探测器列传:17.穿过土星环

iso10000

咱们书接上文，上文书讲到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。雷达波的波长是12.5厘米，信号一来一回是2小时45分钟。走过的距离是24亿公里。戈德斯坦发现，雷达回波比他们预计的强得多。从雷达返回信号来分析，土星环是非常粗糙的，也就是说大块的固体非常多，尺寸起码要到1米左右。这些大块的固体可能是冰块，也可能是石头，这事儿说不准。估计还是大块的冰块占了大多数。

既然如此，你让探测器从环里边穿过去，那可就相当的危险了。万一撞上冰块，那可不是闹着玩儿的。但是，土星环之间是有空隙的。土星环分很多层，从地球上拿望远镜能看到的最亮的两个分层，外圈叫A，内圈叫B，中间有一道缝隙，叫做卡西尼缝，这道缝是巴黎天文台台长卡西尼在1675年用一架放大90倍的望远镜发现的。这道缝有多宽呢？大概是4800公里，这么宽的缝隙，按理说足够让先驱者11号穿过去了。



在A环靠近外侧，有一道非常细的缝隙，叫恩克缝，这道缝是美国天文学家詹姆斯·爱德华·基勒在1888年发现的，但是以当时柏林天文台老台长恩克的名字命名。这个恩克就是著名的恩克彗星的发现者，他对土星环做过观测。但是恩克缝不是他发现的。他已经在1865年去世了，以他的名字命名是为了纪念他的贡献。

这道恩克缝有多宽呢？大概是320多公里。这就比卡西尼缝要窄得多。天文摄影也是分各种门派的，标准各不相同。评判行星摄影爱好者水平的高低，一个重要指标就是你能不能拍清楚这道细细的恩克缝。卡西尼缝还是很容易拍到的，恩克缝就难说了。

其实啊，土星环的缝隙还不止这两道，你仔细去看，土星环就像是唱片一样，密密麻麻的充满了细微的纹理。B环靠内侧有一片比较暗淡的区域，这里就是C环。C环不如A环合B环那么明亮。但是明显不是空无一物，只是物质比较稀疏，因此反光率不高。

那么在C环的内侧，是不是存在更暗淡的区域呢？也就是更靠近土星表面的D环。大家猜测，这个D环应该是有的，但是从地球上压根看不清楚。因此最好是让先驱者11号过去打探一番。另外，从环的最内侧钻进去，等于是尽量贴着土星的表皮飞，拍摄的照片更大更清晰。所以艾姆斯研究中心的先驱者团队还是希望探测一下D环。

你要探测D环，就必须精细设计飞越的轨道。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。因此可以借助土星的引力拐弯，从斜上方进入，从A环的外侧拐发夹弯，第一次斜插过土星环，探测器过了土星环以后，方向就已经拐回来了。然后探测器贴着土星环的下表面，擦着皮飞过去。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内侧D环的区域。

但是，这么做非常冒险，前面我们不是说了嘛，按照雷达数据，土星环里边到处都是大石头，万一撞了，那些全歇菜了，先驱者11号的存活几率大概只有1%。所以，当时也有很多人不同意这个做法，艾姆斯研究中心的这个方案太激进了。



这时候有人跳出来了。这帮人就是旅行者计划执行团队。旅行者计划的团队属于JPL，和艾姆斯研究中心不是一家人。这个时间段，两枚旅行者号探测器已经上路了，都快到木星了，下一步也要拜访土星。但是这两颗探测器的目标可不仅仅只限于土星，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和海王星方向去呢。

可是，这种引力弹弓对轨道计算要求非常高。大家算来算去，发现这条路不好走啊。力道要准，方向要精确，时间还不能错。能用的轨道就不剩几条了。旅行者探测器很可能要穿过A环才行，这可就要了老命了。

土星的A环几乎是最亮的光环了，最亮意味着什么呢？冰块最多最密呗。能不能钻过去啊？最好有个人先探探路啊。谁啊，不就是先驱者11号嘛。所以，JPL的旅行者团队就想让先驱者团队帮个忙，走另外的路线，穿过A环，咱也别拐到D环去了，咱直接借助引力弹弓向A环的以外扔出去。这条路很重要，未来旅行者1号和2号就走这条路奔着天王星方向去了。

先驱者团队立刻就火冒三丈了，你们打算要我老命啊！合着要我们的当替死鬼！不行，我们不干。这条外围路线，即便是走成了，距离土星太远，拍照也拍不清楚，磁场探测也打折扣。如果走不成，撞了，那就啥都没了。

人家先驱者团队归属艾姆斯研究中心，旅行者团队归属喷气推进实验室。这还互相不买账了。于是，JPL的旅行者团队马上去找领导了。先驱者11号要是不先试试看，这条路后续的旅行者也不敢走啊。谁敢冒这个风险？如果不走这条路，那就没办法去天王星海王星啦。何去何从，领导看着办吧。这个选择题就摆在NASA高层领导的面前了。

领导脑袋都大了，他们合计了半天，先驱者11号如果要改道，那么探测土星肯定要打折扣，但是，后续的旅行者1号和2号可以弥补这个缺陷。让旅行者多拍几张也就是了，况且旅行者好的相机比先驱者号强多了。但是如果旅行者去不了天王星和海王星，那损失可就大了，有一半的任务目标没完成啊。算了，还是让先驱者11号通融一下，您就先当一把先驱，万一撞了，您就荣升先烈了。


先驱者11号的穿越轨迹

当NASA高层宣布这个结果的时候，JPL的团队在鼓掌庆贺，先驱者团队发出了一片哀叹之声。当然，轨道还是可以做优化，咱尽量从A环的外侧擦边钻过去，咱别真的往土星环密度大的地方扎。甩出去以后，还可以顺便拜访一下土卫六泰坦。在当时，大家都以为土卫六是太阳系里最大的卫星，也算是因祸得福吧。这个轨道在NASA领导看来，算是最稳妥的了。没事儿啦，那就继续执行吧。

1979年的8月份，先驱者号进入了土星的引力范围。科学家们对土星的磁场是最关心的。土星有磁场吗？强度如何？按照计算，这几天就要冲击土星磁层弓形波了。所以，值班人这几天几乎都没时间睡觉了。但是，他们偏偏遇上了几个难题。

首先，土星的位置不利，和地球之间恰好隔着一个太阳。无线电通信总是受到太阳辐射的干扰。另外，这几天刚好是太阳大爆发。土星的磁层会被太阳风暴强烈压缩，测出来的数据不是日常情况。另外，强烈的太阳风暴带来大量带电粒子，科学家们从先驱者11号的读数上分辨不出那些是来自土星本身，那些是来自于太阳。所以，这事儿还不太凑巧了。

科学家们天天盯着前方的数据回传。就连几个已经退休的老员工都主动回来帮忙。一方面的确是遇到了麻烦需要人手，另一方面这也是见证历史的时刻，人类的探测器终于到了土星了。现在先驱者11号的通讯速率已经非常低了，只有512bit/秒，这点速度够干啥的？

现在先驱者11号距离土星400万公里。磁场读数上没有任何异常。又等了两天，在探测器距离土星146万公里时候，数据上看到了弓形波的迹象。这证明土星的确是有磁场的。接下来的半个小时，太阳风暴持续加强，探测器又穿过了一次磁顶层。到9月1号的，探测器又有2次穿过了弓形波。土星的磁层被压缩的非常小了。按理说周围的卫星和光环都应该在磁层的屏蔽之下，但是这一次，根据探测数据，土卫六泰坦是在磁层保护之外，可见太阳风的冲击有多强。


这是在距离土星250万公里的时候拍摄的。因为角度的关系，拍的是土星环的背面，因此显得比较黑。恩克缝隐约可见，下方的小亮点是土卫5，只有月亮一半大。

1979年9月2号凌晨0:36分，先驱者11号以每小时11.2万公里的速度疾驰而过，这个过程发生在土星背后，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来自于推测。到下半夜的3点中，戈德斯通测控站收到了先驱者回传的信号。现在可以宣布，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，土星环其实根本不是由一大堆大冰块组成的。雷达数据不靠谱儿啊。误导了大家。土星环里1米大的冰块不能说没有，但是不是主流，平常根本撞不上。土星环的组成成份大部分还都是很小的冰晶颗粒。所以，先驱者11号擦着边穿过光环，基本没什么损失，穿过光环是安全的。

这时候，先驱者发送的照片也逐渐传回来了。从照片上看，土星环一点都不亮，而是发黑的。因为探测器这时候在土星环背面。背面照不到太阳，当然是黑的。B环可以说几乎是不透光的，可见密度相对来讲还是比较大的。


土星环中间最宽的黑带部分是B环，从背面看几乎不透光。这样的拍摄质量虽然不高，但是也已经超过了过去所有望远镜拍摄的照片了

从发送回来的影像上，科学家们发现了一道极细的光环，只有大约几百公里宽。这道非常不明显的环在A环的外侧。大家谁也没想到这里还有一道独立的环呢。所以这道环被称为F环。F环和A环之间的缝隙被称为洛希缝。这个洛希就是那个提出洛希极限的洛希。用他的名字来命的确是非常合适的。因为土星环之所以出现，就是因为在这里形成不了大的天体，都被土星的引力扯碎了。明亮的A环之内是不可能有大型天体的，洛希缝差不多就是边界了。

F环为啥这么窄呢？后来大家才发现，洛希缝里有一个小天体叫土卫16，名字叫普罗米修斯。F环的外侧有一个小卫星叫潘多拉，编号是土卫17。这两个小家伙长度大概是100多公里。粗细大概70~80公里的样子，反正长得都想枣核一样。这两个家伙是清道夫，它俩各自清理出一条空白的轨道。但是这二位轨道半径很接近。所以中间留下的隔离带宽度就很小了。于是就剩下这么一个窄窄的F环。


极细的F环

当然啦。此前科学家们断定，在最明亮的土星环之外应该还有一层非常不明显的弥漫性的外环，编号是E环，但是这一次先驱者11号没探测到E环的存在。大概是灵敏度还不够吧。不过倒是找到了一个不明显的G环。



先驱者穿过光环以后，在土星的引力作用之下拐了个弯，一直贴着光环下表面飞行。因为速度太快，距离光环太近了。它的曝光成像方式又是那种扫描式的，对于静物没问题，对于动的东西就不灵了。所以拍出来的光环全都拖线了，糊成一片。但是左侧露出的土星表面，也还算是比较难清楚吧。这样光环糊成一片的照片，一共拍了5张。

倒是磁场探测器首先发现了异样。从数据上分析，探测器在穿过光环的那一刻，它几乎与一个大家伙相撞。高能粒子探测器的数据突然急剧下降，磁场计也发现了异常。这个过程维持了10秒钟才过去。这说明啥呢？这说明有一颗卫星恰好路过。探测器刚好穿过了这个卫星的磁场的尾迹。科学家们毛估了一下，这东西直径大概是170公里。距离探测器最近距离大约几千公里。在宇宙空间，几千公里已经算是很近了。科学家当时不知道这家伙到底是谁，索性起了个编号叫1979S2。土星和木星的卫星实在太多了，很多小家伙，在地球上拿最好的望远镜也看不太清楚。所以，科学家们也无法确定谁是谁。


艺术家的想象图，先驱者11号在环底下擦过去

总之，这是人类在以前完全没有类似经验的条件下获得的一次重大成功。飞行6年半，飞了足足32亿公里，距离那么远，精确度却那么高。这无论从哪个角度来讲，都是一个奇迹。

模糊的土卫6泰坦实在让人看不透，但这也说明土卫六有大气层

这一次，先驱者11号还遇到了好几颗卫星，大一点的土卫3，土卫5还好辨认，其他的卫星都太小，到底谁是谁还很难说呢。9月3号，先驱者11号从35.4万公里的距离上掠过土卫六，拍摄照片也不太清楚，看上去像个圆形的饼干，没有太多的细节了。到此为止，先驱者11号探测行星的任务已经基本完成，它现在自由自在的飞向太阳系之外，一路上探测器还在不断地发数据，但是无线电信号也已经越来越微弱了。最后一次接收到信号，大概是在1995年。之后就再也没有消息了。当然，这是后话了。

先驱者11号为土星家族拍摄了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。比如那个1979S2到底是谁？分析人员从照片里面还真的找到了这个家伙。根据照片推算，这个小家伙的直径有400公里。同时，科学家们发现，这个家伙就是土卫10，一个1966年就被发现的小卫星。

但是，再仔细研究下去，大家才发现这事儿还有幺蛾子。只能说天下之大无奇不有。1966年的12月15号，法国天文学家多尔菲斯发现了土星的一颗小卫星，后来起名字叫做雅努斯。过了3天，12月18号，另一位天文学家理查德·沃克也发现了土星的一颗新卫星。后来比对了一下，发现这个家伙的轨道和多尔菲斯发现的那个卫星是一样的，这应该是同一颗卫星。但是奇怪的是，沿着同一个轨道走，但是周期似乎不一样，对不上啊。这到底是怎么回事呢？

这个问题一直没弄明白怎么回事。一直到了1978年，另外两位科学家拉尔森和方丹才提出一种说法，这是两颗卫星，但是几乎共用了同一条环绕轨道。所以才会那么怪异。

第二年，也就是1979年，先驱者11号就和这个奇怪的土卫10有了一次亲密接触。不过最终拍摄到土卫10和土卫11这两个家伙照片的是旅行者1号。旅行者号拍的照片非常清楚，土卫10的半径又被下调到了140公里。不过这是下一年，也就是1980年的事儿了。

事情是这样的，这两颗小天体的轨道半径几乎是一样的，只相差了50公里。这两个小家伙每过几年就有一次相遇的机会。当这两个小家伙逐渐接近的时候。因为万有引力互相吸引，跑的快的速度会变慢，跑的慢的速度会变快。结果呢，减速的那个轨道半径会变小，加速的那个轨道半径会变大。于是，这两个家伙居然交换轨道了。这次你跑外圈，我跑里圈，下次再遇到就再次交换，你跑里圈，我跑外圈。这种情况，实际上也是限定条件下的三体问题，只是比较另类罢了。

先驱者11号除了拍摄到了一大串土星的卫星。还发现了土星有磁场，虽然比不上木星，但是也比地球强了500多倍。土星也一样有辐射带，有磁层。先驱者11号发现了了两个新光环，一个F环，一个是G环，G环在F环之外，更加暗淡，更加稀疏。但是从照片上还是可以分辨出来的。但是那个传说中的E环却没探测到。

另外，卡西尼缝里面也不是空的，也是有大量的颗粒物，因为A环和B环太亮太显眼了，才衬托得这个卡西尼缝比较黑。其实卡西尼缝的亮度和后边的C环差不多。最内侧的D环，照片上也分辨不出来。根据先驱者11号的数据推测，土星环的密度很低，主要是冰颗粒组成的，所以反光比较强。

要进一步了解太阳系的这几个大家伙，只能等待日后的旅行者1号和二号了。这个时候它们俩还在路上呢，此处按下不表。苏联人这几年在干什么呢？他们正在跟火星怄气呢。他们的火星探测任务已经失败了好几次了。这到底是怎么回事呢？我们下回再说。