最美的行星 - 土星：堪稱微型太陽系 可能還有生命

該探測器以意大利出生的法國天文學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼的名字命名，其任務是環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察。

卡西尼號星際探測器

在經過6年8個月、35億千米的漫長太空旅行之后，于北京時間2004年7月1日12時12分按計劃順利進入環繞土星轉動的軌道。

在之后的13年以來，“卡西尼號”讓科學家們發現了他們從未想象過的東西，并揭開了土星那神秘的面紗。

“卡西尼號”拍攝了這顆行星氣體表面的特寫鏡頭，這些照片展示了一個動蕩和暴風雨的世界。

在地球上經歷過颶風的人，知道地球上的一些風暴特別猛烈。然而當與土星上的風暴相比，那些風暴簡直就是微風而已。

在土星上，有一個風暴讓科學家們感覺非常奇怪，因為在這個風暴的位置上顯示出一個獨特的形狀——一個六邊形的環帶。

土星極點上有六邊形環帶的風暴

沒有人料到會有六邊形環帶的風暴。在“卡西尼號”的一生中拍攝了很多六邊形的圖像。

每當科學家們在網站上發布一張六邊形的圖片，網站的點擊率就會飆升。不只是普通民眾，就連科學家們第一次看到這個的時候，都被震撼了。

誰能想象在一個行星的大氣層中會有這樣的規則的東西，幾乎是幾何形狀的？

“卡西尼號”的數據顯示這個六邊形風暴可能是數百英里高的高聳結構。它是一個巨大的結構，它有幾千英里寬。

就在中心，即極點，是一種永久性的漩渦——永久性的颶風。

這簡直就象是一種令人毛骨悚然的眼睛一直盯著我們看。

六邊形的每一面都和地球一樣寬，這看起來像是人為的。

土星上的六邊形風暴或云結構是如何形成的呢？

科學家們認為土星的自轉和氣流相互作用形成了這個對稱的形狀。但他們不知道為什么它會持續幾十年，這是個謎題。

雖然六邊形的形狀是穩定的，但顏色已經改變了。在四年多的時間里，它從藍色變成了金黃色。

這種轉變與土星的季節有關。土星上的季節和地球上的一樣，就是行星的傾斜度。

所以當土星繞著太陽轉的時候，它的北極向太陽傾斜。這樣在那里就能得到更多的光，陽光和大氣相互作用產生懸浮粒子，叫做氣溶膠。

所以隨著時間的推移，六邊形從藍色變成了橙色，顏色的變化發生在土星北半球的一個夏天。但神秘的是，六邊形的中心仍然是藍色的。

這可能有兩個原因。

一個原因是，也許是因為“眼睛”被遮擋住了，照不到太陽，所以“眼睛”里沒有形成霧霾。而太陽是造成我們在土星上看到的棕色霧霾的原因。

第二個原因，也可能是真正的原因：漩渦正在把霧霾吸下去，也許有類似颶風眼的東西，上面有一層薄霧但會被吸進“眼睛”里。

但是土星上的六邊形環帶風暴并不是土星天氣中唯一不尋常的事情。

【雨水會從太空落到行星上】

2017年4月，“卡西尼號” 沿著一條大膽的新道路潛入土星環之間。去一個以前沒有宇宙飛船飛行過的地方，進行一套獨特的測量。

這是一片未知的領域，科學家們不知道他們會找到什么。那里可能有能夠摧毀“卡西尼號”飛船的物質。

然而，再次讓科學家們意想不到的事情發生了。“卡西尼號”發現在雨正在從太空中落到行星上。

在地球上經常下雨，但雨云最多也就幾英里的高度。而土星上也會下雨，雨水會落在高層大氣的頂部，并且這些雨水來自太空。

2018年，“卡西尼號”的數據揭示了這場暴雨的巨大重量。冰粒雨以每秒幾噸的速度撞擊土星。

這雨是從哪里來？沒有任何雨云。答案是土星環。

土星環是土星最美麗、最引人注目、最獨特的標志。從遠處看，土星環看起來就像一個完整的結構，但當你近距離觀察時，實際上是一堆冰晶和冰巖石構成了土星環。環狀物的大小從塵埃顆粒到大圓石再到房屋都有。

土星環遠在土星的大氣層之上，它們在太空中。在正常情況下，這些組成土星環的冰粒子會永遠繞著土星轉。

但事情有點奇怪，有什么東西讓這些繞軌道運行的冰粒子向內落下就像一種宇宙冰雹。物質正從土星環向內滴落，然后落入土星的云層中，就像沒有雨云的雨。

“卡西尼號”發現雨是由不同種類的冰顆粒混合而成的。然后研究人員意識到冰粒是帶靜電的。

來自太陽的紫外線可以釋放出一個電子，這就給這些粒子帶來了電荷。就像用氣球摩擦你的頭發，然后頭發會因為靜電而使它粘在墻上一樣。

顯然，如果有這樣的粒子，它們會受到磁力的影響。

而土星有很強的磁場。地球的磁場來自于它熔化的旋轉鐵芯。雖然土星可能有一個巖石中心，但它主要是一個由氫和氦組成的巨大球體。

但在其內部深處，科學家認為有更奇特的事情正在發生。在土星內部，極端的壓力和溫度迫使氫不再像氣體一樣活動，變成了旋轉的液態金屬氫。

液態金屬氫可以在流體中自由移動。這樣，液態氫在極端壓力下可以像金屬一樣工作。

由旋轉的金屬氫組成的外核產生的磁場，將冰粒子從環中拉出來。這些帶電的冰粒子隨后被土星磁場吸引。它們沿著磁場線像雨一樣落在土星的大氣層上。每秒鐘有好幾噸的物質落在土星上。

【成千上萬的土星環】

關于土星環，科學家們想知道這個環到底有多少質量的物質。

在“卡西尼號”完成任務的最后幾天，它是在土星和土星環之間飛行。通過采集的引力數據，科學家們可以分析出有多少質量來自土星，有多少來自土星環。

分析結果另科學家們感到驚訝，土星環實際上質量并不大。雖然土星環覆蓋的區域和月球繞地球的軌道一樣大。但土星環的質量比我們的月球小10萬倍。它們比科學家們想象的要輕得多。

如此輕的質量意味著土星環很年輕。科學家們還發現，土星環非常明亮和冰冷。這就意味著，土星環還沒有時間受到微流星體的污染。如果土星環存在的時間很長的話，環會就變暗。

所以科學家們推斷，這些環可能只有1億年的歷史。也就是說，如果早在恐龍時代你就生活在地球上，那么，太空中可能有一顆沒有光環的土星。

我們知道，土星已經存在很久了。所以這個環就不是和土星同時形成的。那它們是怎么形成的？是什么讓它們保持在那里的？

要在1億年前形成土星環，需要找到一個物體——可能是一顆彗星或一顆離土星太近的衛星。

土星的引力會將其撕裂，當這個物體被撕裂的時候，碎片就會在土星周圍散開形成了土星環。它們不斷碰撞，并破碎成越來越小的碎片。就像海灘上的鵝卵石一樣，隨后彼此之間的碰撞和自我碰撞會使它們尖銳的邊緣消失從而產生圓形的顆粒。

從遠處看，土星環看起來非常薄幾乎完全平坦。但外表可能具有欺騙性，當“卡西尼號”最后一次進入土星，當飛過土星環的時候，科學家們注意到一個事實：土星環的密度并不是均勻的。

土星環的結構很復雜，有的邊緣處像卷曲的刀口，有的像唱片上的凹槽。

卷曲邊緣的土星環

那么，這些結構來自哪里？

線索就藏在光環里。

在“卡西尼號”拜訪土星之前，我們只知道土星有5至7個環，而實際上，即不是7個環，也不是700個環，而是有成千上萬個環，甚至可能有數百萬個微小的環。

它們之間有的間隙很小，有的間隙很大。甚至這些環中還內嵌有衛星。

土星環中各種內嵌的衛星

正是這些土星的衛星，用它們的引力攪動環中的粒子，產生了波動。衛星每轉一圈，環粒子就會轉兩圈，就像推秋千一樣。如果以合適的速度推動它們，它們就會越來越高。這些地方就是波浪產生的地方。

于是在光環和衛星之間進行，就形成了這種復雜的結構，就好像是衛星和光環之間優雅的芭蕾舞。

通過引力相互作用，這些衛星可能正在塑造和引導這些光環，讓它們的“羊群”在一個很好的，緊密的軌道上環繞土星運行。

在整個土星環中，一共有7個土星衛星，它們一起工作，來保持環系統的結構。在這7個壯觀的衛星中，最大的是土衛一，它的大小是月球的八分之一；最小的土衛十八直徑只有32公里。正是這七個衛星的共同作用形成了我們今天看到的環系統。

【土星眾多的衛星】

土星有很多衛星，真的是有很多衛星。它們都很有趣，而且各不相同。至于土星到底有多少顆衛星，科學家們也很難得出確切的數字。

因為土星的衛星數量幾乎每年都會發生變化，科學家們經常會發現新的衛星。1996年時為18顆，2000年就上漲到了24顆，2003年是53顆，2005年則達60顆，后來發現有62顆，2019年達到82顆。

土星的衛星，個頭都非常小，如果是比較大的話可能早就被發現了。

土星有24顆衛星屬于常規衛星，離土星相對近一些，更重要的是，它們的公轉方向與土星自轉方向相同，且在土星赤道面附近。而外側有很多個頭較小，軌道比較特殊，被歸為不規則衛星。

科學家根據傾角和公轉方向的不同，將它們劃分為三個族群：“高盧”群、“挪威”群、“因紐特”群。

“高盧”群的衛星都是順行的，軌道傾角在35°至40°之間，偏心率0.53左右。

“挪威”群的特點是“逆向行駛”，軌道傾角在136°~175°之間，偏心率的范圍也很寬，從0.13到0.77，正因為此，它們又可以被分為好幾個子群。在久遠的過去，土星可能曾俘獲過一個小行星，后來在引潮力的作用下瓦解成許多碎塊，并逐漸形成這一族群。

“因紐特”軌道傾角40°~50°，偏心率0.15~0.48，這類衛星可能也由歷史上一個更大的衛星分裂所形成。

正因為土星的衛星軌道布局等復雜多樣，再加上它有一個壯觀的土星環，所以科學家也將土星系統稱之為微型太陽系。

【土衛八——人格分裂的核桃衛星】

土星的眾多衛星，每一個都有不同的和特性。但其中一個有著分裂的人格和非常黑暗的一面的衛星——土衛八。

2017年5月，“卡西尼號”迎來它的最后一站，探測器拍下了距離土星320萬公里的一顆奇怪衛星——土衛八的最后一張照片。

土衛八是在幾百年前被發現的，從一開始人們就認識到它的一面非常亮，而另一面則非常暗。

土衛八

當意大利天文學家喬瓦尼·卡西尼在1671年第一次發現它時，這顆又暗又亮的衛星讓他很困惑，這一直困擾著科學家們。所以拜訪土衛八也是“卡西尼號”的主要目的之一。

“卡西尼號”不負眾望，揭示了土衛八的謎題。

在離土星更遠的地方，有另一個衛星的存在，是一個非常大但非常暗的衛星——土衛九（菲比）。

它在土衛八之外，正以相反的方向圍繞土星運行。土衛九環繞土星的距離是土衛八的四倍。當微隕石環繞星球時，它會撞擊衛星表面并產生一團黑暗的塵埃。

土衛九身上的塵埃形成了一個大環，一個由黑暗塵埃物質組成的環。朝著土衛八相反的方向向土星漂移，這是土衛八在其軌道上掃蕩創造黑暗面的完美材料，然后形成了一個黑暗的一面。

由于土衛八被潮汐鎖定在土星上，所以一邊總是面對著行星，而另一面則在塵埃中前進。這使得土衛八面的一個面沾染了黑暗的塵埃，也導致黑暗一面的溫度比另一面明亮的部分高10攝氏度。

因為黑暗的東西能更好地吸收陽光，也就更容易讓冰蒸發，變成蒸汽。然后蒸汽會前往較冷的尾部，然后在那里再次凍結。所以最終導致白色的一面變得更白，黑色的一面變得更黑。這就是土衛八兩面性的原因。

雖然土衛八的兩面性很奇怪，然而“卡西尼”發現，這并不是這顆衛星最奇怪的地方。最讓科學家奇怪的是，土衛八的形狀像一個核桃。

土衛八有一條山脈，正好環繞它的赤道。這條山脈比喜馬拉雅山還高，這些山超過19公里高，比地球最高峰珠穆朗瑪峰的兩倍還要高。

土衛八上環繞赤道的山脈

關于這條山脈是如何形成的，一個非常有趣的想法是，在一段時間內，就像土星本身有這個巨大的環系統一樣。土衛八可能也有一個環系統。隨著時間的推移，土衛八的光環崩塌了，落在了衛星的表面上，就在環的軌道下方形成了一條山脈。

可能存在過的土衛八的環系統

【可能孕育有生命的土衛二】

當然，胡桃形的土衛八并不是土星周圍唯一奇怪的衛星。“卡西尼號”發現土衛二冰冷的表面下隱藏著許多秘密，這顆衛星甚至可能孕育生命。

土衛二是太陽系中最有趣的衛星之一，它是土星的一顆相對較小的衛星，很容易被忽視。但你一旦注意到它，它會帶來很多驚喜。

自從旅行者號在1980年拍攝了照片之后，科學家們就知道這個冰冷的世界有些東西是不尋常的。原本以為土衛二會被凍結成固體，但我們從“旅行者號”上得知土衛二的表面是明亮的白色。

可以在表面上看到這顆衛星的巨大輪廓是平滑的，至少在“旅行者號”的分辨率上是如此。

旅行者號拍攝的土衛二照片

這立刻說明了它的內部有活動，因為在一個沒有空氣的衛星上，這是唯一可以清除隕石坑的過程。

科學家們懷疑土衛二表面有什么東西在活躍地浮出表面，填滿它的隕石坑，使它變得光滑和明亮。

然后“卡西尼號”發回了土衛二背光的照片，一切都被揭開了。科學家們看到冰噴流從土衛二上噴射了出來。

土衛上的噴泉

這么小的一個衛星，一向被認為是一個冰凍的固體冰塊，竟然如此活躍。噴泉噴出幾乎明亮的發光物質。

經過分析，間歇泉噴發出來的物質就是液態水。土衛二不是一個固體的冰球。

進一步發現，土衛二的擺動很大，對于一個一直被凍結的固體來說，這告訴科學家們有一個液態水海洋圍繞著一個巖石內核。

土衛二表面下有液態水，而且很有可能是海洋覆蓋在它的內部。

但熱量從何而來？

當行星和衛星形成時，它們的核心是非常熱的。但隨著時間的推移，它們會冷卻下來。星球越小，冷卻得越快，一個像土衛二這樣的小星球，距離太陽16億多公里，現在應該已經凍成固體了。

但土衛二告訴我們，情況根本不是這樣。一個離太陽這么遠的小衛星，怎么會有足夠的溫度來儲存液態水呢？

科學家們認為，可能是潮汐加熱。

如果你打過壁球，你就會知道，當你打這個球的時候，球就會變熱。這是因為當球碰到球拍或墻的時候，它會被壓扁，接著它就放松了。隨著不斷地壓扁和放松，球就會變熱。

在土衛二環繞土星運行的過程中，土星的引力會擠壓和放松土衛二，就像壁球一樣，土衛二被加熱了。但僅僅是這一點不足以產生足夠的熱量，阻止土衛二的水結冰。

內核中一定還發生了別的事情，如果土衛二的核心實際上是一種礫石呢？

即土衛二的核心不僅僅是固體，它實際上是由巖石、卵石和礫石組成。當潮汐拉伸和擠壓巖石時，這些巖石就會相互摩擦，從而產生更多的能量。

2017年，一個基于“卡西尼號”數據的計算機模型顯示潮汐摩擦產生的能量比美國最大的發電站還要多。

所以，在土衛二上，被加熱到90攝氏度的水上升到地表，從衛星南極的裂縫中噴射出來，形成霧狀的羽流。

“卡西尼號”飛行七次穿過霧狀的羽流，采樣了這些氣體和粒子時，科學家們發現了含鹽的粒子。

這個海洋竟然很像地球上的海洋，還發現了碳氫化合物：甲烷、二氧化碳和氨氣。這些都是生命的關鍵成分。

2018年，科學家們重新分析了土衛二的數據，發現了更引人注目的東西——復雜的有機分子。

這不得不讓科學家們提出了另一個問題，那就是下面還有什么？

在地球上，我們發現生命聚集在海底的熱噴口周圍，那么在土衛二的海洋中也會是如此嗎？這些復雜的有機分子會是生命的跡象嗎？

看來，要解開這個謎題，只有等哪天發射探測器降落在土衛二，并鉆開土衛二厚厚的冰層然后潛入海洋去一探究竟了。

【泰坦】

關于土星的衛星，還有一顆衛星是很有名的，那就是土衛六——泰坦。

2017年9月，在任務結束前四天。“卡西尼號”也去拜訪了土星最壯觀的衛星之一——泰坦。

之所以泰坦會這么吸引科學家，是因為它有一個主要由氮組成的廣泛的大氣層，就像地球上的一樣。

泰坦一直是個謎，厚厚的大氣層下隱藏著什么？

透過望遠鏡，這顆衛星看起來就像一個朦朧的橙色球。

“卡西尼號”發射了惠更斯號探測器，它穿過云層發回了泰坦表面的圖像。最后惠更斯號探測器在土衛六表面著陸了。

當看到圖像時，泰坦的世界出現了，這是個不可思議的世界，看起來又是如此的熟悉。

泰坦的表面有山脈和流入海洋的溪流。當然這些溪流流淌的不是水，而是甲烷。

這是一個寒冷、奇異的世界，地質特征看起來很熟悉。感覺就是另一個地球，只是溫度低了大約170攝氏度。

泰坦世界的照片

泰坦就其地貌而言確實與地球一模一樣，幾乎四分之一的大地被沙丘覆蓋。

但泰坦上的沙丘是由與地球上的沙丘完全不同的東西構成的。地球上的大多數沙子都是由石英組成的，但在泰坦沙丘上完全是由有機物組成的。

泰坦的沙子是由一種叫做碳氫化合物的有機粘性微粒組成的。這些有機沙丘包含了生命的基本組成部分，對科學家來說，這是一個誘人的暗示——泰坦能孕育生命嗎？

在地球上，有生命存在于非常多的極端環境中。所以我們可以想象生命可能已經進化到可以利用泰坦上的甲烷和所有其他化學成分。

如果泰坦上出現了生命，那將會是非常奇怪的生物。它將與地球上的生命截然不同。

結束了泰坦之旅，“卡西尼號”的燃料也基本上用完了。科學家們決定孤注一擲，他們對探測器進行了編程，讓它直接飛向土星。

隨著“卡西尼號”飛入土星的大氣層，當“卡西尼號”即將死亡時，它仍有一些儀器在繼續工作。

當每一個儀器失效時，仍有一組設備在發回數據和信息。“卡西尼號”設計的初衷并不是要穿過土星的大氣層，所以沒人知道它會燃燒多久。

當“卡西尼號”飛進大氣層時，科學家們可以監測大氣層的數據。直到最后一刻，它還在發回科學資料。

當再也收不到“卡西尼號”的心跳數據時，科學家們知道任務結束了，它在土星大氣層中蒸發了，已經成為土星的一部分。

“卡西尼號”已不復存在，但它的遺產永垂不朽。直到現在，科學家們還在研究著“卡西尼號”發回的科學數據。“卡西尼號”將被載入史冊，成為人類有史以來科學成果最豐富的星際飛行任務之一。

每當我們抬頭看土星時，就知道“卡西尼號”也在那里。