卡西尼号：揭开土星系统的神秘面纱 | 科学世界·星际征途

土星，这颗拥有壮丽光环的气态巨行星，自古以来就吸引着人类的目光。从伽利略首次用望远镜观测到土星的光环，到现代探测器飞越土星，人类对这颗行星的探索从未停止。而卡西尼号作为第一个环绕土星飞行的探测器，带来了许多令人惊叹的发现，无疑在所有的土星探测任务中留下了最为辉煌的一笔。

本期作者叶生毅教授来自南方科技大学，曾担任卡西尼号数据分析项目的首席科学家，关注土星系统中的尘埃环、极光、磁层波动等空间物理现象。

专栏主持人：李荐扬

尚未分离的卡西尼-惠更斯号近距离飞掠土星及其卫星（艺术想象图） （图片来源： NASA/JPL；作者 Kevin Gill）

卡西尼-惠更斯（Cassini-Huygens）任务是由美国航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和意大利航天局（ASI）共同合作完成的。它于1997年10月15日搭载大力神四号B型运载火箭，于卡纳维拉尔角空军基地40号航天发射复合体（SLC-40）发射升空，经过近7年的漫长旅程，终于在2004年7月1日进入土星轨道，开始了它长达13年的探测之旅。

卡西尼-惠更斯号探测器搭载大力神四号B型运载火箭点火升空 （图片来源：NASA/JPL）

卡西尼-惠更斯号探测器高清图（基于实物的渲染图） （图片来源：NASA/JPL）

卡西尼号探测器以17世纪意大利天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）的名字命名。他首次发现了土星的四颗卫星（土卫三、土卫四、土卫五和土卫八）。而卡西尼号任务正是要延续卡西尼的探索精神，揭开土星及其卫星的更多秘密。

17世纪意大利天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼 （图片来源：意大利博洛尼亚波吉宫博物馆）

✦ 风雨中的前行 ✦

1982年，欧洲科学基金会和美国国家科学院携手搭建科学合作的桥梁，两位欧洲科学家丹尼尔·戈蒂埃（Daniel Gautier）和叶永烜（Wing-Huen Ip）在此背景下提出了一个宏伟的构想——打造一项能同时探索土星及其最大卫星土卫六（泰坦，Titan）的联合任务。这颗星际梦想的种子，就此在太空探索的土壤中悄然萌芽。

1988年，NASA的太空科学和应用协会理事长莱恩·菲斯克（Len Fisk）敏锐地察觉到NASA与ESA的联合任务潜力，他主动联系ESA的罗歇·博内（Roger Bonnet），极力推动两大航天机构携手合作。与此同时，欧洲在航天领域的独立步伐以及苏欧合作的加深，让NASA意识到，唯有加强与ESA的伙伴关系，才能在全球航天竞赛中保持领先。任务计划主要分为两个部分，其中卡西尼号主要由NASA牵头研制，作为土星环绕器，主要负责探测土星及其部分卫星以及土星环；惠更斯号主要由欧洲空间研究与技术中心研制，其作为土卫六着陆器，主要负责探测土卫六的大气及表面特征。意大利航天局主要负责卡西尼号的雷达与天线系统。最终，卡西尼-惠更斯任务成为美欧携手探测土星的桥梁，翻开了深空探索合作的新篇章。

探测器设计与仪器：宇宙探索的工程奇迹

卡西尼探测器高6.8米，重6.4吨，相当于一辆12座的小型巴士。核心是直径4米的巨型高增益天线（HGA），由石墨环氧层和铝蜂窝芯构成，既是通信主力，又搭载太阳传感器和雷达信号接收器。它的“永生能源”来自3台放射性同位素热电发电机（RTG），每台利用10.9千克钚238衰变热量发电，初始总功率900瓦，任务末期仍能维持640瓦。探测器的“神经系统”由MIL-STD-1553B数据总线串联：包括了指令与数据系统（CDS）、固态存储器（SSR）和硬件指令解码器（HCD）。卡西尼号也创下了当时的多个记录：规模最大、设计最复杂的深空探测器，任务成本最高的探测任务（约36亿美元），同时也是人类首个土星环绕探测器。

组装好的卡西尼-惠更斯号，左侧金色的半弧形是惠更斯号 （图片来源：NASA/JPL）

在冷战余波未散的时代背景下，NASA在国会的预算审核中屡遭挑战，卡西尼任务一度命悬一线。1992年和1994年，这个计划两次面临被削减甚至取消的风险，但NASA凭借坚定的科学信念与外交智慧，成功说服国会继续支持这项探测计划。同时，ESA已投入大量研发资源，一旦计划中止，不仅将打击国际合作的信心，也可能影响更广泛的外交关系。

卡西尼-惠更斯号探测器示意图 （图片来源：NASA/JPL）

尽管在1994年之后，仍有部分民间组织因对放射性同位素电池的环保担忧而试图阻挠发射，但最终，卡西尼号冲破重重政治与舆论风暴，于1997年成功发射，踏上前往土星的传奇之旅。这不仅是一项科学探索的胜利，更是国际合作在航天领域的一次辉煌见证。这种通过国际合作共同推动人类探索未知的精神也延续到了我国的嫦娥系列、天问系列以及未来的国际月球空间站等深空探测项目中，为我国建设航天强国注入新的动力。

✦ 土星环：宇宙中的“项链” ✦

惠更斯于1659年解说土星系统的图说 （图片来源：惠更斯所著的《土星系统》）

土星的光环是它最引人注目的特征之一。

1610年，伽利略就用自制的望远镜发现了土星环，但由于观测精度的制约，他将所观测到的结构误认为是土星两侧的两个巨大且相对土星静止的卫星。

1655年，惠更斯利用更好的望远镜设备才真正地认识到土星的环结构并记录了土星环的变化情况，但当时他认为土星环是一个连续的实体圆环。

1979年，先驱者11号飞掠土星，成为第一个近距离观测土星环的人造航天器。

1980和1981年，旅行者1号和2号依次飞掠土星，获得了更为精细的土星环影像。

2004年，卡西尼号正式进入土星轨道，利用所搭载的多种载荷对土星环开展了更为精细的科学研究。通过这些探测器的近距离观测，科学家们发现土星环原来是由无数个小冰块、岩石和尘埃组成的复杂系统，环中的物质会不断碰撞、合并，甚至形成新的小卫星。

卡西尼号于2006年9月15日拍摄的土星环全貌 （图片来源：NASA/JPL）

艺术家在2007年描绘的土星环影像，冰冷的微粒聚集成环的固体部分 （图片来源：NASA/JPL）

1675年，乔瓦尼·卡西尼确定土星环由许多较小的环组成，它们之间存在缝隙，其中最明显的环缝——卡西尼缝存在于A环和B环之间，宽度有4800千米，它是由土星的卫星土卫二（Enceladus）的引力作用形成的。而土星环最密集的范围正是被卡西尼缝所分隔开的A环和B环，以及性质上与卡西尼缝相似，在1850年发现的C环，这些环共同构成了主环系统。主环的特征是颗粒密集且尺寸较大。此外，尘埃环则包含了向内一直延伸至土星云顶的D环，以及在主环系统外面的G和E环。“尘埃”这个字眼是用来描述散布在环内的小型颗粒（通常只有微米级大小，比头发丝的直径还要小）；它们的化学组成和主环一样，几乎完全都是碎冰。狭窄的F环，就在A环外侧的边缘，很难分类，它的分布非常密集，但也包含很多尘埃大小的颗粒。

由卡西尼号的窄视场摄影机拍摄的土星环部分影像， 由左至右依序为D、C、B、A和F环，日期为2007年5月9日 （图片来源：NASA/JPL）

✦ 土星的卫星：冰与火的奇妙世界 ✦

到2025年3月，已发现并确认轨道的土星卫星数量已有274颗。其中有24颗归为所谓的“规则卫星”，它们沿顺行轨道公转，且轨道与土星赤道平面之间的倾角不高。其余卫星的平均直径介乎4至213千米，统称为“不规则卫星”，其轨道距离土星更远，轨道倾角更高，有的顺行，有的则逆行。这些卫星很可能是被引力捕获的小行星，或是被捕获后解体并形成各个碰撞家族的小行星碎片。土星的卫星中特别值得注意的是土卫六和土卫二。

由卡西尼号所拍摄的土星多颗卫星的图片 （图片来源：NASA/JPL）

·土卫六：地球的“远古镜像”

土卫六是土星最大的卫星，是太阳系中第二大卫星（仅次于木星的木卫三），也是太阳系中唯一一颗拥有浓厚大气层的卫星。卡西尼号携带的惠更斯号（Huygens）探测器于2005年成功降落在土卫六表面，传回了这颗卫星的第一批地表图像。

土卫六的大气主要由氮气组成，与地球早期的大气非常相似。科学家们认为，研究土卫六可以帮助我们了解地球早期的环境。卡西尼号还发现，土卫六表面有碳氢化合物（烃类，如甲烷）形成的湖泊和河流网络，这也是在首次在地球外发现的稳定地表液体，且部分似乎带有与低洼地形相连接的液体流道。

惠更斯号是首个登陆外太阳系天体的航天器， 于2005年1月14日拍摄了这幅土卫六表面的珍贵图像 （图片来源：NASA/JPL/ESA）

卡西尼号拍摄到的真实色彩的土卫六 （图片来源：NASA/JPL）

卡西尼号雷达影像中的土卫六液态甲烷湖泊 （图片来源：NASA/JPL）

·土卫二：冰下海洋的“喷泉”

土卫二是土星的第六大卫星，于1789年被威廉·赫歇尔（Wilhelm Herschel）所发现。尽管它的直径只有500千米左右，但在其表面既存在古老的撞击坑构造，又存在较为年轻的扭曲地形构造。卡西尼号发现，土卫二南极地区有大量的水蒸气喷发，这些喷发物形成了壮观的太空“冰喷泉”。

卡西尼号所拍摄到的土卫二，影像接近真实色彩 （图片来源：NASA/JPL）

科学家们推测，土卫二的冰层下可能存在着一个巨大的液态水海洋，而这个海洋中可能存在着适合生命存在的条件，这一发现让土卫二成为了太阳系中最有可能存在地外生命的天体之一。

卡西尼号所拍摄到的土卫二南极的冰喷泉 （图片来源：NASA/JPL）

·土星的大气：风暴与极光的奇观

土星的大气层中充满了剧烈的风暴与复杂的气象活动。土星大气最为壮观的景象是位于其北极地区的六边形风暴结构，面积足足能容纳四个地球。土星六边形风暴结构最早由旅行者号任务发现，卡西尼号抵达土星时同样也观测到它。在卡西尼任务期间，土星六边形结构的颜色从蓝色逐渐转变为金黄色，目前我们仍不清楚其具体成因。

土星北极六边形结构的颜色变化 （图片来源：NASA/JPL）

此外，卡西尼号还观测到了土星上的极光现象，在短短几分钟内拍摄到的垂直于地面的北极光延伸到距离土星表面超过1200千米的高空，上演了一出令人眼花缭乱的“超级极光秀”。

土星的绚丽极光 （图片来源：NASA/JPL）

✦ 卡西尼号的“壮丽终章” ✦

2017年9月15日，卡西尼号在完成了13年的探测任务后，以一次壮丽的“终章”结束了它的使命：为了避免卫星残骸污染土星的卫星，卡西尼号主动坠入土星大气层，在燃烧殆尽之前，它仍然在传回宝贵的科学数据，直至最后一刻。

这一被命名为“壮丽终章”的最终探测阶段中，探测器以无与伦比的21.4万千米/小时的速度，22次穿越土星本体与D环之间仅2000千米宽的未知区域，创造了人类航天器首次深入这个领域的探测纪录。

在此次史无前例的抵近探测中，卡西尼号搭载的12台科学仪器累计回传635GB（吉字节）原始数据，为行星科学家提供了研究土星内部结构、磁场时空变化、辐射带粒子分布、极光射电机制、土星环系统及大气物质循环的珍贵样本。基于这些突破性观测数据，国际科研团队在《科学》杂志（Science）2018年10月特刊中公布了卡西尼任务的六项里程碑式研究成果，包括首次精确测定土星自转周期为10小时33分38秒，揭示其大气深层环流模式，发现D环冰粒以10吨/秒的速率坠入大气，以及证实土星环系形成时间远晚于行星本体等重要结论。这项持续20年的“旗舰级”深空探测任务，最终通过自我牺牲式的科学坠毁，为人类认知气态巨行星系统树立了新的标杆。

卡西尼号探测器在“壮丽终章”阶段的轨道（蓝色曲线）示意图 （图片来源：NASA/JPL）

卡西尼号的“终章”不仅是一次科学任务的结束，更是一次对人类探索精神的致敬。它为我们揭开了土星的许多秘密，也为未来的深空探测任务奠定了坚实的基础。

卡西尼号的壮丽终章（艺术想象图） （图片来源：NASA/JPL）

✦ 永恒回响：科学与探索的丰碑 ✦

卡西尼号任务虽然已经结束，但它留下的科学遗产将永远影响着我们对土星和太阳系的认知。它不仅为我们带来了无数令人惊叹的发现，还激发了更多人对宇宙的好奇心。

通过证实土卫二具备热液活动与有机分子，卡西尼号将这颗冰卫星推入“地外生命候选名单”，催生了欧罗巴快船、蜻蜓号等新一代探测计划，重新定义了宜居性研究的疆域。

土星环中的冰粒会逐渐吸附宇宙尘埃而变暗，卡西尼号发现土星环的污染程度较低，计算得出环系统仅形成于1～2亿年前，暗示太阳系曾在恐龙时代经历剧烈动荡，为行星系统演化理论注入颠覆性观点。

通过追踪土星射电信号和土星环中的密度波动模式，科学家首次捕获其内部与光环、大气与磁层耦合的“行星心跳”，为破解气态巨行星自转周期这一谜题提供密钥。

主动终结于土星大气层的悲壮抉择，彰显了人类在深空探索中守护地外生态环境的责任感，为未来木卫二、土卫六探测任务确立行星保护范式。

未来，随着技术的进步，我们或许会再次派遣探测器前往土星，继续探索这颗神秘的行星。当“星舰文明”尚在襁褓之时，卡西尼号已证明：一艘以人类智慧铸就的探测器，足以在亿万千米外重构行星史诗。它的轨迹提醒我们，深空探测不仅是技术的远征，更是对宇宙诗性的朝圣。或许未来环绕土星的轨道上，将游弋着人工智能（AI）驱动的纳米探测器群，它们会携带卡西尼号的数字记忆，继续追问那些未解之谜——但彼时的每一次突破，都将回荡着1997年启程的那声轰鸣。正如《科学》杂志主编所言：卡西尼号的终章，恰是行星科学新纪元的序曲。

这颗曾照亮土星暗环的人造金属流星，终以数据与梦想的形式永生于人类文明的星海。卡西尼号的故事，将永远激励着我们，勇敢地迈向未知的星际深空。

作者简介

叶生毅，南方科技大学地球与空间科学系教授、博士生导师，清华大学理学学士，美国达特茅斯学院物理与天文系博士。曾任职于美国爱荷华大学物理与天文系，从事NASA卡西尼及朱诺任务的数据分析研究工作，并获得卡西尼任务大结局科学团队成就奖。研究领域为空间物理和行星科学，长期从事行星射电与等离子体波动和空间尘埃探测方面的研究。

本文摘编自杂志2025年第7期，文章内容略有删改。

新媒体编辑 | 周濛