2017年9月15日，卡西尼號探測器墜入土星大氣，轟轟烈烈結束其土星之旅。回顧過去卡西尼號環繞土星的十三年時光，當中有哪些重大的發現？背後又藏有哪些鮮為人知的故事？這次我們很榮幸的請到卡西尼號任務的參與者之一，許翔聞博士（現工作於美國科羅拉多大學博德分校大氣太空物理實驗室 Laboratory of Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, Boulder, Colorado, USA），細談卡西尼號任務的各種發現與相關研究。
作者：許翔聞
■ 第一章｜見證歷史
2005年夏天，彷彿與世隔絕了幾個世紀後，在嘉義中坑新訓中心大寢室的雙層床與置物櫃中間，打開當時女友（現老婆及兩個孩子的媽）寄來厚厚一頁頁由卡西尼任務官網上印下來的新聞稿，報導著當時卡西尼對土衛二Enceladus的最新觀測：
「 四條藍綠色的紋脊，所謂的虎斑條紋（Tiger Stripes），近乎平行地橫跨土衛二南極區域，熱呼呼地在紅外線觀測中閃閃發亮（這裡的熱呼呼是87K，也就是零下186℃）。沿著虎斑條紋可發現持續不斷的噴發活動，釋放出來的水氣成為電漿（plasma）、最終化為土星磁球層（magnetosphere）的一部分。由此引起的磁場擾動在遠距離外被太空船上的磁力儀偵測到，重新翻起了科學家們對土衛二這顆小冰球的關注，並以此成功地說服任務管理人員重新安排卡西尼太空船的軌道，以更近的距離飛掠土衛二且進行更全面的觀察來了解其南極區活躍的冰火山（cryovolcano）。」
土衛二的活躍地質活動之所以令行星科學界驚訝，是因為它是個半徑僅僅250公里的小天體（圖一）。
根據傳統太陽系天體結構演化理論，類地行星、衛星形成後逐漸冷卻，緩慢地損失初始撞擊殘餘的熱能、放射性元素（例如鋁26）衰變產生的、以及冷卻帶來的相變與物質分化（重元素往下沈）產生的熱能，隨著天體內部結構逐漸改變，由內營力驅動的表面地質活動也隨著冷卻而衰減。
一年前，卡西尼任務結束，太空船化為土星的一部分。
十四年前，卡西尼太空船抵達土星。
二十一年前，卡西尼太空船發射。
三十六年前，卡西尼-惠更斯計畫發起（圖五）。
下一章：水世界
圖一，土衛二與其他太陽系天體相比之下是個小矮子。但其上的冰火山活躍程度讓其發現成為卡西尼最主要的科學貢獻之一。
根據傳統太陽系天體結構演化理論，類地行星、衛星形成後逐漸冷卻，緩慢地損失初始撞擊殘餘的熱能、放射性元素（例如鋁26）衰變產生的、以及冷卻帶來的相變與物質分化（重元素往下沈）產生的熱能，隨著天體內部結構逐漸改變，由內營力驅動的表面地質活動也隨著冷卻而衰減。
天體的構造以及其表面地質活動的活躍程度取決於天體大小及年齡。由於天體的熱損失率與其表面積成正比，而熱含量與其體積成正比，在假定太陽系天體皆在同一時間形成下，越大的天體在現階段地質活動越活躍。這也是為何地球（半徑6372公里）仍有活躍的火山及板塊運動，但火星（半徑3389公里）或其他更小的天體表面，從地質學角度來看近乎死寂。
考量土衛二的大小，以及從其平均密度（1.6g/cm3）推算的岩質核心，可估計出現階段放射性元素衰變的熱源，加上由其軌道離心率（e=0.0047）估計的土星潮汐加熱的總和，土衛二的地質活動早該停止，表面也該和其他太陽系小天體沒什麼不兩樣、佈滿數十億年來累積大大小小的隕石坑。
然而，土衛二的表面有著截然不同的地質構造。在滿佈隕石坑、相對古老的區域（包含北極區、向土星面、與背土星面）可發現大多隕石坑經歷過明顯的降解過程（degradation），和其他土星冰質衛星上的隕石坑形成強烈對比。而靠近沿著土衛二軌道運動方向的區域（前導與後隨半球，leading / trailing hemispheres）充斥著各種看似內營力驅動的地質構造，抹去了古早的撞擊痕跡。這趨勢在土衛二南極區域（也就是虎斑條紋的所在）更為明顯，周圍崎嶇的表面找不到任何隕石坑。麻雀雖小五臟俱全，土衛二和台灣一樣，擁有多樣性的地質特徵。
土衛二的地質活動不僅僅只影響其本身的地形地貌。由於土衛二的微弱重力（其逃脫速度約207公尺每秒，遠低於地球的11.2公里每秒），部分冰火山的高速噴發物足以脫離其重力場、進入土星軌道，散佈於土星磁球層(magnetosphere)。於虎斑條紋地底通道中凝結、噴發出微米大小（micrometer-sized）的冰粒子形成了E環，像明亮白雪般覆蓋了周圍軌道上的其他土星衛星，離土衛二越近，E環水冰粒子影響越大、衛星表面的反照率（albedo）越高（圖二）。每秒由虎斑條紋噴發出數百公斤的水分子與數十公斤的水冰粒子，於與磁球層的交互作用下形成的塵埃電漿（dusty plasma）甚至比彗星—太陽風之間的交互作用還要複雜。
土衛二的地質活動不僅僅只影響其本身的地形地貌。由於土衛二的微弱重力（其逃脫速度約207公尺每秒，遠低於地球的11.2公里每秒），部分冰火山的高速噴發物足以脫離其重力場、進入土星軌道，散佈於土星磁球層(magnetosphere)。於虎斑條紋地底通道中凝結、噴發出微米大小（micrometer-sized）的冰粒子形成了E環，像明亮白雪般覆蓋了周圍軌道上的其他土星衛星，離土衛二越近，E環水冰粒子影響越大、衛星表面的反照率（albedo）越高（圖二）。每秒由虎斑條紋噴發出數百公斤的水分子與數十公斤的水冰粒子，於與磁球層的交互作用下形成的塵埃電漿（dusty plasma）甚至比彗星—太陽風之間的交互作用還要複雜。
圖二，土星Ｅ環亮度（I/F）與位於其中的衛星幾何反照率（geometric albedo）有著明顯的相關性。離土衛二越遠，Ｅ環亮度與衛星反照率皆降低。影像來源：轉譯自Verbiscer et al., Science 315, 815, (2007) 圖一。
但為何科學家一直到近年才發現土衛二的地質活動呢？在卡西尼於2004年抵達土星，成為第一個繞行土星的太空船之前，人類對土星系統僅有三次短暫的近距離探索，分別是1973年的發射的先鋒11號（1979年飛掠土星），以及兩艘航海家太空船於1980、1981年期間僅僅數天的土星飛掠。航海家二號於1981年八月飛掠時，拍攝了第一張土衛二的近照（足夠解析兩公里大小的地表構造，圖三），圖中可見許多條狀地質構造及被其侵蝕抹平的隕石坑。儘管土衛二的地表結構明顯與土星其他滿佈隕石坑的衛星不同，錯失了位於南極區的虎斑條紋地質活躍區以及實地量測冰火山的噴發物及其效應，種種對於土衛二的猜測及未知一直到二十多年後的卡西尼任務才得到解答。儘管如此，在過去這段無法將這些未知現象「歸罪」於土衛二的時間裡，科學家仍嘗試了解各種施加於土星系統內中性氣體、帶電粒子及塵埃的作用力，雖然部分結論最終被證實是不正確的，最終，這些研究最終都對卡西尼於土星的探索有著不可忽視的影響與貢獻。
圖三，航海家二號（Voyager 2）於1981年8月25日拍攝的土衛二（Enceladus），顯示出複雜的地質景觀。此張馬賽克涵蓋土衛二的後隨半球（trailing hemisphere），條狀結構由影像左上往右下延伸，切穿滿佈隕石坑的古老地塊。影像來源：JPL/NASA PIA01394。
但回頭說來，研究土衛二並不是當初卡西尼任務規劃時的主要目標。卡西尼任務規劃是針對土星系統各個層面的研究，包含土星本身、土星環系統、冰質衛星、磁球層、以及最大的衛星泰坦（Titan），與其之間的交互作用。為了研究如此多樣性的目標，卡西尼太空船搭載了非常全面性的科學儀器——波段涵蓋紫外線到近紅外線的光譜儀及相機，各式電漿粒子及電磁場儀器，雷達與塵埃質譜儀（部分儀器標註於圖四）。儘管是基於80年代的科技，至今卡西尼太空船仍然是人類發射過最複雜、尖端的行星探測器。
事實上，也只有具備如此完整的儀器配置的太空船，才能針對在任務進行中的新發現做彈性的任務調整，以及全面性的觀測。得助於卡西尼計畫對土衛二冰火山噴發物的研究，人類於土衛二內部的研究在短短數年內有著跳躍性的進展，甚至可說我們對其結構了解程度之高僅僅次於地球。這些新發現除了改變科學家對天體演化、潮汐力加熱作用的認知外，卡西尼於土衛二的種種成果更讓其與木衛二歐羅巴（Europa）齊名、成為天文生物學（astrobiology）上首要觀測目標，重新定義了行星科學的方向。在現今的科學政治環境中，不論計畫大小，所有科學目標皆得被仔細審慎的評估，僅管大多數人都了解最重要的發現常常無法寫在研究計劃書裡。未來，如何在預算、計畫管理及其他眾多議題之間取得平衡，在太空科學探索以及其他各領域上必然會越來越重要。
圖四，卡西尼太空船穿掠土星高層大氣想像圖。圖上標註的八組儀器，一直到太空船因大氣壓力無法維持穩定指向而失去通訊前的最後一刻，仍及時地將科學資料傳回地球。影像來源：JPL/NASA。
一年前，卡西尼任務結束，太空船化為土星的一部分。
十四年前，卡西尼太空船抵達土星。
二十一年前，卡西尼太空船發射。
三十六年前，卡西尼-惠更斯計畫發起（圖五）。
行星科學探索的時程涵蓋好幾個世代，不但曠日費時更得仰賴穩定的經費支持才可能實現。許多人會問：為什麼我們不把時間金錢花在解決地球上的問題，而要花大錢送艘太空船到好幾輩子後都不會去的土星？我的回答是：因為探索未知是我們與生俱來的天性！嬰兒對事物的好奇心不會因為觸碰不到而停止；而若非人類歷史上的多次史詩般的探險，人類不會擴展到全球、開啟人類世（Anthropocene）。新發現往往能於多個層面帶來跳躍性的進展，不僅僅是刷新教科書上人類對太陽系探索以及這個世界的理解；其帶來的衝擊對人文歷史，甚至流行、娛樂產業都不該被忽視。試想，若在太陽系其他天體發現生命對世界宗教信仰的影響、或開採小行星對稀土金屬及相關產業的連帶效應，絕對是改變人類歷史軌跡的重要里程碑。我們活在歷史之中。和十五到十七世紀的航海探險時代相比，由第一顆人造衛星Sputnik-1於1957年發射算起，人類對太空及太陽系的探索才僅僅一甲子。嚮往課本中的航海大發現嗎？人類對太陽系的探索黃金時期，才正要開始。
圖五，卡西尼-惠更斯計畫發起主要科學家。由左到右：葉永烜教授，Dennis Matson，Daniel Gauthier，Tobias Owen，George Soon，Jean-Pierre Lebreton。影像來源：ESA。
下一章：水世界
留言
張貼留言