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[分享] 为什么卡西尼一定要安排坠毁?

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发表于 2024-11-12 08:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本题已加入知乎圆桌 »太空漫游,更多「天文学」「航天」讨论欢迎关注。
卡西尼千里迢迢前往土星探测,为什么最后 NASA 一定要发出自毁的指令?我的想法是,即使它已经没有动力或者没有办法再传回资料,让它随波逐流也好啊,只要不再维护它就好了,也许未来有办法再启用这个探测器,可以带来意外的发现呢?

原文地址:https://www.zhihu.com/question/65414839
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发表于 2024-11-12 08:59 | 显示全部楼层
因为航天上
主动坠毁、撞击也有科研目的。

以上为答案全部:
以下会回溯卡西尼的历史:

北京时间
2017年9月15日18点32分
土星探测器卡西尼号(Cassini)发出最后一个讯号
(因为距离原因,地球人会在83分钟后收到该信号,即19点55分;下图为卡西尼号环绕土星的艺术想像图,图片源自@NASA)




它飞掠宏伟的土星环
直奔土星而去
(示意动画,图片源自@NASA)






以12万公里/小时的速度
冲向土星大气层
(示意动画,图片源自@NASA)





摩擦生热使得飞船表面的温度
每分钟升高30-100倍
一些脆弱的组件率先瓦解
卡西尼试图利用推进器阻止翻滚
全身开始剧烈抖动
即便如此
它依然坚持让天线对准地球的方位
以便发出最后的信号
(示意动画,图片源自@NASA)




但所有的努力都无济于事
极度的高温、高压引爆了推进剂贮存箱
飞船像碎片一样爆裂开来

烟花绚烂、粉身碎骨
一切都结束了
(下图为示意动画,图片源自@NASA)





正所谓
(语出自苏轼《临江仙·夜归临皋》)

“小舟从此逝,江海寄余生”

从生到死
卡西尼已经在星际游弋20载
20载弹指一挥
天上人间、恍如隔世




启程

1997


1997年10月15日

美国卡纳维拉尔角空军基地
威力巨大的泰坦4号运载火箭
将卡西尼号发射升空
奔向遥远的异星世界
(卡西尼号发射现场画面,图片源自@NASA)





它身高6.8米、净重2.5吨

是一个拥有众多精密仪器的机器人
NASA的科学家用拟人化的绘图
描述了它身体的各个部位
其中最引人瞩目的“眼睛”
是一台“高达”100万像素的数码相机
可以给地球人带来星际旅途的瑰丽图景
(卡西尼之名是为了纪念天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼,后者发现了土星环的卡西尼环缝以及四颗卫星;下图为卡西尼号的各个拟人化功能组成,点击可放大查看,图片源自@NASA,星球研究所增加中文标注)





为了获得行星引力加速
科学家为卡西尼设计的飞行路线相当曲折、漫长
它先是在内太阳系中绕行数圈

途中飞掠金星两次、地球一次
再穿越火星与木星之间“乱糟糟”的小行星带
然后与木星亲密接触
整整费时7年才能到达最终目的地土星
之后还需围绕土星进行十余年的深度“游览”
(卡西尼飞行轨道图,图片源自@NASA,星球研究所增加中文标注)







当年的卡西尼并不会意识到
它启程的1997年
地球之上人类群星也纷纷启程
开始了他们的人生转折

时年21岁的罗纳尔多(Ronaldo Lima)
一人包揽1997年的世界足球先生、欧洲金球奖、金靴奖
可谓意气风发、春风得意
(1997-1998年的罗纳尔多,图片源自@http://inbedwithmaradona.com





1997年上映的《泰坦尼克号》风靡全球
23岁的莱昂纳多(Leonardo DiCaprio)
一跃成为全球巨星
(《泰坦尼克号》中的剧照)





依靠政府救济度日的英国单身母亲

J·K·罗琳(J. K. Rowling)

在1997年出版了《哈利波特》第一部
她的名字将走近数亿人的童年记忆
(图片源自@http://popsugar.com





被自己公司解雇的乔布斯(Steve Jobs)

也正是在1997年重掌苹果CEO之位
他将在之后的十余年间改变世界
(1997年的乔布斯)






路途
1998-2003

星际旅行总是充满漫长而无所事事的行程
时常航行数年却无法找到一个有价值的拍摄目标
启程后的卡西尼也是如此
直到2001年

卡西尼安全抵达5.8亿公里外的木星
美丽的木星立即激发了它的创作激情

短短一两个月时间就拍摄了2.6万张照片
其中最为独特的一张拍摄于木星南极上空
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
(中间为木星南极,最外围一圈为木星赤道,拍摄于2000年12月11日-12日,图片源自@NASA)




木星的卫星同样令人印象深刻
木卫二是太阳系内最光滑的星体
很少有超过几百米的起伏
唯有冰火山喷发和间歇泉
在冰冻的地表刻画出张牙舞爪的暗色条纹
有如流动的血脉
冰下则是相对温暖的海洋
极可能存在着生命
(图片源自@NASA)




途经木星之后
卡西尼直奔土星而去
无趣的行程再次来临
从2002年-2003年
沿途几乎没有任何惊喜

卡西尼无聊地打开镜头
在2.8亿公里之外拍摄了一张土星模糊的远景
(图片源自@NASA)





相比之下
这一时期的地球绝不会让你感到无聊乏味
人类群星继续涌现
1998年两个斯坦福大学的在读博士生
拉里·佩奇(Larry Page)和谢尔盖·布林(Sergey Brin)
在一个地下车库开办了一家小公司
取名“Google”
(1997的佩奇和布林,图片源自@http://achievement.org




同一年
已经做了五年程序员的马化腾

开始模仿国外产品开发一款即时通讯软件
名为“OICQ”
(OICQ后来因为版权官司,更名为QQ,下图为2002年的马化腾)




1999年

年界35岁的“忽悠大师”马云

辞去公职创办阿里巴巴
他经常脱口而出惊人之语
对此深信不疑之人居然有18位
(2000年1月28日,马云在湖畔花园召开内部会议)





2000年
被不断退歌的作曲者周杰伦
干脆自写自唱
出版了首张专辑《JAY》
其曲风突破,令人耳目一新
(《JAY》专辑封面)





同一年
面对千疮百孔、内忧外患的经济政治局势
俄罗斯总统叶利钦突然辞职
重任意外落到了普京身上
更意外的是
他将成为新世纪执政时间最久的大国领导人

(这张照片的拍摄时间较晚,正值大雪降临,意境独特;摄影师@Ivan Sekretarev)





群星之中也不乏反派角色
继续希特勒之后最大的反派
在2001年9月11日登场了
本·拉登(Bin Laden)
精心策划了一场惊世骇俗的袭击

唯一的超级大国美国被彻底激怒
一系列反恐战争随即展开
但是战争结束后恐怖主义并未能根除
反而成为各国面临的最严重威胁之一
(照片拍摄时间未知)







到达
2004-2016


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
这一绕就是
12年
12年的深度旅行
几乎飞遍了土星周围的角角落落
(12年间卡西尼环绕土星的轨道动态图,中间为土星,图片源自@NASA)




土星可谓太阳系内最美的行星
巨大的土星环甚至可以通过地面望远镜直接观测
抵近拍摄的卡西尼
更是为我们展现了极为细腻的图景
(请将手机横屏观看,拍摄于2004年10月6日,由102帧图像拼接而成,是土星最为细腻的摄影作品之一;图片源自@NASA)




从极地上方观看
土星尤如一颗玉珠安卧盘中
巨大的身躯在土星环上留下了一个明显的阴影
让二维的照片依然透出极强的立体感
(拍摄于2013年10月10日,图片源自@NASA)




土星环平均厚度只有20米
宽度却超过11万公里
从土星赤道上方6600公里处延伸至12万公里处
主要成份为水冰
(请将手机横屏观看,拍摄于2005年5月3日,图片源自@NASA)




为数众多的卫星
也是卡西尼的探索重点
(下图为土卫六、土卫二,拍摄于2012年3月12日;卡西尼的很多摄影作者都非常具有创意,这张图中土卫二有如悬停在土星环之下,颇有力学之美;图片源自@NASA)




土卫六
是土星最大的卫星
下面这张照片中
土卫六仿佛被土星环纵穿
(前景为土卫六,背景为土星,细线为土星环,图片源自@NASA)




土卫六拥有浓厚的大气层
成分与早期地球非常相似
科学家高度怀疑其上有生命体存在
卡西尼专门释放出了一个小型机器人惠更斯
于2005年1月14日降落在土卫六表面
这是有史以来人造物体
第一次在外太阳系的天体上着陆
(降落地点名为“上都”,得名于中国元朝的都城;惠更斯号探测器得名于发现土卫六的荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯,着陆后10分钟,连接中断,从此音讯全无;下图为惠更斯鱼眼镜头所拍摄的土卫六表面;图片源自@NASA)




土卫二
是一颗冰冻星球
表面几乎能反射百分之百的阳光
冰面之下还存在着厚达10公里的液态水海洋
地表的冰火山则向太空喷出大量水汽和挥发物
是形成土星环的重要物质来源
(拍摄于2008年10月5日,表面充满了裂缝、褶皱,图片源自@NASA)





与卡西尼丰富多彩的作品一样
这一时期的地球厚积薄发
那些人类群英
在经历数年或十余年的积累之后
创造出了一个又一个辉煌
2004年腾讯、Google相继上市
2007年苹果发布iPhone
成为商业史上最赚钱的产品
2014年阿里巴巴在纽交所敲响了钟声

20年中诞生的这四家公司
完全改变了中国人的日常生活
在我们的社交、购物、工作、休闲中
几乎每个人、每天都可以发现它们的产品痕迹




终结
2017

2011年2月14日
35岁的罗纳尔多宣布退役
那个兼具力量与速度的身影自此从球场消失
代之以臃肿的身躯
(图片源自@abc.es)




2011年8月24日
疾病缠身的乔布斯
正式向苹果董事会提交辞呈
仅仅一个月半后便在家中溘然长逝
(2010年在WDC上展示iPhone4的乔布斯,依稀健在,今年正是iPhone发布十周年;摄影师@Matthew Yohe)





2013年8月9日
普京参加完自己的柔道教练的葬礼后
没有让警卫、记者跟随
独自一人行走在空旷的街道上
10多年的努力之后
俄罗斯的复兴依然遥遥无期
(摄影师@Михаил Климентьев)




仿佛中国古诗中所言
(唐代诗人刘希夷《代悲白头翁》)

“已见松柏摧为薪,更闻桑田变成海”

“此翁白头真可怜,伊昔红颜美少年”

或许卡西尼也感触到了这种伤感
2013年7月19日
它在土星轨道上为地球拍摄了一张照片
14亿公里外的人类母星
在照片中只能呈现为一个小小的点
(箭头所指为地球;拍摄创意源自1990年2月14日旅行者1号拍摄的著名地球照片“暗淡蓝点”; 图片源自@NASA)





美国著名天文学家
卡尔·萨根(Carl Edward Sagan)说道
(旅行者1号拍摄暗淡蓝点正是在他的提议下完成的;引文出自萨根所著《暗淡蓝点》)

“在这个小点上,每个你所爱的人、你认识的人、你听说过的或者没有听说过的人,都在上面度过一生;每对恩爱夫妻、每对父母、每个满怀希望的孩子、每个圣人和罪人,都在上面度过一生”

无论人类群星
还是星际旅行的卡西尼
最终都会迎来谢幕的时刻
而太阳系最伟大的谢幕必将属于卡西尼
为避免燃料告罄后飞船失控
污染可能存在着生命的土星卫星
2017年4月11日
地球上的科学家们向它下达了最终命运指令

坠落土星
借助土星的大气层
卡西尼将化为灰烬
不留一丝痕迹
(卡西尼坠落前的轨道图,穿越土星与土星环之间的环缝22次,形成了一个艺术性的终止符,图片源自@NASA)





将近5个月后
我们文章开头的一幕便出现了
(卡西尼视角的冲入土星大气层艺术想像图,图片源自@NASA)




卡西尼就此逝去
带着它20年间无以伦比的成就
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
(数据截止2017年8月,图片源自@NASA,星球研究所增加中文标注)




20年群星闪耀
20年匆匆过客
20年物是人非
可现在我会莫名的心碎

当我想你的时候
这是太阳系最伟大的谢幕

我们的其他回答:
地理这门学科有多有趣?世界上有哪些非常唯美漂亮的桥梁?如何评价嫦娥四号成功发射,有什么重要意义?客家人为什么要建土楼?有哪些世界地理冷知识?如何评价“河南什么样,中国就是什么样”这种说法?美国有哪些方面比中国强?福建地理位置这么差,为什么其经济发展还不错?未来将会朝什么方向发展?旅行者一号到底飞出太阳系没有?人类怎样才能毁掉太阳?登陆火星的意义是什么?火星上有稀缺资源嘛?西安城怎么样?青岛到底哪好?有哪些城市景观堪称惊艳?为什么秦岭淮河一线被赋予了那么多地理意义?
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发表于 2024-11-12 09:00 | 显示全部楼层


https://www.zhihu.com/video/1016318124320264192
卡西尼号已经探索土星系统十三年了,并已改写了很多教科书记录。根据 NASA 的行星保护法则,该任务最终将会让卡西尼号穿进土星的大气层。这段视频关于卡西尼号完美收场背后的航天动力学。
这颗 2.5 吨的殉道者 Cassini 和惠更斯号是专门为探测土星制造的,小卡还做过相对论实验。为了避免失去动力的飞船撞向土星的卫星(土卫二和土卫六具备生命存在的条件,需重点保护),破坏后续的探测,NASA 决定令其「自杀殉道」。
视频来源:From The New York Time
关注 @开眼科技精选 和我一起开眼看世界~
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发表于 2024-11-12 09:01 | 显示全部楼层

  • 卡西尼号是干嘛的?
这是美国NASA和欧空局ESA合作的巅峰,人类史上第四个抵达土星的探测器。但此前的三个(先锋11,旅行者一号,旅行者二号)都只是飞掠而已,相当于瞟一眼就结束了,而卡西尼号是唯一一个环绕的,换句话说一直待在土星附近长期观察,难度不可同日而语。
另一方面,它还携带了欧空局的惠更斯号着落器,成功降落在土卫六泰坦上,这是人类历史上首次着陆其他行星的卫星。


所以它的焦点就是:彻底研究土星。

2. 为什么一定要坠毁在土星内呢?如果不坠毁会怎样?

a. 土星的引力摄动环境很复杂。在航天领域,如果是简单的三体问题就已经没有解析解,而土星本身是个大椭球(太阳系内扁率最大行星)、引力场复杂,自身有200多颗卫星、明确轨道的大概60多颗,也就是说:飞在土星系统附近的航天器,是不可能准确预测出轨道的,必须长期保持跟踪探测并使用燃料维持轨道
那么,如果不在燃料使用到最后时刻主动坠毁,谁都不知道航天器会最终飞到哪里。


请感受下卡西尼在土星附近的轨道(这还是加了各种轨道控制的)

b. 为什么不让它最后时刻离开土星呢?就像此前的旅行者一号探测器一样,被土星+泰坦的引力甩出去,旅行者一号甚至直接被甩出太阳系黄道平面,现在成为距离太阳系最远的人造物体。咱们能否让卡西尼号也成为星际使者?
但这个方案不可行,因为首先卡西尼号的核心设备几乎都是为了探测土星本身设计的,核心仪器是各种光学遥感仪器(从红外到紫外光谱各系列)、微波遥感仪器(雷达、无线电)、场研究(磁场、等离子、质谱仪等),离开土星后在星际空间探测方面几乎都是没有意义的。
此外,为了离开土星,代价非常大:首先动用自己的燃料硬生生逃离是根本不可能的,大家不要低估土星的引力,它的逃逸速度是35.5千米/秒,远超地球的11.2千米/秒,探测器千辛万苦抵达土星,所有的燃料都耗光也逃不出去。


旅行者一号当年被一次性甩出太阳系,就是土星和泰坦合力的结果

而如果借助行星卫星的引力助推,例如借助泰坦,也意味着卡西尼号要消耗巨大的燃料反复调整轨道,存在这个可能性但这将大大缩减它的正常对土星研究寿命,显然极不划算。

c. 如果不让它坠毁,可能会落到错误的地方。土星系统有两颗极其有意义的卫星,简直是太阳系的奇葩:
一个是土卫六泰坦,这是太阳系内可以跟地球相媲美的地方,是唯一拥有稠密大气的卫星,大气压与地球相差并不大,那里存在大量的液态甲烷,大气主要成分是氮气,可谓是太阳系的另一大可能存在生命的奇迹。
二是土卫二恩克拉多斯,它是颗冰冻星球,厚厚的冰层下面有着远超地球所有水含量的巨大海洋,且内部地质活动极其活跃。它经常爆发壮观的冰火山,冰和水雾可以喷到几百千米高(重力很低),因此也是极有可能孕育生命的。关于土卫二,我曾经写过一篇科普,
土卫二为什么没有明显大气?卡西尼号的燃料是剧毒的,本身也携带有放射性同位素电机和热源,如果落进这两个卫星,都会造成巨大的污染甚至破坏那里的生命(假如有),显然不是我们想要的。

d. 卡西尼最后的轨道有巨大的科研意义。
土星是颗气态行星,顾名思义主要成分是气体,只不过最核心的部分气体已经被压成了金属态(金属氢),但它的总体密度是低于水的。


也就是说,如果把土星扔到一个巨大的海洋里,它是飘起来的。
但是,人类再怎么观测土星,是不可能深入它大气的,因为那就是一次性的事情,土星的大气可以轻易毁掉探测器,卡西尼在13年内,一直严格保持距离。
因此,让卡西尼在生命最后一刻,耗尽所有燃料保持天线一直对着地球,把它看到的土星大气一切内容发回地球,也是一个极其有价值的科研内容,否则人类根本没有其他途径得知。


事实上,卡西尼号也的确在生命最后一刻实现了自我价值,它给出了人类完全不曾想到的科研结果,可谓是蜡炬成灰前的最后一束光。

以上,对于这个在太空中飞行7年才抵达土星、共计工作20年的伟大探测器而言,回归土星怀抱发挥最后一点热,是性价比最高也最为光荣的事情。
致敬人类的使者。

其他太阳系探测器:旅行者( voyager )、先锋( Pioneer )、新视野( New Horizons ),我在live中有过详细地介绍和分析:
太阳系的使者漫谈
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发表于 2024-11-12 09:01 | 显示全部楼层
@姚飞 的回答非常好,我只是做一些补充。
关于人造探测器污染其他星体的可能性。其实人造探测器已经造访过很多星体了。月球就不用说了,人都上去过;火星上有火星车;俄罗斯发过很多金星探测器着陆过,但因为金星上条件过于恶劣,很快都挂了;彗星和小行星则有日本的隼鸟号、欧洲罗塞塔号的菲莱,都登陆过。
甚至,就是卡西尼-惠更斯号任务的一部分:惠更斯号登陆了土卫六(泰坦),传回了土卫六地表的照片。然后,挂了。


图:土卫六地表照片。来自 NASA
如果说,月球、金星的条件非常严酷,被认为几乎不可能适合生命生存的话,为什么被认为存在生命可能性的火星和土星,我们用人造探测器登陆了,但偏偏要安排卡西尼坠毁呢?
钚-238 应该是考虑的原因之一。另一方面,我个人的猜想是,土卫二是目前我们发现的最接近地球环境的星体。冰层下存在液态水的海洋,而且有稳定的能量来源——土卫二在土星强大的潮汐力下,有活跃的地质运动,就像地球上的海地火山一样,应该可以给可能存在的生命提供充足的能量。而其他有探测器登陆的天体,都没有土卫二条件那么「理想」。火星以前存在水但现在干了,也只有很稀薄的大气还基本是二氧化碳,金星基本是二氧化碳和硫酸,泰坦大气主要是甲烷等,月球荒芜一片……因此,相对来说,污染土卫二的风险是最大的。
在谈到地外生命的时候,总是有很多人对「适合生命存在的条件」提出异议:为什么一定要有水,为什么一定要碳基生命。尽管我们并不排除其他可能的生命形式,但是,从和地球类似的条件出发,一定是一条对人类的探索来说最可靠的思路——它毕竟有个参照,可以一步步往前推,而不是像其他生命形式那样只存在于科幻之中。科学和科幻不同,科幻可以天马行空,科学必须脚踏实地,一步一步往前进。
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发表于 2024-11-12 09:02 | 显示全部楼层
多年后,占领地球的土星军团,规划了NASA人类保育区,作为坠毁卡西尼的回馈。谁能想到,当时人类那一个看似怜悯的小小举动,会改变整个太阳系的历史和命运。
                                                                                                                                ——题记
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