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望远镜和太空任务

望远镜和太空任务

礼貌:NASA / JPL-Caltech
04 Sep 2017
摘自《物理世界》 2017年9月号

卡西尼号飞船比以往任何时候都更接近土星,在过去的几个月里,它一直在这颗行星与其环之间潜水,在9月15日自杀性坠入行星之前收集了新的独特数据。 约书亚·科威尔 显示

作为最著名的环状行星的人造卫星使用了13年以上之后,NASA的卡西尼号飞船将在9月15日坠入土星的大气层。距离太空飞行20年的时间不到一个月,它的任务终于完成。然而,与某些以逐渐减少的能力结束的行星飞行任务不同,卡西尼号将一直返回其最壮观,最独特的数据,直到突然而戏剧化的消亡。

这是因为,自今年4月以来,该航天器比以往任何时候都更接近土星飞行,这是它首次在环和行星之间经过22个前所未有的轨道。卡西尼号12台仪器中的11台仍在运行,其“大结局”巡演不仅提供了土星大气,环和卫星的最高分辨率图像,而且其舒适的轨道还使人们能够对土星进行全新的科学调查。行星的内部。

到目前为止的故事

卡西尼号轨道器与欧洲航天局的惠更斯号着陆器一起于1997年10月15日发射升空,它被存放在土星的卫星土卫六上。卡西尼号(Cassini)于2004年抵达土星,最初计划执行仅4年,但发现的迅速发展导致其两次延期。首先是从2008年到2010年的为期两年的Equinox任务,然后是Solstice任务,该任务将卡西尼号带到了最后轨道。

卡西尼号(Cassini)对土星系统的游览在每一个转弯处都揭示了令人惊讶和动态的特征。它最大的月亮泰坦(Titan)有湖泊被限制在极地地区。土卫二土卫二,被发现有活跃的间歇泉,水蒸气和冰从其南极喷涌而出,变化未知。同时,这些环还露出了嵌在其中的卫星,其中一些卫星显然在我们的眼前裂开,产生了围绕地球旋转的尘埃云。

圆环的另一个特点是它们在大气层上投射了巨大的阴影,在整个土星年(相当于29个地球年)的过程中,它们在整个地球上移动。但是,在春分飞行任务期间,太阳位于土星的赤道正上方,而赤道也是环的平面。这样一来,卡西尼号就可以观察到土星的大气层,几乎没有任何环影,也可以观察到由环星投射的轻微阴影。环形阴影并非完全平坦,而是显示出平面外的特征,包括在最深的D形环上的周期性波纹,2011年,卡西尼号科学家Matt Hedman及其同事将其归因于彗星碎片在1983年对环的影响戒指真的在我们眼前改变了。

底下是什么

土星的气体巨人浓厚而不透明的气氛笼罩着下面的东西,保持了其内部结构和组成,这是地球上最大的谜团。这个问题不仅本身很有趣,而且因为对土星系统其他部分的雕刻很大程度上取决于行星内部的事件。

土星形成的最广泛接受的模型是,冰和岩石的坚固核从较小的小行星中吸出,与地球等地球行星形成的方式几乎相同。在这种“核增生”模型中,实心核提供了引力核,使行星能够从原行星云中的气体中捕获大部分质量。但是,究竟该核的质量是地球质量的十分之一还是四分之一尚不清楚。土星内部的外部结构(氢和氦的混合物)也很难被理解。

到目前为止,我们对土星内部的了解是由许多不同的证据拼凑而成的,其中基于理论和实验室的模型补充了卡西尼号的观测结果。其中包括明亮的极光和彩色卫星,这两者都是由带电粒子带引起的,这些带电粒子是由土星内部某处产生的磁场形成的。卡西尼号还检测到了环中​​的波,这些波是由与行星内部不断变化的质量异常发生共振而产生的,指向一个既块状又动态的内部。

Geysers of water vapour and ice grains erupting from the south polar region of Enceladus

对于土星来说,即使是知道行星内部旋转速度的表面上似乎很简单的事情也被证明是复杂的。相反,木星发出的无线电波被认为与行星整体内部的旋转紧密相关。但是,相比之下,土星的辐射具有多种成分,并且多年来发生了变化。那么,这个星球内部到底发生了什么?

新的独特数据

从今年5月到9月,卡西尼号比以往任何时候都更靠近土星。卡西尼号经过土星的云层上方仅1628公里的距离,因此进行了一系列首次测量,这些测量将告诉我们有关行星内部的更多信息。

首先,我们对土星的磁场有了更清晰的认识。从很远的距离看,它的磁场看起来像一个简单的条形磁铁,但是随着卡西尼号接近该磁场的源头,我们发现它偏离了理想的偶极子。在总决赛轨道上测得的这些偏差,使我们对土星磁场有了更清晰的认识,从而为我们提供了产生土星磁场的线索。土星的磁场既可以直接通过卡西尼号上的磁力计测量,也可以间接地使用卡西尼号测量由土星磁场引导的带电粒子产生的无线电波。

卡西尼号还在测量土星内部的物质分布。从很远的距离来看,土星的质量,甚至它的卫星和环的质量都可以集中在一起,并由一个点近似。但是,由于土星的密度小于水,并且旋转得如此之快(一天约为10.5小时),因此土星高度扁平化,内部物质的分布也不均匀。而且离土星越近,与球对称行星的这些差异作用越大。

为了测量土星的引力场,我们利用了卡西尼号实际上在行星周围坠落这一事实,并且在22个相近的轨道中有6个被称为“引力通过”,它根本没有机动。因此,航天器的速度完全取决于土星,其卫星和环的引力,并且在相距较近的距离内,土星内部的结块会产生可测量的速度变化。

卡西尼号通过无线电信号向我们发送数据,该信号由位于深空网络中的地球上的大型射电望远镜跟踪。通过精确测量卡西尼号相对于地球的速度变化时无线电信号的多普勒频移,可以确定航天器的速度仅为17 µm / s的精度,考虑到卡西尼号相对于土星的最高速度,这是一个令人印象深刻的壮举超过34 km / s然后,这些数据可以用于重建行星中质量的分布,并且至关重要的是,可以确定与行星质量不同的环的质量。

要获得所有正确的答案,需要格外小心。正如卡西尼号(Cassini)无线电科学子系统小组的负责人理查德·法国(Richard French)解释的那样:“在土星重力场的早期解决方案中,由于地球上的板块构造而导致的深空网电台位置误差仅为10 cm,引力场的不可行解决方案。”

圆环之谜

土星的内部可能仍然看不见,但自1600年代以来,天文学家一直在注视着它的环-这是我们太阳系最引人注目的特征之一,而我长期以来一直感到尴尬,因为我无法回答两个关于它们的基本问题:它们多大年龄以及它们来自何处?

(clockwise from top left): close-up of Saturn’s C ring – 在 the darker region, tiny waves can be seen, some of which are caused by 在teractions with Saturn’s 在terior; mosaic of Saturn’s spring equinox; projection of Saturn’s shadow on the rings at its shortest, 在 May; Saturn’s horizon visible as a thin, detached haze; the tiny moon Pan, which orbits within the A ring, has a complicated shape sculpted by accretion of ring material along its equator

在1980年代初期旅行者号飞过土星之前,人们认为这些环与行星本身一样古老,是行星形成过程中留下的残骸,就像小行星和彗星是绕着太阳的残骸一样。当时的想法是,环形粒子离土星太近,无法像更远的剩余物质那样聚集成卫星。取而代之的是,它们被派往人群中绕地球旋转,每隔几个小时就彼此拉动一圈,彼此之间的积聚从未超过一次大的临时性雪堆。但是,当旅行者号表明环的结构在45亿年的太阳系时代很难维持的时候,这种古老的环理论就不再有意义了,而曾经是激进的探索了戒指的最近起源。

卡西尼号对该系统的详细研究为年轻的戒指系统提供了更多证据。通过测量环在不同波长下的反射率,我们知道几十年来,环主要是水冰。实际上,它们的表面表明大约有99%的水冰组成。令人困惑的是,这些环就像是一个巨大的靶心,在空间中,所有细小的碎片都流过了太阳系-彗星脱落的微流星体以及彗星和小行星之间的碰撞-受到了撞击。这些小于毫米的粒子在撞击时应使环形粒子变暗,这与地球上刚落下的雪因尘土和污染而变黑一样。

因此,要确定土星环的年龄,我们可以算出它们是从纯水冰开始的,要花多长时间才能从行星际碎片达到目前的1%非冰“污染”状态。要解决这个问题,必须知道两件事:污物撞击环的速度,以及污物被埋在环颗粒内部的程度。

卡西尼号(Cassini)的宇宙尘埃分析仪已经使我们能够弄清落在环上的污垢的发生率。在仔细分析了10多年的数据后,科学家从土星E环的冰粒中筛选出行星际尘埃颗粒的影响后,研究该仪器的科学家们确定下降的物质的速率会变暗土星环颗粒的表面,从最初的纯冰状态到现在的亮度,仅用了大约1亿年的时间。

至于污物在环中的埋入程度,找出环的质量将有助于解决这一问题,因为大环提供了更大的储藏物,可以将污物埋在其中。大质量的环也很难用最近起源的模型来解释,这些模型需要分解月球或捕获潮汐,并破坏经过的彗星体。另一方面,质量较弱的环如果与太阳系一样古老,则更难以解释环的亮度,并且在最近的起源模型中更容易解释。目前对戒指质量的估计大约有10倍的变化。大结局轨道可能会将钉子钉在棺材上,作为古代戒指,或者它们可能会再次引发问题。

最后的再见

我将于9月15日清晨在帕萨迪纳,与许多卡西尼大家庭聚在一起,目睹卡西尼的无线电信号最终消失。跳入大气层之后,不久就流星燃烧,摩擦将使航天器无法与地球保持无线电连接。最终无线电信号的消失将在成千上万的参与该项目工作的人的现场见证,其中有些人像我一样已经工作了25年以上。

我不知道自己会感觉到什么,因为对我来说这是前所未有的事件,但这将是一种死亡。我一生都在卡西尼岛工作。任务结束后,家庭将分散,氏族将不再聚集。然而,当我们告别我们的机器人朋友时,他不懈地探索了巨大的土星系统,如实地执行了成千上万的观测,我们期待着回答卡西尼号将在其遗留下来很久之后遗留下来的许多科学问题成为土星的一部分。

卡西尼家族的怪癖和氏族

The Cassini team old and new posed together 在 June

我于1990年开始为卡西尼号工作,当时是我的论文顾问拉里·埃斯波西托(Larry Esposito)的新博士后,他刚刚被选出为该任务提供紫外线成像光谱仪。在接下来的27年中,我加入了一系列大型的卡西尼号科学家和工程师。我们努力应对不断变化的航天器设计,然后进行了多年的工作,以完善航天器将遵循的土星系统的轨迹或“旅行”。

这个大家族有很多氏族:指环氏族,泰坦氏族,成像团队氏族等等。每个氏族都有例会。多年以来,我每周都在Rings Target工作团队(不变地称为“ rings twit”)举行电话会议,在那里我们将辩论各种观测建议,以期在最短的时间内获得最佳的观测时间表。我们通过电话建立了密切而友好的工作关系,然后每六个月左右会举行一次关于这些氏族横截面的面对面会议。我经常会以他们的声音认识人们,并且尽管从未与他们面对面见过,但他们与他们进行了广泛的讨论。

该项目似乎迷上了复杂的Excel电子表格,以采用绿-黄-红颜色编码方案对各种建议(例如,哪个巡回飞行)进行评分。一个氏族(比如说泰坦)可能会为一次巡回赛打出很多绿色,而“环”会在同一次巡回赛中显示一个红色和黄色的电子表格。有时我们会闭上眼睛,发现无尽的红色,绿色和黄色的盒子被灼伤了视网膜。在执行任务的过程中,有一种有机的文化。我们都知道我们的卡西尼号是关于土星的绕转,旋转(卡西尼号的公转或轨道),RBOT(一种计算机程序,用于检查计划的活动“顺序”不会使反作用轮处于危险状态) ,PDT(指向设计工具,该工具用于创建文件以生成命令以传输到Cassini,以告诉它在哪里看),等等。

随着任务的进行,我们变得越来越老,新人加入了该项目,有些人继续前进,可悲的是,有些人死亡。一些里程碑已经过去。永远不会再有遥不可及的遥控,也不会再有卫星飞越,对泰坦的雷达观测或在ESA的ESTEC(欧洲空间研究技术中心)举行的项目会议。 9月15日之后,我们将永远不会再收到从卡西尼号下载的新数据的通知-这种事情以十多年来的卓越可靠性而发生。我不会和卡西尼(Cassini)同事一起走过道路,而不是在团队会议或项目科学会议上,而是在更大的国际科学会议上。共同的科学问题将继续使我们中的一些人束缚在一起,但是随着航天器的消失,某些联系将逐渐消失。我会想念他们的。

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