探测器列传：36.着陆泰坦

先祝大家五一节快乐，不知道大家有没有出去玩儿，有没有堵在路上啊。反正我是宅男，就闷在家里做节目啦。

好啦，咱们还是书接上文，继续讲卡西尼号探测器。

卡西尼号要上绑着惠更斯着陆器，在几颗大行星之间甩来甩去，就是为了借助引力弹弓来加速。中途还需要借助地球甩一下，因此遭到环保人士的反对，万一砸到地球上，那上边可有放射性核电池，是会造成污染的。为此NASA还跟环保组织掰扯了好久。

就在甩来甩去期间，工程师们发现了一个大问题。那就是惠更斯着陆器和卡西尼探测器之间的通信是有问题的，很可能收不到信号。

惠更斯号无线电信号很弱，和地球之间的通信必须依靠卡西尼号转发。卡西尼号上有一个高增益天线，也就是那口大锅，还有两个低增益天线。和惠更斯号通信用的就是那口大锅。这口锅平时是不用的，天线一直对着太阳方向，用来充当遮阳伞。只有需要只有需要高速通信的时候，才用得着这东西。

但是，大家别忘了，卡西尼号是在绕着土星公转，本身有个速度。惠更斯号也会落到土卫六泰坦上，下落也有一个速度，当这两者的相对速度太大的时候，会出现多普勒效应，无线电波的信号会偏移，就是这个多普勒频移惹出一堆的麻烦。

我说这些，大家可能没有直观的感受，多普勒效应非常重要。我是玩儿无线电的，如果要用定向天线接受卫星发送的气象云图，就不得不面对卫星高速运动产生的多普勒频移问题。所以，接收卫星信号的无线电软件带有多普勒补偿功能，保证频率能跟得上卫星信号频率的变化。

卫星运动产生的多普勒频移

我国发射天问一号火星探测器的时候，国外的业余无线电爱好者也在跟踪探测器发出的数据信号，虽然他们对数据无法解码，但是在电脑上可以清晰的看到频率的偏移。通过观察多普勒效应，可以察觉到探测器的行为，有没有加速减速。是不是开始开发动机变轨。他们获知消息往往比官方媒体还快。

还有，大家可以回忆回忆我当初讲航天史，阿姆斯特朗登月的时候，他和地面联系的无线电信号被你英国人巨大的射电望远镜听见了，阿姆斯特朗在寻找平坦的着陆地点，登月舱在不断的起步停车。来回的调整，地面上的射电望远镜就可以从微弱的多普勒频移之中看出端倪。

正因为航天器的速度快，多普勒频移很明显，所以必须有应对的处理方式。卡西尼号的无线电接受装置的确也有补偿多普勒频移的设计。但是，工程师们发现，数据编码也和无线电波频率也是相关的。现在频率跑了，数据编码就对不上了。大家设计无线电组件的时候把这茬忘了个干净，现在卡西尼号无法处理这些数据，这可就要了命了。

惠更斯号的模型

2000年初，地面的工程师利用地面测控站和卡西尼号大锅之间的进行了通信验证，这个毛病果然是存在的。现在想修改固件，那是根本不可能了。最后，地面人员不得不重新规划卡西尼号的轨道，尽量压低两者的相对速度。只要彼此远离的速度不那么快就行，你横向速度快点还不要紧。惠更斯号脱离时间也就从2004年的11月延迟到了12月。这个问题算是基本解决了。未来设计探测器的时候，也不会再犯类似错误了。

卡西尼号在2000年的年底接近了木星，它只是顺道拜访，外带利用引力弹弓拐个弯。卡西尼号在木星引力范围之内飞了半年之久，可见木星引力有多大。在此期间，卡西尼号给木星和周边的卫星足足拍了2.6万张照片。这些照片是有史以来最清晰的。

卡西尼探测器还专门对木星环里面的尘埃颗粒进行了研究。土星环里都是冰颗粒，因此非常亮。冰颗粒相对来讲比较圆，不管怎么转，反光率变化不大。但是木星环的尘埃形状不规则，反光率随着转动会变化。这说明，木星环的尘埃应该来自于小天体撞击崩出来的灰。这一点和土星环是不一样的。

2003年，地面上的科学家还利用卡西尼探测器验证了爱因斯坦的广义相对论。探测器只要是在太阳系内运行，本质上就是在绕着太阳转。无外乎轨道形状有区别罢了。既然是绕着太阳转，就一定有机会转到太阳后边去，这时候探测器发出的无线电波就必定会路过太阳，然后再被地球上的大天线接收到。太阳的引力不可能不对无线电信号产生影响。

有人可能马上会想起那个星光偏折试验，一束光路过太阳周围是会拐弯的。现在卡西尼探测器不就等于一颗人造的星星吗？只是这家伙发出的不是可见光，而是无线电。科学家是不是打算探测无线电波的拐弯呢？其实并不是，卡西尼号发出的无线电信号频率显然不能和光波来比。频率越低，方向越模糊，是测不准的。因此也无法测量偏转。

那么这个试验是测什么的呢？是测量“引力红移”效应。光子进入太阳周围的引力陷阱，是会失去能量的。光子的能量和频率正相关，失去能量，意味着电磁波的频率会降低。这就叫引力红移。如果用直接用星光测量引力红移，星光是个连续光谱，赤橙黄绿青蓝紫都有，频率偏移一点，很难测出来。

牛顿力学也可以解释引力红移现象，而且预言的结论和广义相对论极为相似。物理学上经常使用的计算公式都是简化公式，把一个复杂的式子展开成泰勒级数，变成一个无限长的多项式，如果你要求不高，那就可以划去后边的一大串高阶小量，只保留一项即可。比如说著名的E=MC²这个式子，其实在计算过程之中，就是划去了高阶小量以后得到的一个简化版，但是这个简化版的精确度也足够用了。

说实话，物理学本质上就是近似的艺术。划掉高阶小量这种事，几乎是无处不在。但是，测量引力红移如果还是按照老习惯划去高阶小量，广义相对论算出来的引力红移和牛顿力学算出来的式子根本没区别。只有保留后边一部分高阶量，才能看出差别。所以，引力红移才难测，不是说测出红移就完事了，这就对测量提出了高要求，精确度不够的话，无法分辨广义相对论和牛顿力学谁更贴合实际。

为什么大家想起来用卡西尼号来测量引力红移呢？因为卡西尼号探测器上的无线电发出的就是非常单纯的一个频率，发生偏移很容易测量。此前，科学家们也利用海盗号和旅行者号进行过测量，但是精确度并不算高，测量结果和计算结果相比，精确度大概是在1‰左右。这次利用卡西尼号进行测量，精确度大概是在1/5.1万。这些数据坚定支持了爱因斯坦的广义相对论，爱因斯坦又赢了。

卡西尼拍摄到的土卫九的正反面

卡西尼号首先遇到了土卫九（菲比），卡西尼借着路过的机会给它拍了不少照片，因为这颗卫星距离土星非常远，因此卡西尼先遇上它。而且，它还是一颗逆行的卫星。也就是说，它的公转方向和土星自转方向完全相反，所以大家怀疑它是被土星巨大的引力俘获的。这家伙的个头并不小，直径200多公里，看样子是个球形，但是表面惨不忍睹。身上小坑压着大坑，这家伙活生生被撞成了一个外观不规则的卫星。你说冤不冤吧，它是土星最大的一颗不规则卫星。

正因为撞击太狠，导致土卫九内部的物质暴露出来了，某些部分很亮，反光强烈，这说明土卫九内部有大量的冰。

土卫九并不孤独，它是诺斯卫星群的一员，这一大群卫星全都共用一个轨道。绕着土星转圈跟开火车似的，后边跟着一大串小家伙。2009年，斯皮策太空望远镜发现土卫九运行的轨道上有个宽阔的光环。这个环非常的粗大，最内侧是土星半径的127倍，最外侧是能达到300个土星半径，厚度是40个土星半径。

这个宽阔的光环其实非常暗淡，主要是尘埃颗粒组成的，估计这些尘埃颗粒就是土卫九挨撞的时候崩出来的，形成了这么大范围的一个环。既然如此，这个环的自转也应该跟土卫九一样是倒着转的。说实话，土星环结构的复杂和广阔是一般人难以想象的。

菲比之环的效果图

2004年7月1日上午10时，卡西尼号以每小时7.8万公里的速度飞向土星，从下方接近包含着大量结冰石块和颗粒的土星环，然后从土星环的F环与G环之间的空隙钻过去了。这时候，飞船距离土星大概是15.85万公里。接下来，飞船的主发动机开机反推减速，持续点火96分钟，毕竟经历过多次引力弹弓加速，探测器飞得还是太快了，刹车时间也很长。到最后，速度减小到2240公里/小时，探测器才被土星的引力所捕获，进人环绕土星的轨道，在近土点距离土星大气层顶部大概是2万公里。

入轨以后的第二天，卡西尼探测器就路过了土卫六泰坦。距离大概是34万公里。卡西尼探测器拍摄了大量的照片传回地球。后来10月27号。卡西尼号再次路过了土卫六泰坦，这次距离非常近，大约只有1200公里。卡西尼号上的照相机利用特殊的滤镜看透了土卫六的浓密大气。看到了云层，看到了海洋，看到了若隐若现的陆地。这些探测活动都为日后惠更斯号的着陆打下了基础。卡西尼号给泰坦拍下的照片足足有4个gb，还有大量的雷达扫描数据，这些数据都得慢慢发回地球。科学家们发现，泰坦表面相对比较平坦。这样的话，着陆任务应该方便点，只要不掉进甲烷海里就OK。

泰坦红外线多波段合成伪彩色照片

当然，卡西尼还拍了很多其他的照片，刚到土星的前几个月，卡西尼号都在拍摄土星环和各大卫星。这些照片清晰地展示出了土星环的结构，土星环是由冰块和岩石碎片组成的。科学家们从这些照片里发现，原来土星环A环和F环之间还存在一个反光微弱的新环，这个环的宽度是306公里。

到了2004年的8月17号，卡西尼号探测器又发现了土星的两颗新卫星。当时大家只知道土星拥有31颗大型卫星。那新发现的卫星毫无疑问就被命名为土卫32和土卫33喽。

这两颗卫星长得挺有意思，真的像两个鸭蛋，这二位都是长椭圆形。土卫32稍微小点，长度只有3.8公里，粗细只有2.5公里。土卫33稍微大一点，大概是5.76公里长，粗细是4公里上下。

土卫32是个光滑的鸭蛋

这两个家伙的表面极其光滑平整，一个撞击坑都没有，这很可能说明这个东西是个蓬松而柔软的玩意儿。因为它是软的有塑性，所以，别看它小，它的那点微弱的引力足可以把自己拉成一个流体静平衡的状态，也就是个球形。但是因为土星强大的引力，硬把这个球拉成了一个鸭蛋。

到了2004年11月份，卡西尼探测器又发现了土卫34，它在土卫四的第5拉格朗日点上。我们以前详细的讲到过拉格朗日点。土卫四别看小，人家和土星之间也有拉格朗日点。土卫34就在这个点上慢慢晃悠，这是一个比较稳定的引力鞍点。土卫34比较像巧克力豆，扁扁的，宽度3公里多，厚度只有2.6公里。

紫色：土卫34；黄色：土星；青色：土卫四

接下来的若干年里卡西尼号前后一共发现了土星的7颗大卫星。土星卫星数量其实很难统计，有的卫星实在太小，你算还是不算呢？总不能连块大石头也算对吧。目前能算出轨道的，大概是274颗。

到了2004年底年底，该为惠更斯号着陆器的投放做好准备了。12月25日，惠更斯号脱离了母船卡西尼，进入了环绕泰坦旋转的轨道，这是一个缓慢绕圈圈下降的过程，还得花费22天的时间。在这段时间里，惠更斯号仍旧处于休眠状态，直至落下去之前的前几小时才被叫醒。

“惠更斯”号重319公斤，外形像一个预制菜圆盒子，前部有一个防热盾，配了三顶降落伞，不怕一万，就怕万一，多备着点保险。

在距离土卫六表面1200公里时，“惠更斯号”以2.2万公里/时的速度冲向土卫六表面。“惠更斯”号前部的防热盾可以起到保护作用，顶住摩擦产生的高温。大概在距土卫六表面190公里高的地方，防热大底被抛弃。在距表面170公里的地方，探测器减速到每小时1400公里。此后，探测器分别打开了三个降落伞，在距离土卫六表面几百米处，探测器会打开探照灯，照亮土卫六地表物体。土卫六表面光照情况不好，得打个手电才能看清楚。

地面人员一直提心吊胆的，特别是欧空局的工程师们，这个惠更斯号是欧洲人造的。降落过程说长不长，说短也不短，足足两个多钟头，也挺熬人的。在两个半小时降落过程中，“惠更斯”号的相机拍下了土卫六表面情况、测量了风速和大气压力，分析大气成分，这些采集到的数据会传回母船卡西尼号探测器上。然后转发给地球。

下降过程里拍摄的照片分为两组，一组是350张照片，用A、B两个S波段的无线电信号发送给卡西尼探测器。因为惠更斯探测器是欧空局做的，卡西尼探测器是NASA做的，两边的沟通似乎有点问题，程序又出了BUG。A通道卡西尼探测器压根没理会，根本没接收，B通道倒是接收了。等于是数据只发回来一半，而且测量卡西尼号和惠更斯号之间的多普勒频移测量数据也丢了。你瞧这事儿闹的，不出点毛病就不叫多方合作。

惠更斯号落地后拍摄的照片

惠更斯号于2005年1月14日着陆到了土卫六上，降落在了一片固体陆地上，没掉甲烷海里。这家伙拍摄了人类历史上第一张来自土卫六表面的风景照，花了不少时间传回地球，然后呢，这家伙就Game over了。这家伙没电了，早知道你多装两块电池呢。

根据发送回来的数据。科学家们发现，在泰坦上的确存在甲烷海，也存在甲烷冲刷出的分叉河道。而且液态甲烷还能形成降雨。泰坦表面平静得可怕，无论甲烷海还是甲烷湖都风平浪静。地球上的水是会吸收无线电波的，因为水是极性分子会跟着电磁波瞎晃悠。要不然微波炉怎么加热呢，道理就是这个道理。无线电波的能量会被水吸收。但是甲烷可不会，甲烷是完全对称的非极性分子，对无线电波没啥反应。

雷达回波伪彩色照片，图中这片湖泊和地球上的苏必利尔湖面积相当

从雷达回波数据来看，其中一座湖的雷达回波反射自它的160米深湖底。那么多液态甲烷完全没有阻挡无电线信号。这座湖偶尔也会出现一些强反射源，有可能是湖里冒出一大串氮气气泡，这些气泡是强反射源。

最奇怪的是，泰坦竟然有两个海平面。在表面的碳氢化合物海洋下方是一个水冰壳，水冰壳下方是含盐的液态水。这个结构就太复杂了，有没有孕育生命的可能性呢？这可就说不准了。

这档子事，我们下回再说。