美发布卡西尼飞船最后时刻科学成果：光环与小卫星

北京时间10月26日消息，据国外媒体报道，土星拥有太阳系最美丽壮观的光环系统，这个光环系统的存在离不开几颗小卫星的“辛勤努力”——这些小天体的引力作用防止了土星光环中的微小颗粒逃逸扩散，从而帮助土星维持了其光环的完整性。

这一成果只不过是科学家们近日对外公布的一系列土星新发现中的一项。随着科学家们开始深入分析卡西尼飞船在其生命最后时刻采集的大量珍贵数据，这样的新发现还将不断涌现。

卡西尼飞船的遗产

在近日于美国犹他州普罗沃（Provo）召开的美国天文学会行星科学分会会议上，卡西尼项目组向与会者们介绍了他们一个月来分析卡西尼飞船最后阶段发回的数据所取得的若干成果。与此同时项目组还首次对外公开了卡西尼飞船在其生命最后阶段穿越土星与其光环之间狭窄区域时拍摄的大量令人窒息的壮丽图像，包括巨大的土星光环，以及土星美丽的极光现象等等。

卡西尼飞船

随着卡西尼飞船向土星大气一头栽下去，我们首次有机会直接获取土星高层大气成分性质的第一手数据。卡西尼飞船“离子与中性粒子谱仪”（INMS）传回的数据中，研究人员发现土星光环中的物质分子正像下雨一样落向土星大气层。

不过，这一现象是科学家们事先就已经预料到的，探测结果只是对这一预测进行了证实。但测量数据也显示，这些下落的分子成分则要比科学家们原先设想的复杂得多。

与组成土星光环的主要成分水冰不同，探测器检测到了挥发性的甲烷分子的信号。而科学家们目前尚未开始分析卡西尼飞船在最后一圈，也就是高度最低的一圈飞行过程中采集的数据，可以预期其中一定蕴藏着更加复杂的信息。

根据卡西尼项目组的说法，卡西尼飞船的相机还拍摄到了土星光环结构中一种被称作“螺旋桨”（propeller）的神秘结构的细节图像。

它们实际上是微小的，难以看到的小卫星在土星光环中掀起的小小波澜，这种情形很像太阳系初期，原始行星在太阳周围的尘埃盘中运行的样子。

而在卡西尼飞船坠毁之前抓拍的高分辨率土星光环图像中，卡西尼飞船所追踪的全部6个“螺旋桨结构”（Blériot， Earhart， Santos-Dumont， Sikorsky， Post 以及Quimby）都被清晰地拍摄到了。

而在卡西尼飞船生命的最后几个月中，它还新发现了一些更小的“螺旋桨结构”。卡西尼飞船最后阶段发回的数据还将帮助科学家们更好地估算土星光环的起源和年龄。

一般认为，如果没有这些微小卫星的“看护”，在数亿年的时间内，土星光环中的小颗粒就会逐渐扩散，导致光环的整个瓦解。

此前的研究已经证明，土卫一（Mimas）可能是土星B环的“看护者”，防止其物质颗粒扩散。而土卫十（Janus）则被认为单枪匹马地维系了土星A环的外侧边界稳定性。

然而，最新数据证明，A环的稳定性实际上得到了多颗小卫星引力作用的支撑，其中包括土卫十八（Pan），土卫十五（Atlas），土卫十六（Prometheus），土卫十七（Pandora），土卫十，土卫十一（Epimetheus）以及土卫一。

在诸多有待解决的疑问中，卡西尼项目组希望这些最新数据能够帮助解答的关键问题之一是，通过精确测定土星地理南北极与地磁南北极之间的夹角，更加精确地测定土星的自转周期。根据英国伦敦大学学院的卡西尼飞船磁强计小组组长米歇尔·道格提（Michele Dougherty）博士的说法，在卡西尼执行“壮丽终章”飞行任务期间，由于前所未有地接近土星，卡西尼飞船的磁场测量精度比正常任务期间提升了4倍以上。

如果这一偏角大于0.016度，那么卡西尼飞船的数据应该能够测出来。美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的卡西尼项目组科学家琳达·斯皮尔克（Linda Spilker）表示：“分析卡西尼飞船的数据几乎可以当成事业来做了，总之一句话，数据分析工作才刚刚开始。”

土星探测器卡西尼号飞船在距离土卫二50公里的最近点飞越其喷发的羽流进行观测

忠实的太空老兵

在卡西尼飞船一头冲向土星大气层焚毁之后一个月的今天，科学家们已经开始能够通过数据重新还原这艘飞船在被摧毁之前的最后时刻。最新的数据让研究人员能够了解飞船在其生命最后时刻的每一项动作，并得到结论：卡西尼飞船忠实地执行了地面的每一个指令，做到了它能做的一切。

数据显示，在冲入大气层之前数小时开始，卡西尼开始启动姿控发动机，在冲入土星大气的剧烈震动中努力将自己的天线指向地球。随后，随着在土星大气中飞船逐渐解体，卡西尼飞船仍然尽最大努力让各项仪器保持正确指向，一直坚持了91秒之后才最终被彻底摧毁。

朱莉·韦博斯特（Julie Webster）是美国宇航局喷气推进实验室卡西尼飞船操控主管，她说：“为了将飞船天线保持地球指向，我们采取了一种我们叫做‘呯！呯！控制（bang-bang control）’的方法。”

什么叫“呯！呯！控制”呢？很简单，地面科学家向卡西尼飞船发送指令，为其规定一个非常窄的允许偏差角度，一旦飞船察觉到自己的角度偏向一侧超过这个允许值，姿态控制发动机就会“呯！”的一声自动启动，进行姿态修正，而如果飞船角度偏向另一侧，则另一侧的姿态发动机也会“呯！”的一声启动进行修正。

大约在卡西尼飞船冲入土星大气层之前大约一小时，其允许角度偏差被规定为不得超过1度，并且每隔几分钟进行一次角度检查并启动姿态控制发动机进行姿态修正。

在距离土星云层顶部大约1900公里高度时，飞船开始接触土星大气层。在这一过程中，卡西尼飞船长达11米的磁强计桅杆始终被指向外侧。但由于剧烈摩擦震动，磁强计会逐渐旋转过来，因此也需要飞船使用姿态控制发动机进行补偿修正。

一旦完全进入土星大气，卡西尼飞船的姿控发动机则以几乎完全一致的功率连续开机91秒，努力对抗震动和摆动。在其生命的最后20秒，卡西尼飞船会将发动机功率开到最大。美国宇航局专家表示，这样的操作导致飞船在最后8秒内发生一个向后的震动过程，随后，卡西尼飞船的生命终结了。

由于遥远距离造成了延时效应，地球上的控制中心的那条代表卡西尼依然健在的信号直到83分钟之后才从屏幕上突兀地消失。

先是测控信号消失。紧接着24秒后，无线电载波信号也随之消失了。此后又一瞬间卡西尼的信号似乎又出现了，只是一闪而过。但专家表示这并非事实，而只是射电天线波束方向的旁瓣信号产生的假象。

卡西尼飞船的任务在2017年9月15日已经正式宣布终结，但是它为我们留下了丰富的数据遗产，科学家们还将需要至少几个月的时间去对这些数据进行深入分析与解读。

美国宇航局喷气推进实验室的卡西尼项目经理厄尔·迈斯（Earl Maize）说：“考虑到毕竟卡西尼飞船并非是为冲入行星大气层而设计的，它能够坚持那么长的时间实在是一件令人惊奇的事情，这让它搭载的科学设备能够持续传输科学数据，直到最后一刻。这是一台顽强的飞船，它完成了自己的全部使命。”

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