Кассини миссия

Кассини-Гюйгенс — финал 20 лет исследований


15 сентября в 14:54 по Москве (11:54 по UTC) завершается без одного месяца 20-летняя миссия Кассини — орбитальной «половинки» автоматической межпланетной станции Кассини-Гюйгенс (миссия посадочного зонда «Гюйгенс» завершилась ещё 14 января 2005 года, спустя час после посадки на Титан). Это была всего 4-я миссия к Сатурну после Пионера-11 и двух Вояджеров, и единственная в которой аппарат выходил на его орбиту. Следующая миссия в систему Сатурна должна состояться не раньше 2029 года.
В ходе своей миссии аппарат сделал 293 оборота вокруг Сатурна, среди которых выполнил 162 прохода вблизи его спутников и открыл 7 новых из них, передал на Землю 453 048 фотографий в составе 635 Гбайт научных данных и стал источником для 3 948 научных публикаций. Им были обнаружены океан на Энцеладе, а также океан, 3 моря и сотни малых озёр на Титане. В данном проекте участвовало около 5 тысяч человек из 27 стран, а его общая стоимость составила 3,9 млрд $ в которые начальные доли распределялись как: 2,6 млрд $ от американского агентства NASA, 500 млн $ от европейского ESA и 160 млн $ от итальянского ASI.

Конструкция Кассини


Аппарат Кассини-Гюйгенс в процессе испытаний. Круглая оранжевая часть на переднем фоне — Гюйгенс, осуществивший посадку на Титан, белая часть — 4-метровая антенна/радар Кассини
Схема аппарата под разными углами:

Зонд, названный в честь Джованно Кассини (открывшего со 2-го по 5-й спутники Сатурна) имеет целых 6,8 м в высоту и 4 м в ширину при сухом весе в 2150 кг (это был третий по массе межпланетный зонд после пары советских «Фобосов»). Сатурн достигает только 1,1% от солнечной энергии, доступной нам на орбите Земли, поэтому зонд питается 3 РИТЭГами таких же огромных размеров как и сам аппарат — они имеют 32,7 кг плутония-238 (это в 3,6 раз больше чем было у обоих Вояджеров на старте, в 6,8 раз больше чем есть у Кьюриосити и видимо больше всего плутония доступного NASA на данный момент: 1, 2). Аппарат имеет 1630 отдельных электронных компонентов и 22 тыс. проводных соединений при общей длине кабелей в 14 км, а управляется — дублированными 16-битными компьютерами 1750A (ещё один такой управлял ракета-носителем Titan IV выводившим аппарат на орбиту). Научное оборудование включает в себя 12 инструментов сгруппированные в три группы, которые предназначены для 27 отдельных научных исследований:
Датчики оптического диапазона:
1) Композитный инфракрасный спектрометр, включающий в себя камеры 3 диапазонов (CIRS); 2) широкоугольная и узкоугольная (диаметром в 33 см) камеры видимого диапазона с набором из нескольких фильтров для разных цветов и ПЗС-матрицами разрешением 1024×1024 пикселей. (ISS); 3) ультрафиолетовый спектрометр, включающий в себя 4 телескопа (UVIS); 4) картографирующий спектрометр видимого и инфракрасного диапазона, разбивающий видимый им свет на 352 спектральных участка (VIMS);
Датчики магнитных полей и заряженных частиц:
5) плазменный спектрометр (CAPS); 6) анализатор космической пыли фиксирующий частицы от микрон до нанометров (CDA); 7) масс-спектрометр ионов и нейтральных частиц (INMS); 8) магнетометр, размещённый на 11-метровой диэлектрической стреле, предназначенной для снижения влияния приборов аппарата на этот датчик (MAG); 9) инструмент визуализации магнитосферы, состоящий из трёх сенсоров ионов и заряженных частиц, расположенных в разных плоскостях (MIMI); 10) детектор радио и плазменных волн имеющий три приёмника разных частот (RPWS);

Датчики радиоволн:
11) 4-метровый в диаметре радар, предназначенный для картографии спутников Сатурна (Radar); 12) научная радио подсистема заключающаяся в использовании основной 4-метровой антенны для наблюдения Сатурна, его колец и спутников на просвет радиоволнами (RSS). Задержка сигнала у Сатурна составляет 68-84 минут в одну сторону.
Примечание: по ссылкам доступны 3D-модели каждого инструмента и схемы их положения на аппарате.

Через тернии к Сатурну

Инфографика миссии и видео старта
Небольшое примечание по поводу Пакмана — такое название они получили за схожесть тепловых снимков планеты с главным персонажем игры Pac-Man.

Вес орбитального и посадочного зондов был слишком велик чтобы их можно было напрямую запустить к Сатурну (с 350 кг Гюйгенса общий вес аппарата составлял 2,5 тонны) — даже с учётом того что Titan IV на котором летел Кассини-Гюйгенс имела на 40% большую полезную нагрузку чем Titan IIIE на котором летели Вояджеры. Поэтому аппаратам пришлось немало поскитаться по Солнечной системе, набирая скорость гравитационными манёврами для встречи с Сатурном: после старта 15 октября 1997 года, 5,7-тонная связка из двух аппаратов заправленных 2978 кг топлива отправились на встречу с Венерой. Выполнив у неё 2 гравитационных манёвра 26 апреля 1998 года и 24 июня 1999 года (в которых они пролетали всего в 234 и 600 км от планеты соответственно), они 18 августа 1999 года вернулись ненадолго к Земле (пролетев от нас в 1171 км) после чего отправились уже к Юпитеру.

Снимок Луны сделанный узкоугольной камерой аппарата в ближнем ультрафиолете, с дистанции около 377 тыс. км и выдержкой в 80 мкс.
Пролетая сквозь пояс астероидов, аппарат встретился 23 января с астероидом Мазурский: к сожалению дистанция составляла 1,6 млн км, да и сам астероид был размерами всего 15×20 км, так что фотография составила меньше 10 на 10 пикселей. 30 декабря 2000 года Кассини-Гюйгенс встретился с Юпитером и своим собратом — Галилео, миссия которого уже приближалась к финалу (свою миссию он завершил почти 14 лет назад таким же самоотверженным подвигом, который собирается сейчас совершить Кассини). Этот 4-й по счёту гравитационный манёвр наконец придал двум аппаратам достаточную скорость для встречи с Сатурном 1 июля 2004 года, к этому времени он уже пропутешествовал 3,4 млрд км.
Чтобы не терять понапрасну время — команда миссии использовала радиоантенны аппарата для уточнения эффекта Шапиро (замедление распространения радиосигнала при движении его в поле гравитации тяжёлого объекта). Точность измерений удалось увеличить с предыдущих результатов в 1/1000 у Викингов и Вояджеров до 1/51000. Опубликованные 10 октября 2003 года результаты полностью совпадали с предсказаниями общей теории относительности.

На графике отчётливо видны пики встреч с планетами (после которых у аппарата прибавляется скорость), длинный спуск с небольшим изломом у Юпитера (когда аппарат летел на встречу Сатурну, постепенно разменивая кинетическую энергию на потенциальную, выбираясь из «гравитационного колодца» Солнца), и серия волн в конце (когда аппарат вышел на орбиту Сатурна, и начал вращаться на его орбите).

Долгожданная встреча и основная миссия

27 мая 2004 года Кассини впервые с декабря 1998 года включил свой основной двигатель для придания аппарату импульса в 34,7 м/с, который был нужен для коррекции траектории, которая провела его 11 июня в 2068 км от Фебы — очень удалённого спутника Сатурна, который предположительно образовался в поясе Койпера и был в дальнейшем был захвачен гравитационным притяжением Сатурна. Из-за огромного радиуса орбиты этого спутника (составляющего в среднем около 12,5 млн км) — это была единственная встреча Кассини с этим спутником.
1 июля основной двигатель аппарата был включен ещё раз (уже на 96 минут), чтобы сбросить 626 м/с скорости для выхода на орбиту Сатурна. В тот же день была открыта Мефона и переоткрыта Паллена, которая была обнаружена ещё на одном из снимков Вояджера-2, но так как её не было на остальных снимках, орбиту небесного тела не удалось установить и на 25 лет оно получило обозначение S/1981 S 14. Уже на следующий день Кассини выполнил первый пролёт мимо Титана, 24 октября был открыт ещё один спутник (Полидевк), а 24 декабря был сброшен посадочный зонд Гюйгенс.
14 января 2005 года Кассини выступил в роли ретранслятора для посадочного зонда (о нём речь пойдёт ниже), а на следующий день аппарат максимально сблизился с Титаном и с помощью своего радара обнаружил 440-километровый кратер на его поверхности. 6 мая был обнаружен спутник Дафнис, который обитает на краю щели Килера:

На краях 42-километровой щели были обнаружены волны вызванные весьма слабым притяжением Дафниса (вес которого составляет всего 77 млрд тонн, что создаёт притяжение в 25-100 тыс. раз ниже земного):
Экватор Сатурна и плоскость его колец наклонены на 27° относительно эклиптики, так что мы можем наблюдать оба полюса Сатурна также как и наблюдать его кольца с верхней и нижней стороны. Но так как они наблюдаются под большим углом и с огромных дистанций (1,2-1,66 млрд км в зависимости от взаимного положения Земли и Сатурна) — разглядеть там что-нибудь было просто невозможно, так что скажем шестиугольник Сатурна — был обнаружен только пролетающими мимо Вояджерами.

Фотография Сатурна в естественных цветах, состоящая из 36 снимков Кассини сделанных 19 января 2007 года тремя фильтрами (красным, зелёным и синим). Выдержка снимков сделана с расчётом на видимость тёмных областей колец, поэтому поверхность Сатурна получилась сильно переэкспонированной.
В 2005 году было установлено что через гейзеры Энцелада его ежесекундно покидает около 250 кг водяного пара со скоростью до 600 м/с. В 2006 году учёным удалось установить что именно они являются источником материала для предпоследнего и самого широкого — кольца E.
22 июля 2006 года аппарат пролетел над северными широтами Титана и на радарной карте сделанной аппаратом впервые были обнаружены тёмные области, свидетельствующие о том, что в этих местах на поверхности находятся метановые озёра. За выполненные аппаратом 127 пролётов этого спутника были в подробностях изучены множество участков его поверхности, на некоторых из которых наблюдались динамические изменения. Среди таковых было море Лигеи, имеющее размеры в 420×350 км и среднюю глубину около 50 м с максимумом более 200 м (максимальная глубина регистрируемая радаром):


Наиболее вероятной причиной таких измерений считаются волны, твёрдые тела под или над поверхностью или пузыри в толще жидкости (которые влияют на отражающую способность поверхности).
30 мая 2007 года был обнаружен 2-километровый спутник Анфа, а 10 сентября аппарат прошёл всего в 1600 км от Япета, но уже при передаче снимков в компьютер аппарата попала частица космических лучей, которая вызвала его переход в безопасный режим. К счастью снимков при этом потеряно не было. Незадолго до этого события пришло видео-поздравление Артура Кларка с этим событием (согласно одному из его известнейших романов — «2001: Космическая одиссея» — на поверхности Япета находился один из монолитов).
Видео-поздравление и его перевод

Здравствуйте! Это Артур Кларк, присоединяющийся к вам из моего дома в Коломбо, Шри-Ланка.
Я рад быть частью этого события по пролёту Япета космическим аппаратом Кассини.
Я отправляю моё приветствие всем друзьям — известным и не известным — которые собрались по поводу этого важного события.
Мне жаль что я не могу быть с вами, так как я прикован к инвалидному креслу полиомиелитом и не планирую покидать Шри-Ланку снова.
Благодаря Всемирной паутине я могу следить за ходом миссии Кассини-Гюйгенс с момента его запуска несколько лет назад. Как вы знаете, у меня есть нечто большее чем просто интерес к Сатурну.
И я был по настоящему напуган в начале 2005 года, когда зонд Гюйгенс передал записи звука с поверхности Титана. Это точно то, что я описал в моём романе 1975 года «Земная империя», где мой персонаж слушает ветра дующие над пустынными равнинами.
Возможно, это было предвкушение грядущего! 10 сентября, если всё будет идти по плану, Кассини сделает наш ближайший взгляд на Япет — один из самых интересных спутников Сатурна.
Половина Япета темна как асфальт, в то время как другая половина светла как снег. Когда Джованни Кассини открыл Япет в 1671 году, он мог видеть только светлую сторону. Мы сделали свой лучший беглый взгляд когда Вояджер-2 пролетел мимо него в августе 1981 года — но это было почти в миллионе километров.
С другой стороны, Кассини собирается пройти в чуть больше чем тысячи километров от Япета.
Это особенно захватывающий момент для поклонников «2001: Космическая одиссея» — потому что обнаруженный одиноким астронавтом Дэвидом Боуменом монолит Сатурна стал вратами к звёздам.
35-я глава романа озаглавленная как «Око Япета» содержит следующий фрагмент:
«Дискавери» приближался в Япету так медленно, что движение почти не ощущалось и нельзя было заметить тот миг, когда произошла неуловимая перемена и космическое тело вдруг стало ландшафтом в каких-нибудь восьмидесяти километрах под кораблем. Надежные верньеры дали последние подправляющие толчки и смолкли навсегда. Корабль вышел на свою последнюю орбиту: время оборота – три часа, скорость – всего тысяча триста километров в час. Большей скорости в этом слабом гравитационном поле не требовалось. «Дискавери» стал спутником спутника.Больше 40 лет спустя, я не могу вспомнить почему поместил монолит Сатурна на Япет. В те времена начала Космической эры, наземные телескопы не могли разглядеть деталей этого небесного тела. Но у меня всегда была странная очарованность Сатурном и семьёй его спутников. Кстати эта «семья» росла весьма внушительными темпами: когда Кассини был запущен — мы знали только о 18 из них. Я понимаю что их сейчас 60 штук, и их число продолжает увеличиваться. Я не могу удержать себя от соблазна сказать:
Бог мой, там полно спутников!
Однако в фильме Стенли Кубрик решил поместить всё действие в систему Юпитера, а не Сатурна. Почему такое изменение? Ну, с одной стороны, это сделало сюжет более прямолинейным. И более важно что отдел спецэффектов не смог произвести модель Сатурна, которую бы Стенли нашёл убедительной.
Это было сделано правильно, потому что иначе фильм бы устарел с пролётом миссии Вояджеров, которые представили кольца Сатурна в таком виде, который никто даже не мог себе представить.
Я видел множество примеров того как Нептун изображали в искусстве, так что я буду держать пальцы скрещенными когда Кассини будет пролетать мимо Япета.
Я хочу поблагодарить всех связанных с миссией и всем проектом. Возможно ему не хватает гламура пилотируемой космонавтики, но научный проект чрезвычайно важен для нашего понимания Солнечной системы. И кто знает — возможно однажды наше выживание на Земле окажется зависимым от того что мы там обнаружим.
Это Артур Кларк, желаю вам успешного пролёта.
Карта Япета с разрешением 400 м на пиксель (оригинал 5 Мбайт):

Примерно 40% поверхности этого спутника занимают тёмные области имеющие альбедо в 10 раз меньше светлых областей. Сейчас источником столь большой разницы считается эффект разделения пыли и льда, когда лёд испаряется с темных областей и осаждается на светлых, тем самым светлые области — становятся ещё светлее, а тёмные — темнее. Причиной того что остальные спутники ведут себя «нормально» заключается в том, что они имеют меньшую продолжительность дня, за которую поверхность не успевает достаточно прогреться.

Продление и миссия «Кассини — равноденствие»

С 1 июля 2008 года началась расширенная 27-месячная миссия Кассини, в которую включили 21 дополнительный пролёт Титана, 8 Тефии, 7 Энцелада, 6 Мимаса и по одному пролёту Дионы, Реи и Елены.
15 августа 2008 года было открыт Эгеон, который хоть и был назван в честь чудовища со 100 руками и 50 головами, но был практически безобидным «камешком» 500 м в диаметре (он был настолько мал что его размеры пришлось устанавливать по яркости, так что точную форму этого спутника мы не знаем). А 9 октября Кассини выполнил свой самый опасный манёвр — пролёт всего в 25 км от Энцелада (и это на скорости в 17,7 км/с!). На столь рискованный шаг команда миссии пошла ради прямого анализа состава водяного пара его гейзеров.
В ходе своих 23-х пролётов Энцелада за всё время миссии (в 10-ти из которых аппарат приближался на дистанцию меньше 100 км) было установлено, что pH подповерхностного океана составляет 11-12 единиц (что является малопригодным для земных форм жизни), но в выделениях гейзеров также были обнаружены азот (4±1%), углекислый газ (3,2±0,6%), метан (1,6±0,6%) а также следы аммиака, ацетилена, синильной кислоты и пропана (что говорит об активном образовании под поверхностью Энцелада органических веществ). К сожалению аппарат не содержит специальных приборов для регистрации сложной органики (так как об нахождении таковой аппаратом во время планирования миссии даже не могли предположить), так что ответ на вопрос «возможно ли существование жизни под поверхностью Энцелада?» Кассини оставил для своих последователей.
К 26 июля 2009 года был открыт последний из обнаруженных Кассини спутников — 300-метровый S/2009 S 1, который был обнаружен благодаря 36-километровой тени которую он отбрасывает на дальний край кольца B по которому пролегает его орбита:

Второе продление и миссия «Кассини — солнцестояние»

В феврале 2010 года было принято решение о дополнительном продлении миссии, которое началось уже в сентябре, и должно было продлиться до мая 2017 года, когда должна была решиться окончательная судьба аппарата. В неё были включены ещё 54 пролёта Титана и 11 пролётов Энцелада.
Усилия Кассини и его команды сумевшей добиться выделения дополнительно около 400 млн $ на следующие 7 лет миссии (доведшие стоимость программы почти до 4 млрд $) оказались не напрасны: уже в декабре 2010 года в ходе пролёта Энцелада аппарат установил наличие у него океана под северным полюсом (в дальнейшем было установлено что океан не ограничивается только полярной областью). В том же году на поверхности Сатурна снова появилось Большое белое пятно — огромный шторм который появляется в атмосфере Сатурна примерно каждые 30 лет (Кассини с этим весьма повезло, и такие шторма ему удалось зарегистрировать дважды — в 2006 и 2010 годах). 25 октября 2012 аппарат зафиксировал мощный разряд внутри него, который поднял температуру стратосферных слоёв атмосферы на 83°C выше нормы. Таким образом этот вихрь стал самым горячим среди штормов в Солнечной системе, обойдя даже Большое красное пятно Юпитера.
«День когда Земля улыбнулась» — проект организованный 19 июля 2013 года руководителем команды визуализации Кассини, в ходе которого Кассини сделал снимок всей системы Сатурна в которую также попали Земля, Луна, Венера и Марс. Всего было сделано 323 фотографии, из которых 141 далее была использованы для составления мозаики:

Земля находится в нижнем правом углу, а оригинал без подписей — (4,77 Мбайт).
Параллельно с этим в NASA стартовала кампания «Помаши Сатурну» в ходе которой было собрано 1600 фотографий, из которых 12 ноября была собрана мозаика, которая в тот же день вышла на обложке газеты «Нью-Йорк таймс» (осторожно, оригинал весит 25,6 Мбайт):
С 2012 по 2016 год аппарат фиксировал изменения цвета шестиугольника Сатурна (фото от 2013 и 2017 года, оригинал 6 Мбайт):

«Гюйгенс»

Посадочный зонд, названный в честь Христиана Гюйгенса (открывшего Титан в 1655 году, на который зонд осуществил посадку), представляет собой 318-килограммовый аппарат диаметром 2,7 метра с 6 наборами инструментов:
1) передатчик постоянной частоты предназначенный для измерения скорости ветра по доплеровскому эффекту (Doppler Wind Experiment — DWE);
2) датчики физических свойств атмосферы измеряющие плотность, давление и электрическое сопротивление атмосферы, а также датчики ускорений по всем трём осям позволяющий в купе с предыдущим прибором устанавливать плотность атмосферы (Huygens Atmospheric Structure Instrument — HASI);
3) камеры видимого и инфракрасного спектров, параллельно с получением картинок занимающиеся измерением спектра и освещённости на текущей высоте аппарата (Descent Imager/Spectral Radiometer — DISR);

4) пиролизёр аэрозольных частиц выполняющий нагрев проб взятых с двух различных высот, и перенаправлял их в следующий прибор (Aerosol Collector and Pyrolyser — ACP);
5) газовый хромато-масс-спектрометр измеряющий состав и концентрацию отдельных составляющих атмосферы Титана, а на последнем этапе — ещё и испарённого нагревателем верхнего слоя грунта (Gas Chromatograph Mass Spectrometer — GCMS);
6) набор приборов для измерения свойств поверхности, в которые входит акустический датчик измеряющий плотность/температуру атмосферы на последних 100 м спуска по свойствам отражённого поверхностью звука (Surface-Science Package — SSP).
Гюйгенс отделился от Кассини 24 декабря 2004 года, и к 14 января добрался до атмосферы Титана. Спуск в атмосфере занял 2 часа и 27 минут, в ходе которого в действие последовательно вступали тепловая защита аппарата и три его парашюта, а после посадки он ещё 72 минуты передавал данные с поверхности (пока зонд Кассини выполнявший роль ретранслятора сигнала не ушёл за горизонт).
Международная кооперация зонда Гюйгенс
Десятка крупнейших открытий Гюйгенса:
1) В ходе проведения измерений состава атмосферы с высоты 1400 км до самой поверхности, было установлено что слои атмосферы выше 500 км оказались теплее и плотнее ожидаемого, а средняя температура здесь составила -100°C с перепадами в 10-20°C, на высоте в 250 км температура достигала максимума в -87°C (чуть выше минимума на Земле), и далее падала до -203°C на высоте 44 км. На поверхности было слегка теплее (-180°C) при давлении в 1,47 атмосфер.
2) Западные ветра на высоте 120 км достигали 430 км/ч, на высоте в 60 км аппарат попал в сильную турбулентность, после чего скорость ветра стала стабильно снижаться с 108 км/ч на 55 км, до 36 км/ч на высоте 30 км и 14 км/ч на 20 км. На высоте в 7 км направление ветра поменялось и дальше на зонд действовал лишь лёгкий ветерок в 1-3,5 км/ч. За время спуска аппарат снесло на 165,8 км относительно изначальной точки.
3) Солнечный свет должен был разрушать атмосферный метан в течении десятков млн лет, и учёных интересовал источник его пополнения. Измерения показали, что на высоте выше 40 км основу атмосферы составляет азот с небольшими вкраплениями метана, далее концентрация метана начинает подниматься и достигает ≈5% на высоте 7 км. Это стало первым косвенным доказательством наличия на Титане криовулканизма. На поверхности планеты GCMS также обнаружил следы более сложных углеводородов, таких как этан, циан и бензол.
4) Спускаясь в атмосфере, аппарат обнаружил наличие аргона-36 и 38, а также криптона и ксенона в атмосфере. Учёные предположили, что азот и благородные газы попали в атмосферу Титана в процессе его формирования, однако соотношение аргон-36/азот оказалось в миллион раз меньше того, что есть в атмосфере Солнца. Это говорит о том что азот попал в атмосферу Титана не в чистом виде, а в виде каких-то азотсодержащих соединений.
5) В атмосфере Титана обнаружилась 0,05% концентрация радиоактивного аргона-40, который также косвенно доказывал наличие криовулканизма (так как период его полураспада составлял 1,3 млн лет, и за время существования атмосферы он должен был почти весь распасться).
6) Коричневая дымка Титана, скрывающая его поверхность, оказалась аэрозолем метана, этана и цианистого водорода (весьма ядовитого вещества). Дымка обнаруживалась на всех высотах, с заметными концентрациями на высотах в 80, 30 и 21 км, а также метановые облака на высотах в 16 и 8 км.
7) На высотах 130-35 км и 25-20 км были взяты две пробы атмосферных аэрозолей. Было установлено, что их основными составляющими являются углерод и азот. Последующее воспроизведение свойств аэрозолей на Земле позволило установить, что на 80 км их основой является цианистый водород, на высоте 44 км им является этан, а на высоте 8 км основу его составляет метан.
Свет Солнца и заряженные частицы Сатурна приводят к распаду молекул азота и метана, которые за счёт своей химической активности присоединяются к другим молекулам в атмосфере, образуя тем самым более сложные структуры вплоть до полиароматических углеводородов (которые удалось зафиксировать в атмосфере и на поверхности). Более крупные молекулы имеют большую плотность, и постепенно концентрируются в нижних слоях атмосферы, тем самым способствуя образованию там ещё больших по размерам молекул.
8) Изначально аппаратом должно было быть получено 700 фотографий, но из-за ошибок при проектировании — была получена только половина из них: уже в ходе тестов во время полёта было установлено, что программная ошибка могла привести к тому, что Кассини мог потерять частоту передачи сигнала Гюйгенса, который должен был двигаться относительно него во время посадки. Программный код уже невозможно было переписать, поэтому траекторию посадки Гюйгенса пересчитали так, чтобы в процессе посадки он двигался перпендикулярно Кассини (чтобы минимизировать относительные скорости аппаратов). Для этого Гюйгенс пришлось сбрасывать месяцем позже, чем ранее планировалось.
Но уже по факту посадки обнаружилась другая напасть: у зонда было две системы связи, но так как объём данных связанных с фотографиями был довольно велик — они передавались одновременно через оба канала, без дублирования. Из-за программной ошибки Кассини не слушал один из каналов, из-за чего половина фотографий была просто потеряна.
Однако и полученных 350 фотографий (среди которых 3 камеры зонда сделали и несколько стерео) оказалось достаточно: на них были обнаружены русла высохших рек 100 м глубиной с весьма крутыми склонами, свидетельствовавшими о быстрых потоках, бушевавших в этих местах. Место посадки представляло собой русло реки, усыпанное галькой диаметром 10-15 см.
9) Учёных интересовало происходят ли на Титане грозы, и каков их характер. Поэтому на аппарат были установлены радиоприёмники сверхнизкой частоты, для регистрации резонанса Шумана. И хотя ни одной молнии аппаратом зафиксировано не было, датчики зафиксировали сигнал на частоте в 36 Гц, а также ионосферный проводящий слой, простирающийся на высотах от 140 до 40 км с пиком в районе 60 км. Это свидетельствовало о том что нижний отражающий слой не совпадал с поверхностью планеты (как на Земле), а находился на глубине в 55-80 км под её поверхностью.
Модель строения Титана Доминика Фортреса из университетского колледжа Лондона, сделанная им на основе данных Гюйгенса и Кассини. Лёд VI изображённый здесь — хоть и тает при 81°C, но не имеет ничего общего с лёд-девять Курта Воннегута, и не представляет для нас угрозы, так что титанианские формы жизни можно не бояться, даже если они там есть).
10) Найти место посадки зонда оказалось довольно сложным делом, так как хотя камера бокового обзора Гюйгенса и могла регистрировать детали поверхности на дистанции до 450 км, но радары Кассини совершенно не видели те особенности рельефа, которые были запечатлены камерами Гюйгенса. Этот эффект получивший название «призрачных дюн» и оказался связан с поверхностными отложениями углеводородов, которые не отражают радиосигналов. Тем самым Кассини фактически смотрит «сквозь» них, обнаруживая только слои грязного льда находящихся ниже поверхности планеты, и имеющие менее выраженный рельеф.
Это позволило учёным установить что наиболее вероятным кандидатом на строительный материл для дюн Титана являются гранулы углеводородов и/или нитрилов с небольшим содержанием водяного льда и характерными размерами в 0,1-0,3 мм (близкие по размерам к земному песку), источником перемещения которого, в условиях весьма медленного ветра у поверхности — является сальтация.

«Грандиозный финал»

В мае 2017 года решалась дальнейшая судьба аппарата: к завершению второй продлённой миссии у него осталось очень мало топлива, и были рассмотрены 19 возможных вариантов завершения миссии, среди которых были столкновение с Сатурном, его основными кольцами или ледяными спутниками, увод с орбиты Сатурна на гелиоцентрическую орбиту или стабильную орбиту вокруг Титана/Фебы (и даже вариант столкновения с Меркурием). В итоге было принято решение направить аппарат в атмосферу Сатурна, чтобы таким образом обезопасить спутники Сатурна от их возможного биологического загрязнения. Для осуществления этой задачи аппарат выполнил 22 апреля манёвр вблизи Титана, который перенаправил его в 2000-километровый промежуток между Сатурном и его ближайшим кольцом.
С тех пор он совершил 21 виток на дистанции всего в 1600-4000 км от сатурианских облаков, всё время приближаясь к атмосфере Сатурна, и на данный момент находится на своём последнем 22-м витке. Аппарат сделает свои последние снимки за пару часов до вхождения в атмосферу, после чего развернёт свою 4-метровую антенну по направлению к Земле, и будет передавать данные о составе сатурианской атмосферы со своих спектрометров до тех пор, пока сможет парировать атмосферные возмущения. Вскоре после потери с ним связи он разрушится, и сгорит в плотных слоях атмосферы Сатурна — где-то там, в созвездии Змееносца за 1,4 млрд км от нас.

Ссылки:

Отсчёт до «Большого финала» миссии
Интерактивная 3D-модель аппарата
Необработанные фотографии аппарата (395 328 штук)
Топ-10 фотографий сделанных аппаратом по годам (за период 2011-2016)
Топ-10 научных открытий по годам (за период 2005-2016)

Миссия к Сатурну: Кассини-Гюйгенс

Сатурн, один из последних «шедевров» Кассини

Ряд исследований Сатурна был начат «Пионером-11» — межпланетной станцией американского производства – в 1973 году, продолжен двумя «Вояджерами».

Благодаря этим экспедициям о Сатурне, его кольцах и спутниках удалось выяснить очень и очень многое, но не вышло главное: увидеть, какова она, поверхность этой загадочной планеты. Несмотря на множество полученных фотографий и новых данных, вскоре было решено, что необходимо начать новый проект, который позволит взглянуть на этот космический объект с новой стороны. Таким проектом стала миссия двух аппаратов – «Кассини» и «Гюйгенс».

Кассини

Исследование Сатурна: миссия Кассини-Гюйгенс обошлось для Америки в довольно круглую сумму – около трех миллиардов долларов, но это стоило того. Его строительством, разработкой и оборудованием занимались весьма известные в кругах исследователей космоса организации.

Спутник Сатурна Энцелад плывет среди звезд

В итоге, был получен аппарат высотой в 10 метров и стартовым весом в 6 тонн с 12 научными приборами на борту, штангой в 11 метров для магнитометра и проводкой, чья полная длина составляет около четырнадцати километров.

Устройство аппарата Кассини

Для связи с Землей итальянцами была создана специальная антенна длиной в четыре метра. Аппарат, правда, не использует солнечные батареи, что объяснимо: у Сатурна это бессмысленно. Вместо них роль энергических емкостей выполняют три термоэлектрических и радиоизотопных генератора, в которых находится 33 килограмма чрезвычайно радиоактивного плутония, благодаря которым аппарат может работать около двухсот лет.

Также стоит отметить, что половина стартового веса «Кассини» — не что иное, как топливо, которое необходимо для торможения, выхода на орбиту Сатурна и многих других специальных маневров.

Гюйгенс

Этот аппарат является не чем иным, как зондом, чья задача заключалась в посадке на спутник Сатурна – Титан. В его оборудование входят целых шесть приборов, позволяющих максимально детально изучить поверхность спутника, и десантная камера, что должна запечатлеть как можно больше пейзажей малоизученного объекта. Весит этот зонд около 350 килограммов и является дополнением к «Кассини»: их пункты назначения весьма близки друг к другу.

Виды Сатурна и его спутников с аппарата Кассини

Полет

Запуск «Кассини» и прикрепленного к нему «Гюйгенса» состоялся в 1997 году 15 октября. Для вывода аппарата в космос понадобилась специальная, особая ракета-носитель «Титан-4Б» и дополнительный блок для разгона под названием «Кентавр». По многим причинам (прямой дороги в любой из галактик не существует) первоначальным направлением «Кассини» стала Венера.

Для того, чтобы разогнаться, аппарат в течении двух лет использовал гравитационные поля трех планет. Тем не менее, до встречи с планетой – пунктом назначения – он находился в своеобразном анабиозе: все его системы использовались лишь на пару процентов. И вот, зимой 2000 года «Кассини» наконец-то прошел мимо Сатурну, активизировался и сделал свои первые снимки, изображающие «Великана» в подобной лунной первой четверти, что с Земли увидеть практически не представляется возможным.

Правда, перед тем, как максимально близко приблизится к величественному Сатурну, «Кассини» проходил мимо его не менее загадочного спутника – Феба, чьи снимки передал на Землю. Они оказались настоящей сенсацией: впервые этот объект был рассмотрен так хорошо. Фотографии показали, что Феб очень похож на астероид, что он имеет неправильную форму, что его размеры равны примерно двумстам километрам. Также было обнаружено, что этот спутник по большей части состоит изо льда, чем сильно напоминает Харона, что значит, что Феб куда более близок по своей структуре к кометам, нежели к астероидам. Это открытие определенно приближает человечество к разгадке большинства тайн системы Сатурна.

Солнечные блики на ледяных кольцах Сатурна

Самым важным этапом для «Кассини» само собой стал вход на орбиту «Великана». Он состоялся при помощи специального маневра торможения первого июля 2004 года. В то время он сумел даже пройти между двумя кольцами (F и G). Несколько раз столкнувшись с препятствиями, но оставшись без значительных повреждений аппарат максимально близко подошел к Сатурну и оказался на его орбите. После этого достижения «Кассини» пришлось сделать 74 оборота вокруг планеты в течение четырех лет, преодолевая огромное расстояние, равное 1,7 миллиарда километров, и изучая и поверхность Сатурна, и его спутников. Среди последних особое внимание определенно уделено Титану – было решено совершить 45 оборотов вокруг него.

Полумесяцы Сатурна и Титана

Достижения

Среди всех достижений, которые были достигнуты благодаря «Кассини» и «Гюйгенсу», можно особо выделить не только довольно подробную съемку поверхности Сатурна, а и его многочисленных спутников: Мимаса, Реи, Феба, Титана, Тефии, Дионы и Гипериона, а также Эпиметия. Но это еще не конец: экспедиция «Кассини» еще продолжится до 2017 года, что позволит узнать о системе Сатурна гораздо больше.

Планеты Солнечной системы
Карликовые планеты Плутон· Церера· Хаумеа· Макемаке· Эрида
Планеты Земной группы Меркурий· Венера· Земля· Марс
Газовые гиганты Юпитер· Сатурн· Уран· Нептун

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 7165

Запись опубликована: 18.09.2013
Максим Заболоцкий

Прощай, “Кассини”! История космического путешествия длиной почти в 8 миллиардов километров

О космической миссии, которая два раза была под угрозой срыва, но благодаря здравому смыслу и рассудку американских чиновников все же состоялась.

15 сентября 2017 года орбитальный аппарат “Кассини” — один из грандиознейших примеров совместной работы международной группы ученых — закончит свою миссию по изучению Сатурна и его системы. Примерно в 15:00 по МСК зонд войдет в верхние слои атмосферы газового гиганта, распадется на мелкие части и сгорит, словно метеор. Однако до самого конца “Кассини” попытается удерживать свою антенну направленной на Землю, чтобы передавать “домой” последние данные о внутреннем мире «властелина колец».

За почти 20 лет работы в космосе межпланетная станция совершила множество открытий. Благодаря “Кассини” мы поняли, как сформировались и из чего состоят кольца Сатурна (по сути, аппарат подтвердил гипотезу американского ученого Ларри Эспозито, который говорил, что кольца состоят из ледяных кусков разрушенных мелких спутников планеты), узнали о наличии у газового гиганта атмосферного феномена — необычного шестиугольника, узнали о существовании гроз, полярных вихрей; аппарат помог обнаружить на спутнике этой гигантской планеты — Энцеладе — океан жидкой воды, спрятанный под слоем толстого льда, а также объяснить причину “двуликости” другого спутника Сатуна — Япета (одно из его полушарий блестит как снег, другое черное словно покрыто копотью).

Без преувеличения скажем, что “Кассини” полностью изменил наше представление об облике Сатурна и об устройстве его спутников. Цитируя Джима Грина, главу планетарных исследований NASA, хочется отметить, что продолжая традиции великих космических исследователей, этот научный аппарат проложил новый путь, показав нам новые чудеса и то, куда в ближайшем будущем нас может завести наше любопытство.

Как начиналась миссия “Кассини-Гюйгенс”

В конце 1970-х — начале 1980-х три аппарата NASA (Pioneer-11, Voyager-1, Voyager-2) пролетели мимо Сатурна и передали в центр управления полетами космического агентства серию снимков этой планеты и ее спутников, сделанных с относительно близкого расстояния. Ученые впервые смогли разглядеть кольца газового гиганта. Выяснилось, что они состоят из сотен тысяч маленьких кусочков неизвестного происхождения и самого разного диаметра, а некоторые из колец каким-то необъяснимым образом даже переплетаются! Что еще поразило ученых, так это спутник газового гиганта Титан. Он значительно отличался от того представления о нем, которое ранее существовало в головах ученых. Это был холодный мир, превосходящий по своим размерам Меркурий, с очень плотной атмосферой, настолько плотной, что ни один из трех зондов так и не сумел разглядеть его поверхность.

Полученные данные только подогрели интерес астрономов к “властелину колец” и его спутникам. В 1982 году была создана рабочая группа, в которую вошли представители NASA и ESF (Европейский фонд науки), по планированию программы следующей после Вояджеров “флагманской” миссии. На заседании группы было принято решение построить совместными усилиями космический аппарат для исследования Сатурна и его системы.

По замыслу ученых, аппарат должен был состоять из двух частей: орбитальной станции “Кассини” (названа в честь французского астронома Джованни Кассини, который в 1665 году открыл четыре спутника Сатурна: Япет, Диону, Тефию, Рею) и спускаемого модуля “Гюйгенс” (назван в честь нидерландского астронома Христиана Гюйгенса, открывшего Титан и кольца Сатурна), предназначенного для посадки на Титан. Стоимость проекта оценивалась в $2,5 млрд, но затем выросла почти до $ 3,6 млрд. Большую часть средств, около $3 млрд, внесло NASA.

Так проект «Кассини-Гюйгенс» стал одним из самых дорогих в истории NASA и одним из первых, в котором приняли участие не только специалисты из США, но и их коллеги из ESA (Европейское космическое агентство) и ASI (Итальянское космическое ведомство).

В 1984 году начались работы по созданию системы “Кассини-Гюйгенс”, а в 1992 и 1994 возникли первые проблемы. Миссия оказалась под угрозой срыва, конгресс США не хотел выделять дополнительные деньги на разработку исследовательского аппарата. Но первой американской женщине-астронавту Салли Райд, обладавшей в то время огромным влиянием, и ее коллегам удалось убедить конгрессменов, и средства поступили в бюджет NASA.

Через три года, в 1997-м, на космодроме на мысе Канаверал во Флориде уже стояла ракета-носитель Titan IVB, готовая вывести на орбиту один из самых больших когда-либо построенных людьми исследовательских аппаратов.

Конструкция аппарата

Космический исследователь, чья миссия — раскрыть величие Сатурна, происхождение, состав его колец и природу спутников, представляет собой аппарат высотой 10 метров и весом около 6 тонн на момент старта (половину веса занимало топливо). Он оснащен 18 научными приборами и камерами (12 установлено на станции и 6 на спускаемом модуле), способными выполнять точные измерения в любых атмосферных условиях и фотографировать в различных спектрах света.

Орбитальная станция “Кассини” с помощью специальных фильтров может “видеть” Сатурн и его спутники на тех длинах волн, которые недоступны для человеческого глаза (такие фильтры помогают специалистам узнать, как именно атмосфера планеты отражает и поглощает определенные длины волн солнечного света). Кроме того, установленные на борту станции инструменты могут “чувствовать” магнитные поля и крошечные пылевые частицы, которые человек никогда не ощутит.

Связь.Станция может передавать данные и принимать информацию через четырехметровую антенну высокого усиления (HGA), либо, в случае чрезвычайной ситуации, через одну из двух антенн низкого усиления(LGA). Все три инструмента разработаны Итальянским космическим агентством.

Основная антенна (HGA) также используется как прибор для работы с радиосигналами, проходящими через атмосферу Титана, Сатурна и кольца планеты. Эти сигналы изучают для того, чтобы определить размер частиц колец и атмосферное давление газового гиганта.

Двигатели.На станции установлено два комплекта реактивных двигателей: два основных — для выхода на расчетную траекторию, и 16 запасных малой тяги — для ориентации зонда, малых маневров и коррекции орбиты. Лишь 1% времени в пути до Сатурна посланник Земли провел с включенными двигателями.

Генераторы.Во время создания “Кассини” было принято решение, что работать станция будет не на энергии Солнца (из-за удаленности Сатурна от нашей звезды солнечные панели малоэффективны), а на основе радиоактивного плутония-238. Для этого были разработаны три радиоизотопных термоэлектрических генератора, в которых помещалось 32 кг радиоактивного плутония. Специалисты посчитали, что такого запаса топлива должно хватить до конца миссии для маневров, торможения, выхода на орбиты, обеспечения энергией приборов.

Приборы прямого и дистанционного зондирования.Эти инструменты представляют собой различные спектрометры и радары, которые могут делать замеры с большого расстояния. Они измеряют:

— электрические заряды частиц;
— плазму и солнечный ветер в магнитосфере планеты;
— направление, размер и скорость движения пылинок, находящихся рядом с газовым гигантом;
— инфракрасные волны, исходящие от космических тел, чтобы узнать температуру и состав этих объектов;

а также:

— исследуют молекулы ионосферы Сатурна;
— сканируют поверхность спутников газового гиганта и моделируют карты этой поверхности, измеряют высоту гор и каньонов на ней при помощи радиосигналов.

Магнитометр.На станции установлена специальная штанга, которая может выдвигаться вперед на 11 метров. Это магнитометр. Предназначен он для измерения магнитного поля вокруг Сатурна и составления 3-D карты магнитосферы планеты.

Компьютер.Все научные инструменты, установленные на станции, снабжены собственными микрокомпьютерами. Основной компьютер — GVSC 1750A, разработанный компанией IBM, застрахован от ошибок и сбоев многоступенчатой системой защиты.

Система ориентации. Как и древние моряки, космический зонд ориентируется по звездам. В память датчиков станции команда NASA заложила звездную карту из пяти тысяч звезд. Ориентация в космическом пространстве происходит следующим образом: каждую секунду датчики делают не менее десяти широкоугольных снимков звездного неба, сравнивают их с картой, заложенной в памяти, и определяют расположение аппарата в космическом пространстве. Информация о движении станции обновляется с частотой 100 раз в секунду.

Спускаемый модуль “Гюйгенс” — детище Европейского космического агентства. Он представлял собой аппарат шириной 2,7 метров и весом около 320 килограммов с толстой защитной оболочкой, которая спасала его от перегрева во время спуска на Титан.

“Гюйгенс” был собран из двух частей: защитного модуля и спускаемого модуля. Защитный модуль состоял из оборудования, отвечающего за отделение от “Кассини” и теплозащитного экрана, предотвращающего перегрев при входе в атмосферу Титана. Спускаемый модуль был оборудован тремя парашютами, отвечающими за спуск, и серией научных приборов:

HASI — инструмент для измерения атмосферы. Прибор был оборудован специальными датчиками, которые в момент спуска “Гюйгенса” измеряли физические и электрические свойства атмосферы Титана;

DWE — прибор для измерения скорости ветра на поверхности спутника Сатурна;

DISR — прибор для измерения радиационного баланса (или дисбаланса) толстой атмосферы Титана;

GCMS — прибор представлял собой универсальный газовый химический анализатор, который идентифицировал и измерял химические вещества в атмосфере Титана;

ACP — инструмент предназначался для анализа аэрозольных частиц, извлеченных из атмосферы Титана;

SSP — комплект датчиков, предназначенных для определения физических свойств поверхности Титана в месте спуска. Эти датчики определяли, была поверхность твердой или жидкой.

Путь к Сатурну

Миссия «Кассини-Гюйгенс» была запущена 15 октября 1997 года. Чтобы вывести на орбиту столь тяжелый аппарат, напомним, его вес составлял около 6 тонн, специалисты использовали одну из мощнейших в то время ракет-носителей Titan IVB.

Чтобы придать посланнику Земли требуемое направление полета и необходимую стартовую скорость, между ракетой и зондом был поставлен дополнительный разгонный блок “Центавр”.

Вместо прямого маршрута к Сатурну (в этом случае в аппарат необходимо было бы “залить” 68 тонн дополнительного топлива — ноша, с которой не справится ни одна ракета в мире), было принято решение проложить для станции более сложный путь: c двумя гравитационными маневрами около Венеры в 1998 и 1999 годах, одним у Земли в августе 1999 года и еще одним у Юпитера в 2000 году. Каждый маневр дал “Кассини” дополнительное ускорение (за счет собственного движения планеты и гравитационного притяжения), что позволило аппарату добраться до Сатурна с практически нулевым расходом топлива. Единственный минус такого способа передвижения — время, используя гравитационный маневр, ученые потеряли, в среднем, около четырех лет, но это незначительная цена, учитывая важность миссии.

Практически весь путь до Сатурна “Кассини” провел с выключенными приборами, они “просыпались” лишь когда аппарат пролетал рядом с планетами или их спутниками, чтобы запечатлеть эти объекты. Во время гравитационного маневра возле Юпитера зонд сделал порядка 30 000 фотографий этой планеты.

В январе 2004 года команда NASA постепенно начала выводить аппарат из “спячки”, включая все больше и больше инструментов. По мере приближения к Сатурну, “Кассини” делал потрясающие снимки планеты. Взору камер представал величественный Сатурн, тень которого ровно ложилась на кольца планеты. Таким “властелина колец” земляне еще не видели никогда.

“Кассини” добрался до места назначения 1 июля 2004 года. Аппарат проскочил между двумя тонкими внешними кольцами F и G, и станция начала тормозить, включился один из основных ее двигателей, который проработал около 100 минут, потратив лишь 850 кг топлива. Во время торможения “Кассини” был развернут таким образом, что его главная антенна служила своего рода защитой для хрупких приборов аппарата от крошечных частичек пыли. Было зафиксировано порядка 100 тысяч попаданий в корпус станции, но, к счастью, серьезных столкновений не произошло, и аппаратура осталась неповрежденной.

Когда двигатель замолк, стало ясно, что мечта ученых сбылась — аппарат оказался на орбите Сатурна целым и невредимым. Семилетнее путешествие к газовому гиганту закончилось, и станция приступила к исследованию планеты и ее спутников.

Титан и спуск модуля “Гюйгенс”

“Кассини” не был первым аппаратом посетившим планетарную систему Сатурн (до него это сделали Pioneer-11 и Voyagers), но был первым, кто должен был в ней остаться. Именно поэтому станция несла с собой уникальное оборудование — спускаемый модуль “Гюйгенс”. Он должен был приземлиться на самом крупном спутнике Сатурна Титане и провести серию исследований.

Первое знакомство «Кассини» с Титаном произошло на следующий день после выхода аппарата на орбиту Сатурна. Это был нулевой пролет на расстоянии почти 400 000 км от спутника, своего рода “разведка местности” перед отделением “Гюйгенса”. Правда, съемку Титана “Кассини” начал еще в мае, когда станция только подлетала к “Властелину колец”. Фотографирование в инфракрасном диапазоне позволило выявить на покрытом завесой плотных облаков спутнике некоторые детали рельефа. Однако понять, что же представляют собой светлые и темные пятна на снимках у ученых не получалось. Невозможно было даже различить, где возвышенности, а где впадины.

Еще одна, на этот раз более близкая встреча с гигантским спутником состоялась в октябре, когда «Кассини» заканчивал первый виток вокруг Сатурна. Это сближение стало более результативным. Аппарат приблизился к Титану на расстояние 1200 км, это в 300 раз ближе, чем при первом “знакомстве” с объектом. Фотографии, сделанные в высоком разрешении, просто завораживали. Титан предстал перед учеными во всей красе. Впервые специалисты увидели, что находится под завесой его плотной атмосферы. На фото проступали детали рельефа, пятна размером с континент, напоминающие гладь моря с заливами и островами. Этот регион получил название Ксанаду, его происхождение и география до сих пор остается загадкой.

Именно в этом районе со сложным рельефом и должен был приземлиться “Гюйгенс”. Чтобы осуществить посадку модуля, «Кассини» снова необходимо было подойти к Титану, на этот раз на расстояние чуть более 2 000 километров. 25 декабря “Гюйгенс” был “отстрелен” от “Кассини”, а 15 января “сел” на поверхность самого большого спутника Сатурна.

Спускаемый модуль стал первым рукотворным объектом, совершившим мягкую посадку во внешней Солнечной системе.
Во время спуска, который занял 21 день, рельеф местности начал распознаваться лишь на высоте 74 км, и когда были получены первые снимки, сделанные модулем в час посадки, ученые очень удивились. Например, на фото они обнаружили темные дренажные каналы, говорящие о том, что в них когда-то текли метановые реки. Было выяснено, что на Титане есть большие моря, правда, только на полюсах.

Также модуль смог записать звуки ветра на Титане, благодаря установленному на его борту микрофону.

В общей сложности, “Гюйгенс” передал “Кассини” более 500 мегабайт информации, к сожалению, большая часть данных была утрачена из-за сбоя в компьютерной системе.

Модуль проработал на поверхности Титана 72 минуты 13 секунд — именно столько времени “Кассини” принимал сигналы от “Гюйгенса”, затем орбитальная станция скрылась за горизонт, и сигналы прекратили поступать.

Энцелад

Во время своей миссии “Кассини” смог изучить шестой по величине спутник Сатурна — Энцелад, привлекший внимание ученых из-за удивительных гейзеров, выбрасываемые вещества которых стали основным материалом для кольца Сатурна E. Эти струи появляются из так называемых криовулканов, выбрасывающих воду и летучие вещества вместо лавы. “Кассини” определил более 100 таких гейзеров, которые ежесекундно выбрасывают в космос 200 кг воды. Часть ее оседает на поверхность Энцелада в виде снега, а часть “вливается” в кольцо E. Эти гейзеры показывают, что Энцелад — геологически активный мир, подогреваемый изнутри. Раз на глубине происходит нагрев и есть лед на поверхности, значит, спутник должен обладать залежами воды, которая может находиться в подповерхностном океане и иметь глубину в пару десятков километров.

Наличие океана воды под поверхностью может значить, что у Энцелада есть все необходимое для зарождения жизни.

Другие открытия “Кассини”

В 2010 году руководство NASA объявило, что не смотря на то, что срок службы аппарата практически вышел, он продолжит свою работу на орбите Сатурна еще семь лет, до 2017 года. За это время станция сделала немало открытий.

1. Кассини собрал массу полезных данных о Титане. Он определил местоположение залежей углеводородов, выяснил, что погода на Титане временная, и что большая часть его поверхности состоит из замерзшей воды. “Кассини” помог ученым понять, что Титан — весьма интересный для исследований мир с разреженной атмосферой, залежами жидкого метана и, вероятно, с наличием жидкой воды.

2. На других спутниках Сатурна Дионе и Рее автоматическая станция нашла тектонические образования — обрывы и ледяные хребты. “Кассини” так же обнаружил на этих двух спутниках разреженную атмосферу, состоящую из углекислого газа и кислорода.

3. Межпланетная станция помогла ученым объяснить эффект “двуликости” Япета — третьего по размеру спутника Сатурна и открыла на его поверхности необычный горный хребет более 13 км высотой и 20 км шириной, опоясывающий спутник почти на 1300 км.

Этот спутник долго не давал астрономам покоя. Ученые пытались понять причины, по которым один полюс Япета бывает черным, а другой белым. “Кассини” приоткрыл завесу тайны. Оказалось, такие различия в окраске обусловлены пылью. Метеориты, которые падают на поверхность далеких спутников Сатурна, “выбивают” ее оттуда, и она оседает на ведущем полушарии Япета, то есть на том полушарии, которым он движется вперед по орбите. Покрытые пылью участки нагреваются сильнее, чем соседние регионы, и лед с них испаряется и конденсируется там, где температура поверхности ниже: на ведомой стороне и в околополярных областях.

Грандиозный финал “Кассини”

Команда NASA подготовила весьма захватывающий конец для миссии “Кассини”. После 20 лет службы аппарат сгорит в атмосфере Сатурна. Произойдет это, по расчетам ученых, 15 сентября 2017 года. Такой финал выбран специалистами преднамеренно. Дело в том, что когда “Кассини” выработает все свое топливо, его орбита будет становиться все менее и менее предсказуемой, а значит, появится риск, что зонд может столкнуться с одним из двух спутников гиганта — Энцеладом или Титаном, и занести на них живые организмы. А как мы знаем, эти два объекта представляют собой весьма активные геологические миры, которые могут обладать всеми необходимыми условиями для развития земной жизни.

26 апреля 2017 года межпланетная станция начала выполнять серию из 22 витков между Сатурном и его кольцами, постепенно приближаясь к верхним слоям атмосферы газового гиганта. В час последнего облета аппарат окунется в Сатурн, попытавшись удержать антенну направленной на Землю, пока будет передавать свое последнее сообщение. Затем путешествие закончится, и “Кассини” станет частью газового гиганта: станция распадется на обломки и сгорит.

На момент написания этого материала, “Кассини” преодолел в общей сложности 7,9 миллиардов километров и успел передать 635 гигабайт данных.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

22 последних оборота — и конец. 26 апреля 2017 года межпланетный зонд Cassini совершил первый из серии пролетов сквозь 2400-километровую щель между сверкающими кольцами Сатурна на скорости 125 тыс. км/ч, антенной прикрываясь от мелких осколков. 15 сентября он развернет антенну к Земле и отправится в последний прыжок, в бездну атмосферы газового гиганта. Еще минута — и всё: сейчас, пока до этого момента остается несколько недель, ученые не надеются, что сигналы от аппарата будут поступать дольше. Но это будут новые данные об одном из самых потрясающих миров Солнечной системы. Пролетая между планетой и ее кольцами, аппарат измерит их гравитацию и уточнит массу льда в кольцах. Это поможет определить их возраст и решить вопрос о происхождении. Миллиарды лет назад, вместе с самой планетой? Или, наоборот, сравнительно недавно, из других небесных тел, как это показал Cassini для кольца Е, наполненного выбросами Энцелада? Вдруг зонд рассмотрит даже подозрительный объект в кольце С, который может быть ядром, остатком тела, разбитого кольцами? С каждым оборотом приближаясь к атмосфере Сатурна, Cassini переключит внимание на нее, сфотографирует бури и проследит за составом — возможно, открыв загадки некоторых странных устойчивых штормов. Ученые ожидают, что еще через две минуты молчания зонд окончательно испарится, но нам останутся ответы и воспоминания.

Газовый гигант с системой ледяных колец и многочисленными спутниками. В 95 раз тяжелее Земли и в 9,5 раза дальше от Солнца, местный год длится 29,4 наших лет. Состоит в основном из водорода, средняя плотность меньше воды (0,69 г/см3). Очень бурная атмосфера (ветры на экваторе могут дуть быстрее 500 км/ч) и мощное магнитное поле, создающее полярные сияния. Cassini совершил 294 оборота вокруг планеты.

Кольца

Плоские и тонкие, из частиц льда и пыли размером от микрометров до метров. Самые плотные — кольца А и В, разделенные щелью Кассини. Внутреннее кольцо D достигает атмосферы, внешнее разреженное кольцо Фебы тянется на миллионы километров от нее. Проходя сквозь кольца и их щели, Cassini разворачивался «тарелкой» антенны вперед, используя ее как щит от возможного столкновения со случайными частицами.

Шестигранная буря

На северном полюсе Сатурна облака складываются в необычный шестиугольный шторм поперечником около 25 тыс. км. Как показал Cassini, он уходит в глубину атмосферы почти на 100 км. Природа этих устойчивых образований остается неясной. Возможно, они появляются в результате взаимодействия нескольких быстро вращающихся вихрей с более медленными потоками самой атмосферы.

Спиральные аномалии

Притяжение спутников вызывает возмущения в кольцах Сатурна. Cassini обнаружил, что некоторые из них направлены в сторону планеты, словно их порождает что-то на ней самой. Трудно представить, чтобы на газовом гиганте были горы или другие источники гравитационных аномалий, и феномен до сих пор не объяснен. Возможно, так проявляются колебания твердого ядра Сатурна.

Технологии

Cassini уточнил скорость вращения Сатурна вокруг своей оси: 10 часов 45 минут 45 секунд. Это примерно на шесть минут медленнее, чем зарегистрировали зонды Voyager в 1980 и 1981 годах.

Дон Гарнетт (Университет Айовы): «Не думаю, что кто-то в связи с этим решил, будто вся планета целиком может замедляться. Похоже, что существует определенное отставание между вращением недр планеты и ее магнитного поля».

Желтый туман

Сквозь плотную атмосферу Титана зонд Huygens спускался почти два с половиной часа, отметив, что скорость ветра достигает 26 км/ч, а на высоте 18−19 км висят густые облака. Сверху он снял сложный «речной» рельеф, да и на месте посадки обнаружились округлые камни гальки. Еще около полутора часов зонд проработал на поверхности, успев передать на Cassini около 350 фотографий в желтых оттенках метанового тумана.

Спутники Сатурна

Луны Сатурна

62 спутника

13 размерами > 50 км

За кольцами и между ними

Научные миссии

635 Гб данных

453 048 снимков

162 пролета близ спутников

3948 научных публикаций

Космический аппарат Cassini

1.4-метровая остронаправленная антенна радара для картографирования Титана и других спутников, пара широконаправленных антенн.

2.Спектрометр для исследования частиц космической плазмы (CAPS).

3.Анализатор космической пыли (CDA), позволяющий выяснить размеры, скорость, заряд и направление движения частиц.

4. ИК-спектрометр (CIRS) для удаленных измерений температуры.

5. Масс-спектрометр INMS, анализирующий состав заряженных и нейтральных летучих частиц.

6. Камеры с широкоугольным и длиннофокусным объективами.

7. Инструменты для анализа заряженных частиц, картографирования и изучения магнитосферы (MIMI-LEMMS).

8. Магнитометр MAG на выдвижной 11-метровой мачте.

9. Антенны и датчики инструмента RPWS для регистрации плазматического и радиоволнового окружения аппарата.

10. Спускаемый модуль Huygens (DM) в комплекте с посадочным модулем (EAM), который обеспечил мягкое приземление на поверхность Титана 14 января 2005 года.

11. Источники энергии: три РИТЭГа (32,7 кг плутония-238).

12. Спектрометры видимого и ИК-излучения (VIMS).

13. Спектрометр УФ-излучения (UVIS).

14. Основной и дублирующий двигатели R-4D на самовоспламеняющейся смеси тетраоксида азота и монометилгидразина (тяга 445 Н). На аппарате также имеются 16 слабых маневровых гидразиновых двигателей тягой по 1 Н.

Энцелад

Самое блестящее тело Солнечной системы: яркое отражение (0,9 падающего видимого излучения) дает светлая, истрескавшаяся ледяная поверхность. Весной 2008 года Cassini прошел всего в 50 км над ней, сквозь выбросы ледяных гейзеров у южного полюса спутника, частицы которых образуют кольцо Е. Все указывает на наличие у него тяжелого ядра и жидкого водного океана, по крайней мере в южном полушарии.

Точные измерения гравитационного поля Энцелада подтвердили, что под его ледяной поверхностью скрывается жидкий океан глубиной порядка 10 км.

Дэвид Стивенсон (Калифорнийский технологический институт): «С учетом наших знаний о том, из чего сложены небесные тела, подобные этому, самым естественным вариантом будет вода».

Открыты новые спутники Метона и Паллена, 3 и 4 км в поперечнике. Они находятся между орбитами Мимаса и Энцелада, примерно в 200 тыс. км от центра Сатурна.

Непропорционально крупный спутник, на который приходится более 96% массы всех лун Сатурна. Единственное тело Солнечной системы, кроме Земли, на котором постоянно существует жидкость и происходит ее круговорот. Единственный спутник с плотной атмосферой. Облака и осадки, озера и реки из метана, активная кора из тяжелых углеводородов, криовулканизм — Cassini совершил 127 сближений с Титаном.

Кэролин Порко (Институт космических исследований, Колорадо): «Одной из главных задач возвращения к Сатурну был осмотр системы для поиска новых тел. Приятно думать, что среди предстоящих нам в ближайшие годы фантастических находок мы уже можем отметить подтверждение двух новых лун».

На Титане обнаружены и неплохо картографированы «углеводородоемы» — реки, озера и целые моря, заполненные жидким метаном и другими легкими углеводородами.

Ларри Содерблом (Геологическая служба США): «Мы увидели, что эти области темнее, чем что-либо на Титане… Cassini показал, что это озера, совсем такие, как на Земле. Титан как музыкальное крещендо: каждый пролет интереснее предыдущего».

Рея

Недра крошечной Реи, видимо, не дифференцированы, и она представляет собой смесь каменных пород и льда. Спутник движется одной и той же стороной вперед, и ведущее полушарие богато ударными кратерами, а заднее — следами тектонической активности, вызванной деформацией спутника гравитацией Сатурна. Cassini отметил торможение электронов в окрестностях Реи, что может говорить о наличии слабой системы колец.

Хронология

Перелет

1997

Запуск на борту HP Titan IV, стартовавшей с космодрома на мысе Канаверал

1998−2000

— Маневры в гравитационном поле Венеры, Земли и Юпитера

— Полет близ астероида (2685) Мазурский

Основная миссия

2004

— Прибытие в систему Сатурна

— Полеты близ спутников Фебы и Титана

— Открытие новых спутников: Метона, Паллена, Полидевк

— Отделение зонда Huygens (масса: 319 кг; диаметр: 2,7м)

2005−2007

— Мягкая посадка Huygens на поверхность Титана (14 января 2005 года)

— Наблюдение Сатурна и его колец, полеты близ крупных спутников

— Возможное обнаружение слабой системы колец у Реи

— Максимальное сближение с Титаном — 960 км

— Открытие спутников Дафнис и Анфа

Основная миссия

Миссия Equinox

2008

— Последний в рамках основной миссии Cassini пролет около Титана

— Открытие спутника Эгеон

— Объявлена новая миссия Equinox для наблюдений Сатурна в ходе местного равноденствия

— Озвучены планы на следующую научную миссию Solstice

Миссия Equinox

2009−2010

— Еще несколько полетов близ Титана и Энцелада

— Кратковременный переход в режим ожидания из-за технических проблем. После перезагрузки зонд почти полностью восстановил работоспособность

Последний прыжок

Миссия Solstice

2010−2017

— Работа по программе Cassini Solstice до весны 2017 года: еще 155 оборотов вокруг Сатурна, 54 пролета вокруг Титана, 11 — вокруг Энцелада, 2 — вокруг Реи и 3 — Дионы

— 123 608 км/ч — максимальная скорость

— 4 прохода сквозь кольцо D

— 5 пролетов через верхние слои атмосферы

— 1 минута от входа в атмосферу до потери контакта

— Падение в атмосферу Сатурна и гибель Cassini

Статья «Ответы и воспоминания» опубликована в журнале «Популярная механика» (№10, Октябрь 2017).

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *