借老节目讨赏
伟大终章：纪念卡西尼号
20天之前天文界发生了一件大新闻，北京时间9月15日19时55分，著名的土星探测器“卡西尼号”坠入了土星大气，完成了自己伟大而壮丽的一声，享年20岁。在卡西尼号结束使命后不久的时间中，不知道多少朋友给我们留言说让我们聊一聊卡西尼号，但我们向来不愿凑热闹，我们更喜欢当喧嚣过去之后，来冷静的看待这一事件。时间就这样转瞬即逝了，卡西尼号的热度已经再次被薛之嫌盖过，所以今天我们就借着这样一个机会，跟大家聊聊这位伟大的太空探索者。不过我们要事先说一下，关于土星的相关内容，我们曾经在今年春节期间制作了一个特别系列，叫《摘下星星送给你》。里面较为详细地介绍了太阳系的几大行星，这里面也当然包括卡西尼号奋斗过的土星，所以关于土星的一些基本知识，我们就不单独拿出时间来介绍了，建议大家在看这期节目之前先去了解一下。好，闲言少叙，我们这就开始。
不过在提到我们今天的主角卡西尼号之前，我们还是不得不先说一下它的大哥。在1989年，美国和欧洲合作发射了一个专门用于探测木星的探测器，用来研究木星及它的卫星。由于木星最早的四颗大卫星木卫一到四，最早是伽利略发现，所以美欧就把这个木星探测器起名为“伽利略号”。由于伽利略号不负众望，非常成功地完成了使命，而且和美欧对抗了半个世纪的苏联完蛋了，所以美欧的很多资源就被空了出来。于是美欧双方开始考虑，再来一个伽利略计划2.0版本，用来观测下一个大行星土星，这便是后来的卡西尼号。
伽利略号
卡西尼号
跟伽利略号一样，卡西尼号是为了纪念法国天文学家乔凡尼-卡西尼而命名的。这位哥们自己也是一个非常有意思的人，乔凡尼-卡西尼是一位出生在意大利的法国人，是人类对土星的观测完全无法绕开的天文学家。不过这位同志虽然号称是天文学家，但我们却应该称他为先生，或者叫大仙。这是因为我们的卡先生年轻的时候就开始仰望星空，面对着满天繁星，卡先生不禁开始思索宇宙与人生的意义，然后就毅然决然地投身玄学，开始了算命生涯，并且还在算命界闯出了自己的一番天地。在当时的时代，哥白尼的日心说、开普勒行星定律、牛顿万有引力定律等科学成果已经开始了广泛的传播，不过卡先生却对这些成果嗤之以鼻，天文是不可能天文的，这辈子都不可能天文的，做科学又不会做，也只有每天占星算命才能维持得了生活这样子。卡西尼坚信自己的上帝不会错，地球才是宇宙的中心，日心说什么的都是一派胡言。照这种说法，卡西尼应该不太可能在人类的天文史上留下自己浓墨重彩的一笔。现在我们看来，卡西尼在天文学上的贡献，更多的并不是他的本意。他永远都不知道自己一个占星大师，怎么就成了天文学家了。
乔凡尼·卡西尼
卡西尼在年轻时一直都默默无闻，终于在他43岁时转机到来了。他因为自己丰富的观星经验，被钦定当上了巴黎天文台台长，卡西尼的人生这才迎来了转折。在当台长期间，为了更好地观测星星，他改良了天文望远镜，并且在观测各星星时发现了木星的大红斑，他还观测了月球的表面并绘制出详细的月面图，同时还发现了火星的自转现象并测量了自转周期。不过卡西尼的最大贡献还是在土星上，通过对土星的观测，卡西尼发现了土星环上存在的暗缝，后来这被称为卡西尼环缝，并进一步猜测土星环是由无数的小颗粒构成。除了关于土星环的新发现以外，卡西尼还发现了土星的四颗卫星，也就是土卫三、土卫四、土卫五、土卫八。所以在300多年以后，人类的第一个土星探测器才以他的名字命名。
不过虽然这个探测器被命名为卡西尼号，但这并不是这个探测器的大名，卡西尼号实际上的全名是“卡西尼-惠更斯探测器”。因为这个探测器实际上有两部分组成，一个部分是用于环绕土星飞行，并携带各种传感器360度花式无死角观测土星的探测器，被称为卡西尼号，我们通常说的卡西尼号，指的就是这一部分。而除了这个土星环绕探测器外，卡西尼号还携带了一个小弟弟，用于对当时有生命传闻的土卫六进行登陆探测，由于土卫六的发现者是荷兰物理学家惠更斯，于是这个小弟弟被称为惠更斯号。
在经过一段时间的建造和准备工作后，直径3米、高7米、重6.4吨的卡西尼号，终于在1997年10月15日，携带着349公斤的小弟弟惠更斯号，以及27种最先进的科学探测仪器，在美国肯尼迪航天中心开始了自己伟大的征程。
惠更斯
卡西尼号出发前
不过说起来你们可能不信，作为土星探测器的卡西尼号，从地球出发后却开始向反方向飞行，直奔地球轨道内部的金星。可能大家听到这里可能会很懵，卡西尼这是要日太阳啊。其实这样的行为既是航天工程师的天才之举，也是一种无奈的选择。由于土星距离地球十分遥远，而且还需要克服太阳引力，有人经过计算，如果仅仅使用火箭直接将卡西尼号送往土星，并要求在7年内到达土星，卡西尼号估计需要携带大约70吨的燃料，这已经完全超出了人类的发射能力。要知道，仅仅发射一个1吨重的卫星，就需要上百吨燃料，如果再加上70吨的燃料，有多少预算也不够这么造的。而且实际所需的燃料也不是乘以70这么简单，所以要想把大象送上土星，仅仅靠暴力的三步是完不成了。不过事儿还是要做的，航天工程师们只能再想其他的办法，最终解决的方案就是使用著名的引力弹弓效应。如果大家认真看过《火星救援》的话，应该记得这样的一段情节：人们发现马特达蒙被留在火星后，由于无法立即发射新的火星飞船进行营救，所以NASA在一个天才宅男的建议下，决定使用地球的引力弹弓效应，将即将返回地球的飞船再次送回火星，从而让营救马特达蒙成为了可能。
那么这个引力弹弓效应究竟是个啥呢？所谓的引力弹弓效应，就是利用天体来帮助航空器进行加速或减速的方法。当航天器以一定的速度靠近大型天体时，由于速度较快，不能被该天体俘获，而是会逐渐靠近天体，并因为引力的作用开始加速。当达到最近点时，航天器的速度达到最大，然后航天器开始逐渐远离天体，最终航天器的轨道会呈现出一种抛物线或者双曲线的形状。这就好比我们在跑步的时候，用手把住一根固定在地上的杆子，然后整个身体就能借助这一力量实现转弯。不过在这里，这个把住杆子的手是由看不见的引力来提供，所以看起来就是航天器被看不见的神秘力量“弹”了回来，就像弹弓一样，所以这一现象被称为“引力弹弓”。
引力弹弓效应
但是一般来说，这样的引力弹弓并不能提高航天器的飞行速度，整个过程只有动能到引力势能再到动能的转化，航天器仅仅是依靠天体的引力实现了转弯。可是环绕太阳运行的行星则有点不同，由于行星本身也具有速度，所以上述的引力弹弓现象是发生在行星运动的情况下。在航天器靠近行星后，行星的运动会改变航天器的引力势能，行星的部分动能将被转化为航天器的动能。也就是说，经过引力弹弓后的航天器的速度会发生改变，这一道理就如同我们高中物理学过的，两个小球发生相向的弹性碰撞，质量小的球的速度会提高一样。这么说可能大家有点糊涂，我们还拿前面跑步抓杆来举例，当我们跑步抓杆子拐弯的时候，如果地上的杆子也在动，那么我们的速度也多少也会受杆子移动的影响，被杆子带跑。所以这种引力弹弓效应，本质上就是消耗行星的动能来为飞行器加速或减速。我们大家也不要担心行星的动能被以这种形式消耗掉，从而停止公转了。由于相对于航天器来说，行星的质量十分巨大，所以经过引力弹弓后，行星的公转速度减少量很小，几乎可以忽略不计。这种引力弹弓为飞行器加速的方式干净利索不留痕迹，也不需要额外的东西。当然了这种方法在真正实施的时候会很复杂，从靠近行星的速度、角度到行星本身的运动情况等诸多方面，都需要仔细考虑，所以实际应用是比较复杂的。不过虽然复杂，但也总比装上70吨燃料这种不可能的任务好。所以卡西尼号才决定走这样一条十分怪异的轨道。
在经过6个月的飞行后，卡西尼号在1998年4月飞掠金星，并实现了一次引力弹弓加速。之后在绕太阳运行一周后，于1999年6月再一次飞过金星，并实现了第二次引力弹弓加速。2个月后卡西尼号又飞回地球上空，借助地球实现了第三次引力弹弓加速，然后才开始向外部轨道飞行，奔向土星。在从地球飞向土星的过程中，又抱上了太阳系最大的大腿木星，并在木星老大哥的带领下，进行第四次引力弹射。就这样在太阳系三大行星的帮助下，卡西尼号终于在2004年7月1日抵达土星轨道。由于采用了这种特殊的运行线路，原本直线15亿公里的路程，卡西尼号足足走了35亿公里。不过由于是采用引力弹弓这种颇为天才的方式，整个飞行时间并未增加，仅耗时6年8个月，但却大大地节省了燃料。
卡西尼号飞向土星路线
这一路上，卡西尼号几乎逛遍了大半个太阳系，当然也像其他的游客一样拍了照留念。而且由于是利用引力弹弓，所以对几个行星的抵近拍摄，照片质量非常高。尤其是对木星拍摄了26000张照片，甚至获得了当时最清晰的木星照片。此外由于经过小行星带，卡西尼还顺便参观了一下2685号小行星。
卡西尼号拍摄的2685小行星
经过长途跋涉，在太阳系游玩了快7年时间后，卡西尼号要真正开始干活了。不过在干活之前，首先还是要明确一下卡西尼同志的任务，第一个任务自然就是探测土星了。根据原来的设计方案，卡西尼要环绕土星76圈，并利用身上背的各种探测设备和长枪短炮，对土星的大气、磁场、辐射以及内部结构进行探测。第二个任务是继承当年卡西尼大仙的遗志，好好研究研究土星环和各卫星，尤其是土星环的物质成分以及分布，还有几个大卫星上的情况。第三个任务，是把小弟惠更斯号安全送往目的地土卫六，并作为中间信使把惠更斯号的发现传回地球。当然了在实际中，三个任务的顺序并不是一二三依次排列的。由于带个小弟干活毕竟不是特别方便，所以在到达环绕土星轨道后的第二天，卡西尼号就先去土卫六踩好了点，先完成第三个任务再说。
卡西尼号土星运行轨道
在几个月准备后，2004年的圣诞节，卡西尼号成功地把小弟弟扔到了土卫六上。土卫六的英文名字叫“泰坦”，它是土星最大的卫星，比行星水星还要大，也曾经被认为是太阳系最大的卫星，不过后来被发现要比最大的木卫三稍小。土卫六之所以受到人类的特别关注，主要的原因是土卫六有着浓密的大气，是太阳系中唯一一颗有大气的卫星，大气气压大约是地球的1.5倍，所以人类怀疑上面可能有生命存在。二战时期美国人柯伊伯就发现土卫六上有甲烷存在，后来路过土星的旅行者号发现其大气中还有氮气这样的大气成分，与原始地球很相似。正是这些原因引起了人类的极大兴趣，所以就派惠更斯上去看看，发现生命自然是搞个大新闻，就算没找到生命，通过泰坦来研究原始地球的演化也是极好的。
土卫六
土卫六环境
惠更斯在经过1个半小时的缓缓降落后，成功着陆土卫六，并继续工作了1个小时。在这期间人类第一次通过惠更斯的眼睛，看到了土卫六的地表，同时经过相关仪器的测量，科学家们最终获得不少土卫六的相关数据。不过由于惠更斯号的通信系统发生故障，其在土卫六上拍摄的700多张照片，仅有一半被送回地球。在那些没有收到的照片里，惠更斯究竟拍到了什么，我们可能永远也不会知道了。而就在此刻，惠更斯号可能就静静地躺在土卫六的某个小土坑里，成为了土星卫星上附近唯一的人造物体。
惠更斯号拍摄的降落过程
惠更斯号拍到的土卫六地表
惠更斯号的任务虽然不完美，不过对于卡西尼号来说，自己的第三个任务总算是完成了。但另外两个任务更为艰巨，需要长期大量的观测才能实现。在经过4年的辛勤工作后，卡西尼基本上完成了所有的预定任务。按理说我们已经可以和11岁高龄的卡西尼号说白白了，但卡西尼号续的能力着实让人感叹。此时的卡西尼仍然状况良好，在完成了预定的目标后，又继续续了9年的时间。那么卡西尼号为何如此长寿呢？我们之前在《飞天驿站》那一期节目中曾经介绍过，早期的太空站之所以有寿命，最主要的原因是火箭燃料的消耗。当燃料消耗完后，航天器将没有额外的动力推动自己，维持自己所处轨道，只能被动依靠地球的引力，并最终会在宇宙尘埃和引力的作用下坠毁。简单的说就是，航天器的寿命取决于剩下多少燃料。所以后期的空间站都是可以补充燃料的，通过这种方式，空间站的使用寿命便大大增加。
对于远在土星的卡西尼号来说，道理是一样的，唯一的区别就是，人类没有能力为卡西尼号补充燃料。要想为卡西尼续命，就必须尽可能节省着使用燃料。不过对于卡西尼这种要四处走动的任务来说，蹲在一个地方闷声续命肯定不合要求，需要其他的解决方案。说到这里，想必大家的心里已经有了答案。解决的办法就是跟从地球到土星一样，靠引力弹弓来改变卡西尼号的运动速度和方向，从而实现复杂的变轨，却不需要太多燃料。引力弹弓这件事对卡西尼来说算是见得多了，所以卡西尼号在土星轨道工作的过程中，也主要依靠土卫六这样的大卫星的引力弹弓来实现变轨，从而节省了大量的燃料。随身仅仅携带了3.3吨推进燃料的卡西尼号，就利用这种非常抠门的方式，成功地将自己的寿命延长到20岁。
在卡西尼号工作的这13年的时间里，卡西尼号源源不断地向地球传回了大量的测量数据。人类对土星、土星环以及土星的各个卫星的认识也不断地深入。可以说我们现在关于土星的所有知识，几乎都来自于卡西尼号，而且在已经获得的这些数据中，还在不断地诞生新的成果。比如我们在短篇节目《土卫二：破冰的希望》中曾经介绍过，在今年4月，科学家在分析卡西尼号获得的土卫二数据中，论证出土卫二的地表下有液态水形成的地下海洋，而且其中具有生命形成所需的几乎所有条件，算是搞了一个真正的大新闻。
卡西尼号拍摄的土星
不过不管卡西尼怎么省，推进燃料终究还是有耗尽的那一天。其实在2016年，卡西尼号的燃料就已经见底了。航天工程师们决定，向卡西尼号派出最后一个任务，代号为“伟大终章”，在死前最后再爽一次，为卡西尼号做一个壮丽的葬礼。这一计划从2017年4月开始，最后一次利用土卫六的引力弹弓进行变轨，然后进入最后的“伟大终章轨道”。这一轨道的最大特点是，轨道穿过土星环的内侧，并可以部分接触到土星最外层的少量大气。这一“伟大终章”的主要目的，是想利用穿过土星环时产生的微弱引力变化，推算出土星环的重量，揭开土星环形成的秘密。此外卡西尼号还要在如此近的距离观测土星磁场的变化。由于土星是一颗气体行星，又没有木星大红斑这样显著的特征，所以想要测定精确的土星自转周期十分困难，所以这次也打算采用土星磁场的旋转，来实现精确测试土星自转周期的目的。此外由于可以接触少量大气，也可以对土星大气中的风暴和云进行拍照观测，并对土星大气进行取样分析。卡西尼号就在这样一个6天半一圈的轨道上环绕了22圈，在完成了上述几条任务以后，扎入浓密的土星大气中，永远不再回头。2017年9月15日19时53分，卡西尼号走完了“伟大终章轨道”的最后一圈，在经过几次空中姿态的调整后，火力全开，燃尽了自己最后的一点燃料，朝着土星大气飞去。地球上卡西尼的信号越来越弱，并不时发生中断。在几次短暂的挣扎后，最后归于一片寂静。
伟大终章任务图
人类告别卡西尼号
当然上面的告别只是一个人类的版本，这时候的卡西尼号可能还活着，并开始有幸见证自己一生中最为壮丽的时刻。坠入土星大气的卡西尼号，首先会进入最上面的平流层，并经受平流层500米/秒的恐怖狂风的洗礼。如果卡西尼号足够幸运扛过去了，等待它的是对流层的雾霾和零下120多度的土黄色氨冰云。再继续下坠，舱外的云彩变成硫化氨和硫化氢氨构成的褐色的云，温度提高到-40℃，并且还在不停上升。继续向下开始出现地球上一样的冰晶形成的云。天空开始越来越暗，也越来越热，最终落入了满是液氢的海洋。不过这时候，温度已经达到了5000多度，这几乎就是太阳的表面温度，而这所有的一切，也只有卡西尼号自己能够看到了。
土星大气
那么功勋卓著的卡西尼号，为什么要选择这样的一种激烈的死亡方式呢？因为这恰恰是最适合于当前的死法。如果对行将死亡的卡西尼号放任不管，尽管卡西尼号可能依然在工作，但由于耗尽推进燃料，卡西尼号已经失去了自主运动的能力，只能老老实实地被引力支配。要不了多久，在宇宙尘埃和土星大气的作用下，卡西尼号将逐渐失速，并开始在引力的作用下坠落。由于土星十分巨大而且卫星众多，又有构成土星环的大量小型冰晶石块，所以很难判断卡西尼会最终落向何处。可能是土星，也可能是某颗卫星，甚至是被某些小碎石击碎，然后分成几块各有去处，相比之下落在土星上要好得多。而要是落在其他的位置上，可能会造成很多的麻烦。
主要的麻烦就是造成土星卫星的污染。一种污染是生物污染，尽管卡西尼号并没有携带任何生物物质，但既然是在地球上被人类建造出来，就难免会沾染部分来自地球的微生物。我们曾经做过一期节目，介绍能够忍受各种极端条件的生物，这些生物被称为“嗜极生物”，比如我们在那期节目中提到的水熊虫。嗜极生物中最大的一类，就是我们平时看不见摸不着的微生物。这些微生物在经过宇宙环境的真空、极冷、放射性洗礼后，依然能具有生物活性，也就是说，在卡西尼号的残骸内部，很有可能就隐藏有来自地球的嗜极微生物。
水熊虫
如果这些微生物进入土卫二这种可以孕育生命的星球中，那么可能的结果就会有下面两种。一种是这些微生物进入到了没有生命存在的土星卫星中，如果这些微生物通过自我奋斗，成功适应了这些星球，那在未来，人类如果再次在这些星球上发现生命，这到底是算谁的。新发现的生命到底是来自这种生物污染，还是真的是这个星球自己孕育的，恐怕谁也说不清了。另外一种情况可能会更惨，微生物来到一个具有生命的星球，然后凭借着自己的优势，彻底将这些本地的土著生物赶尽杀绝，这种生物入侵也是我们所不愿意看到的。
除了上述说的生物污染的隐患之外，另外一个污染是放射性污染。我们常见的卫星等近地航天器，所使用的电力来自于自带的太阳能电池板。可是航天器在土星这样距离太阳非常遥远的地方工作时，所接受到的太阳能就太少了，完全没有办法满足需要，所以这种航天器的电力一般都由自带的电池来供电。可是要想长期工作，靠平时常见的化学电池肯定是不够的，科学家的解决方案是采用“核电池”。核电池的主要原理是使用半衰期适中的重核元素，最常见的是钚238。由于这种放射性同位素会稳定的发生核裂变释放能量，使得它自身会因为自己所释放的能量而变得非常热。这样一来，钚238就成了一种长期稳定的热源。通过简单的热电偶，就可以将热能直接转换为电能供航天器使用。卡西尼号就装了这种核电池，一共大约有32.7千克。如果卡西尼被损毁，里面的钚238将可能落入某个卫星上，而且在这样激烈的条件下，金属钚238想获得一个全尸基本很困难。具有放射性的钚238将会散布在星球表面，杀死那些可能存在的地外生物。而且由于钚238的半衰期为88年，所以这一污染将十分棘手。所以与其去解决上述几个不可控的隐患，不如我们主动出击，好好安葬好卡西尼号，让它被妥善地处理掉。这样一来，把它送入土星就是一个非常好的选择。首先土星内部的高热环境，可以迅速将卡西尼号分解成原子状态，而且土星没有生命，不用担心生物污染。再加上土星本身非常巨大，核电池的放射性污染对土星来说几乎不会有任何影响。
发热的钚238
即将坠入土星的卡西尼号
好了，关于卡西尼号，我们这个迟来的纪念就这样结束了。在人类的整个宇宙探索历史中，卡西尼号或许是最著名的航天探测器之一。它的影响如此巨大，以至于名气已经远远大于它所纪念的那位天文学家。卡西尼号除了为人类揭开了土星的秘密，也更向人类展示了自然的伟大与瑰丽。在2013年7月20日5时，卡西尼号曾在工作的间隙从土星环的缝隙中，无意间回首望见了我们所在的地球，于是就有了这张奇妙的照片。
“死星”土卫一
卡西尼号拍摄的地球
是的，这颗暗淡的蓝点，就是我们今天这位太空摄影师的家。在蓝点上面，有它的创造者和最亲密的工作伙伴，他们正在为摄影师所前进的每一步呐喊，为摄影师的每一张作品欢呼，也为摄影师最后的绝唱而悲伤和惆怅。它的名字是卡西尼，也是蓝点上每个人的化身、寄托和命运。对于卡西尼号来说，这悲壮的一跃，纵使万丈深渊，下去也可能是前程万里。而对于人类来说，即便卡西尼号不是生命，我们也要对这样的先行者致以崇高的敬意。同时我们也该为它的虽死犹生感到高兴，因为在它倒下的地方，将会有另一人站起。新的探测器必将在不久的将来，在卡西尼号所创造的基础上，沿着先行者的足迹，走过它经过的地方，想起它经历的故事，然后开启人类太空探索新的征程，揭开人类历史新的篇章。不知道如果卡西尼号有思想的话，当它回望地球的时候，该是怎样的心情。也许它知道人类对它的牵挂、希冀与赞许，也许这一切它不知道，也许它会感到视死如归的悲壮，也或许它也为自己短暂的一生心生惆怅。但不论怎样，15亿千米之外的地球，也早已是它永远无法归去来的地方。但在这样视角下的遥望，也许卡西尼号会对生活、命运和人类的前途有更好的思量。当它最终无可选择的纵身一跃之时，它也会将最后一曲歌声唱响。
回望地球，万里画卷。春秋冷热，几曾消磨。有道是，王者圣者，非主皆客。雄机妙策，人逝孰得。莫道归隐，山林仍在。千百年过，谁只烂柯。群情遨游，依稀在昨。觥筹光影，须臾成各。大江东去，有多少起落，又可堪波折。什么虚实，什么生克。喧哗过尽，难留旧辙，终究似过眼舆车。既如此，纵十万仙兵神将，任指天笑骂，能奈我何。凭回望，正临风沐发，已挥泪成歌。
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