土星迎来“客人”

第三节　土星迎来“客人”

戴着美丽光环的行星

土星是太阳系八大行星中的第二颗行星，其体积仅次于木星，能容纳745个地球。质量是地球的95倍多。其密度很小(0.7克/立方厘米)，是八大行星中唯一密度比水小的行星，假如把土星放在一个非常大的水池里，它会像皮球一样漂起来。土星至太阳距离(由近到远)位于第六。并与木星、天王星及海王星同属气体(类木)巨星。古代中国亦称之“镇星”或“填星”。

在太阳系的行星中，土星的光环最惹人注目，它使土星看上去就像戴着一顶漂亮的大草帽。观测表明构成光环的物质是碎冰块、岩石块、尘埃、颗粒等，它们排列成一系列的圆圈，绕着土星旋转。

土星运动迟缓，人们便将它看作掌握时间和命运的象征。罗马神话中称之为第二代天神克洛诺斯，它是在推翻父亲之后登上天神宝座的。无论东方还是西方，都把土星与人类密切相关的农业联系在一起，在天文学中表示的符号，像是一把主宰着农业的大镰刀。

在1781年发现天王星之前，人们曾认为土星是离太阳最远的行星。土星还有较多的卫星，现已确认的土星卫星共23颗。

距土星最近的是土卫十五，它与土星的距离为13.7万千米，仅为卫星到土星中心的2.29个土星半径，公转周期为0.601天，其半径只有15千米;最远的是土卫九，平均距离约1293万千米，它距土星中心为216个土星半径。土卫八的轨道面与土星赤道面的交角为7°52'，属于不规则卫星。土卫九的轨道面与土星赤道面的交角为175°，逆行，轨道偏心率达0.163，也属于不规则卫星。其余的卫星均为规则卫星。有趣的是，土卫四和土卫十二、土卫十和土卫十一都是两两同一条轨道上;而土卫三、土卫十六和土卫十七则是三星同居一轨道。从飞船发回的资料看，没有发现这些卫星上有火山活动的痕迹。

土星的卫星中，土卫六是天文学家关注的天体之一。长期以来，土卫六一直被认为是卫星中体积最大的，也是太阳系中唯一拥有大气的卫星，其大气成分主要是甲烷;过去认为它的表面温度也不很低，因而人们推测在它上面可能存在生命。

除土卫六外，天文学家发现，土星的其他卫星都比较小，在寒冷的表面上都有陨击的疤痕，像破碎了的蛋壳。土卫一表面上有一个直径达128千米的陨石坑;土卫二有着荒凉的平原、陨石坑和断皱的山脊，它的不同区域代表着不同的历史时期;土卫三上有一个又深又宽，长约800千米的千米;土卫四表面有稀疏而明亮的条纹，它们都环绕着陨石坑。

美丽的土星环

土星环位于土星的赤道面上。在空间探测以前，从地面观测得知土星环有5个，其中包括3个主环(A环、B环、C环)和2个暗环(D环、E环)。B环既宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A环。A环和B环之间为宽约5000千米的卡西尼缝，它是天文学家卡西尼在1675年发现的。B环的内半径91500千米，外半径116500千米，宽度是25000千米，可以并排安放两个地球。A环的内半径121500千米，外半径137000千米，宽度15500千米。C环很暗，它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12000千米处，宽度约19000千米。

1969年在C环内侧发现了更暗的D环，它几乎触及土星表面。在A环外侧还有一个E环，由非常稀疏的物质碎片构成，延伸在5～6个土星半径以外。

1979年9月，“先驱者11”号探测到两个新环──F环和G环。F环很窄，宽度不到800千米，离土星中心的距离为2.33个土星半径，正好在A环的外侧。G环离土星很远，展布在离土星中心10～15个土星半径间的广阔地带。“先驱者11”号还测定了A环、B环、C环和卡西尼缝的位置、宽度，其结果同地面观测相差不大。“先驱者11”号的紫外辉光观测发现，在土星的可见环周围有巨大的氢云。环本身是氢云的源。

除了A环、B环、C环以外的其他环都很暗弱。土星的赤道面与轨道面的倾角较大，从地球上看，土星呈现出南北方向的摆动，这就造成了土星环形状的周期变化。仔细观测发现，土星环内除卡西尼缝以外，还有若干条缝，它们是质点密度较小的区域，但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝是永久性的，不过，环缝也不完整。科学家认为这些环缝都是土星卫星的引力共振造成的，犹如木星的巨大引力摄动造成小行星带中的柯克伍德缝一样。“先驱者11”号在A环与F环之间发现一个新的环缝，称为“先驱者缝”，还测得恩克缝的宽度为876千米。由观测阐明土星环的本质，要归功于美国天文学家基勒，他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘，而是以独立轨道绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住，这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知，环的质点是直径介于4～30厘米的冰块。

土星明亮的B环含有最多的质量

探测器传回的土星照片让科学家非常吃惊，在近处所看到的土星环，竟然是碎石块和冰块一大片，使人眼花缭乱，它们的直径从几厘米到几十厘米不等，只有少量的超过1米或者更大。

土星环的锯齿状阴影

土星周围的环平面内有数百条到数千条环，大小不等，形状各异。大部分环是对称地绕土星转的，也有不对称的，有完整的、比较完整的、残缺不全的。环的形状有锯齿形的，有辐射状的。令科学家迷惑不解的是，有的环好像是由几股细绳松散的搓成的粗绳一样，或者说像姑娘们的发辫那样相互扭结在一起。辐射状的环更是令科学家大开了眼界而又伤透了脑筋，组成环的物质就像车轮那样，步调整齐的绕着土星转，这样岂不要求那些离的越远的碎石块和冰块运动的速度越快吗?这显然违背了目前已经掌握的物质运动定律。那么，这是一个什么样的规律在起作用呢?目前仍在探索中。

土星迎来的“客人”

土星上迎来的地球客人有先驱者11号、旅行者1号和2号3个探测器。

1979年9月1日，先驱者11号经过6年半的太空旅程，成为第一个造访土星的探测器。它在距离土星云顶20200千米的上空飞越，对土星进行了10天的探测，发回第一批土星照片。先驱者11号不仅发现了两条新的土星光环和土星的第11颗卫星，而且证实土星的磁场比地球磁场强600倍。9月2日第二次穿过土星环平面，并利用土星的引力作用拐向土卫六，从而探测了这颗可能孕育有生命的星球。

先驱者11号行星探测器

1980年11月12日，旅行者1号从距离土星12600千米的地方飞过，一共发回1万余幅彩色照片。这次探测不仅证实了土卫十、十一、十二的存在，而且又发现了3颗新的土星小卫星。

1981年8月25日，旅行者2号从距离土星云顶10100千米的高空飞越，传回18000多幅土星照片。探测发现，土星表面寒冷多风，北半球高纬度地带有强大而稳定的风暴，甚至比木星上的风暴更猛。土星也有一个大红斑，长8000千米，宽6000千米，可能是由于土星大气中上升气流重新落入云层时引起扰动和旋转而形成的。土星光环中不时也有闪电穿过，其威力超过地球上闪电的几万倍乃至几十万倍。它再次证实，土星环有7条。土星环是由直径为几厘米到几米的粒子和砾石组成，内环的粒子较小，外环的粒子较大，因粒子密度不同使光环呈现不同颜色。每一条环可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环，在高分辨率的照片中，可以见到F环有5条小环相互缠绕在一起。土星环的整体形状类似一个巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。旅行者2号发现了土星的13颗新卫星，使土星的卫星增至23颗。它考察了其中的9颗卫星，发现土卫三表面有一座大的环形山，直径为400千米，底部向上隆起而呈圆顶状，还有一条巨大的裂缝，环绕这颗卫星几乎达3/4周;土卫八的一个半球为暗黑，另一个半球则十分明亮;土卫九的自转周期只有9～10小时，与它的公转周期550天相去甚远;土卫六的实际直径为4828千米，而不是原来认为的5800千米，是太阳系行星中的第二大卫星，它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗红的天空，偶尔洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨等，这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。

“先驱者10”号和11号位置示意图

为了进一步探测土星和揭开土卫六的生命之谜，美国与欧空局联合研制了价值连城的“卡西尼”号土星探测器。

参加“卡西尼”号土星探测计划的国家一共有17个，它是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。“卡西尼号”直径3米，高7米，重6.4吨，携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器，取名为“惠更斯号”。

“卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火箭的推力直接飞向土星，并要求它像现在这样在7年之内飞到土星，那么使用的燃料决不能少于70吨。然而，人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的火箭。因此，“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法，借用行星的引力来加快速度。

“卡西尼号”发射后，首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠，利用金星引力获得加速。之后，它绕太阳一圈，于1999年6月再次在距金星600千米处飞掠，获得金星引力的第二次加速。同年8月，“卡西尼号”在距地球1171千米处飞掠，被地球引力再次加速。

“卡西尼号”第二次离开地球后，才飞往太阳系的外层。2000年12月，它在距木星约1000万千米处飞掠，获得了木星引力的加速。这时，它的速度超过了30千米/秒。然后，它才向目的地土星飞去。

土星离开地球的距离，最近时不到13亿千米，最远时也不超过16亿千米，然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线，飞往土星的行程长达35亿千米。不过，磨刀不误砍柴功，飞行的时间并没有因此增加，而燃料却大大节省了。

北京时间2004年7月1日上午，“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”，离我们的距离超过15亿千米，以至于它与地球之间的无线电通信联系，尽管无线电波以光速传播，可是单程就要花84分钟。于是，对于在“卡西尼号”发生的事情，就有了两个时间，一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间，另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间，后一时间比前一时间晚84分钟。

“卡西尼号”从火星发回的图片

卡西尼号进入环土星轨道后的任务是:环土星飞行74圈，就地考察土星大气、大气环流动态，并多次飞临土星的多颗卫星，其中飞掠土卫六近旁45次，用雷达透过其云气层绘制土卫六表面结构图，预计可发回近距离探测土星、土星环和土卫家族的图像50万帧。

惠更斯号将成为第一个在一颗大行星的卫星上着陆的探测器。它将在2.5小时的降落过程中，用所带仪器分析土卫六的大气成分，测量风速和探测大气层内的悬浮粒子，并在着陆后维持工作状态1小时，揭示土卫六上是否有水冰冻结的海洋和是否存在某种形态的生命。它所收集到的数据和拍摄的图像通过卡西尼号探测器传回地球这颗令人神往的土卫六表面是什么样子呢?应该说至今还没有直观的资料。

从惠更斯发现土卫六起，300多年来，关于土卫六的不解之谜似乎越来越多。其实这是不奇怪的，这表明我们的认识越来越深刻。伟大的波兰天文学家哥白尼有一句名言:“人的天职是勇于探索。”