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科技日历|22年前,人类最大的探测器开启土星之旅

发布时间:2019-10-16 12:10 浏览次数:

土星

令人心情激荡的建国70周年国庆假期还没过去多久,10月11日,中国航天科技集团毫无征兆地公开了我国火星探测器真容,又唤起了国人的“星辰大海”情怀。而22年前的今天,人类曾掀起探索“星辰大海”的高潮。

1997年10月15日,28个国家联合向土星发射了“卡西尼-惠更斯号”探测器,它至今仍是人类历史上发射规模最大、复杂程度最高的行星探测器。

1983年开始,NASA和欧空局开始讨论向太阳系外发射探测器的可能,5年后他们决定,还是先把还没认真探索过的土星仔细探索一遍。

很快,美国牵头、28个国家科研人员组成的团队开始设计和建造“卡西尼-惠更斯号”探测器。

之所以叫这个名字,是因为它分别由“卡西尼”探测器和“惠更斯”降落器组成,前者由NASA负责研制,名字则来源于法国天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼,他是土卫三、四、五、八和土星环环缝的发现者。

“惠更斯”降落器由欧空局负责,取名于荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安•惠更斯名,他是土星环和土卫六“泰坦”的发现者。

对于“卡西尼-惠更斯号”,科学家为它赋予了3大任务:

一是绕土星飞行76圈,考察土星及其内部构成。卡西尼轨道器主要用于测量土星的全球风场及其波动、长期观测土星云相、,确定土星大气层的温度场、云的特征和成分等;

二是研究神秘的土星环,搞清它到底是怎么形成的;

三是对有31个成员的土星“卫星大家族”进行考察。

“卡西尼-惠更斯号”高6.8米,宽4米,5712千克的重量使之成为至今为止发射质量最大的深空探测器。

与此同时,它也是迄今为止最复杂的探测器,有1630个相互连接的电子元件、22000个电线接口和14公里长的电缆,以及包括光学遥感仪器、复合红外光谱仪、图像科学子系统、宇宙尘埃分析仪、等离子体光谱仪、离子和中性质谱仪等十几台先进的仪器。

由于土星离太阳的距离太远,到达土星轨道后,太阳能电池板要么太大,要么不足以支持这台探测器的运作。于是科学家为其配备了一块“核电池”——一口气带了3个放射性同位素热电机(RTG),利用约33公斤钚238衰变产生的热量,通过热电机产生直流电。

1997年10月15日“卡西尼-惠更斯号”探测器在美国卡纳维拉尔角的SLC-40成功发射升空,巧合的是,它的运载火箭也叫“泰坦”。

当时的火箭推力还不足以直接把一个人造物体直接送到土星轨道,所以在1998年、1999年,“卡西尼-惠更斯号”2次借助金星的“引力弹弓”效应(不知道是什么的可以看看之前的科普文章)加速,在2000年借助木星引力加速后,终于在2004年到达土星。

12月15日“惠更斯”和“卡西尼”分离,次年1月14日成功在土卫六表面着陆,“泰坦”也成了人类迄今为止造访过天体表面的距离地球最远的星体。

在这次任务中,“卡西尼”探测器在完成基本任务的基础上,还达成了多项成就。

2003年10月10日,该任务的科学团队宣布,他们成功验证阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。根据广义相对论,像太阳这样的大质量物体会导致时空弯曲,导致一束经过太阳的无线电波(或光,或任何形式的电磁辐射)速度会减缓(称为夏皮罗时间延迟效应)。

在它之前,“海盗”号和“旅行者”太空探测器已经分别做过这种试验,都得到了与广义相对论计算值一致的结果,误差在千分之一以内。而“卡西尼”的实验将误差缩小到了1/51000,有力地支持了广义相对论。

2005年,“卡西尼”在首次近距离观测土卫二“恩克拉多斯”的过程中,发现其南极冰层裂缝剧烈的冰晶喷射,打破了科学家们之前对它是一颗稳定的由冰层覆盖的卫星的认知。土卫二从此成为太阳系第4颗被证实存在火山活动的天体。

2006年7月21日,“卡西尼”的雷达成像照片中首次发现土卫六“泰坦”的北半球存在直径约为100千米的碳氢化合物湖泊,这是首次在地球以外的星体发现湖泊。

2008年3月12日,“卡西尼”近距离飞越土卫二的时候,发现土卫二同样存在复杂碳氢化合物。根据相关数据,NASA在2014年宣布,土卫二冰层下存在液态咸水海洋,其中的有机物非常有可能会诞生生命。

另外,它还在2004-2009年间,发现了土星7颗新的卫星。

在兢兢业业执行任务20年后,2017年,“卡西尼”以壮观的方式结束了自己的一生。从2017年4月26日开始,“卡西尼”要22次穿越土星与最内缘土星环之间只有2400公里的缝隙,并在第23次穿越时一头扎进土星上层大气,在和大气激烈摩擦的过程中,化作一颗璀璨的流星坠向土星表面。

即便是在坠落的过程中,“卡西尼”也全程将高频天线对准地球,一直向地球发送珍贵的土星大气数据,直到化为灰烬。


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