撰文:葉永烜(國立中央大學天文研究所與太空科學研究所教授、《國家地理》雜誌學術顧問,卡西尼號太空船探索任務發起人之一)

當卡西尼任務尚在美國航太總署(NASA)及歐洲太空總署(ESA)協商期間,科學界己經預料到這將是一個非常艱困的長期計畫。從阿波羅(Apollo)登月計畫開始便參加多項NASA任務的資深科學家哈羅德.馬蘇爾斯基(Harold Masursky, 1922-1990)解釋說,古時候的人花好幾世代、逾百年的時間建造教堂,為的便是讓後人有機會進來默禱感歎造物者的神奇。每個行星探測任務也像是一個教堂,蒐集儲備有關太陽糸和生命來源的種種訊息,開人眼界,更讓後世更能了解宇宙的奧妙。那麼,在這卡西尼計畫的殿堂有哪十個支柱,代表最重要的發現?我的選擇如下。

卡西尼太空船拍攝到的土星環系統。影像來源:NASA
卡西尼太空船拍攝到的土星環系統。影像來源:NASA
  1. 泰坦(土衛六)表面有與地球類似,但由甲烷驅動的水文作用。在某些季節會有液態河川的存在並貫溉入海洋。卡西尼太空船觀察到在泰坦北極區有幾個長寬幾百公里,可能相連的甲烷湖沼和海洋,雷達測量度量出其中有些深度200公尺。
影像來源:NASA
影像來源:NASA
在不透明的泰坦大氣層下,存在大片的甲烷湖沼和海洋,分佈在北極圏區域。註明:白色的三角代表當時尚未有雷達資料的地方。影像來源http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Titan_globe.m.jpg
在不透明的泰坦大氣層下,存在大片的甲烷湖沼和海洋,分佈在北極圏區域。註明:白色的三角代表當時尚未有雷達資料的地方。影像來源http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Titan_globe.m.jpg
  1. 土衛二(Enceladus) 南極冰殼裂縫噴發出大量水氣和冰粒子,冰殼下存在著覆蓋整個衛星的地下海洋。在美國科羅拉多大學的許翔閒博士檢驗一些特別細小的微䴤粒子的化學成份,證明地下海洋底部存在熱液地質作用,所以可能有足夠能量維持在地球之外的微生物生態圈。
    土衛二(Enceladus)在南極冰殼裂縫噴出大量水氣及細小冰晶塵埃粒子。影像來源:NASA
    土衛二(Enceladus)在南極冰殼裂縫噴出大量水氣及細小冰晶塵埃粒子。影像來源:NASA
  1. 土星環是由無數個體和粒子構成。它們的表面成份主要是水冰,所以理論上太陽紫外光的輻射可以把水分子和氧分子從水冰的結晶格點濺射出來,形成一個土星環的大氣層。國立師範大學的曾瑋玲助理教授的博士論文研究指出,由於土星環的日傾角變化,這個土星環大氣層的密度構造會有季節變化。她的模型得到卡西尼電漿實驗儀器的證實。
  2.  整個土星磁層存在一個指向從子夜到正午的大尺度電場。密西根大學的賈先哲副教授和加州大學洛杉磯分校(UCLA)的瑪嘉莉特.紀芙遜(Margaret Kivelson)教授用磁流體數值模擬,解釋這個電場是因為轉動中的土星磁層和太陽風作用產生的電漿力學效應。土星這種子夜到正午的大尺度電場是除了地球的黃昏側到黎明側,以及木星的㴝明側到黃昏側的第三態。
  3. 土衛八(Iapetus) 的前後兩半球一黑一白,表面反光率相差十倍之大。但更奇怪的是,卡西尼任務發現一個不偏不倚環繞赤道360度高度20公里的山脈。一些理論解釋是説和土衛八內部對流作用有關。但筆者則認為這是由於一個環系統的物質塌縮降落到衛星表面而壘積成這樣的山脊。
  4. 當航海家1號和2號太空船飛越土星時,偵察出一種由源自土星離子層的週期性無綫電訊號(簡稱SKR)。當時認為是對應土星內部自轉的週期。但經過卡西尼太空船的長期觀察,發現來自南北極不同源區的SKR週期都些微有些不一樣。只當時土星春分才重疊在一起,過後又分開了。這表示土星磁層通過電流糸統與行星離子層的聯結會有季節變化和不對稱性。
  5.  土衛二噴發出大量的水分子和細小水冰塵粒,散佈在整個土星磁層。經電離後這些來自土衛二的 H2O+, OH+, 及O+離子決定了整個土星磁層的動力學。此外,這些中性分子和高能離子的電荷交換作用,產生高能中性原子(簡稱ENA),卡西尼太空船帶有ENA影相儀,極有幫助整個土星磁層的構造和動態。
  6. 卡西尼號太空船每次繞着土星的軌道都會經過泰坦大氣層,離表面一千公里的區域。所以得到很多有關大氣化學成份的資料。特別重要的是測量出大量正電荷及負零荷的高質量氫碳合離子,和生命有關的有機分子的合成很有啓發性。
  7. 在土星環裡頭有一些同心圓的狹窄空隙,它們是由一些30公里大小的微衛星的重力作用產生。從2017年4月開始,卡西尼太空船在最靠近土星的地方便穿過土星大氣層和土星環內測邊界的一個「無人區」。所以得到很多前所未有的科學資料和圖片。其中便清楚見到上述環中空隙的一個叫做「潘」(Pan) 的微衛星的樣子,便宛如一個小小土星環系統。給行星來源的研究工作提供非常寶貴的資料。
    在土星環一個空隙中的小衛星「潘」,遠看像是一個UFO。但最近得到的近距離觀察影像,指明它本身有一個環系統!影像來源:NASA
    在土星環一個空隙中的小衛星「潘」,遠看像是一個UFO。但最近得到的近距離觀察影像,指明它本身有一個環系統!影像來源:NASA

     

    潘2潘3

10. 卡西尼任務的「雄偉大結局」(Grand Finale) 要到2017年9月15日才結束。相信一定有很多精采的科學收獲。我想其中包括土星內部結構的重力場測量、磁場構造,以及大氣層與土星環的作用,都會有突破性的成果,所以我們先在這裡保留一個位置,準備以後再補充。

卡西尼任務的雄偉大結局將把太空船放到與土星大氣層「擦鼻」而過的軌跡,作最靠近土星的精密測量。影像來源:NASA
卡西尼任務的雄偉大結局將把太空船放到與土星大氣層「擦鼻」而過的軌跡,作最靠近土星的精密測量。影像來源:NASA

這十個科學成果是我個人選擇。大部分是公認的,但有一、兩項則是用來標誌一些謎題的解答需要拋下成見、跳出框框,才可能踏破鐵鞋無覓處,得來全不費功夫。但到底事情的真相如何,便像泰坦的甲烷海洋的形成和土衛二地下海洋的生物圈存在與否?尚等待大家跟進作更進一步的探測。

延伸閱讀:
西尼號終極任務:衝向土星環
卡西尼號的華麗最終章