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土星探测器卡西尼号为何要选择自毁?

20世纪最后一艘行星际探测大飞船落幕,永不离开土星。

北美东部时间 9 月 15 日早上 7:55,北京时间 9 月 15 日晚上 19:55 。

这时的土星,北半球逐渐进入夏季。不过,如果「卡西尼号」有知觉,它依旧会感觉寒冷。这里距离太阳最近时,也超过了 13 亿公里,几乎是地球和太阳最近距离的 10 倍。土星的气温,不会高于摄氏零下 130 度。

「卡西尼号」是 20 世纪最后一艘行星际探测的大飞船,1997 年 10 月 15 日,它从美国佛罗里达卡纳维拉尔角升空,开始了自己奔向土星的漫漫太空之旅。

现在,它等不到自己 20 岁的生日了,即将消亡在土星的茫茫大气中。

大约一分钟前,它运行在土星大气层顶约 1915 公里的高空,静静注视着这个陪伴了自己 13 年的星球。它的身下,正刮着 1800 公里每小时的大风,这是太阳系行星的最高风速。

出发

如果可以,「卡西尼号」愿意回顾自己的一生。它的名字取自 17 世纪的一位意大利天文学家,当时担任巴黎天文台首任台长的卡西尼,在土星光环中发现了一条黑暗缝隙,后来的天文学家们把它称为卡西尼环缝。

1995 年,受「伽利略号」对木星及其四大卫星科学研究成功的鼓舞,美国和欧洲打算进一步合作,研制一个飞向土星的太空探测器,并将其取名为「卡西尼号」,以纪念那位数百年前的天文学家。

这次土星探测计划有 17 个国家参加,是人类进入太空时代以来,最激动人心的大型国际合作课题之一。

从人类个体的角度来看,「卡西尼号」身材魁梧,直径 3 米,高 7 米,重 6.4 吨,还携带了 27 种最先进的科学仪器设备。「惠更斯号」是「卡西尼号」上的唯一一名乘客,任务是对土星最大的卫星土卫六进行探测。

因为难以携带旅途所需的 70 吨燃料,「卡西尼号」采取了迂回的路线飞向土星。它打算借用行星引力(引力弹弓效应)来加快速度,它的前辈「伽利略号」也采用了同样的办法。

1998 年、1999 年、2000 年「卡西尼号」先后掠过金星、地球和木星,在获得超过每秒 30 千米的速度后,它向目的地土星飞去。

经过 6 年零 8 个月、35 亿公里的漫长太空之旅,2004 年 6 月 30 日,「卡西尼号」进入环绕土星转动的轨道,开始对土星大气、光环和卫星进行考察。

(土星)

孤独的观察者

在远离地球的太空,「卡西尼号」是一位努力、孤独的观察者。

它的观察成果让等在地球上的人类一次次欢呼。它和「惠更斯号」一起发现了土卫六上的「甲烷循环」,原理和地球上的水循环相似,有甲烷云、甲烷雨、甲烷河及甲烷湖泊。这些发现让科学家们开始推测土卫六上是否有奇异的生命形式存在。

它在土卫六上确认了液态沟渠的存在,形态像早期美国亚利桑那州沿科罗拉多河一带。这让「卡西尼号」像是一架时光机,借助它,人类似乎看到了处于「婴儿时代」的地球。

在土卫二上,「卡西尼号」发现了冰层之下的海洋,还看到了喷发的冰。经过分析,它发现其中含有大量氢气分子和二氧化碳,这极有可能产生于温暖的海洋和海底岩层间的水热反应。果真如此,这便能为深海微生物提供能量,就像数十亿年前孕育生命的地球那样。

除此之外,「卡西尼号」还发现了土卫五上富含氧气的大气,土卫十六神秘的 F 环,土星上的季节变化和北极旋涡……

在和土星相伴的 13 年间,「卡西尼号」拍摄了近 39.6 万张照片,这些照片被一一公开陈列在了 NASA 官网上。

其实早在 2008 年,「卡西尼号」就达到了它的设计使用寿命,但在完成第一期 4 年任务后,科学家们又陆续将它的服役期延长了 9 年,让它继续观察探索土星、土星环和卫星们。

如今,这位来自地球的年迈旅行者即将结束自己漂泊的一生,自行坠毁在土星大气中,以避免它撞向那些具备生命条件的卫星。

(这是「卡西尼号」拍摄的最后一张照片,拍摄于北京时间 9 月 15 日 3 时 59 分,当时它距离土星约 63.4 万公里)

伟大的终曲

「卡西尼号」以每小时 113000 公里的速度冲向土星大气层。在和大气层最初接触时,它的推进器开始短时间喷射,以对付稀薄的气体。同时,它的高增益天线指向地球,传递着它所能发出的最后数据。

大气变得越来越浓,为了保持前进,一分钟内,推进器的使用功率被迫从 10% 提升到 100%。增益天线难以再稳定地指向地球,「卡西尼号」开始翻滚。

当天线指向和地球达到几度的夹角时,「卡西尼号」和地球间的通信被永远切断了。飞船像一颗流星一样燃烧起来,在失去信号大约 30 秒内,飞船开始解体。几分钟后,「卡西尼号」烟消云散,和土星大气融为一体。

从此,它永不离开土星。

83 分钟后,地球上的科学家开始接收到「卡西尼号」发回的最终信号。

「我们知道,在土星,『卡西尼号』已经遭遇了它的最终命运,但在地球上,只要我们仍能收到它的信号,它就还在执行任务。」「卡西尼号」项目经理厄尔·梅兹说,满脸落寞。

卡西尼号自毁的原因当然是核电池基本耗干,卡西尼号上有三台放射性同位素热电机,功率在800多瓦,随着任务推进,2010年的时候只有600多瓦。在使用20年之后,卡西尼号的核燃料基本耗尽,任务也延长了10年左右的时间,满足了美国宇航局对土星系统的观测需求。作为一艘土星探测器,卡西尼号的末日不是坠毁在土星上,就是成为一个土星太空垃圾,在若干年之后撞上某个土星轨道上的天体结束。

但美国宇航局并没有这么做,自毁并不意味着完全没有收获,卡西尼号进入土星上层大气时依然在收集信息,这是人类第一次直接深入到土星大气中探测,其意义是非同凡响的,数据也是第一手的。其次,自毁也要选择一个合适的地方,冲入土星大气无疑是最好的选择,在收集到土星大气第一手数据后,同时也保护了其他土星的卫星。这不是说卡西尼号会摧毁那些卫星,而是美国宇航局担心卡西尼号没有彻底灭菌,因为之前也发现灭菌过的航天器竟然还有微生物。

如果来自地球的微生物进入土卫二、土卫六上,那么以后就说不清楚了,这也是天体生物学上非常严肃的问题。美国宇航局的火星车本来准备对火星季节性液态水的发生地进行实地考察,后来也是考虑到这个因素,放弃了近在咫尺的重大发现,留给以后的火星车实现。卡西尼号自毁已经结束,下一步美国宇航局将探索土卫二或土卫六。

关于这个问题,中国科普博览邀请到科学大V寒木钓萌来回答:

话说,有一个总部设在巴黎的委员会,工作比较轻松,每两年才开一次会,会议地点也不固定,比如2006年是中国的北京,2016年是土耳其,但由于土耳其政变,取消了——【这】就是“空间研究委员会”,简称COSPAR。

委员会1958年建立时任务还比较单一,但后来,他们“管”得越来越宽,连地球以外的那些行星,他们也要插上了一脚。

他们在地球上的那些高大上的任务咱们就不说了,只说他们在地球以外的一个任务——避免星际污染,而他们的法律依据是《外层空间条约》第九条!是的,你没有看错!

NASA在国际空间站上的暴露实验显示,已知一些来自地球的微生物和微生物孢子能够在空间环境中生存多年,即使没有空气或水,即使有很强的太空辐射——它们是地球上真正的小强。

因此,为了更好地保护地球以外的那些天体,确切地说是那些可能存在生命的星球免受地球微生物的污染,空间研究委员会依据天体上的化学组成和可能的生命特征,以及探测器的任务类型(飞掠、绕轨或着陆),将行星保护分成了5大类。

第一类是,人类对目标天体是否有生命毫无兴趣,比如太阳、水星……,因此不会施加行星保护的要求,基本上属于你想怎么折腾就怎么折腾那种,只要你够强。

第二类是,天体上的化学组成或与生命有关,然而,航天器携带的污染物只有在非常低的概率下才可能会损害人类未来的探索。比如木星、金星和彗星等探索任务。

第三类是,冰冷的卫星,地下有可能存在液态水,也有可能有生命。执行任务的探测器在组装和测试期间得使用洁净室,洁净室级别为100,000级。

第四类是,被探测天体极有可能有生命,比如火星,已被证实火星上面含有水。执行任务的探测器在组装和测试期间必须使用洁净室,洁净室的级别在100,000级以上。

…………

卡西尼号发射前,空间研究委员会把它的任务评为第二类,因为那时人们认为,土星上的卫星,土卫六表面是零下179.5°C的低温,很难具有生命。

但是,1997年10月15日发射的卡西尼号,经过大约7年时间飞到土星,并在土星周围探测了十几年后,科学家们的看法不断刷新。NASA总部科学理事会副主管托马斯认为,土卫六是我们已知的,除地球和火星外,或存在生命的地方。

土卫六有大气层,其平流层中98.4%为氮气,1.4%为甲烷,剩下的是氢气。英国伦敦大学根据卡西尼多年探测到的数据,绘制了土卫六一个可能的内部结构图。

除了土卫六,还有神奇的土卫二,这颗星球因为表面覆盖着水(冰),使其成为太阳系内最能反射阳光的天体。

2005年,卡西尼号在土卫二南极发现了一个惊人现象,这家伙竟然会不时地玩喷射(火山),而喷射物是水汽和冰的混合物!

这证明土卫二的冰盖下有热源。

2014年,NASA宣布,卡西尼号发现了土卫二南极地底存在液态水海洋的证据,海洋厚度约为10公里。如此厚的海洋,谁知道那下面会游荡着什么怪物?

虽然卡西尼号升空前已经被灭过菌,但要求不严,你懂的。可是现在,上升到了第四类!

探测器发射前要灭菌,这是一个必要的步骤,图为探测火星的海盗号着陆器的灭菌过程。图片来自NASA

而执行第四类任务的探测器,对于灭菌有着更高的要求,探测器在组装和测试期间得使用的洁净室,级别更高!

NASA的洁净室,图片来自NASA。

试想一下,假如任卡西尼号能源耗尽并在土星周围飘摇上百年,那么,它就有可能一头栽进土卫六或土卫二的怀抱,那时,来自地球的微生物如果在土卫二的地下海洋中繁殖起来……

更大的问题是,后代子孙若派人登陆土卫二,并在上面发现生命,这时,你敢保证那些微小的生命就是土卫二上的原住居民吗?完全无法保证。

不少人认为,这实在是杞人忧天,多此一举。

然而并非如此,因为它跟一个全人类最关心的问题息息相关,这就是:

茫茫宇宙,是不是只有地球拥有生命?

你可以说这是一个天文学问题,但从另一个层面上,你完全可以将其看成是一个很大的哲学问题。

莎士比亚有言,生存还是毁灭,这是一个问题。

而有没有外星生命,这是一个更大的问题!


本文由科普中国出品,寒木钓萌制作,中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

土星探测器卡西尼,昨天上演了坠入土星大气,最终失去信号,NASA称为终曲( Grand Finale)的行动。

值得注意的是,坠入土星大气的计划,是在2010年,团队才有的。到近四年才进一步开展研究,到底怎样结束卡西尼号的命运。这里有几个细节,是团队在决定用坠毁的方式来处理卡西尼号最终命运的重要考虑点。

第一,卡西尼号的动力系统用的是钚-238核电池。优点是产能高,同样重量的核原料,使用寿命更长。旅行者一号,使用的钚电池,钚含量为4.2千克,而这次卡西尼的钚-238为32.7千克。当然,卡西尼探测器无论是总重,还是使用设备的耗电,都远远超过了旅行者号。所以这些燃料使其工作20年,接近耗尽,也是完全合理的。但钚-238是一种强辐射的物质,直白一点,就是强烈致癌,对生物体有巨大伤害。

第二,卡西尼经过这么多年的旅行,目前离开土卫二、土卫六都很近。而这两颗卫星,被认为是很有可能存在生命的卫星。土卫二直接发现有水,被认为有海洋,土卫六则至少能为早期生命提供大气环境。

这两点结合起来,就是,如果卡西尼的钚电池,坠落到有明显生命可能的天体,则有可能对这些天体的生命产生不可预估的灾难。

而太空飞行,有大量不可测因素,特别是在航天器燃料接近结束的时候,如果因为各种意外,航天器失联、损坏,最终由于引力作用,坠入土卫二或土卫六,这是卡西尼团队所不愿意看到的。所以他们决定,在卡西尼探测器尚可以完全控制的情况下,主动选择坠毁在土星大气。因为土星有非常厚的大气,而且相对它的卫星体积巨大,钚产生的影响可以忽略。另外,也可以在坠毁的过程中,探测一下土星大气情况。

当然,这些是我们从公开渠道所获知的合理原因,至于有没有其他方面的进一步考虑,也许要等今后随着研究报告的发表,才能知道。

卡西尼号坠入土星

9月15日,服役了20年的“卡西尼号飞船,执行了来自美国国家航空航天局的最后一条指令——自我销毁。它调转方向,冲向了土星大气层,与这颗探测了13年的气态行星融为一体(从地球到土星飞了7年)。

意义:如果不自我销毁,卡西尼号可能会失去动力,坠向土卫二和土卫六这两颗可能存在生命的卫星。如果卡西尼号携带地球的微生物,一旦在上面坠毁,很可能破坏当地的生态环境。卡西尼号的自我销毁,为人类后续的探测留下了可能。

等不到20岁生日,土星探测器卡西尼号明日执行“自杀”指令

为何要自我焚毁?其实,卡西尼号在2008年就达到了设计寿命,如今,迟暮的飞船行将“油尽灯枯”。为了避免失去动力的飞船撞向土星的卫星,破坏后续的探测任务,NASA决定令其“自杀殉道”。其中,土卫二和土卫六具备生命存在的条件,是重点保护对象。°等不到20岁生日,土星探测器卡西尼号今天执行...

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没有燃料了,以后虽然可以通讯,但是没有燃料,无法控制轨道和姿态。

而且坠毁的时候,可以顺便看看土星大气层内部。。。

不坠毁就看不见,卡西尼号没有燃料只会沿着一个轨道无限度走下去,又不能被地球控制,成为土星的太空垃圾。

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