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12月號/2006 -2006/12/01出刊
 
 
飛越土星
12月號/2006
美麗異世界:土星的祕密面紗
撰文 比爾•杜西特 Bill Douthitt
影像 美國航太總署、噴射推進實驗室、太空科學研究所
這裡的雨,1000年才下一次,一下起來,就是傾盆的液態甲烷;有毒的空氣遮天蔽日,陽光終年是昏暗的橘色微光。這裡的冷,是攝氏零下179度的致命低溫;而霧濛濛的天邊,隱約可見有環圍繞的土星。
儘管如此,在土星這顆特大號的衛星泰坦上,一切其實與地球相似得可怕。夏威夷大學天文研究所的托比亞斯•歐文說:「泰坦是小飛俠彼得潘的世界,它具備了所有必要的材料和原素,足以發展成一顆像地球的行星,可是它從來沒有機會長大。」濃密的大氣裡瀰漫著碳氫化合物煙霧,「就像洛杉磯空氣不好的時候,」歐文說。罕見的甲烷雨季瞬間形成河流,在泰坦的低矮丘陵上切割出深深的河道,流向下面廣闊的砂質平原。泰坦可能和地球一樣,也有地質活動與火山作用,只不過噴發時速度較慢、溫度較低,噴出的物質很像熔岩,但卻是由半融化的水與氨混合而成。最讓人感興趣的是,泰坦輕柔的風含有豐富的有機分子,其中有些化合物使人聯想到地球生命形成所需的原始材料。
以往,歐文和其他行星科學家只能想像泰坦的模樣,現在他們已有機會造訪,只不過是透過遙控裝置做到的。過去兩年半裡,一艘叫卡西尼號的太空船不斷在土星的環和衛星周圍探索,俯視著這顆巨行星。卡西尼號抵達土星後不久,更發射了另一具較小的探測器惠更斯號登陸泰坦表面。
與泰坦的接觸是這趟太空之旅的高潮。而這趟太空之旅可說是回溯的旅程:從土星內部奇特的金屬氫、土星環的小碎礫,到土星形形色色的衛星(特立獨行的冰封星球土衛九、噴著熱泉的土衛二),土星的種種透露了46億年前太陽系是如何形成、並從而開始孕育生命的。美國航太總署艾姆斯研究中心的行星學家傑夫•庫齊說,土星和它的大批衛星、星環隨扈,「就像一個巨大無比的模型,能告訴我們太陽系的結構和演化。」
土星的祕密是經過長時間才慢慢揭露出來的。1610年,伽利略發現了土星最迷人的特色:土星環,但透過原始粗糙的望遠鏡,伽利略以為那是土星兩側較小的兩顆天體。到1656年,荷蘭天文學家惠更斯(探索泰坦的探測器就是以他命名)才看出那是什麼。惠更斯號又發現土星環外有微弱的光點,那是土星的衛星,後來命名為泰坦,也就是希臘神話中地球早期的統治者。
在那之後,天文學家陸續發現一顆顆較小的衛星,目前總計有56顆。1940年代,由於望遠鏡的改良,天文學家看出泰坦外圍有一層霧靄,這是第一個跡象,顯示泰坦有濃密的大氣層,跟太陽系的其他衛星很不一樣。終於,第一批太空探測器開始飛過土星,那就是1979年的先鋒十一號,以及1980年和1981年的航海家一號和二號。這些探測器飛越土星時,拍下了土星、土星環和衛星的近距離照片,科學家由此開始發現,泰坦就宛如凍結的時間膠囊,保存了和早期地球非常類似的狀態。
現在,經過多少個世紀的好奇和期待,科學家終於可以好好觀察土星了。由美國航太總署、歐洲太空總署和義大利太空總署合作建造的卡西尼─惠更斯號探測器,是個長6.7公尺的金屬圓筒,筒身密密麻麻豎滿了科學儀器,頂端有白色碟形天線。它在1997年朝土星射去,於2004年6月30日抵達,展開為期至少四年的探勘工作。
飛越35億公里的航程之後,卡西尼號下降到離土星的黃色雲霧2萬公里的範圍內。卡西尼計畫主持人羅伯•米契爾回憶道:「那一刻真是讓人直冒冷汗。」
土星環看來整齊有致,實際上卻布滿碎礫,卡西尼號以超過11萬公里的時速穿過土星環時,只要撞上一顆碎石,就足以終結這耗資34億美元的任務。在美國航太總署位於加州的噴射推進實驗室裡,米契爾的團隊緊張地監控信號,直到卡西尼號毫髮無傷地進入軌道、開始四處張望,才鬆了一口氣。
土星的大小僅次於木星,足以容納700多個地球,但由於幾乎完全由氫構成,因此比水還輕。要是把土星投入能容納它的12萬500公里直徑的大海裡,它一定會像一顆巨大的黃色海綿球一樣浮起來。土星自轉的速度非常快,快得赤道區域變得較膨脹,直徑比兩極之間要多出1萬1800公里,同時土星的一天還不到11小時。
由於土星幾乎都是氣體,沒有固定地標可以用來顯現確切的自轉速度。但它緻密的內核形成強大的磁場,會隨著土星旋轉。過去兩年間,卡西尼號計算出磁場每10小時47分6秒旋轉一周,只是沒有人能確定土星本身的自轉速度是否相同。不過,這個磁場同時還開啟了一扇窺探土星核心的窗口。
46億年前太陽剛誕生時,盤狀的氣體塵埃雲繞著太陽旋轉,土星就是從這裡開始形成的。氣塵雲裡的小顆粒一點一點聚集起來,等到聚集的團塊有了足夠重力,便開始把各種物質吸進來,而這些由鐵與岩石組成的團塊也愈變愈大,其中一個就是後來長成土星的種子,當時它的質量可能就已經是地球的好幾倍了。
年深日久,這顆岩心的重力吸引了大量氫氣聚集在周圍,使它的質量快速成長,壓力也逐漸上升。科學家相信,就是這高壓把最內層的氫氣擠壓成了液態金屬,這是絕佳的電導體,在金屬氫內奔湧的電流於是讓土星有了強大的磁場。
40多億年後,土星核心仍然保留了形成時的熱,這股熱力在大氣層深處掀起劇烈的上升氣流,使土星颳著太陽系裡數一數二的超音速疾風,時速可達1500公里;同時也驅動了土星浩瀚的氣候系統。美國航太總署噴射推進實驗室的凱文•貝恩斯說:「我們在大氣層裡看到了風暴、閃電、雲區,還有奇怪的波紋現象。」
唯有在籠罩著一層黃色煙霧的土星大氣頂層,騷動的氣流才終於歇止。在這裡,遙遠的太陽在平靜的雲朵上投下變化萬千的光影,那是土星龐大的星環系統的影子。
土星的主環從一端的邊緣到另一端的邊緣,直徑是26萬5500公里,超過地球到月亮距離的三分之二,但這些由碎冰礫構成的環狀結構平均厚度只有40公尺。研究土星環的庫齊說:「想像一張薄紙,有十個足球場那麼大。」
沒有人知道土星環是怎麼形成的,不過有些科學家猜測,可能是土星的重力撕裂了一個結滿冰的衛星或彗星,散落的碎屑就成了土星環的原料。無論如何,從宇宙的角度來看,這些環是最近才有的。不過這些環可以作為研究古老事件的模型,藉以了解環繞著初生太陽運轉的粒子盤,以及粒子盤與新生行星之間的交互作用。
在現今的土星環中,小衛星就扮演行星的角色。每個衛星的重力拉扯力道都很弱,「差不多像卡車經過你身邊時的重力,」庫齊說。但這些衛星的重力卻能幫助維持星環的穩定,使環中的粒子不會飛離軌道。衛星也會在環中切割出間隙,同時衛星的重力會使鄰近的環出現密度波,在環內此起彼伏,就像壅塞的高速公路上車流時快時慢一樣。
之前航海家號就已經瞥見這樣的波動,但卡西尼號讓我們看到更多細節。比方說,2004年6月卡西尼號衝過土星環時,在主環最外圍、有如薄紗的A環裡發現了迷你衛星的跡象。在離土星較遠的F環,卡西尼號也拍攝到糾纏成一堆的細環,旁邊還有小衛星把物質掃成一團、接著又把團塊分散開來。
「我們可以看到細環與衛星在互動,小衛星也在形塑環。」庫齊說,這讓我們對太陽系的發展有了新的體認,「可以說明行星是怎麼在原行星盤裡形成的。」A環的小衛星在攪動環中的粒子時,會緩緩朝內盤旋,這個移動的過程可能也形塑出某些古怪的星系;在這些星系中,大如木星的行星會緊鄰恆星,比水星與太陽的距離還近,或許就是由於類似的移動過程造成的。
太陽系的一個早期遺跡也還繞著土星旋轉,那就是土衛九。土衛九運行的方向與大部分土星衛星的公轉方向相反,從這點就可以看出它的來歷不尋常。2004年卡西尼號接近土星時,曾仔細觀察土衛九,發現這顆直徑220公里的衛星是由冰、岩石與碳化合物組成,跟太陽系外圍柯伊伯帶中冰封的小天體非常相似。 而一般認為,柯伊伯帶天體是外行星的剩餘建材。太陽系形成後,大部分柯伊伯帶天體都被拋到冥王星之外遠處,土衛九可能也曾是個柯伊伯帶天體,但因為困在初生土星周圍的軌道,所以留了下來。
土星的其他主要衛星則很可能跟土星一樣,在相同的氣體、塵埃和岩石團中形成,但這些衛星極為多樣化。卡西尼號發現,有些衛星不過是鬆散聚集在一起的碎石團,例如形如馬鈴薯、總長360公里的土衛七。大一些的衛星密度較高,表面特徵也較鮮明,那都是由過去的偶發事件或內部熱力及熱力所引發的地質活動雕塑出來的。
比方說,航海家號傳回來的影像顯示直徑1456公里的土衛八有黑白兩個半球,就像太極符號一樣。研究人員猜測,土衛八或許幾乎都是純冰,明亮的那半是因為冰面暴露在外,黑暗那半則被岩石和有機物質覆蓋。
後來卡西尼號又發現新謎題:土衛八和土星一樣,中間特別凸出,還有一道比喜馬拉雅山高一倍的山脊,在赤道上綿延1500公里,主要分布在黑色半球上。康乃爾大學的彼得•湯瑪斯說:「沒人想得出為什麼會這樣。土衛八的明暗兩半本來是一大謎題,冒出這些新問題後,現在已經退居第三位。」
不過最令人感興趣的還是土星最大的衛星泰坦。2004年12月25日,卡西尼號抵達土星六個月後,發射出這次任務的至寶:名為惠更斯號的碟形探測器。三週後,惠更斯號衝入了泰坦煙霧濛濛的大氣層。
在德國達木士塔,歐洲太空作業中心辦公大樓的一間禮堂內擠滿了科學家、學生和記者,正等著第一個訊號從泰坦傳回來。巨大的黃色土星模型盤據在演講廳前方,在電視強光照射下異常明亮。英文、法文、德文、西班牙文、義大利文對話此起彼落,彷彿流星四散,反映出惠更斯號的國際性。
就在一小時前,惠更斯號本尊以比來福槍子彈快十倍的速度進入了泰坦的外大氣層,劇烈的空氣摩擦力讓惠更斯號的防熱板溫度高達攝氏1500度左右。幾分鐘後,惠更斯號減速、冷卻、打開降落傘、拋棄防熱板,像一片樹葉般在泰坦的風中飄浮,攝影機和麥克風開始記錄遙遠世界的氣候。
惠更斯號降落時,人群也湧入大禮堂,任務控制人員已開始接收到惠更斯號的信號,顯示它度過了降落這一關。信號透過卡西尼號傳遞,需要67分鐘才能從土星傳回地球。終於,到了下午5點,歐洲太空總署的太空科學主任大衛•索斯伍德站上講台,正式宣布惠更斯號平安抵達:「我們是泰坦的第一批訪客。」
現在就等電腦將信號轉換成影像了。時間慢吞吞地過去,幾小時後,禮堂四周的電視螢幕突然顯現出粒子粗糙的黑白影像,那是惠更斯號在下降中途拍的照片,上面是凹凸不平的小丘和一片暗沉的平原。
群眾向電視螢幕湧過去,這個以希臘神祇命名的衛星,此刻受到媒體儀式性的、幾近崇拜式的注目。電視台工作人員忙著拍攝泰坦的影像,攝影師則拍下電視台人員錄影的景象,還有電台記者拿著麥克風錄下電視傳出的旁白說明。
更多影像陸續播出,有一張是匆忙合成的拼貼圖,呈現從空中俯瞰的全景。終於,第一張地面照片出現了,而且是彩色的,鮮豔橘紅的地景上滿是石頭,遠處可見到一些矮丘。夜深了,群眾還聚集在螢幕旁拍攝,螢幕上都是幾個小時前從惠更斯號傳到卡西尼號、在母船上儲存、再傳回地球的影像。
此時,惠更斯號的簡短任務其實已經結束,卡西尼號順著軌道走遠,已接收不到惠更斯號的信號。但惠更斯號還持續對著太空發射信號,一直到兩個小時後(比預期長得多),電池才完全耗盡。
惠更斯號在著陸過程中發生了小故障,以致有一半的照片(350張)因通訊失靈而遺失。就算一切順利,惠更斯號還是只能看到泰坦的一小部分,雖然可說是管中窺豹,但所見所聞已足以回答一些重要的問題。
在這之前,沒人知道惠更斯號究竟會降落在堅硬的岩石上,還是溼軟的糊狀物、或油膩膩的甲烷海洋中。事實上,惠更斯號並未發現任何液體池,但有許多跡象顯示那猶如焦糖布丁(上面有一層硬殼,底下卻相當溼軟)的地殼有時候會被液體覆蓋。
 
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