“卡西尼”号，有哪些值得记住的探险和重大发现？
北京时间2017年9月15日18点32分，土星探测器卡西尼号发出了最后一个讯号（距离原因，NASA在83分钟后收到该信号，即19点55分），之后便化作土星太空中的一道流星，成为灰烬，这是太阳系迄今最完美的告别。
1997年10月15日，在美国卡纳维拉尔角空军基地，卡西尼号发射升空。星际旅行总是充满漫长而无所事事，直到2001年，卡西尼抵达5.8亿公里外的木星，拍摄了一张位于木星南极上空的照片，剧烈的大气湍流以南极为中心排列成规则的环状，著名的大红斑在照片左上方清晰可见。
之后，卡西尼又拍摄了木卫二，它是太阳系内最光滑的星体，在冰冻的地表刻画出张牙舞爪的暗色条纹，冰下则是相对温暖的海洋，幸运的是，卡西尼拍摄到了木卫二的液态水喷发。这里具备生命所需的全部条件，这几乎成了卡西尼号最重要的发现.。
经过7年漫长的旅途，卡西尼终入进入土星轨道，成为首艘环绕土星飞行的探测器，它飞遍了土星周围的角角落落，拍摄了数万张照片。
卡西尼号之后开始探测任务的重点，就是土卫六泰坦，它拥有浓厚的大气层，科学家高度怀疑其上有生命体存在，卡西尼释放出了一个小型机器人惠更斯，人类第一次拍摄到了土卫六的清晰照片。泰坦，早就被人类看好能成为地球以外第二个家园的目标之一，尽管科学家们推测土卫六上不大可能发现生命，但从卡西尼和惠更斯传回来的地表特征来看，土卫六其实和早期地球环境非常类似，科学家们兴奋地将泰坦称为“镜像地球”，这上面有降雨，有河流，湖泊，海洋。
2010年下半年，卡西尼拍摄到了土星北半球升起了一片巨大的风暴，它拖着一个长达19万公里的尾巴，这个尾巴最终拉长环绕了土星一圈，和白色的风暴眼首尾相连起来，这是人们有史以来见过的最剧烈的土星风暴。
2013年7月19日，卡西尼在土星轨道上为地球拍摄了一张照片，这是14亿公里外的地球，照片中只能呈现为一个小小的点，那就是人类唯一的家园。
经过多年的变轨，卡西尼携带的燃料即将耗尽，未来在各种太空引力的作用下，科学家担心卡西尼会撞向恩克拉多斯，污染了这里的环境，为了防患于未然，只好让卡西尼还能被控制的时候，主动让他冲向土星，这个确定不太可能有生物的气体行星，在土星上完成自我销毁。
20年来，卡西尼号执行指令超过250万条，飞行距离超过49亿公里，产生了635GB科学数据，拍摄照片超过45万张。
卡西尼探测器飞了20年后坠入土星，目前有何进展？
出品：科普中国
制作：川陀太空
监制：中国科学院计算机网络信息中心
卡西尼号即将受控坠入土星大气，据美国宇航局最新消息，在美国东部时间9月15日上午4时55分，地球与卡西尼探测器的联系将中断，这就是意味着这艘价值近33亿美元的探测器彻底告别我们，坠入土星上层大气。
图1.卡西尼探测器自拍照，注意图中土星的六边形气旋
撞击土星上层大气位置大约在土星北纬10度附近，高度距离土星上层大气云顶1915公里，速度为每小时11万公里，大约为每秒30公里。据美国宇航局的推演，卡西尼号第一次接触土星上层大气时，调姿推进器还会在短时间内工作，并将探测器的蝶形天线对准地球方向，目的是获得土星大气的宝贵数据。
毕竟这是一次死亡之旅，多少年来才有一次，就像LCROSS探测器撞击月球那样，NASA在扬尘中发现了水。而这一次，卡西尼号也会带给我们意想不到的惊喜。就像那句话，死亡并不可怕，那些对社会有贡献的遗产才是人们敬仰你的原因。
当卡西尼号与地球联系中断后，其生存时间只有30秒左右，高度从土星云顶上方1915公里下降至1500公里。随着大气逐渐稠密，卡西尼号开始解体，毕竟这不是一个符合空气动力学的玩意，在宇宙真空环境中运行也根本不需要流体外形设计。只要几分钟，卡西尼号将变成一颗流星，在土星大气中完全烧毁。
图2.卡西尼号的死亡轨道
名副其实的“旗舰”
土星作为太阳系中外侧轨道的气态行星，远日点10个天文单位，相当于15亿公里。地球和太阳之间的距离为1个天文单位，由此看出，土星距离我们也挺远的，无线电信号传输需要80多分钟。也就是说，卡西尼探测器在坠入土星大气之时，在80多分钟之后我们才知道。
确切地说，是美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线。这也是宇宙神奇的地方，所有的故事都发生在过去，由于光速恒定，加之宇宙空间的浩渺，电磁波的传播也需要时间。我们所看到的所有光其实都来自过去，只不过我们感觉不到罢了。宇宙如此之庞大，而我们也只能从探索自己的恒星系统开始，美国宇航局为此制定了一系列覆盖整个太阳系的探索计划，并设置了旗舰级的项目。
图3.美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线
旗舰级项目是相对而言，相对于那些中低端项目，旗舰级项目定位是最高的。
首先，探测器的造价最高，普遍在20亿至30亿美元，这个造价相当一艘辽宁号这样的中重型航母，比一般的探测器几亿美元造价要高得多。
其次，探测器的功能全面，可解决一个方向上的重大问题。比如卡西尼号就是，搭载了18台各种科学仪器，并且携带了惠更斯号着陆器，对土卫六泰坦进行登陆考察。
第三，运行时间长，卡西尼从1997年发射，2004年进入土星轨道，2008年全部完全任务，然后开始超期服役。直到今天，已经超期服役近10年，期间两次延长任务期。超期服役让NASA也比较尴尬，因为地面控制中心要经费才能维持，深空通信网络运营也要钱，机遇号就是因为超期服役太久，差点让NASA安排安乐死。
从1970年代以来，美国宇航局再有钱，也无法维持多个旗舰任务，比如1977年发射的旅行者系列就是旗舰任务，至今还没挂，还在烧钱，从两个方向上飞出太阳系，距地110亿公里以上。还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动 ，旨在寻找火星生命，现在还在火星赤道以南的盖尔撞击坑附近考察。
图4.还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动 ，旨在寻找火星生命
飞出太阳系有诀窍
土星作为中外侧轨道的行星，要想对其进行探索，只有太阳能电池板肯定是不行的。这里的光照效率较低，一般都需要核动力驱动。但核动力也不是万能的，放射性同位素热电机最大输出也才300多瓦，靠这点动力想飞到土星是不可能的。
因此，在深空飞行的轨道设计中，利用行星引力加速才是飞出太阳系的诀窍。旅行者系列成功开启了行星引力弹弓加速的序幕，卡西尼探测器也使用了引力弹弓加速。首先，卡西尼号虽然目标土星，但是它要先往金星方向飞，利用两次飞掠金星进行加速，然后再飞掠地球和木星，利用后者引力进一步加速，前往土星。
就在飞掠地球时出现了一个插曲，由于卡西尼号使用钚-238作为核燃料，因此飞掠地球其实是有危险的，如果卡西尼号突然发生故障并且撞上地球，那么33公斤的钚-238核燃料就会散布到大气层中。美国宇航局还为此进行了一次关于卡西尼号偏离轨道后钚-238对地球的影响，评估认为至少5000人可能因此丧命，间接影响人群数量最高可达50万人。
图5.卡西尼号使用钚-238作为核燃料
美航天专家称，幸好没有撞上地球，虽然发生这样事件的概率不到百万分之一，但从概率学的角度看，还是存在发生的可能性，既然有可能发生，就要做好最坏的打算。而且还有那个神奇的墨菲定律，越担心的事，越有可能发生，只要它存在发生的可能性。
1978年，苏联核动力卫星宇宙954坠毁加拿大，美加用了10个月时间在长800公里、宽50公里的区域内找到3000多个放射性碎片，对地面造了一定的放射性污染。随着深空核动力装置的普及，探测器制造的费用也增加，但随之带来的高效模式让后期探索变得更加从容，毕竟用了核动力之后根本不需要担心电力不足的问题，也只有这样才能飞出太阳系，至少目前看是如此。
目前旅行者系列两艘探测器已经在太阳系边缘，1号已经飞出太阳系，2号在未来数年内飞出，从两个不同方向上离开太阳系。
图6.核动力卫星
未来的旗舰项目
在2018年至2020年，美国宇航局计划打造新一代火星车，旨在对火星的宜居性进行全面评估，并且建立技术示范。从机遇号、勇气号开始，经过好奇号的进一步强化，美国宇航局对火星的了解逐渐加深，新一代火星车有望掘地三尺发现火星生命。
2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目，在木星的一颗卫星上大动干戈确实有点大手笔，但考虑到木卫二的全球性冰下海洋，就不那么吝啬了。
图7.2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目
该探测器还会释放一个着陆器，具备钻探能力，这里有望发现首个地外生命，其意义必然不亚于阿波罗登月。如果我们发现首个地外生命，对人类而言是个不小的撼动，正如异形契约中所言，我们到底来自哪里？
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卡西尼号探测器的“寿终正寝”对人类的意义是什么？
9月15日消息，卡西尼号被科学家们称为世界上最勇敢的飞船之一，今天它的生命走向了尽头，但是它的一生仍然是极其精彩的。现在卡西尼号飞船正在土星轨道中飞行，为科学家们收集更多关于这颗星球的信息。但是数小时后，它的任务和生命都将终结。
卡西尼的完结，对人类来说损失了一个来自远方的千里眼，但同时也为科研带来了不少惊喜的数据，要说最终的意义，人类又得造一架卫星发射了。
卡西尼号将冲入土星大气层，然后开始燃烧并且毁灭，这样它就不会意外撞向土星的任何一颗卫星。这样也是为了避免它从地球携带的细菌污染这些卫星的环境。即使是在毁灭的过程中，卡西尼号也将为我们呈现土星的美丽景象。卡西尼号将飞入土星内部，在它最后的时刻到来之前拍摄照片并且发送回地球。
卡西尼号飞船最大的发现之一就是土卫二有可能存在外星生命，而且就在我们太阳系内。我们从未预料到一颗探测器会有这样的发现，因为它的主要目标是土星而非它的卫星。卡西尼号在太阳系中的发现完全改变了我们对于地球这个邻居的认知。
伦敦帝国学院的一位天体物理学家Dave Clements称：“卡西尼号的探索让我们对于土星卫星的认知从光点变成了现实，包括遍布冰冻岩石和甲烷海洋的土卫六，喷射水蒸气烟羽的土卫二，还有形状怪异的土卫七和土卫十八。它的发现让我们了解到，太阳系中的精彩超出我们想象。”
卡西尼号的撞击预计将在今天英国人的午饭时间发生，它生命的终结也让来自27个不同国家的一大群人结束自己长达20多年的工作。英国雷丁大学空间物理学教授Mathew Owens称：“卡西尼号长达20年的任务带给我们令人惊讶的数字，它发现了六颗卫星，拍摄了50万张图片，发送回了近一太字节的数据，为超过4000份科学论文提供了基础。”
但是那些从事这一任务的科学家们称他们并不后悔，因为这个任务所获得的成就是开始时所未预料到的。英国南安普顿大学物理学和天文学副教授Caitriona Jackman称：“我们是带着问题参与到其中的，我们想要绘制土星的磁场图，我们想要检查土星的卫星，我们想要登陆土卫六，而且也成功了。”
他补充道：“卡西尼号给我们带来了许多意想不到的惊喜。在绘制土星的卫星图时，我们发现了更多的卫星，我们也发现其中一颗卫星——土卫二的表面裂缝存在喷发水蒸气的间歇泉。这些意料之外的发现能够改变任务的过程。我认为需要强调的是，这个任务不会在今天结束，因为卡西尼号飞船所收集的数据还需要分析很多年。”
与Jackman博士一样，许多英国的科学家们对于这个任务悲喜交加，既有任务结束的悲伤，也有卡西尼号将发送新数据回来的喜悦。格林威治皇家天文台的天文学家Marek Kukula称：“卡西尼号任务是一项巨大的冒险。它完全改变了我们对于土星的了解，它发送回来的一系列照片展现了大气层、土星环和卫星的壮丽，让我们感觉好像自己身临其境。虽然任务的结束让人悲伤，但是它所获得成绩值得我们庆祝。”