图解深空探测史

文/叶楠

土星探测

自古以来，人们都可以在天空中看到水、金、火、木、土这五颗大行星，其中轨道最远的是土星。400多年以前，当伽利略第一次将望远镜指向太空的时候，发现土星似乎长了一对小耳朵；半个世纪后，惠更斯确认了这就是土星最具标志性的光环，他还发现了土星的首颗卫星——土卫六；卡西尼随后又发现了土星的四颗卫星以及土星环缝。又过去了300年，到上世纪70年代末，人类探测器终于接近了土星。

先驱者11号：首次飞掠土星

1974年12月，先驱者11号探测器飞掠木星，巨大的木星引力几乎使它的飞行方向调转了180度，经过数次轨道修正及5年的长途跋涉，1979年8月2日，“先驱者11号”开始为期2个月的土星交会过程。9月1日，它在2.82倍土星半径处安全穿越土星环面，之后从距离土星云层上方最近21000公里处，即1.35倍土星半径处成功飞掠。“先驱者11号”近距离拍摄了土星照片（如图），发现土星光环的暗部并非一无所有，同时还新发现了数颗土星卫星。

旅行者1号、2号：土星光环新发现

旅行者1号、2号探测器分别于1980年11月和1981年8月飞掠土星。当“旅行者1号”逐渐接近土星的时候，发现土星光环内还有更加丰富的结构（上图）：在曾经认为没有任何物质存在的卡西尼环缝内发现了多个间隔为几百公里的窄环；在C环内也存在着多个狭窄的缝隙；对B环图像的详细分析表明其存在黑暗的辐射条纹，呈放射状，类似长度为上万公里的车轮辐条结构。

在此之前，人们通过地面天文台观测共发现了10颗土星卫星，旅行者1号、2号对土星的近距离探测将这一数字提高到了17颗。1980年10月25日，“旅行者1号”在F环（下图中最外侧较细的环）内外两侧各发现了一颗卫星，内侧为土卫十六，外侧为土卫十七。F环被这两颗卫星的引力而限制在一个狭窄的范围内，好像牧羊犬看管羊群一样，故也被称为“牧羊犬”卫星。除此以外，后续还发现了土卫十一至土卫十五等5颗卫星。

飞掠土星卫星

1980年11月6日，“旅行者1号”进行了一次轨道机动，以使其轨道与土卫六间的距离再缩减650公里。但是土卫六的大气透明度就像在爆发一场严重的沙尘暴，即使不断靠近也无法看到土卫六的表面结构。紫外光谱仪的探测结果证实了土卫六的空气主要由氮气组成，这也是除了地球以外太阳系内已知的唯一一个富含氮气的星球。除氮气外，土卫六大气还含有甲烷和多种复杂的碳氢化合物，这与地球早期的大气十分相似，很多科学家对土卫六存在生命都抱有期待。左图为“旅行者1号”拍摄的土卫六大气增强处理照片。

“旅行者1号”在飞掠土卫六约16小时后又飞掠了土卫三（中图），在土卫三朝向土星的半球上发现一条宽度为100公里的峡谷，表明它曾经经历过强烈的地质活动。

11月12日23时46分，“旅行者1号”抵达最接近土星的位置，紧接着飞掠了土卫一（右图），虽然土卫一直径只有390公里，但却有一个直径130公里的撞击坑，很多人将其与电影《星球大战》中的“死星”类比。之后还飞掠了土卫二和土卫四，并对土卫五、土卫七、土卫八、土卫九等进行了观测。

卡西尼-惠更斯号：首个环绕土星的探测器

卡西尼-惠更斯号土星探测器由美国宇航局、欧空局和意大利航天局联合研制。卡西尼号探测器以意大利出生的法国天文学家、土星光环环缝的发现者卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行。“惠更斯号”是“卡西尼号”携带的子探测器，以荷兰物理学家、天文学家、数学家、土卫六的发现者惠更斯的名字命名，其任务是深入土卫六的大气层并在其表面着陆，对土星最大的卫星土卫六进行实地考察。

抵达土星

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯号”从肯尼迪航天中心发射升空，于1999年8月18日，在距离地球表面1171公里高度成功飞掠地球；于2000年1月23日接近小行星2685；同年12月30日飞掠木星，并对木星进行了观测，拍摄了当时最清晰的木星照片（左图）；2004年6月11日飞掠土卫九（右图）；2005年7月1日，“卡西尼-惠更斯号”启动主发动机减速，成功进入土星轨道。这是人类历史上第四个抵达土星的探测器，也是第一个环绕土星飞行的探测器。计划探测任务将持续4年，围绕土星公转74圈，44次飞掠土卫六。

登陆土卫六

2004年12月25日，“惠更斯号”与“卡西尼号”分离，独自飞向土卫六。2005年1月14日，“惠更斯号”开始启动登陆土卫六程序：此时它距离土卫六1200公里，速度为每小时2.2万公里；高度降为190公里时，抛掉隔热罩；当高度降到16公里时，速度降低到每小时1400公里，此时“惠更斯号”拍摄了第一张土卫六照片（左图），显示出类似海岸线的地貌；之后三个降落伞分别打开，最终成功着陆土卫六。整个降落过程持续约两个半小时，土卫六也成为了人类探测器登陆的距离我们最遥远的天体。着陆后，“惠更斯号”拍摄了历史上第一张土卫六地表照片（右图）。

延伸任务

“卡西尼号”在结束为期4年的主任务后状态依旧良好，分别在2008年和2010年两次开启延伸任务，总计再环绕土星215次，75次接近土卫六，18次近距离探测土卫二。

2011年，“卡西尼号”拍摄到土星上的巨大风暴；2012年，观测到土星出现大白斑（左图），这一现象约30年出现一次；2013年，卡西尼号使用高分辨率相机拍摄了一张名为“回望地球”的照片（右图），美国宇航局甚至在拍摄照片前告知了公众，希望人们能够向着15亿公里远处的相机挥手，当然“卡西尼号”并不会拍到；2014年，发现土卫二南极向空中喷射水冰羽流，表明其南极地表下可能存在液态水的海洋，土卫二有可能成为存在生命的星球之一；2013年和2017年，还分别拍摄了土星北极六边形云层，并发现其颜色有了明显变化，至于其成因依旧在研究之中。

最后的任务

在离开地球19年11个月、围绕土星公转13年2个月14天后，“卡西尼号”即将结束自己的土星之旅。2017年4月，美国宇航局宣布“卡西尼号”将要展开的最后任务：进入土星与土星环之间的区域，探索土星环的起源。同时由于并不知道“卡西尼号”是否携带有地球上的微生物，为了避免对土卫二等土星卫星造成生物污染，2017年9月15日，“卡西尼号”以自我牺牲的方式坠入土星大气层。左图是“卡西尼号”拍摄的高清土星环的照片，右图是“卡西尼号”拍摄的最后一张照片。

2019年初，根据“卡西尼号”最后的数据，天文学家们精确地测算出土星上一天的长度为10小时33分38秒，以及土星环非常的年轻，只有1000万年至1亿年的历史。