作者 葉永烜
公眾號：環球科學ScientificAmerican
卡西尼號探測器在美國東部時間15日上午衝入土星大氣墜毀，結束了二十年的徵程。卡西尼號是第一艘環繞土星的空間探測器，完成最後任務之後，除了帶給我們土星系統的第一手數據，也將啟發人類繼續探索太空。《科學美國人》繁體中文版邀請中國臺灣「中央大學」的天文學家葉永烜為我們解讀了卡西尼號取得的科學成就，以及卡西尼之後，人類的太空探索之旅。
作者簡介：
葉永烜曾任職於馬克斯普朗克高層大氣研究所（今馬克斯·普朗克太陽系研究所），現在中國臺灣「中央大學」天文研究所與太空科學研究所任教。
卡西尼號宇宙飛船從2004年進入土星系統，至今已13年。今年，卡西尼號的燃料所剩無幾，不能再像以前一樣大幅改變軌道，美國航空航天局（NASA）因此執行「盛大謝幕」（TheGrandFinale）任務，在這最後一段旅程中，卡西尼號的繞行軌道會進入土星大氣層和土星環內側，經過最接近土星的位置總共22次，一次又一次進行實地測量，希望能解答幾個基本問題，例如土星的內部構造和非常對稱的磁場來源。
在今年展開「盛大謝幕」計劃前，卡西尼號已經探測了土星環20次（灰色）；4月26日開始進行22次貼進土星大氣的探測（藍色）
自從我們提出卡西尼計劃開始，35年轉瞬即逝，當年遙不可及的目標，現在不僅近在咫尺，甚至擦肩而過，卡西尼號很多重要發現讓科學家更了解土星及其衛星，例如土衛六（Titan）的局部甲烷海、土衛二（Enceladus）的地底熱泉及土星磁層的帶電粒子加速作用。現在回想，這項極為複雜的計劃，費盡了多少人的心血和努力才有今日的成就，或許我們一開始的工作是最簡單且容易的。
然而，我們如果要了解是什麼因素驅動了這樣充滿雄心的探索計劃，可能要從兩位18、19世紀的德國人說起。洪堡（AlexanderVon Humboldt）與謝裡曼（HeinrichSchliemann）是我非常景仰的人。洪堡是博物學家，年輕時遊歷南美洲，把這塊陌生大陸的地理人文介紹給歐洲科學家，也引起達爾文對生態學的興趣。謝裡曼是白手起家的商人，他對荷馬史詩中的木馬屠城記很有興趣，壯年後投入所有財富和精力發掘特洛伊古城，改變西方人對古代史的認識。這兩個例子說明，好奇心是人類本性，有好奇心才能不怕失敗發掘新知，勇闖前所未見、人跡罕至之處，成為社會和科學發展的動力。所以歐美國家資助基礎科學研究不遺餘力，希望激發潛在的好奇心，使科技更進步。因此，先進國家積極發展天文學和行星探測計劃以拓展人類知識疆界，例如卡西尼計劃及其他太空任務，特別是前往外太陽系的一連串計劃。
外太陽系探索序曲
1972年12月，當NASA阿波羅17號的航天員還在月球執行任務時，先驅10號也航向木星（緊接著是先驅11號），並在1979年9月1日飛掠土星。那天我在NASA阿姆斯研究中心與加州大學聖地牙哥分校的博士菲烈斯（WalkerFillius），一同等待高能粒子實驗儀器的數據傳回；這是我和土星首次相遇，好像和宇宙飛船一起到人類未涉足之地，這種感覺實在難忘。
先驅10號和11號是NASA原名偉大旅程（TheGrandTour）的外太陽系探測計劃前奏曲。1980~1990年，木星、土星、天王星、海王星和冥王星在軌道上的位置恰好可讓宇宙飛船依序飛掠，是近距離觀測的最佳機會。該計劃後來更名為旅行者（Voyager），兩艘宇宙飛船在1977年相繼發射。
當旅行者任務尚在規劃時，科學家經地面望遠鏡觀察發現，土衛六有很厚的大氣層。根據光譜分析，大氣主要成份除甲烷外，可能還有氮氣或其他氣體。旅行者1號因此改道經過土衛六，失去「行星全壘打」的機會。直到2015年新視野號（NewHorizons）傳回影像，我們才一窺冥王星的廬山真面目。
旅行者1號在1980年11月穿越土星系統，並飛掠土衛六這顆土星衛星中的「巨人」，證實氮氣在其大氣中所佔比率最高，雖然表面溫度只有-180℃，但表面氣壓是地球的1.6倍。科學家也發現，大氣之所以呈現橙黃色且不透明，是其中佔2~3%的甲烷經光化學反應生成乙烷（C2H6）和碳氫化合物，累積在大氣或掉落表面所致。奇妙的是，根據物理化學分析，甲烷和乙烷在表面是以液態存在，如果土衛六形成後乙烷和碳氫化合物便不斷生成，那不透明的大氣下可能有一片深達1~2公裡的海洋。這樣的環境加上以氮氣為主的大氣，十分類似原始地球，是探究生命起源的絕佳地點，對當時科學家來說，土衛六是一個充滿謎團的新世界！
卡西尼向土星前進
完成了行星探測計劃的首要任務：投石問路，飛掠探查，接著就是長期繞行該行星，仔細測量各區域和不同時間尺度的變化。因此在兩艘旅行者號發射之前三年，NASA已和德國航空太空中心(DLR)討論繞行木星的伽利略任務，希望長期觀測木星大氣層和磁層及其各顆衛星，所以下一步自然該是土星任務。但1980年代初期，由於太空計劃經費超支和種種技術問題，NASA的行星探測計劃好像洩了氣的皮球，所有新計劃只強調簡單和省錢。
在此背景下，我在1982年初的一場會議上偶然拾起NASA阿姆斯研究中心的一本宣傳書，書中介紹土衛六的大氣探測器和雷達實驗。該中心曾研發金星（先驅金星號）任務和木星（伽利略任務）的大氣探測器，因而對土衛六大氣有興趣；土衛六雷達發射的無線電波則可以穿越不透明的大氣層，對地表進行勘察。這兩個想法具有科學價值又大膽，但只能對土衛六進行一次短暫的近地測量，而且只對某些研究領域有貢獻，所以不算是完整計劃。但這提醒我們，雷達實驗和大氣探測器對土衛六的研究很重要。因此當年歐洲航天局（ESA）在徵求太空任務提案時，我們便提出土衛六探測器計劃，也促成ESA與NASA再次合作。當卡西尼-惠更斯任務最終成行後，這兩個想法也分別成為最有特色、成果豐碩的科學儀器——惠更斯探測器與卡西尼號上的雷達實驗。
卡西尼惠更斯號在2004年7月1日抵達木星，同年12月23日投放ESA的惠更斯探測器，進入土衛六大氣，過程中有兩個多小時可針對大氣構造和化學成分進行測量。卡西尼號繼續繞行土星，並近距離（離表面僅一千公裡）對土衛六進行雷達、質譜儀和其它觀測。由於原定四年的任務相當順利，成果很豐碩，卡西尼號的任務不斷增加、服役時間不斷延長，首先是2008-2001年的春分任務，目標是研究太陽光直射土星赤道時土星環和大氣的變化，最後是2010到2017年的夏至任務。監測太陽光逐漸上移到土星北半球對應的季節變化。
卡西尼號利用土衛六重力改變航道飛越其它土星衛星。土衛二本來不是最重要的目標，但是在發現其南極的噴流後，NASA幾乎重新設計卡西尼號的軌道，增加飛掠次數達22次。這功夫沒有白費，在距離土衛二表面僅24公裡的一次飛掠中，卡西尼號穿越南極噴流，透過質譜儀實驗發現地下海洋可能適合生命存在，NASA可能就因這一點決定提早進行新的土衛二探測計劃。
土衛二有一片遍布全衛星的地下海洋，表面部分區域沒有隕石坑，和其他坑坑窪窪的部分區別很大。土衛二南極有數條裂縫，水汽和塵埃從中噴出。
放眼新旅程
今年在執行盛大謝幕任務前，NASA先讓卡西尼號移至土星環F環外側，從4月26日到9月15日為止，太空船每11天經過土星環內側和土星大氣外側，進行前所未見的探測，總共22次。這次卡西尼號將距離土星氣壓一巴（bar）處僅2000公裡，測量重力場；科學家希望藉此得到土星環質量、土星核心大小及內部質量分布的精確數據；另外關於土星大氣緯向風系統的來源、非常對稱的磁場強度是否有變化，極光圈的形成，以及土星大氣和土星環間的作用，或是土星大氣的動力學是否和內部結構有關，都是這次的任務重點。
卡西尼號在9月15日進入土星大氣焚毀，成為土星的一部分，這樣做是根據空間研究委員會（COSPAR）制定的《行星保護國際公約》，目的是防止地球有機物質進入其他可能適合地球生命生存的行星或衛星表面而造成汙染，因此火星登陸器和探測車在發射前都要消毒，以免地球的細菌和微生物對火星可能存在的生物圈造成影響。同樣的，火星帶回來的標本也要隔離，防止和外界直接接觸。順帶一提，20年前我參加COSPAR會議，聽到相關討論的重點多放在月球和火星，發言者多為歐美和俄羅斯科學家。現今日本、中國、印度的研究人員也加入討論，目標天體則包括多顆衛星和最大的小行星穀神星(Ceres)。
NASA很注重地外生命議題，因為探索太陽系的下一步將是兩項用於尋找生命蹤跡的衛星探測計劃，繞行木星的土衛二快艇號（Europaclipper），以及飛掠土衛二及土衛六的海洋世界計劃（OceanWorlds），這兩項計劃也將採用比卡西尼號的離子及中性粒子質譜儀靈敏度更高的儀器，希望測量出木衛二或土衛二的大氣及噴流中測量出來的稀少大質量有機分子和同位素（甚至微生物）。海洋世界計劃尚需NASA定奪，但木衛二快艇號預計在2022年發射，另外ESA也預計於同年發射木星冰凍衛星探險者號（JUICE），繞行木衛三（Ganymede）。未來十年，木星系統將很熱鬧。
太陽系是最好的實驗室
過去也有針對外太陽系行星探測的提議。最成熟的是1982年的土星大氣探測器，另外是天王星軌道探測器。本來緊接著卡西尼計劃的應該是土星大氣探測器任務，但因為木衛二和土衛二在生命起源上扮演關鍵角色而擱置一旁。從此例可以看到長期規劃對科學發展固然重要，但也常被重要發現打亂腳步，反而引領我們轉往新方向。目前科學家已提出各種有趣想法，可作為發展新一代木衛二和土衛二地下海洋，以及土衛六大氣和甲烷海的探測計劃基礎，說不定將有數代科學家會把一生精力放在這裡，就像謝裡曼挖掘特洛伊遺蹟那樣。
深空探測目的是開拓人類的知識邊界，就像洪堡短短五年的南美洲之旅帶給地理學和生物學翻天覆地的改變。假如有機會我們應該積極爭取國際大型合作計劃，例如天王星和海王星的軌道探測器以及大氣探測器——UNO（Uranus& NeptuneOrbiters）計劃。天王星很特別，其自轉軸與黃道面傾角是98°。一種說法是天王星形成後，被另一顆大小類似地球的天體撞擊，把本來與黃道面幾乎垂直的自轉軸撞歪，其衛星可能也是碰撞後才形成。海王星更有趣，最大的衛星海衛一（Triton）的繞行方向與海王星自轉方向相反，說明它不是與行星一同形成的，可能是一顆從海王星軌道外捕獲的天體。旅行者2號在1989年飛掠海王星時，發現海衛一有氮氣組成的稀薄大氣，表面分布氮冰與甲烷還有氣體和塵埃從表面噴出。海衛一可能是太陽系生成時留下的行星胚胎，值得在UNO計劃中近距離飛掠，或者利用軌道探測器對海衛一仔細研究。
搜尋系外行星和地外生命是當前天文學進展最快的領域之一，從此觀點來看，太陽系其實是最好的實驗室。因此需要儘快完成所有行星和衛星的探測工作，尤其是關於天王星和海王星如何從太陽系內側移動到外側，這是太陽系演化過程中特別重要的軌跡移動現象，要等到UNO計劃真正執行，人類才能完成太陽系勘察。如果可以聯合各國太空機構參與，肯定更有意義。
本文來源：《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯： 王鳳枝_NT2541