启程于1997年，抵达于2004年，闭幕于2017年，卡西尼号飞船（Cassini）围绕土星探索了12余年。为了避免偷渡在卡西尼号上的地球细菌污染土星卫星环境，在燃料耗尽之际，卡西尼号经过一系列变轨，最终进入土星大气层坠毁。在变轨阶段，卡西尼号22次近距离飞掠土星，穿越了土星与其最内环（D环）之间的空隙（图1），这一探测阶段被誉为“壮丽终章”（“Grand Finale”）。依据“壮丽终章”阶段记录的数据，科学家们对土星磁场、内辐射带、射电辐射、大气成分、D环与大气间物质传输等问题进行了深入研究。2018年10月5日，Science期刊报道了这一系列共6篇全新的观测结果及研究内容。

图1   卡西尼号飞船在“壮丽终章”阶段的轨道（蓝色曲线）示意图

　　近距离对磁场观测，有利于反演土星内部结构及动力学过程。Michele Dougherty 等人发现，土星磁赤道相对于土星赤道向北移动了约2800 km，证实了土星磁场存在南北不对称性。并且分析出磁轴与自转轴夹角小于0.01°，更严格地证实了土星内部磁场的轴对称性。此外，发现在高阶磁矩（4至11阶）中存在稳定的小尺度磁场结构，说明在土星内部半导电区域存在次级浅层发电机活动。除了内部动力学过程，对磁场的经向分量扰动的研究发现，在D环内边缘与土星之间存在很强的场向电流。这一场向电流连接到土星低纬电离层，其强度与高纬极区场向电流强度相当。

　　低纬强场向电流说明D环以内存在着强烈的磁层活动，其中与航天器安全直接相关的是辐射带的变化。Elias Russos等人在D环之内发现了新辐射带区域，这一新辐射带与环外辐射带相互独立（图2）。在地球上，辐射带粒子同时受到局地加速、径向传输和损失机制的共同作用，过程复杂，研究难度大。而土星D环内的新辐射带提供了一个独立的环境，有助于分析辐射带的损失过程。这一区域在赤道面横跨1.03Rs至1.22Rs（Rs为土星半径），存在于土星大气外缘与D环外缘的D73小环之间的区域。此外，在1.12Rs处的D68小环将该辐射带分割成两部分。辐射带主要由宇宙线反照中子衰变过程产生的25MeV至GeV量级的相对论质子组成。土星大气、D环以及背景尘埃使得高能质子被损耗，导致了各项异性的质子分布特征。

图2   土星的质子辐射带

　　土星环颗粒（水冰占比>95%）大到几米长的巨砾，小到纳米级的尘埃。微小的尘埃粒不断离开土星环进入土星大气。Shiang-Wen Hsu等与Donald Mitchell等分别用宇宙尘埃分析器（Cosmic Dust Analyzer，CDA）和磁层成像仪（Magnetospheric Imaging Instrument，MIMI）分析了大于几个纳米和1纳米左右的尘埃的成分与分布，首次给出了土星环物质坠入大气的直接观测结果。分析结果显示纳米级的尘埃粒主要由硅酸盐和水冰组成。其中硅酸盐成分占了近30%，高于土星环中硅酸盐的比例。坠落的尘埃能够改变土星高层大气及电离层的化学成分，Jack Waite等对大气及沉降物的成分进行了详细分析（图3），发现水、甲烷、氨、一氧化碳/氮分子、二氧化碳等能够从D环坠入大气，并对土星环的化学组成及其对大气的影响进行了讨论。

图3   卡西尼号飞船对D环以内物质的质谱分析

　　土星和木星这两颗气态巨行星形态复杂，不同结构相互耦合、相互影响。对巨行星的探测，有助于人类拓展对星系演化的认知，探究生命的起源，以及寻觅潜在的系外宜居环境。美国国家航空航天局（NASA）发射的卡西尼-惠更斯号土星探测器成功地完成了探索土星及其卫星的使命，解开了许多难题，同时也展示了众多的未解之谜。根据中国2016年发布的“十三五规划”，行星探索是我国的重点工作之一。中科院地质地球所魏勇研究员、万卫星院士与客座学者尧中华博士受Nature Astronomy期刊编辑邀请，系统阐述了中国的空间探测发展脉络以及未来对巨行星的探测计划。相信中国将在未来类木行星探测领域发挥至关重要的作用。 　　

　　相关参考文献 

1. Dougherty M K, Cao H, Khurana K K, et al. Saturn’s magnetic field revealed by the Cassini Grand Finale[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat5434.（原文链接） 
2. Hsu H W, Schmidt J, Kempf S, et al. In situ collection of dust grains falling from Saturn’s rings into its atmosphere[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat3185. （原文链接） 
3.  Lamy L, Zarka P, Cecconi B, et al. The low-frequency source of Saturn’s kilometric radiation[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2027.（原文链接） 
4. Mitchell D G, Perry M E, Hamilton D C, et al. Dust grains fall from Saturn’s D-ring into its equatorial upper atmosphere[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2236.（原文链接） 
5. Roussos E, Kollmann P, Krupp N, et al. A radiation belt of energetic protons located between Saturn and its rings[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat1962.（原文链接） 
6. Waite J H, Perryman R S, Perry M E, et al. Chemical interactions between Saturn’s atmosphere and its rings[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2382.（原文链接） 

　　（撰稿：郭瑞龙/地球与行星室）