地球的“离经叛道”的孪生兄弟

当“惠更斯号”探测器准备冲入泰坦的大气层时，德国达姆施塔特欧洲空间运行中心的科学家们不断告诫挤满了同事和记者的礼堂：“做好迎接一切意外的准备。”土星这个行星大小的卫星完全笼罩在橙棕色的薄雾中。它距离太阳的距离是地球的 10 倍，浓密的大气层中弥漫着甲烷（如果有氧气存在，空气会着火），其地表重力大约是地球的七分之一。无论泰坦全球性的烟雾之下隐藏着什么，肯定会让人瞠目结舌。

1 月 14 日晚，当“惠更斯号”传回的快照开始到达时，研究人员还是惊讶不已。第一组图像显示出类似河床、被侵蚀的山坡、海岸线、沙洲和沙堤的构造，让泰坦看起来出奇地像地球。一张早期的“惠更斯号”照片看起来与新泽西海岸惊人地相似。“不，它太崎岖了，”亚利桑那大学的 Martin Tomasko 说，他是“惠更斯号”相机-光谱仪组件的首席研究员，他看着他面前桌子上散乱的一堆彩色打印件。“它更像法国南部。”

然而，再仔细一看，泰坦上的一切都并非如它看起来那样。温度计徘徊在零下 179 摄氏度（-290 华氏度），寒冷到足以引发在地球上自然界从未见过的情形和物质状态。泰坦上的山脉是坚硬的冰冻水。雨是凝结的甲烷。河道和低地中的黑色沉积物很可能是从富含碳氢化合物的大气层中沉淀出来的焦油。

泰坦上可识别之处与奇特之处的对比，带来了深刻的启示。如果我们能在其他恒星周围看到类似地球的行星，那么很有可能它们也会显得熟悉。只需要有空气、液体和一点地质活动，就能创造出一个看起来非常像家的地方。泰坦扩展了我们对整个宇宙景观的认识。

而我们差一点就永远无法看到它了。

探索新世界需要耐心。关于“惠更斯号”任务的计划开始得如此之早，以至于达姆施塔特的科学家们对此开玩笑说：“我感觉自己像个新人；我为这个项目工作了 11 年，”NASA 卡西尼-惠更斯项目执行官 Mark Dahl 说。早在 20 世纪 40 年代，荷兰天文学家 Gerard Kuiper 发现泰坦是太阳系中唯一拥有实质性大气的卫星时，它就引起了科学家的注意。1980 年，“旅行者 1 号”探测器揭示了泰坦是一个被氮气和不透明的有机分子薄雾覆盖的橙色球体。这一发现暗示着一个奇妙的可能性：泰坦的化学成分可能模仿了 40 亿年前地球的状况，那是生命首次出现的时候。

不久之后，欧洲和美国的航天规划者达成了一项协议。NASA 将派遣六吨重的卡西尼号宇宙飞船绕土星轨道运行；欧洲航天局的“惠更斯号”伙伴将搭乘这趟顺风车，然后降落到邻近的泰坦。这是欧洲最大胆的太空探索，目标是在一个我们从未见过的遥远表面着陆。“惠更斯号”是欧洲最大胆的太空探索，目标是登陆我们从未见过的遥远表面。联合任务于 1997 年 10 月 15 日从肯尼迪航天中心出发，进行了一次 20 亿英里的长途旅行。去年圣诞节，一组爆炸螺栓被激活，三个压缩弹簧将探测器与轨道器分离，“惠更斯号”开始接近泰坦。一切似乎都按计划进行，直到 1 月 14 日下午 5:15（中欧时间）收到第一个数据信号。

然后，控制室里的工程师们脸上掠过一丝担忧。按计划，“惠更斯号”应该通过两个无线电频道（A 频道和 B 频道）传输其探测结果，以分担风险，以防其中一个发生故障。这两个信号将通过卡西尼号转发，卡西尼号将放大它们，并利用其大型天线将信息广播回家。但是，只有 B 频道信号传了过来，A 频道信号丢失了。在任务规划者们手忙脚乱之际，他们得出了一个痛苦的结论：有人忘记给卡西尼号编程，让它监听两个频道。

卡西尼号恭顺地转发了 B 频道信号，而 A 频道信号则泄露到了太空。欧洲航天局科学总监 David Southwood 迅速展开了调查（粉碎了 NASA 对此错误的猜测），并告诉达姆施塔特焦急的人群：“我们是人类，众神——或许是泰坦——总是在每一项神圣的活动中要求一些人性化的方面。”

“惠更斯号”团队没有时间抱怨；他们只想挽救科学。探测器上的大部分仪器通过两个频道发送了冗余信号，但多普勒风速实验似乎丢失了。该实验背后的概念非常简单：向卡西尼号发送一个信号，卡西尼号将记录因泰坦周围风吹引起的细微无线电失真。通过分析这种失真，研究人员可以重建泰坦的天气模式。该实验完全依赖于 A 频道。

幸运的是，欧洲联合甚长基线干涉测量研究所（一个荷兰射电天文研究所）的 Leonid Gurvits 有一个备用计划。自卡西尼-惠更斯号发射以来，地球上的射电望远镜的灵敏度得到了极大的提高，他意识到，从地面进行这项实验也是可能的。因此，他与澳大利亚、中国、日本和美国的 17 个射电望远镜的研究人员合作，监测“惠更斯号”的信号。Gurvits 和他的同事们不眠不休地收集初步结果。第二天，他宣布：“我们将实现 100% 的任务目标，获得相同的科学成果。”作为证据，他展示了澳大利亚的 Parkes 和 Mopra 望远镜以及西弗吉尼亚州格林布兰克望远镜接收到的清晰信号图。初步结果显示，泰坦高层大气的风以每小时 250 英里（约 400 公里/小时）的速度向西吹拂。Gurvits 预计到夏天，将能获得一个精度为每小时 2 英里（约 3.2 公里/小时）的风场图——所有这些都来自一个近十亿英里外发出的两瓦信号。

对于“惠更斯号”至关重要的成像相机和光谱仪来说，A 频道的失误引发了一系列不同的问题。一半的图像通过每个频道传输，因此泰坦图像的数量从 700 张减少到 350 张。探测器的主相机指向下方，探测器在下降过程中旋转；由此产生的图像本应形成一个螺旋全景图，并稳步放大越来越近的地表。由于少了一半的图像，全景图将充满空隙。

在 217 分钟内探索了一个 **新世界**

“惠更斯号”的下降和着陆持续了不到四个小时，引发了一系列集中的活动。1 月 13 日，德国达姆施塔特的控制室空无一人（a）。第二天，随着无线电信号证实任务成功，控制室爆发了庆祝活动（b）。欧洲航天局首席科学家 David Southwood（c）赞扬了欧洲在太空领域新获得的实力。任务研究人员争分夺秒地解释刚刚出炉的结果（d）；Martin Tomasko 被新闻媒体团团围住（e）。当天晚些时候，他和其余的成像团队（f）退回他们的房间，重新组装一堆像“ Humpty Dumpty”一样散落的泰坦图像。

A-E 图片由 Ferit Kuyas 提供；F 图片由 ESA/ESOC/亚利桑那大学提供

当成像团队开始深入研究相机辅助仪器的测量数据时，更糟糕的消息出现了。“惠更斯号”配备了一个传感器，用于记录探测器每次旋转经过太阳在天空中的位置时触发的信号。这些信息本应记录探测器拍摄每张图像时的精确方向。理论上，制作一张泰坦地图只需将马赛克的每一部分拼接起来即可。但大气层比预期的要浑浊得多，因此一旦“惠更斯号”下降到 30 英里（约 48 公里）以下的高度，太阳就模糊不清了。Tomasko 带着一丝无奈的表情说：“也许我们穿过了一场甲烷雨。”

Gurvits 测量到的强风也对“惠更斯号”造成了冲击。“我们经历了一次惊心动魄的旅程，”惠更斯号光学组件的首席系统工程师 Laura Ellen Dafoe 说。“我们准备的是 10 度的倾斜，但我们遇到了 60 度的倾斜。”因此，每张照片几乎都没有关于相机指向何处的信息。

“这就像试图在一个没有一半零件且没有盒子封面图案的拼图上进行组装，”Tomasko 说。在记者和电视摄制组的等待下，成像团队挤在电脑前，试图重建出有意义的泰坦景象。泰坦在周六着陆后的第一个晚上，Tomasko 发布了三张单独的图像——“原始图像，刚刚从电脑里出来”——这些图像提供了河流、一条黑暗的海岸线以及泰坦上布满鹅卵石的地表的有趣一瞥。周日，他和他的队友们挤在他们临时的总部——两个连接的拖车，停放在控制室旁边一片长满杂草的院子里——第二次的争分夺秒开始了。

当电话不停地响着——什么时候能看到更多照片？你能接受采访吗？——研究人员们在欣喜和失望之间摇摆不定，分派任务，并投入到工作中。一个小组清理图像；另一个小组试图推测地表的颜色；还有一个小组筛选探测器散射阳光读数中隐藏的方向线索。Tomasko 正在研究泰坦薄雾的性质，而美国地质调查局的地球学家、团队成员 Laurence Soderblom 则在剖析图像的几何结构。Soderblom 带着一丝善意的抱怨面对着他的任务：“是算术让我痛苦。”

到了周二，在临时搭建的成像实验室里出现了欣喜的笑容。“昨天是最糟糕的一天，”亚利桑那大学的博士后研究员 Lisa McFarlane 说。她利用临时编写的计算机程序，开始计算“惠更斯号”在拍摄每张照片时的姿态，这使得构建泰坦地表的较大全景图变得容易得多。Soderblom 确定了探测器的着陆点。Tomasko 终于可以放松下来，将他最大的恐惧抛诸脑后：“我们差点就失去了一切。”

除了 Tomasko 的团队之外，很少有人知道“惠更斯号”着陆后进行的持续不断的解决问题、数字计算和凭经验进行的编程工作。每个人都能看到令人振奋的结果。NASA 和欧洲航天局发布了一幅令人印象深刻的泰坦地表马赛克视图，这是泰坦地图的一个版本，它一块一块地在拖车的墙壁上拼凑而成。三天前，泰坦还是一个天体上的问号。现在，它正像一个世纪前的南极一样，被地质学家、化学家和制图学家们一点点揭示出来。

随着每一次的改进，这幅图像越来越像一个我们已经熟悉的世界。“泰坦本应是怪异的，”Soderblom 说。“相反，它是太阳系中最像地球的行星。”（称泰坦为行星是一个微妙的口误。技术上它是一个卫星，但“惠更斯号”团队的每个人都认为泰坦与火星不相上下，火星仅比它稍大，大气层少得多。）

明亮的が高地很可能是水冰的出露。在拖车里，Soderblom 在他的笔记本电脑上比较了山脉的立体图像，估计它们有几百英尺高。有机烟灰不断地从泰坦的大气层中沉降下来，所以一定有什么东西——可能是甲烷雨——在冲刷这些浅色区域。污浊的径流显然流入了在第一张发布的泰坦图像中看到的 branching 河道。这些河道通向黑暗、平坦的低地——也许是干涸的湖床。

令 Tomasko 沮丧的是，“惠更斯号”的图像没有清晰地显示出任何湖泊目前是否含有液体。另一方面，成像团队的每个人都对近期降雨和洪水证据感到震惊。Soderblom 指出了看起来像沙洲和沙堤的地貌。从地表看，可以看到圆形的冰块，就像溪床里的侵蚀石块。一组图像显示出斑驳的薄雾，这可能是地下甲烷蒸发到大气中；另一组则揭示了看起来像从甲烷泉流出的河道。“这是一个活跃的、年轻的地表，”Soderblom 说。

一个车载加速度计和地表穿透器提供了更多关于“惠更斯号”着陆点地质性质的线索。英国开放大学的 John Zarnecki，该实验的负责人，报告说，重达 705 磅（约 320 公斤）的“惠更斯号”，以每小时 10 英里的速度（约 16 公里/小时）下降，首先穿过一层相对坚硬的、约半英寸（约 1.3 厘米）厚的表层，然后下沉约六英寸（约 15 厘米）。顶层是冰壳，下面是水冰“沙”和液态甲烷的泥泞混合物，这与测量结果非常吻合。当 Zarnecki 看着工人们拆除他曾在此展示过这些结果的会议桌时，他已经开始制定计划，将一个测试目标放入各种沙子、泥土和砾石的组合中，以模拟泰坦的地表质地。

“惠更斯号”一个化学探测器的结果进一步支持了该探测器着陆在最近被甲烷露水或雨水浸透的土壤上的观点。探测器着陆约三分钟后，它捕捉到一股从地表飘来的甲烷，仿佛探测器自身的热量正在蒸发下方一些被困住的液体。大气中发现的氩气痕迹，以及卡西尼号的雷达读数，甚至暗示了火山活动的存在。但在泰坦寒冷到极点的温度下，熔岩会是一种粘稠的水冰和氨的混合物。

“泰坦是一个奇怪的、透过镜子看过去的世界，”Tomasko 说。这个描述不仅适用于它的外表，也适用于它的化学性质。四十亿年前，地球的大气层可能与泰坦现在的大气层大致相似。寒冷、缓慢演化的泰坦，其地表着色的有机化学物质（很可能是以一种叫做“托林”的焦油状化合物为主）可能是一种早期地球的冷冻模型。

巴黎大学的 Guy Israel 一直在解读“惠更斯号”下降过程中遇到的化学物质。“他并不指望能找到生命的迹象。我们所知的生物化学依赖于仅在溶液中发生的反应，“他说道，“而那是不可能的——除非我们自己带水。”

到这周结束时，欧洲航天局的官员们已经开始期待他们下一个月球和金星的任务了，但达姆施塔特的科学家们无法摆脱泰坦的魅力，这个看起来和行为都如此像我们自己的世界。即使他们开始各自回到他们在亚利桑那、巴黎、伦敦和波恩的家，惠更斯号的科学家们仍然梦想着如何返回。Tomasko 被泰坦浓密的大气和极其低的重力所吸引：“用气球探索将是一个绝佳的选择。”