探测器列传：17.穿过土星环
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了解科学 爱上科学 欢迎收听《科学时评话》咱们闲言少叙 书接上文上文书咱们讲到了 JPL 的理查德·戈德斯坦和乔治·莫里斯用雷达波对土星的光环进行了探测这个雷达波的波长是 12.5 厘米这信号一来一回得走两个钟头零 45 分钟走过的距离是 24 亿公里

这个哥德斯坦发现呢雷达回波比他们预计的要强得多从雷达返回信号来分析呢这个土星环呢是非常非常粗糙的啥意思呢也就是说大块的固体非常多那尺寸起码呢都在一米以上这些大块的固体有可能是冰块也有可能是大石头这事就说不准了估计呢还是大块的冰块占了大多数吧因为它反光率太高了嘛证明刷亮的嘛

那好了既然如此啊你让这探测器从这土星环里边穿过去那就相当危险了你万一撞上那大冰块那就不是闹着玩的

但是吧话又说回来这个土星环之间它是有空隙的这个土星环也分很多层从地球上拿望远镜你能看到最亮的两个分层外圈的叫 A 内圈的叫 B 中间有一道缝隙叫做卡西尼缝那为啥叫卡西尼缝呢因为这道缝是人家巴黎天文台的台长卡西尼在 1675 年用一架放大 90 倍的望远镜发现的

那这道缝到底有多宽呢大概是 4800 公里宽这么宽的缝隙按理说你让这先驱者 11 号从这穿过去那是可以的在 A 环靠近 Y 侧有一道非常非常细的缝隙叫 N 颗缝

这道缝呢是美国天文学家叫詹姆斯爱德华基勒在 1888 年发现的但是呢他是以当时啊柏林天文台的老台长恩克的名字命名的这个恩克呢就是著名的恩克彗星的发现者他呢也对土星环做过观测啊但是这个恩克缝不是他发现的他呢已经在 1865 年去世了所以呢就以他的名字来那个命名这个缝嘛就是为了纪念他嘛

那么这个 N 克缝有多宽呢大概是 320 多公里那这就比卡西尼缝要窄得多了大家也知道啊我以前玩天文摄影天文摄影也是分门派的标准各不相同评判行星摄影爱好者的水平高低一个重要的指标就是看你能不能拍到清楚的 N 克缝啊那就看你本事了卡西尼缝还是很容易拍到的 N 克缝就很难说了

其实你要去深究的话土星环的缝隙不止这两道你仔细去看土星环本身就跟唱片一样密密麻麻的全是细微的纹理

这个 B 环靠内侧有一片比较暗淡的区域这个地方叫做 C 环 C 环就不如 A 环和 B 环那么明亮了但是这个地方也明显不是空无一物只是物质比较稀疏反光率不高在 C 环的内侧是不是存在着更加暗淡的区域呢也就是更加靠近土星表面的 D 环

大家猜想啊这个地环应该是存在的但是从地球上压根就看不清楚因此最好是让先驱者 11 号过去打探一下此外呢从环的最内侧钻进去就等于是贴着土星的皮飞嘛这个拍摄的照片呢就更大更清楚所以 M4 研究中心的这个先驱者团队呢还是希望哎呀我们进去探查一下这个地环

不过呢话又说回来你想探测这个地环呢就必须精心设计一个飞跃的轨道啊你别忘了先驱者 11 号是从黄道面之外飞一个弧线和土星汇合的因此就得借助土星的引力实现一个大轨弯

从斜上方进入从 A 环的外侧擦着边拐一个发夹弯第一次斜插过土星环然后这个探测器过了土星环以后这方向就已经掰回来了然后探测器就贴着土星环的下表面擦着皮飞过去就这么借助土星的引力从土星背面兜个圈子从下边往上正好斜穿过最内侧 D 环的这个区域

但是这么做吧它非常冒险我们不是说了吗按照雷达数据这土星环里面到处都是大石头大冰块那万一撞了呢那就全歇菜了这个先驱者 11 号的存活几率呢大概只有 1%所以当时呢也有很多人是不同意这个做法的也就是说 M4 研究中心的这些人呢有点太激进了那这个时候就有人跳出来了

这帮人就是旅行者计划执行团队的没错啊这个时候旅行者计划已经开始了这个旅行者计划的团队啊它不属于 IMC 研究中心它属于 JPL 就是喷气推进实验室和人家 IMC 研究中心的不是一家人呢在这个时间段两枚旅行者号探测器它已经上路了这都快到木星了它下一步也要拜访土星

但是这两颗探测机的目标可就不仅仅是土星了而是要借助土星的引力弹弓效应甩一下人家还要奔着天王星海王星方向去呢可是这种引力弹弓对轨道计算的要求非常高大家算来算去就发现这条路好像不太好走首先力道要准方向要精确时间还不能错

能用的轨道呢它最后也没有剩下几条很有可能这个旅行者号探测器呀就得穿过土星环就穿过那个 A 环才行这可就要了老命了你想想啊这个土星的 A 环和 B 环几乎就是最亮的光环了这亮意味着什么呢就是冰块最多密度最大

那你能不能钻过去啊那最好是有个人过去先探探路啊那谁过去探路啊那不就先驱者 11 号吗所以 JPL 的旅行者团队就想让这个先驱者团队帮个忙你们走另外的路线咱穿过 A 环就别拐到那个 D 环去了咱们就直接借助引力弹弓向 A 环的外边扔出去

这条路你帮我们走一走试试看探探路这条路很重要未来这个旅行者一号二号就走这条路奔着天王星方向去这个先取者团队一听就火冒三丈你们打算要我烙命啊这是上马神合着啊我们当替死鬼啊不行我们不干这条外围线路即便是走成了距离土星太远拍照也拍不清楚磁场探测都得打折扣

如果走不成庄了那就啥都没了反正我们横竖没啥好处我凭啥替你走啊你想啊人家先驱者团队归属 M4 研究中心这旅行者团队归属喷气推进实验室这俩呀互相还不买账啊于是啊这个 JPL 的旅行者团队马上就去找领导了呀

这个先去者 11 号是不是要先试试看走我们规定的那条路这条路后续呢旅行者他也是要走的呀如果前面没有人趟路我们也不敢走啊谁敢冒这个风险呢是吧如果不走这条路后边就没法去天方星海方星了啊何去何从啊领导您看着办吧这选择题就扔到 NASA 高层领导面前了这领导脑袋都大了

哎呀这麻烦事全扔到我们这来他们合计了半天就发现如果你让先驱者 11 号改道那么探测土星的任务肯定是要打折扣的你毕竟离得远了嘛是吧但是后续旅行者 1 号 2 号是可以弥补这个缺陷的你让旅行者多拍几张照片不就完了吗况且旅行者的相机比你先驱者号强多了是吧

但是如果旅行者啊选择了保守路线他去不了天方星海方星那损失可就大了起码有一半的任务他就没完成啊算了还是得让先驱者通融一下您呢就当一回先驱了啊万一撞了您就容身先烈我们给你升格啊

所以当 NASA 高层宣布这个结果的时候 JPL 团队就开始啪啪啪鼓掌了先驱者团队就发出了一片哀嚎之声

当然了双方还是有商量的轨道还是可以尽量做优化咱们尽量从 A 环到外边擦边钻过去咱们别忘了密度大的地方扎而且甩出去以后还可以顺便拜访一下土维六泰坦这也不算亏最后拿出来的这个方案拿散领导一看算是比较稳妥了都躲开那个危险的地方没事了那就继续执行吧

在 1979 年的 8 月份这个咸取者号就进入了土星的引力范围了科学家们就对土星的磁场最关心土星有磁场吗这强度如何按照计算这几天就要冲进土星的磁层供应波了所以这值班的人几天都没合眼睡觉了天天就在这个节骨眼上他们碰上了好几个难题这都是太阳惹的祸

首先是这个土星的位置不太对它和地球之间恰好隔着一个太阳这土星在那边我们在这边这无线电通信呢它总是受到太阳辐射的干扰

另外呢这几天刚好是太阳大爆发你早不爆发晚不爆发你怎么单挑这个时候呢这太阳大爆发土星的磁层就会被太阳的风暴强烈压缩这时候你测出来的数据啊就不是它日常情况测的都是特殊情况另外呢强烈的太阳风暴带来了大量的带电粒子

科学家们从先驱者 11 号的读数上他分辨不出哪个是来自于土星本身的哪个是来自于太阳的

所以这事儿实在是太不凑巧了所以科学家们就三班倒盯着这前方传回来的数据就连有几个退休的老员工老同志都回来帮忙啊一方面的确是遇到麻烦了需要人手另一方面也是见证历史的时刻这人类的探测器终于到了土星了这玩容易吗飞了好些年了

现在先驱者 11 号的通讯速度已经降得非常非常低了每秒钟只有 512 个比特那这点速度你够干啥的呀也就是传几个数字罢了现在呢先驱者 11 号距离土星是 400 万公里磁场读数上没有任何异常没动静又等了两天现在呢探测器距离土星只有 146 万公里了

这时候那个数据上看到弓形波的痕迹了有磁场了这证明土星的确是有磁场的接下来的半个小时啊这太阳风暴就到了嘛就持续加强这探测器又穿过了一次磁顶层到了 9 月 1 号这探测器又两次穿过了弓形波这土星的磁场啊

就被压得非常非常小了按理说周围的这个卫星啊光环呢都应该是在土星磁层的那个屏蔽之下但这一次根据探测数据这个土卫六太坦都已经在磁层的保护之外了可见这次太阳风的冲击有多强

当距离擦过土星还有两个小时路程的时候这照相机开机了也就是 1979 年的 9 月 2 号凌晨 0 点 36 分美东时间呢这先驱者 11 号以每小时 11.2 万公里的速度及时而过这个过程发生在土星的背后地球上是收不到信号的

所以穿过土星环的具体时间实际上是来自于推测到了下半夜三点钟哥德斯通测控站就收到了先驱者回传的信号现在就可以正式宣布了先驱者 11 号穿过了土星环现在正贴着土星环盘子的下表面往前飞呢

从微流星体探测器接收到的数据土星环其实根本就不是由一大堆大冰块组成的看来雷达数据它是不太靠谱误导了大家土星环里边一米大的冰块不能说没有但绝对不是主流那是极少数的凤毛麟角你平时根本就撞不上土星环的组成成分大部分都是很小很小的冰晶颗粒

所以呢这个先驱者 11 号擦着边穿过土星环基本上没什么损失穿过光环还是很安全的这时候呢这个先驱者发的照片也逐渐就慢慢传回来了从照片上看这土星环一点都不亮而是发黑的因为这个时候探测器在土星环背面那背面是照不到太阳的当然是黑的尤其是那个闭环呢

它几乎就是不透光的由此可见这密度相对来讲还是比较大的从发送回来的影像之上科学家们就发现了一道非常非常细的光环只有大概几百公里这么宽这道非常不明显的环呢在 A 环的外侧大家谁也没想到这儿还有一道独立的环呢所以这道环被大家称为 F 环

F 环和 A 环之间的缝隙被称为洛西缝那个洛西就是提出洛西极限的那个洛西用它的名字来命名的确是非常合适因为土星环之所以出现就是因为在这儿形成不了大的天体都被土星的引力给扯碎了

明亮的 A 环之内是不可能有大型天体存在的所以这个洛西分差不多就是边界线了那为啥这个 F 环就这么这么窄呢后来大家才发现这洛西分里面有个小天体叫土卫 16 名字叫普罗米修斯这 F 环的外侧呢还有一个小的卫星叫潘多拉编号是土卫 17

这两个小家伙长度大概是一百多公里粗细大概就是七八十公里的样子反正模样长得都像个枣糊这两个家伙是小清道夫他们俩各自清理出一条空白的轨道

这个卫星轨道都有这个特点叫一山不容二虎这条道全得给我清空了就留下它一个但是这两条轨道它离得太近了中间仅仅留下了一个很窄的隔离带这个很窄的隔离带就是土星的 F 环

当然了此前科学家们也断定在最明亮的土星环之外应该还有一层非常不明显的弥散性的外环给了一个编号叫做翼环但是这一次先军者 11 号没能探测到这个弥散性的翼环的存在大概是灵敏度还不太够不过倒是找到了一个比较不明显的 G 环

先驱者穿过光环以后呢在土星引力作用下就拐了个弯就一直贴着光环下表面飞行因为速度太快了而且距离光环太近它的曝光成像方式用那种扫描仪式的成像方式

这种方式吧你拍个镜屋没问题但是对于动的东西它就不怎么灵拍出来的那个光环呢全都脱线了都糊成一片但是左侧露出的那个土星表面呢相对来讲还是能看清楚的就像这种啊光环糊成一片的照片它一共是拍了五张

虽然这些照片上看不出什么但是磁场探测器发现了不一样的情况从数据上分析这个探测器在穿过光环的那一刻它几乎与一个大家伙相撞这个高能粒子探测器的数据突然是急剧下降磁场计也发现了数据异常这个过程维持了十多秒钟才过去

这说明啥呢这说明啊有一颗卫星恰好路过这个探测器刚好穿过了卫星磁场的尾迹啊这个科学家们就毛故了一下这个东西呢大概是 170 多公里这么大距离探测器呢大概是 4000 公里左右吧在宇宙空间呢这几千公里的距离已经算是很近很近了

科学家当时也不知道这大家伙到底是谁了这索性子起了个编号叫 1979S2 什么意思呢就是 1979 年土星发现的第二个小卫星土星和木星的卫星实在是太多了有很多小家伙啊在地球上你就是拿最好的望远镜也看不太清楚所以这会儿科学家们暂时还不知道这到底是哪一位

总而言之吧这是人类在以前完全没有类似经验的条件之下获得的一次重大成功你想啊飞行了六年半足足飞了 32 亿公里距离那么远精度却那么高这无论从哪个角度来讲都是一个奇迹了这一次呢这先驱者 11 号还遇上了好几颗大卫星大一点的土卫三啊土卫五啊还比较好辨认其他卫星都太小了吗到底谁是谁啊这都难说

9 月 3 号先驱者 11 号从 35.4 万公里的距离上略过了土围 6 拍摄的照片呢翻遍率也很够呛看上去那个土围 6 就像一个圆形的饼干就没有太多的细节了到此为止先驱者 11 号探测行星的任务基本上就已经完成了现在自由自在的飞向了太阳系之外

一路上探测器还在不断的发挥数据但是无线电信号就越来越微弱了到最后一次接收到信号大概是在 1995 年在此之后就再也没有消息了当然了这些都是后话了反正这一次先驱者 11 号给土星家族连大带小一共拍摄了 440 张照片

这些发送回来的照片和数据都要经过仔细的研究才能够得出一些结论比如说那个 1979S2 你到底是谁呢分析人员从照片里面还真找到了这个家伙根据磁场数据和照片的推算这个小家伙直径有 400 公里这怎么又大了一圈刚才不说 170 吗反正天文学生你能把数量级搞对了就不错了

同时科学家们还发现好像这个 1979S2 就是土卫石这个土卫石是一个 1966 年就被发现的小卫星但是你再仔细研究下去大家才发现

这事里面吧他还有幺蛾子只能说天下之大无奇不有这个土卫十和土卫十一啊就是这么一对火宝 1966 年的 12 月 15 号法国天文学家叫多尔菲斯发现了一颗土星的小卫星后来呢就起了个名字叫亚努斯过了三天 12 月 18 号另一位天文学家叫理查德沃克也发现了土星的一颗新卫星

后来对比了一下就发现这个家伙的轨道啊和多尔菲斯发现的这个卫星啊是一模一样的这应该就是同一颗卫星但奇怪的是他俩别看沿着同一个轨道走啊但是他俩运转周期似乎是不一样的这差了那么一丁点怎么就对不上呢这到底咋回事呢这个问题一直就没怎么弄明白

一直到 1978 年有另外两位科学家拉尔森和方丹在提出这么一种说法就这两颗卫星啊

几乎共用了同一条环绕轨道所以这俩卫星才会显得这么怪异他们提出这个假说的时候呢是 1978 年第二年也就是 1979 年这先驱者 11 号就和这个奇怪的土尾石有了这么一次亲密接触还给拍下来了不过那照片都比较糊那分辨率实在不怎么样最终拍摄到土尾石和土尾 11 这两个家伙真容的是旅行者 1 号

这个旅行者号拍的照片那就非常清楚了这土味石的半径又被下调到了 140 公里了它只有这么大点了不过这是 1980 年的事也就是明年的事了后来科学家们发现事情是这样低这两颗小天体的轨道半径几乎是一样的中间只差了 50 公里

这两个小家伙轨道周期不一样但是每过四年就有一次相遇的机会这两个小天体的距离就会特别近在万有引力的相互作用之下这两颗小家伙就开始互相拉扯了这跑得快的会被拉扯慢了这跑得慢的会被拉扯快了结果呢那个减速的轨道半径会变小那个加速的轨道半径会变大

于是这两个小家伙就交换轨道了他俩一相遇这次你跑外圈我跑里圈下次再相遇的时候这两个小家伙就再交换一次这回你跑里圈我跑外圈

这种情况实际上就是限定条件下的三体问题只不过这个问题显得比较另类而已当然了这一次啊这个先驱者 11 号除了拍摄到一大堆土星的照片还发现了土星也是有磁场的虽然这个磁场强度比不上木星但是也比地球强了 500 多倍了而且呢土星也是一样有辐射带的也是有磁层的

先去者 11 号还发现了两个星光环就是我们前面提到过的一个 F 环一个 G 环 G 环在 F 环之外更加暗淡更加稀疏但是从照片上是可以分辨出来的

但是那个传说中的 E 环呢就没有找到啊这个就只能以后再说了另外呢这次从照片上看出来这个卡西尼缝里边它也不是空的它也是有大量的颗粒物的因为 A 环和 B 环太亮太显眼了所以才衬托的这个卡西尼缝比较黑其实卡西尼缝的亮度和后边那个 C 环是差不多的

而最内侧的那个地环从这次的照片上完全看不出来这事吧你只能等下一次旅行者号到了以后再好好观察一下这次是没机会了总而言之这次根据先期者 11 号的数据推测这个土星环的密度是很低很低的主要它是由病颗粒组成的

正因为它是冰颗粒组成的所以它反光非常强当然了这次先驱者 11 号的任务还留下了很多谜题这些谜题都只能等着下一次旅行者 1 号和旅行者 2 号了这时候他俩还在路上刚过了木星还没到土星此时暗下不表

就在这几年里面美国人在忙活这档子事苏联人也没闲着他们正在跟那个火星怄气为啥跟火星怄气呢因为他们的火星探测任务已经失败了好几次了他们就跟那个火星犯冲那这到底是怎么回事呢我们下回再说科学声音