务：一是“卡西尼”携带的图像科学子系统照相机性能优良，有可能发现新的卫星，或者能够得到一些可以帮助我们更好理解光环与内层卫星是如何相互作用的线索。二是在2005年4月至9月，“卡西尼”的轨道倾角将增加，这时有利于对土星环和土星大气进行测量，将给出光环的结构和光环物质的粒子以及土星大气的物理特性。三是在2007年7月至9月，“卡西尼”将再次拍摄土星及其家族的电影。为了拍摄巨大的土星的单独图像或最多由4个图像拼接成为一个完整的图像，要求“卡西尼”离土星远一些。在这期间“卡西尼”还将用较多的时间监视土星的天气，希望能拍摄到可以反映土星大气动力学的电影等。

　　按照原定计划，今年12月25日，“惠更斯”子探测器与“卡西尼”轨道器分离，飞行22天后于2005年1月14日花2.5小时通过降落伞降落到“土卫六”表面，然后把“惠更斯”探测到的数据通过环土飞行的“卡西尼”轨道器传回地球。但是根据最近有关报道，“卡西尼”探测器将在绕土星轨道飞行3周时，大约在2005年2月，释放其上的“惠更斯”子探测器。由此，“惠更斯”也将成为第1个在大行星的卫星上着陆的探测器。在降落的过程中，它用所带仪器分析“土卫六”的大气成分，测量风速和探测大气层内的悬浮粒子，并在着陆后维持工作状态1小时，揭示“土卫六”上是否有水冰冻结的海洋和是否存在某种形态的生命。

　　傅承启：这次土星探测计划把“土卫六”作为探测的重点，将搞清“土卫六”的基本情况，特别是它能够比较全面而彻底的了解大气情况，为研究生命起源的普遍规律提供重要的线索。当然，现在要估计探测后能够解开哪些谜团还为时过早，也许新产生的谜团比解开的谜团还多。

　　土星探测意义何在

　　傅承启：与火星探测相比，土星的探测还是非常初步的，如果我们把一个目标的空间探测分解成不同的步骤，大致分成：飞越、环绕、登陆舱、漫游、采样返回、宇航员环绕、宇航员登陆、建立实验室和基地等各个阶段的话，对于月球，人类已经登上了月球；对于火星的探测已经进展到漫游阶段。但是对于土星，还仅仅处于环绕阶段、是初步的，尽管也有登陆的探测器登上“土卫六”，但是只能工作3小时。目前的空间探测重点还是在火星，而不是土星。

　　傅承启：虽然这次土星探测还是初步的，但是它对于我们深入了解土星及其家族却具有重要意义。它的第一个意义是航天技术方面的，表明航天器的轨道控制精度达到了一个前所未有的高度，经过将近7年长达35亿公里的空间飞行，4次引力助推，能够准确地按7年前制定的时间表到达目标，并且准确地两次通过光环缝进入环绕土星的轨道。所以，它反映了一个国家的综合实力，不仅仅是经济的实力，而且是综合各种科学技术和各学科协同组织的实力。

　　其次是科学方面的，在“卡西尼”之前，我们对于土星及其卫星的许多细节很不清楚，大部分数据是依靠地面或地球附近空间的观测结合理论推算的，许多数据依赖于一定的理论假设。这次土星的考察获得的将是直接测量的结果，提供的资料是第一手的、详尽的和精确的，不仅能初步搞清土星以及土星卫星的基本特征，还可以鉴别过去不同假设的真伪，为下一步研究土星系统的起源、演化、土星光环的起源和演化、生命的起源，以及研究其他巨行星系统和太阳系起源提供主要的线索。

　　最后，这次土星探测还具有巨大的社会意义，10多个国家的数百位科学家直接参加了这项工程，间接参加的更是不计其数，因此，它反映了人类现今科学技术所达到的水平，是人类智慧的共同结晶，也反映了和平合作是国际的主流。

　　李良：耗资33亿美元的“卡西尼 惠更斯”土星探测计划，美国和17个欧洲国家的260多名科学家参加了这个项目。这次“卡西尼”土星探测计划，是继阿波罗登月、“伽利略”探测木星、探测器着陆火星之后，又一次伟大的科学壮举！它昭示出，探索太空，开发宇宙，需要很好的国际合作。总有一天，地球人会为了一个共同的发展目标而团聚在一起，成功地迈向宇宙深处。（光明日报）

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