6　卡西尼号的远征

2017年9月15日，卡西尼号结束了其长达19年零11个月的光辉生命，在冲向土星表面的过程中，化作无数的流星，成为土星的一部分，就好像英雄的骨灰撒在了他所热爱的土地上。

NASA特地为卡西尼号的最后旅程制作了一部足以媲美好莱坞大片的3分40秒的影片，取名为“Cassini’s Grand Finale”——《卡西尼的伟大终章》。这段影片让无数的天文爱好者流下了热泪，我也不例外。很多人都跟我一样，认为旅行者1号、旅行者2号以及卡西尼号是有史以来最伟大的三个宇宙探测器，它们就像是三位史诗级的英雄。不同的是，旅行者号将会飞出太阳系，一直飞向银河系的中心，就好像得到了永生。但是，卡西尼号却是壮烈自毁的悲情英雄，它带给我们的感动是最多的，留给我们的记忆也是最深的。

20世纪80年代，NASA提出了一个宏伟的计划。这个计划真的十分宏伟，以至于当时有很多人都觉得NASA是吃了熊心豹子胆，野心也太大了点。因为这是一个一箭双雕的计划。他们打算把一个轨道探测器（取名为“卡西尼号”）和一个着陆器（取名为“惠更斯号”，Huygens）绑在一起，让它们一同飞往土星。然后，惠更斯号登陆土卫六，就是著名的泰坦卫星（Titan），而卡西尼号则继续围绕土星转圈圈，不光要探测土星、土星环，还要探测土星的几乎所有卫星，甚至计划在土星环中来回穿梭。光听着就觉得十分复杂，计划的预算也达到了惊人的30多亿美元。

你可能对这个金钱数量没概念。要知道1977年发射的旅行者1号、2号两个探测器加起来的总耗资也没有超过10亿美元，我前面跟大家讲的那些火星探测计划单次也都没有超过10亿美元，你还得算上通货膨胀。所以，卡西尼号计划耗资实在太巨大了。于是美国人去找欧洲同行联合投资，结果一拍即合。实际上，早就有欧洲的科学家建议这样一箭双雕的计划。最终，NASA出资约26亿美元，欧洲航天局出资约5亿美元，意大利航天局出了约1.6亿美元，三家单位联手总共花费大约32.6亿美元，开启了雄心勃勃的土星探测计划。这些数字来自2000年10月的新闻资料，其实，如果算上通货膨胀和任务延长所花的费用，实际的耗资还远不止这些。但后来的事实证明，所有这些花费都是值得的。

经过十多年的筹备、设计、论证、制造，卡西尼-惠更斯号探测器终于在1997年10月15日整装待发。世界协调时8点43分，巨型的大力神4号B型运载火箭冲向蓝天。你可能不知道，卡西尼-惠更斯号探测器的总重量大约是5.7吨，其中燃料占了3吨多，化学火箭的低效率是制约人类航天事业的最大障碍。

跟很多人想象的不一样，卡西尼号（卡西尼-惠更斯号土星探测器）并不是直接飞向土星，而是走了一条经过精心计算、令人眼花缭乱的路线。大致说来是这样的：它先飞向金星（Venus），利用金星的引力弹弓效应(1)给自己做第一次加速；绕太阳一圈后再次遇到金星，用金星给自己做第二次加速；紧接着又刚好遇上地球，卡西尼-惠更斯号再次利用地球的引力弹弓效应把自己甩向木星；最后木星就像一个大胖子链球手，接过卡西尼-惠更斯号后，一甩手就把它扔向了土星。

说起来轻巧，但其实，卡西尼-惠更斯号在太空中飞行了6年8个月又17天才抵达土星轨道。2004年7月1日，卡西尼-惠更斯号成功泊入土星轨道。消息传回地球，很多人激动得热泪盈眶。这真是人类航天史上的一个壮举，很多科学家从设计开始一干就是20年，从精神小伙干成了秃顶大叔，才终于等到卡西尼-惠更斯号入轨。很多人也没想到，卡西尼-惠更斯号还要陪伴他们直到头发斑白。经过两次延长任务，卡西尼-惠更斯号一直工作了13年2个月又14天才退役。

虽然卡西尼-惠更斯号的探测计划非常庞大，但是，大多数人都只看重其中的一项任务，它让无数人激动难眠。这就是惠更斯号在泰坦星上的着陆计划。甚至有人认为，哪怕卡西尼-惠更斯号的其他任务都失败了，只要惠更斯号的着陆任务能够成功，就值得30多亿美元的耗资，以及20多年的辛勤努力。这时候的天文爱好者和科学家们哪里想得到卡西尼-惠更斯号将带给他们多大的额外惊喜，在这些额外惊喜面前，泰坦星的着陆已经变得不重要了。就好像《大话西游》中那句经典的台词：“我猜到了开始，但没有猜到结局。”

泰坦星（土卫六）一度是太阳系中的头号明星，为什么它如此令人着迷呢？荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens, 1629—1695）在1655年首次发现了土卫六（现在你知道为什么着陆器取名为惠更斯号了吧），后来，约翰·弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士（Sir John Frederick William Herschel, 1792—1871）把它命名为“泰坦”，沿用至今。泰坦星是太阳系中的第二大卫星，最大的是木卫三。泰坦星的体积甚至比水星（Mercury）还大，虽然它的质量没有水星大。

泰坦星一夜成名的时间是在1980年11月。那一年，旅行者1号探测器飞到土星附近，在给土星拍照的同时，顺便也给泰坦星拍了一张照片。哪知道这张照片传到地球后，NASA的科学家们都看傻了，泰坦星的上空居然是厚厚的云层。换句话说，泰坦星拥有浓密的大气层。这可是一个了不得的发现，科学家们真的没想到居然能在卫星上发现大气层，而且是如此浓厚的大气层。更加令人感到惊喜的是，泰坦星大气层的主要成分是氮气，占98.4%，甲烷占1.4%，氢气占0.2%。我们都知道，地球的大气层也是氮气最多，也含有甲烷。

这个大气组成让科学家们浮想联翩，尤其是1.4%的甲烷成分，马上就让人想到生命！还记得吗，甲烷被称为生命指征气体。有些想象力比较丰富的天文学家禁不住幻想了一种泰坦星生命：他们以液态甲烷为溶剂，就好像水对地球生命那样。

这个发现实在是太重大了，以至于NASA喷气推进实验室召开了紧急会议，讨论是否要临时变更旅行者1号的计划。旅行者1号携带着无比珍贵的燃料，有能力变轨再次飞近泰坦星进行观测。但是，一旦这么做，就意味着旅行者1号原本飞向天王星（Uranus）和海王星（Neptune）的计划也就全部泡汤了。因为一旦再次接近泰坦星，旅行者1号由于受到额外的引力影响就会偏离黄道面(2)，再也不可能飞向天王星和海王星。这真是一个两难的选择，NASA的领导们好纠结。

经过一番辩论，喷气推进实验室的科学家们做出了一个重大的决定：放弃原计划，再次飞向泰坦星。之所以这么做，除了对泰坦星的强烈好奇，还有一个重要原因——作为双保险的旅行者2号目前一切正常，它跟在旅行者1号的后面，即便旅行者1号去不了天王星和海王星，还有2号可以去。

于是，旅行者1号变轨飞向泰坦星，又从各个角度给泰坦星拍了数张照片传回地球。看过地球卫星云图的人都知道，虽然地球的上空也有厚厚的云层，但总有大片大片的透明区域，使得人类可以仰望星空，也使得卫星可以看清地表。正是抱着这样的希望，喷气推进实验室的天文学家们满怀期待地等着接收旅行者1号发回的照片。然而，让他们失望的是，所有的照片无一例外地都只能看到密实的云层，云层下面有什么，一点都看不到。可以说，这次针对旅行者1号的高风险决定并没有给NASA带来高回报，押宝没押中。当旅行者1号的姐妹探测器旅行者2号飞到土星时，喷气推进实验室的科学家们没有再次押宝泰坦星。所以，旅行者2号只是远远地瞥了一眼泰坦星，就继续飞向了天王星。好在旅行者2号没有出什么幺蛾子，顺利地完成了旅行者1号未竟的事业，否则，NASA估计又要被民众的口水淹没了。

正是旅行者1号的重大发现，最终催生了卡西尼-惠更斯号的远征。泰坦星的云层下面到底有什么，成了后来20多年最令人着迷的太阳系谜题之一。这个谜题能否被远道而来的惠更斯号着陆器破解呢？

高难度的着陆存在巨大的风险和不确定性，现实总是会时不时地露出它残酷的一面，并不是努力了就一定会有回报。很多时候，勤奋之外，我们还需要一些好运气。根据网络数据(3)，在惠更斯号登陆泰坦星之前，苏联、美国、欧洲一共有过12次登陆火星的行动，其中6次完全成功，3次部分成功，3次彻底失败，完全成功的概率是50%，彻底失败的概率是25%。别忘了，这可是在火星，相较其他星球，我们对它的地表可谓了如指掌。火星登陆尚且有这么高的失败率，这次要在一颗我们对其地表一无所知的星球上着陆，成功的概率有多大，大家可以自己判断。

2004年11月，卡西尼-惠更斯号抵达泰坦星附近，开始对泰坦星进行近距离的拍摄。科技的进步使得卡西尼-惠更斯号上的照相设备比旅行者号精良得多，而且距离又更近。所以，当卡西尼-惠更斯号拍摄的照片传回地球时，引发了阵阵惊呼。为什么呢？因为旅行者号传回的照片和卡西尼-惠更斯号传回的照片完全不可同日而语，简直就是VCD画质和4K画质的区别。在卡西尼-惠更斯号拍摄的照片中，泰坦星上空的云层再也不是橘红色的一片，而是与地球上空的卫星云图一样，有了明显的浓淡区别。在云层稀薄的区域，能够看到泰坦星的地表非常平坦，只有很少的环形山，它们在光线的作用下呈现出强烈的明暗对比。第一次看到这些照片时，我觉得泰坦星和地球太像了，至少从太空中看去，简直像是双胞胎。

2004年12月25日，惠更斯号从母船卡西尼号上分离，独自飞向泰坦星。按照计划，它将在20天后降落在泰坦星表面。在飞向泰坦星的过程中，惠更斯号不断地近距离拍摄照片，并且传回了许多宝贵的传感器数据，这些数据让我们知道了泰坦星大气成分的详细信息。2005年1月14日，关键时刻来临了，惠更斯号进入泰坦星的大气层，着陆行动开始了。在十多亿千米外的地球上，科学家们屏息凝神，接收着惠更斯号传回的图像数据。实际上，因为无线电信号从土星跑到地球需要一个多小时，所以，惠更斯号的命运其实在一个多小时前就已经决定了，但这并不会影响科学家们心跳加速、满怀期待。

惠更斯号凭借着一个巨大的降落伞在泰坦星浓密的大气层中减速，整个降落过程持续了两个半小时。惠更斯号看上去状态良好，数据源源不断地传回地球。最终，它成功地降落在了泰坦星的表面，又继续工作了90分钟。

然而，惠更斯号并不是一辆有轮子的太空车，它只能把降落过程中看到的景象拍下来传回地球。在它着陆后，人类终于看清了泰坦的地表。如果我拿着惠更斯号降落后拍摄的照片让你猜这是哪里，你多半会猜这是我国西部某个地区的干涸湖床。是的，人们透过惠更斯号看到的景象就是一片平坦的戈壁滩，上面布满了大大小小的石块，这些石块很像是被水流冲刷形成的鹅卵石，表面是圆滑的流线型。从后来公布的资料中可以得知，这些石头其实是冰块——不是干冰，而是真正的水冰。

没过多久，NASA就发布了经过优化处理的惠更斯号登陆泰坦星的全程录像，把2个多小时的降落过程压缩成了2分多钟。这段降落外星球的真实影像我看了不下10遍，这也是人类迄今为止第一个降落在外太阳系卫星上的探测器。能够目睹一颗大约15亿千米外的外星球的真实地表，实在是三生有幸。(4)一段几分钟的录像却凝聚了人类在数学、物理、化学、信息技术、工程技术等科学领域的所有精华。几千名科学家、工程师用了20多年，才终于完成了这次壮举。我不知道你看了这段录像会不会对科学充满敬意，但我看着心中生出了很多感慨，忍不住鼻子发酸。

那么，泰坦星上到底有没有外星生物呢？只能说到目前为止，科学界还没有定论，但对泰坦星抱有生命幻想的科学家并不是很多。截至今天，我们对泰坦星所掌握的情况是——它的表面温度大约是－179℃。是的，虽然有浓密的大气可以产生温室效应，但是它能接收到的阳光实在太少了，这是一个极端寒冷的世界。而我们也没有观测到泰坦星内部有热源的任何迹象。所以，在这个世界中，你不可能找到液态水。迄今为止，人类尚没有发现任何脱离液态水还能保持活动状态的生命形式，既没有直接的证据，也没有间接的证据。

但是，还是有一些科学家认为(5)，低温的世界刚好提供了液态甲烷湖泊形成的条件，甲烷的沸点是-161.5℃。所以，在泰坦星上完全可能存在由液态甲烷形成的湖泊与河流。2006年7月，卡西尼号证实了这个猜测。科学家从雷达照片中发现泰坦星的北半球存在一个碳氢化合物的湖泊（甲烷、乙烷、乙炔等都是碳氢化合物），这个湖泊的直径大约为100千米，比北美洲的五大湖区还要大。到了2007年3月，NASA又宣布在泰坦星上发现了更大的液态碳氢化合物区域，它的面积足以被称为海洋了。那么，会不会存在一种生命形式，它们可以舒服地生活在这些液态的碳氢化合物中，呼吸着大气中的氢气和乙炔来转换成能量呢？实事求是地说，在理论上这种幻想不是不可以，我们并没有找到哪条物理或者化学的法则阻止生命在泰坦星这样的环境中发生，但是我们严重缺乏证据。所以，大多数痴迷于寻找外星生命的科学家不得不遗憾地把泰坦星从他们手头的清单中划掉，或者把泰坦星的排名挪到后面去。

就在惠更斯号着陆泰坦星的过程中，卡西尼号也没有闲着。卡西尼号飞向了一个美丽的白色星球，也就是土卫二。土卫二还有一个非常好听的别名——恩克拉多斯（Enceladus），这是希腊神话中的一个巨人。在所有人的目光都被惠更斯号和泰坦星吸引的那段日子里，卡西尼号默默地飞越了恩克拉多斯的南极，它的科学成像子系统拍摄了很多张照片。但科学家们此时正忙着处理惠更斯号传回的数据，似乎没有多余的时间来关注卡西尼号传回的数据，好在这些数据都在电脑中存着，不会丢失。

当人们对惠更斯号和泰坦星的兴奋之情逐渐退去，转而注意到恩克拉多斯的照片时，科学家们才突然发现，原来土星系统真正的明星不是泰坦星，而是这颗此前没有引起多少关注的“神话巨人”——恩克拉多斯，它的名字似乎注定了它要成为土星系统，甚至是太阳系中最耀眼的巨星。

在恩克拉多斯面前，泰坦星将黯然失色。在卡西尼号未来12年多的探测生涯中，恩克拉多斯毫无争议地成为主角。这一章的全部内容，都是在为巨星登场做铺垫。

还记得吗？我在上一章结尾的时候说，在太阳系中，欧罗巴有一个强大的竞争对手，而且截至今天，欧罗巴还处在下风。这个强大的竞争对手不是别人，正是白色巨人恩克拉多斯。

巨星即将登场，你做好准备了吗？

(1)引力弹弓效应（slingshot effect）：利用行星的重力场来给宇宙探测器加速，将它甩向下一个目标，也就是把行星当作“引力助推器”。

(2)黄道面（ecliptic plane），地球绕太阳公转的轨道平面，由于月球和其他天体的引力会影响地球的公转，黄道面的位置总是在不规则地连续变化。

(3)参见维基百科词条“List of missions to Mars”。

(4)如果你也想看这段录像，可以到“科学有故事”的微信公众号中回复关键词“惠更斯”，或者“泰坦”“土卫六”。

(5)[加]乔恩·威利斯，《群星都是你们的世界：在宇宙中寻找外星生命》，中信出版社，2018.9，P209。