道別卡西尼號 ─ 承先啟後丈量太陽系
卡西尼號將在今年9月墜入土星大氣層焚毀，完成最後任務之後，除了帶給我們土星系統的第一手資料，也將啟發人類繼續探索太空。
撰文／葉永烜
卡西尼號太空船從2004年進入土星系統，至今已13年。今年，卡西尼號的燃料所剩無幾，不能再像以前一樣大幅改變軌道，美國航太總署（NASA）因此執行「華麗大結局」（The Grand Finale）任務，在這最後一段旅程中，卡西尼號的繞行軌道會進入土星大氣層和土星環內側，經過最接近土星的位置總共22次（參見30頁圖），一次又一次進行實地測量，希望能解答幾個基本問題，例如土星的內部構造和非常對稱的磁場來源。
自從我們提出卡西尼計畫開始，35年轉瞬即逝，當年遙不可及的目標，現在不僅近在咫尺，甚至還「擦鼻」而過，卡西尼號很多重要發現讓科學家更了解土星及其衛星，例如土衛六（Titan）的局部甲烷海、土衛二（Enceladus）的地底熱泉及土星磁層的帶電粒子加速作用。現在回想，這項極為複雜的計畫，費盡了多少人的心血和努力才有今日的成就，或許我們一開始的工作是最簡單且容易的。
然而，我們如果要了解是什麼因素驅動了這樣充滿雄心的探索計畫，可能要從兩位18、19世紀的德國人說起。洪堡德（Alexander Von Humboldt）與謝里曼（Heinrich Schliemann）是我非常景仰的人。洪堡德是博物學家，年輕時遊歷南美洲，把這塊陌生大陸的地理人文介紹給歐洲科學家，也引起達爾文對生態學的興趣。謝里曼是白手起家的商人，他對荷馬史詩中的木馬屠城記很有興趣，壯年後投入所有財富和精力發掘特洛伊古城，改變西方人對古代史的認識。這兩個例子說明，好奇心是人類本性，有好奇心才能不怕失敗發掘新知，勇闖前所未見、人跡罕至之處，成為社會和科學發展的動力。所以歐美國家資助基礎科學研究不遺餘力，希望激發潛在的好奇心，使科技更進步。因此，先進國家積極發展天文學和行星探測計畫以拓展人類知識疆界，例如卡西尼計畫及其他太空任務，特別是前往外太陽系的一連串計畫。
外太陽系探索序曲
1972年12月，當NASA阿波羅17號的太空人還在月球執行任務時，先鋒10號也航向木星（緊接著是先鋒11號），並在1979年9月1日飛掠土星。那天我在NASA艾密斯研究中心與加州大學聖地牙哥分校的博士菲烈斯（Walker Fillius），一同等待高能粒子實驗儀器的資料傳回；這是我和土星首次相遇，好像和太空船一起到人類未涉足之地，這種感覺實在難忘。
先鋒10號和11號是NASA原名偉大旅程（The Grand Tour）的外太陽系探測計畫前奏曲。1980~1990年，木星、土星、天王星、海王星和冥王星在軌道上的位置恰好可讓太空船依序飛掠，是近距離觀測的最佳機會。該計畫後來更名為航海家（Voyager），兩艘太空船在1977年相繼發射。
當航海家任務尚在規劃時，科學家經地面望遠鏡觀察發現，土衛六有很厚的大氣層。根據光譜分析，大氣主要成份除甲烷外，可能還有氮氣或其他氣體。航海家1號因此改道經過土衛六，失去「行星全壘打」的機會。直到2015年新視野號（New Horizons）傳回影像，我們才一窺冥王星的廬山真面目。
航海家1號在1980年11月穿越土星系統，並飛掠土衛六這顆土星衛星中的「巨人」，證實氮氣在其大氣中所佔比率最高，雖然表面溫度只有-180℃，但表面氣壓是地球的1.6倍。科學家也發現，大氣之所以呈現橙黃色且不透明，是其中佔2~3%的甲烷經光化學反應生成乙烷（C2H6）和碳氫化合物，累積在大氣或掉落表面所致。奇妙的是，根據物理化學分析，甲烷和乙烷在表面是以液態存在，如果土衛六形成後乙烷和碳氫化合物便不斷生成，那不透明的大氣下可能有一片深達1~2公里的海洋。這樣的環境加上以氮氣為主的大氣，十分類似原始地球，是探究生命起源的絕佳地點，對當時科學家來說，土衛六是一個充滿謎團的新世界！
