天文学

土星,终于!

经过七年的旅程,卡西尼-惠更斯号探测器开始探索土星及其巨大的卫星土卫六,土卫六与地球一样具有浓密的大气层。

乔纳森·鲁宁 对于科学N°321
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1997年10月15日凌晨,我站在卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)附近充满鳄鱼的死水边上的黑暗中,与成千上万的人一起,看着一枚从云层升起的火箭,然后消失在海洋上,飞向太空。有史以来最先进的航天器之一,轨道平台 卡西尼号,探针 惠更斯紧贴其侧面,被放置在这枚火箭的顶部,并进行了长时间的行星际旅行。经过15年的准备,开始精确探索土星及其内部郊区的第一个任务。

经过七年的旅程, 卡西尼号- 惠更斯 将绕太阳系第二大行星旋转。自任务以来,天文学家一直在等待这一刻 先锋 11旅行12 二十多年前引起了他们的好奇心。土星比木星要小,并且看起来不那么壮观,但是研究这颗行星可以为我们提供有关天然气巨头进化的有价值的信息。土星伴随着大约30个小冰冷的卫星,另外还增加了行星大小的土卫六。仅次于木星卫星Ganymede,土卫六是太阳系中的第二大卫星。但是土卫六被地球等稠密的大气所包围,所以天文学家希望找到有关生命如何在我们星球上的线索。土星雄伟环的形成也仍然是令人难以置信的,行星的强大磁场如何影响冰冷的卫星和泰坦的高层大气。

四年来 卡西尼号-惠更斯 研究土星的大气,卫星,环和磁场。任务成功后 伽利略于2003年完成,这使我们对木星及其卫星的了解颠倒了,天文学家们希望获得与土星系统相当的结果。当任务 伽利略 向轨道平台木星发射了大气探测器 卡西尼号 将发送探针 y 朝向泰坦卫星,而不是朝向行星本身。在下降三个小时的过程中,探测器将研究大气层和卫星表面。除此以外, 卡西尼号-惠更斯 是国际合作的结果。的 美国航空航天局 建立平台 卡西尼号 并管理整个任务。欧洲航天局(埃萨)开发了探针 惠更斯。在这两台机器上开发仪器的团队由欧洲人和美国人组成。

土星距太阳的距离几乎是木星的两倍-14亿公里,而7.8亿公里-因此,它的知名度不高。在表面上,可以揭示大气功能的云带和结构远没有木星明显。土星的磁层-由行星磁场控制的空间区域-不比木星的断断续续,木星反过来又从地球产生可检测到的无线电噪声。泰坦的大气层最早是在1943年被天文学家发现的,但是直到太空时代来临,才了解更多信息。对于地面上的天文学家来说,土星就是这样 改变自我 湍急的木星漂浮在遥远的冰封王国中,神秘而宁静。

土星的第一次访问可以追溯到1979年。 先驱者11,一个精心制作的探针,用环把巨人吃草。他的乐器露出一枚未知的戒指 f),测量了天然气巨人大气的特性,并评估了其磁场的强度和形状。受访者 旅行 12分别于1980年和1981年飞越土星系统的飞船,其仪器更为敏感。他们在环上发现了意外的结构,像轮辐一样穿过它们的暗点。这些条纹可能是由于电磁悬浮现象将灰尘推到环平面上方所致。这种现象和其他测量结果表明,环由许多物体组成,物体的大小从山脉的大小到灰尘的大小都不同。

浓密的氮气和甲烷气氛

受访者 旅行 拍摄了土星的几颗卫星,发现它们表面的岩石被融化然后重新形成。然而,正是泰坦在天文学家身上发现了最惊人的发现。 旅行1 它在土卫六(Titan)的4000公里范围内经过,但被它包裹的浓厚的橙色雾气阻止了探头拍摄其表面;其他仪器测量了大气的温度和压力,发现其中最丰富的气体是氮气,其次是甲烷。

探针还显示,土卫六大气层的动力学与地球大气层的动力学非常相似。氮是这两种大气的主要成分,但是在土卫六上,甲烷起着地球上水的气象作用。甲烷在高层大气中被太阳发出的紫外线降解,它参与许多级联的化学反应。这可能导致油雨,雨水会积聚在卫星表面的湖泊或海洋中。地面温度约为-179°C,对于使水变成液体而言太低了,但它允许存在液态碳氢化合物。我们所知道的生命可能并没有在土卫六上发展,但是对这颗卫星上工作的有机化学的分析可以为我们提供有关地球上生命如何出现的信息。

任务的结果 旅行 带领天文学家设计了一个探针,对土星系统进行进一步研究。在1980年代初期, 美国航空航天局埃萨 已经决定共同努力。美国和欧洲的科学家团队概述了一项联合的太阳系探索计划,而对土星的访问则居首位。该任务的主要组成部分将是研究土星大气,其环,卫星和磁层的轨道平台。由于探测器产生了有趣的发现,因此决定将其探测到土卫六而不是土星 旅行。 1985年左右,埃萨 曾设想过一个重返泰坦大气层的系统,该系统稠密但重力很低。该探测器以1655年发现土卫六的荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan 惠更斯)的名字命名。 vie 二十世纪,法裔意大利人让·多米尼克·卡西尼(Jean-Dominique 卡西尼号)发现了土星的四颗卫星及其环中的主要部分。与大多数行星探测任务相比,该任务的总成本(约30亿欧元,其中四分之一由欧洲支付)很高,但可与太空望远镜等计划的成本相提并论。 哈勃.

该平台 卡西尼号 和探针 惠更斯 是有史以来最重的太空飞船之一。该探测器包括燃料(约30千克of,其放射性提供热量,将其转化为电能,以及三吨化学燃料), 卡西尼-惠更斯 重约六吨,其中约300公斤用于探测 惠更斯。它的高度为6.80米,宽度为4米(天线的直径)。十二个科学仪器被放置在轨道平台上,六个被放置在探测器上。 卡西尼-惠更斯 是由用于无人驾驶的最强大火箭发射的 泰坦4B 美国空军的机体,由半人马座型的顶层加强。尽管如此,它太重了,无法直接发送到土星。就像探索外太阳系的前辈一样, 卡西尼号 借助一系列的引力弹弓,它已经获得了旅行所需的速度:机器在靠近行星的地方通过,该行星使它偏转并通过引力(如弹弓)使它加速。在1998年至2000年之间, 卡西尼号 曾两次刷过金星,然后是地球,最后是木星。在2000年12月飞越木星的过程中, 卡西尼号 扫描了其磁层的外部界限,而 伽利略 测量了行星附近轨道的不同参数;这是两个航天器首次同时观测一个行星(地球除外)。这些实验表明,木星的磁层是不对称的,有大量的离子和电子从其侧面逃逸。 卡西尼号 还提供了一系列有关木星湍流的非常精确的图像。

泰坦血统

漫长的行星际旅行还有另一个优势: 美国航空航天局埃萨 是时候解决一个无法预料的问题了。在2000年,任务计划者通过测试之间的通信系统,发现了设计缺陷。 卡西尼号惠更斯,它将收集由发送的数据 惠更斯 在它向泰坦(Titan)下降时(数据将被传输到地球)。发现无线电接收机在下降期间将发生的多普勒频移模拟过程中无法恢复数据。在研究了数月之后,特派团官员通过改变预定轨迹以减小轨道平台相对于轨道探测器的相对速度来纠正问题,从而降低了影响。多普勒。

6月11日, 卡西尼号 通过飞越土星卫星菲比(Phoebe)进入土星系统,这颗卫星位于距地球1300万公里的不规则轨道上。探测器从直径为220公里的月球经过了2,000公里,这使科学家感到困惑:菲比可能是4.5年前形成原始行星岩心的原始物质的残留物。十亿年。 卡西尼号 会在环的平面下方接近土星,土星会穿过分隔环的空洞时穿过 fg。为了减速并进入轨道,飞船将点燃其引擎97分钟。土星的首飞也将是最近的一次, 卡西尼号 在距天然气巨人18,000公里以内然后,探头应处于非常椭圆形的轨道,然后将通过几次发动机点火进行调整。 (请参见下面的框)。

在接下来的六个月中, 卡西尼号 飞越泰坦两次,研究其大气层和地表,为任务做准备 惠更斯。 12月25日, 卡西尼号 放下探针 惠更斯, 它将在22天后到达Titan。 2005年1月14日,探测器将进入卫星大气层,该大气层延伸到海拔1000公里,是地球大气层的10倍。 (见图2)。碟形隔热罩可防止机器因进入大气而发热。在距地面170公里处,探测器将部署降落伞以减慢并稳定其下降速度。隔热罩将被释放,并且 惠更斯 会飘过泰坦的橙色烟雾 gcms (气相色谱仪和质谱仪)将分析大气中存在的气体。另一种乐器acp (气溶胶收集器和裂解器,或气溶胶收集器和热解剂)将收集悬浮的固体颗粒样品并将其汽化,以便 gcms 识别他们。同时,一个名为 (下降成像仪和光谱辐射计(或下降相机和放射光谱仪)将拍摄甲烷云层的图像,以便天文学家可以确定其大小和形状。

在海拔约五十公里处, 将开始拍摄风景的全景图像。在下降的最后几米期间,放置在探头上的一束白光将照亮表面-通常是红色,因为大气层吸收了阳光中的蓝色-使得 进行表面化学成分的光谱分析。在整个下降过程中,将分析探测器发出的无线电信号的频率变化,并推导出泰坦风的强度(多普勒风速,或通过多普勒效应测量风的实验)。研究大气结构的仪器 哈西 将测量温度,压力和电场,以显示可能存在的雷电。下降总共将持续两个半小时至三个小时。

尽管该调查的主要目的 惠更斯 或研究土卫六的大气层,科学家对卫星表面的性质非常感兴趣。它覆盖有液态烃吗?它是否显示出地质活动或化学演化的痕迹?土卫六只是一颗满是陨石坑的冰冻卫星吗?该探头的设计目的不是为了能够在着陆时幸免并扫描表面,而是携带一套名为 ssp (表面科学包),在下降的最后阶段会发出声波,以探测土卫六土壤的粗糙度。 哈西 使用雷达信号进行类似的测量。

四年之旅

撞击发生时,加速度将以中等速度(大约每秒五米)发生,加速度计将在几分之一秒内传输信息,这将使天文学家能够确定表面是固体,积雪还是液体。如果探测器在降落中幸存下来,其他数据将被传输到轨道平台 卡西尼号 在3到30分钟的时间内 卡西尼号 没有落在泰坦的地平线上。该探头设计为漂浮在液态碳氢化合物上,因此,如果 惠更斯 落在碳氢化合物湖上,该装置 ssp 将测量液体膨胀剂的表面温度,密度,折射率,热导率和其他特性。通过估计声音的速度,他也许能够推断出深度。

下降后 惠更斯轨道平台 卡西尼号 将在土星系统的四年任务期间继续研究土卫六。在这段时期, 卡西尼号 将绕土星绕76圈,其中大部分将绕土卫六上空飞行。当距离地面不到1000公里时,轨道平台甚至会采集大气样本。这些相遇都会改变 卡西尼号,这将使它能够拍摄土星环及其其他卫星的特写镜头。仪器将分析通过离子轰击从卫星表面喷出的粒子。其他将表征行星的磁场,检测磁场中带电粒子的运动,并测量磁层中各个点的尘埃电流。最终,通信天线将通过向地球方向发射无线电波来探测土卫六和土星的大气层。为了减少任务成本, 卡西尼号 它没有配备可移动炮塔,可以使它的仪器指向不同的方向:后者只是简单地固定在机器的圆柱体上。在这种情况下,所有仪器将无法同时观察同一目标。

这个任务应该帮助天文学家回答有关土星和土卫六的许多悬而未决的问题:土卫六表面存在的复杂有机分子的性质是什么?大气中甲烷是如何产生的?在地球上,水不断地重塑表面,并参与表面与大气之间的能量和质量交换。在土卫六上,甲烷扮演着重要角色。但是,由于来自太阳的紫外线,它会通过光化学反应永久降解,导致形成乙烷,乙炔和乙烯。甲烷必须定期以一种或另一种方式重新引入:是否通过地表引入?从卫星内部?受彗星影响吗? 泰坦上的甲烷量通过 旅行 似乎与一个临界点相对应:它足够高以形成云层,但不足以使表面上存在纯液态甲烷池,因为甲烷雨滴在到达地面之前会蒸发掉。如果土卫六上存在海洋,则它们很可能由液态乙烷和溶解的甲烷组成。

甲烷的起源和副产物的命运是该使命最基本的难题 卡西尼号-惠更斯 将不得不解决。波多黎各的阿雷西博射电望远镜收集的最新数据有利于溶解乙烷和甲烷的海洋,但是如果探测器没有发现存在这些海洋的证据,则表明在大多数情况下在其历史上,土卫六没有足够的甲烷和乙烷来形成这种储量。由甲烷引起的温室效应维持的卫星大气当前组成,可能是由于最近的彗星撞击或卫星内部脱气引起的异常。此外,行星学家想知道土卫六的氮是从哪里来的,以及为什么这个月亮是太阳系中唯一具有浓密大气的月亮。

研究这些问题将需要所有探针仪器。轨道平台相机,光谱仪和雷达将穿透覆盖泰坦的浓雾,寻找碳氢化合物的海洋。其他仪器将检查土星磁层中土卫六大气与带电粒子的相互作用。通过卫星大气发射的无线电信号将揭示温度随纬度和高度的相对变化。通过将此数据与 卡西尼号惠更斯,我们可以确定甲烷的沉淀程度。该探头还将提供温度和压力的直接读数以及甲烷云的图像。此外,我们将尝试通过测量大气的两个关键特征来确定卫星上甲烷和氮的来源:甲烷中含有大量的氘而不是氢,以及甲烷的比率稀有气体,例如k和氩,以及氮气。根据这些同位素和化学比率的值,人们可能会发现土卫六上存在的这些元素的来源-例如彗星。

泰坦(Titan)的首航 卡西尼号 和的后裔 惠更斯 会带来许多结果,随着平台继续研究卫星,将对此进行分析。并非所有问题都会立即得到回答。如果泰坦像天文学家所希望的那样有趣,也许新的任务会将气球或各种mod送入其浓密的大气层。土星系统的发现才刚刚开始。

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