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了解科学爱上科学欢迎收听科学时评话首先呢咱们祝大家五一节快乐现在还是假期嘛我也不知道大家有没有出去玩啊有没有被堵在路上反正啊我是宅男我是不出去的了咱就闷在家里做节目好了咱们还是闲言少叙书接上文呢咱们继续讲卡西尼号探测器
这卡西尼号啊腰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嘛他中途啊还要借助地球甩那么一下啊他路过月球的时候还拍了张月球照片因此呢他就遭到环保人士的反对万一这东西啊砸到地球那上面有放射性核电池哎他是会造成污染的呀为此那 NASA 还跟环保组织掰扯了好久呢
就在探测器甩来甩去期间地面上的工程师就发现了一个大问题那就是惠更斯号着陆器和卡西尼探测器之间的通信它是有问题的它很有可能收不到信号惠更斯号很小它的无线电信号是很弱的和地球之间的通信必须依靠卡西尼号来进行转发
这卡西尼号上有一个高增益天线也就是顶上那口大锅那大喇叭口它还有两个低增益天线和惠更斯号通信呢用的就是那口大锅这口大锅它平时不用啊天线一直对着太阳方向它是充当遮阳伞的只有需要进行高速通信的时候才用得着这东西但是大家别忘了啊这卡西尼号是在绕着土星公转它本身有个速度
慧更 4 号呢它会落到土威六泰坦上它下落也有个速度当这两者的相对速度太大的时候它就会出现多普勒效应它无线电波的信号会发生偏移
就是这个多普勒频率惹出了一堆的麻烦我说的这些呢大家不玩无线电可能就没有什么直观的感受这个多普勒效应啊还是非常重要的啊我玩无线电的时候如果是要用定向天线去接收天上的卫星发送的气象云图那就不得不面对卫星高速运动产生的多普勒频移的问题
所以呢电脑上接收卫星信号的那些无线电软件都是带有多普勒贫移的补偿功能的它保证频率能跟得上卫星信号的频率变化
那我国在发射天文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这些发射器发出的数据信号虽然他们没有办法对这些数据进行解码但是在电脑上可以清晰的看到频率的偏移通过观察这些多普勒效应就能察觉到探测器的行为比如说它有没有加速减速啊
是不是开发动机变鬼了从多普勒评议上都能看得出来所以他们获知消息的速度往往比官方媒体报的还要快
还有呢大家可以回忆回忆我当初讲航天史啊这阿姆斯特朗在登月的时候他和地面联系的无线电信号也被英国人用巨大的射电望远镜给听见了这阿姆斯特朗在寻找平坦的着陆地点的时候那登月舱他不是在频繁的起步停车吗他不是在来回调整吗地面上的射电望远镜就可以从微弱的多普勒平移之中看出那一点点端倪你在干嘛地上的人都知道
正因为航天器的速度特别快所以它的多珀勒平移就特别的明显因此呢也就必须有应对的处理方式卡西尼号上的无线电接收装置的确是有补偿多珀勒平移的这种装置设计的但是工程师们发现
这个数据编码也和无线电波的频率是有关系的现在频率跑了这无线电编码它就对不上了
大家在设计无线电阻件的时候把这茬给忘了个干净现在卡西尼号拿到这些错误的数据啊它根本没法处理它就当没听见这下可就要了老命了大概是在 2000 年的年初地面上的工程师就利用地面的测控站和卡西尼号的那口大锅之间进行了通信验证发现这个毛病真的是存在的
现在想修改固件那是根本就不可能了最后呢地面人员就不得不重新规划了卡西尼号的轨道就尽量压低两者的相对速度只要彼此之间远离的速度不是那么快就行了你横向速度快点呢还不要紧就像地铁从我面前一晃而过这叫横向速度没关系这还能凑合你轴向速度是千万不能快
所以呢惠更斯号脱离的时间也就从 2004 年的 11 月延迟到了 12 月重新设计了轨道那么这个问题算是基本解决了未来在设计探测器的时候您千万别再犯类似错误了
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的引力范围之内它飞了半年之久你可见这木星的引力范围有多大
在此期间卡西尼号给木星和周边的卫星足足拍了 2.6 万张照片这些照片都是有史以来最清晰的当然传回地球还得费不少时间卡西尼探测器还专门对木星环里边的尘埃颗粒进行了研究土星环里边都是冰颗粒所以土星环长得非常亮
冰颗粒相对来讲就比较圆它不管怎么转它反光率变化不大但是木星环里的尘埃它形状不太规则它的反光率会随着转动而发生变化
这就说明木星环的那个尘埃应该是来自于小天体撞击崩出来的那些灰渣子在这一点上和土星环是完全不一样的到了 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
这个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这个轨道形状有区别罢了既然是绕着太阳转那一定有机会转到太阳后边去这个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所接触到那么太阳的引力就不可能不对无线电信号产生影响
说到这儿有人可能马上就会想起来爱因斯坦那个著名的星光偏折实验那一束光在路过太阳周围的时候因为空间的弯曲这束光它是会拐弯的现在卡西尼探测器不就等于是一颗人造星星吗是吧这颗星星也是会发光的哟只不过它发出的不是可见光而是无线电波
那么科学家是不是打算探测一下无线电波的拐弯呢其实不是因为卡西尼号发出的无线电信号频率显然不能和光波频率来相比这个频率越低波长越大它的方向感就越模糊它就测不太准
因此你想在无线电频段内测出这个无线电信号的偏折呀那是不太可能的那说来说去这个实验到底是测什么的呢
是测量引力引起的红移效应当光子进入太阳周围的引力陷阱的时候它是会失去能量的这个光子能量和频率是正相关它失去能量以后也就意味着电磁波的频率会降低这就叫做引力红移
如果我们利用星光测量引力红移星光它是一个连续光谱它是赤橙黄绿青蓝紫它全有你这频率偏了一点它测不出来除了广义相对论可以解释这种引力红移现象其实过去的牛顿力学也是可以解释引力红移现象的而且预言的结论和广义相对论的结论它是极为相似的
这是怎么回事呢因为咱们物理学上经常使用的计算公式都是简化公式就是把一个复杂的式子展开成泰勒级数所谓泰勒级数就变成了一个无限长的多项式如果你要求不高那就可以滑去后边那一大堆高阶小量了你只保留最前面那一项就可以了
比如说啊著名的 E 等于 MC 平方这个式子其实就是划去了一大堆高阶小量以后得到的一个简化板但是这个简化板的精确度已经足够用了所以说呀物理学的本质就是一种近似的艺术
划掉高阶小量这种事几乎就是无处不在的大家都这么干但是吧话又说回来了在引力红移这个问题上如果还是按照老习惯咱们把屁股后边那些高阶小量全给它划了
那么广义相对论算出来的引力红移和牛顿力学算出来的那个公式啊它长得一模一样它根本就没区别因此呢你后边那高阶小量你不能全划了你好歹得保留个几位你才能看出牛顿力学和广义相对论计算的差异所以这个引力红移非常的难以测量
当然了也不是说你测出引力红仪就完事了而是需要有足够高的精确度能够看出这种高阶小量上的差异才行呢所以这就对测量提出了非常高的要求如果你精确度不够的话你就没办法分辨到底是广义相对论正确还是牛顿力学更正确那么新问题又来了为什么大家想起来用卡西尼号来测量引力红仪呢
那是因为卡西尼号探测器上发出的无线电是一种非常单纯的频率它就那一个频率如果它发生了频率偏移它非常容易测
此前科学家们也曾经利用海盗号还有旅行者号进行过类似的测量但是精确度并不是特别高它的测量结果和计算结果相比误差大概是在千分之一左右这次利用卡西尼号进行测量它的精确度达到了 5.1 万分之一
所以他的精确度大大提高了嘛这些数据是坚定的支持了爱因斯坦的广义相对论所以这一次爱因斯坦又赢了好咱扯的有点远了啊咱们还是扯回正题这个卡西尼号飞了好多年呢他快靠近土星的时候呢首先就遇上了土味酒这卡西尼借着过路的机会呢就给这个土味酒拍了不少的照片
因为这颗卫星距离土星非常遥远因此呢这卡西尼号是先遇上了它而且呢它还是一颗逆行的卫星也就是说它的公转方向和土星的自转方向它完全相反所以大家就怀疑它是被土星用巨大的引力给捕获来的是给抓来的
这个家伙的个头呢并不小直径 200 多公里看轮廓像是个球形但是你仔细靠近了看吧那表面那叫一个惨不忍睹啊他身上啊就是小坑压大坑啊其实大家都能猜得到这家伙很久以前他也是个球形的他活活的被别人撞成了一个外观不规则的不规则卫星你说冤不冤嘛
这家伙是土星最大的一颗不规则卫星了正因为撞击太狠导致土味酒内部的物质全都漏出来了某些部分很亮啊反光很强烈啊这就说明土味酒内部还是有大量的冰存在的
土卫九它并不孤独因为它是诺斯卫星群的一员这一大群卫星全都共用一个轨道它绕着土星转圈都跟开火车似的前面一大个的后边跟着一大串小家伙到了 2009 年斯皮特太空望远镜就发现了土卫九运行的轨道上有一个非常宽阔的光环这个环非常的粗大
这个环最内侧是土星半径的 127 倍它的轨道最外侧能到 300 个土星半径它的厚度是 40 个土星半径这个环相当大这个宽阔的光环非常的暗淡它主要是由尘埃颗粒组成的估计这些尘埃颗粒就是土味酒挨撞的时候崩出来的形成了这么大一个环
既然如此这个环自转也应该是跟土味酒一样它是倒着转的说实话这个土星环的结构和广阔是一般人难以想象到了 2004 年的 7 月 1 号上午 10 点钟这个卡西尼号就以每小时 7.8 万公里的速度飞向土星
从下边就接近了那个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 环之间的空隙钻进去了这个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就开始开反推减速持续点火 96 分钟
这家伙毕竟经历了多次引力弹弓加速这探测器飞的还是太快了所以刹车的时间也非常长到最后啊把这速度减小到了 2400 公里每小时这时候探测器才成功的被土星的引力所捕获进入了环绕土星的轨道
当时呢近途点距离土星大气顶部大概是两万公里上限在正式进入了环绕轨道以后的第二天这个卡西尼探测器就路过了土卫六太坦这时候距离呢大概是 34 万公里这卡西尼探测器呢就拍了大量的照片传回地球到了后来呢 10 月 27 号啊这卡西尼探测器再次路过了土卫六太坦
这次距离就非常近了大约只有 1200 公里这卡西尼号上的照相机也都忙不过来了这照相机上都带着特殊的滤镜能够看透土味溜的浓密大气能够看到下边的云层啊看到海洋啊还看到了若隐若现的地面这些探测活动呢都为日后的惠更斯号着陆打下了基础
这卡西尼号给泰坦拍的照片足足有四个 GB 还有大量的雷达扫描数据这些数据都得慢慢发回地球这都快不起来科学家们发现泰坦表面还是比较平坦的这样的话着陆任务就方便点了地面是平的只要不掉进海里就 OK 了
当然了卡西尼号当时还拍了很多其他照片呢它刚到土星的前几个月这卡西尼号都是拍摄土星环和各大卫星这些照片清晰的展示出了土星环的结构密密麻麻的真的像唱片一样总共都有一万多圈科学家们在这些照片里发现呢原来土星环 A 环和 F 环之间还存在一个反光非常微弱的星环这个环的宽度是 306 公里
到了 2004 年的 8 月 17 号这个卡西尼探测器又发现了土星的两颗新卫星在当时呢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是被命名为土卫 32 和土卫 33 咯
这两颗卫星啊长得别提有多另类了啊他俩长得像两个鸭蛋这二位呢都是长椭圆形这个土卫 32 呢稍微小一点长度 3.8 公里粗细呢是 2.5 公里这土卫 33 呢就稍微大点呗长度大概是 5.76 公里粗细是 4 公里上下这两个家伙的表面是极其光滑平整他一个撞击坑都没有
这很有可能说明啊这俩东西就是蓬松柔软的玩意儿啊它具有塑性啊所以呢你别看它小它靠它那点微弱的引力足以把自己拉成一个流体静平衡的状态所谓流体静平衡嘛就是个球形啊
但是因为土星有强大的引力活生生就把这个圆球拉成了个亚丹到了 2004 年的 11 月份了这卡西尼探测器又发现了一颗新卫星这家伙叫做土卫 34 它呢还挺特殊它是在土卫 4 的第五拉格朗日点上
我们前面可是详细的讲过拉格朗日点是咋回事的你别看人家土卫四小啊人家和土星之间它也存在拉格朗日点这土卫三十四就在土卫四的这个拉格朗日点上它慢慢晃悠这是一个比较稳定的引力暗点嘛它就长得比较像巧克力豆它扁扁的宽度呢三公里厚度呢 2.6 公里
在接下来的十几年里面呢这个卡西尼号啊前前后后一共发现了土星的七颗大卫星土星卫星的数量其实是很难统计的因为有些卫星吧它实在太小你算还是不算呢你总不能连块大石头也算上对吧
但是目前呢能够算出轨道的大概是 274 颗由此可见兔星带领了一个多么庞大的卫星家族接下来嘛就到了 2004 年的年底啦 12 月份啦该为慧根 4 号着陆器的投放做好准备了就
就在 12 月 25 号过圣诞惠更四号就脱离了母船卡西尼进入到了环绕泰坦旋转的轨道这个轨道的绕行方向和泰坦的自转方向是恰好相反的这样就可以最快速度把泰坦的表面扫一遍
这个缓慢的绕圈圈下降的过程啊还是花费了 22 天的时间在这段时间里面呢惠更 4 号仍旧处于休眠状态直到落下去之前的几个小时这探测器才被叫醒了
这个惠更斯号呢重 319 公斤它外形啊长得像一个大号的预制菜那个圆盒子啊它前部呢有一个防热盾它配了三顶降落伞那不怕一万就怕万一万多配着点啊
在距离土 V6 表面 1200 公里的时候这个惠更 4 号就以 2.2 万公里的时速冲向了土 V6 的表面这个惠更 4 号前部的防热盾可以起到保护作用它可以顶住摩擦产生的高温大概在距离土 V6 表面 190 公里高的地方这个防热大地就被抛弃了在距离表面 170 公里的地方这个探测器速度已经减到了每小时 1400 公里
此后呢这探测器就分别打开了三个降落伞就靠降落伞来减速在距离土威六表面几百米的地方这个惠更斯号就把探照灯给打开了啊这不打开看不清楚这个土威六表面的光照情况啊实在是不太好土威六上的日常亮度啊就相当于地球上太阳下山以后十几分钟的样子
当时地面上的人员一直是提心吊胆的特别是欧空局的工程师们因为这个惠更斯号是欧主任造的嘛这降落过程说长不长说短不短足足两个多钟头也挺熬人的呀
在这两个半钟头的降落过程中这个惠更斯号相机拍下了大量土维 6 表面的状况测量了风速测量了大气压力分析了大气成分这些采集到的数据会传回到母船卡西尼号上然后转发给地球下降过程里拍的照片分了两组一组 350 张两组 700 张然后用 AB 两个 S 波段的无线电信号发送给卡西尼探测器
因为这个惠更斯号探测器它是欧空局做的卡西尼探测器它是 NASA 做的这两边的沟通似乎又出问题了这程序它又出 bug 了这 A 通道的信号卡西尼探测器压根就没理会
压根就没有接收这一 B 通道倒是接受了这就等于说呀这数据只回了一半而且呢测量卡西尼号和惠更四号之间的多普勒平移的测量数据他也给弄丢了你瞧这事闹的哎这不出点毛病他就不叫啥多方合作是吧
这个惠更斯号着陆器还是于 2005 年 1 月 14 日着陆到了土威六上降落在了一片固体陆地上没掉进甲烷海里这个家伙拍摄了人类历史上来自于土威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 了这家伙没电了你早知道你多装两块电池呢
地面上的科学家看到这些数据了这些科学家们就发现呢在泰坦上的确是存在甲烷组成的江河湖海也存在甲烷冲出的分岔河道而且液态甲烷还能形成降雨
另外呢这个泰坦表面宁静的可怕无论是甲烷海还是甲烷湖都是风平浪静几乎一丝波纹都没有大家要知道啊地球上的水呢是会吸收无线电波的因为水是极性分子它会跟着电磁波瞎晃悠啊要不然微波炉是怎么加热的呢啊道理就是这个道理
这无线电波的能量啊会被水给吸收但是甲烷可不会啊甲烷是完全对称的非极性分子人家对无线电波没啥反应啊
所以能量也就不会被吸收从卡西尼号收集到的雷达回波数据来看其中有一座湖的雷达反射波来自于它 160 米深的湖底也就是说那么厚的一层液态甲烷 160 多米它完全没有阻挡无线电波信号
不过呢这座湖偶尔也会出现一些强反射源科学家们就提出了一种推测有可能是湖底啊冒泡了冒出了一大堆氮气组成的气泡这些气泡才是强反射源因为甲烷海洋有非常强的透波性所以科学家们又发现了这个泰坦呢居然有两个海平面
在表面的碳氢化合物海洋的下方是一个水冰组成的冰壳这冰壳的下方是含盐的液态水哟这两层壳的结构可是太复杂了哟那有没有孕育生命的可能性呢这可就说不准了哟这档子事咱们下回再说科学声音