Космический зонд кассини: Космический аппарат Кассини — Про космос

исследование Сатурна – Мир Знаний

Как-нибудь вечером, когда Сатурн расположится высоко на небосклоне, а ночь будет ясная и темная, взгляните на планету с помощью любительского телескопа. Когда вы ощутите благоговейный трепет и увидите красоту планеты, отыщите в интернете фотографии, которые космический зонд NASA «Кассини» передал за 13 лет своего путешествия вокруг этого окольцованного чуда. Возможно, вас сразит наповал то, как далеко мы проникли, насколько искусны стали в качестве исследователей межпланетного пространства и какое удивительное мастерство потребовалось, чтобы так близко подобраться к тайнам такой далекой от нас планеты, как Сатурн.

Согласно планам на момент написания этой статьи, в середине сентября зонду «Кассини» предстоит завершить свое путешествие вокруг Сатурна и по команде с Земли нырнуть в атмосферу планеты. Он превратится в огненный шар, чего, скорее всего, никто не увидит, гарантируя тем самым, что никогда случайно не столкнется с каким-нибудь из спутников Сатурна, на которых, возможно, имеются благоприятные для жизни условия, и не занесет туда земные организмы.

Как научный руководитель группы, занимающейся получением и обработкой фотоснимков, я вместе с моими коллегами по обеим сторонам Атлантики начала работу с «Кассини» в конце 1990 г., когда этот проект еще не вышел за рамки идеи, умозрительной концепции. Я следила за развитием проекта на стадии планирования и постройки зонда, воочию наблюдала, как 15 октября 1997 г. космический аппарат был запущен с мыса Канаверал во Флориде, терпеливо следила за его семилетним полетом к Сатурну и находилась в первом ряду в центре управления, когда он наконец прибыл к месту назначения в 2004 г. Именно там и тогда «Кассини» заставил нас кардинально пересмотреть наши представления о Сатурне и обо всем, что его окружает.

Ни одна из космических экспедиций еще не исследовала планетную систему столь богатую, как у Сатурна, настолько глубоко и столь продолжительное время. На одном из его спутников, Титане, мы обнаружили моря углеводородов, а структура его поверхности по сложности оказалась сравнимой с земной. Мы наблюдали метеорологические процессы в сатурнианской атмосфере и стали свидетелями рождения, эволюции и угасания гигантских бурь. В кольцах Сатурна мы разглядели неизвестные ранее явления, которые рассказали нам о процессах, участвовавших в формировании планетных систем, включая нашу с вами. Как картографы прошлого, мы вычерчивали карты спутников Сатурна для будущих исследователей и открывали «новые земли», включая целый класс малых небесных тел, расположенных внутри самих колец. И, наконец, то, что я считаю самым значительным открытием «Кассини»: более 100 гейзеров, фонтанирующих из подземного океана на южном полюсе спутника Сатурна, Энцелада, который, вполне возможно, дал приют внеземным организмам. Целых 13 лет моей жизни прошли там, в отдаленных закоулках Солнечной системы. И вот теперь эта плодотворная научная экспедиция подошла к концу.

Взгляд с близкого расстояния

Необходимость в детальном всестороннем изучении системы Сатурна стала ясна в начале 1980-х гг., после того как два космических зонда «Вояджер» совершили пролет вблизи планеты. Эти выдающиеся события стали прологом к истории исследований Сатурна человеком. Они придали планете объем и индивидуальные черты, но оставили за скобками вопросы, на которые требовались ответы. «Вояджер» обнаружил, что Сатурн — это планета со сложными внутренней структурой, атмосферой и магнитосферой. В его кольцах — огромном сияющем диске из ледяных глыб — экспедиция зафиксировала признаки тех же самых физических механизмов, что были ключевыми при формировании Солнечной системы и аналогичных дисков из межзвездного вещества вокруг других звезд на раннем этапе их жизни. Пролет «Вояджера» сквозь внутреннюю систему Сатурна выявил его разнообразные спутники и позволил наблюдать за влиянием их динамических сил. Титан, самый большой спутник Сатурна, чья поверхность оставалась невидимой сквозь плотную сплошную пелену тумана, тем не менее разжигал интерес астрономов намеками на возможность существования там океана жидких углеводородов. В общем, система Сатурна, по-видимому, — идеальное место для дальнейшего углубленного исследования и зондирования.

Зонд «Кассини» был международным проектом, проводимым под эгидой NASA и Европейского космического агентства, и во всех отношениях стал значительным прогрессом по сравнению с «Вояджером». Размером со школьный автобус, аппарат был больше, чем «Вояджер» и оснащен самыми совершенными научными приборами из всех когда-либо выведенных во внешнюю область Солнечной системы. «Кассини» также нес на себе модуль «Гюйгенс» — аппарат обтекаемой формы диаметром 4 м с установленными на нем шестью научными приборами, который спустился на поверхность Титана.

Пересекши Солнечную систему, 30 июня 2004 г. «Кассини» без каких-либо происшествий вышел на орбиту вокруг Сатурна. Его траектория была спиралевидна и строго выверена, образовав за 13 лет скитаний вокруг Сатурна фигуру, похожую на раскрывающиеся лепестки розы. Чтобы получить возможность разглядеть во внутренней системе Сатурна как можно больше с близкого расстояния, изменялись размеры, наклонение и ориентация его орбиты. Мы могли позволить себе роскошь так корректировать орбиту, чтобы, нырнув еще раз (а в некоторых случаях и несколько), снова взглянуть на то, что мы только что открыли. Длительное время нахождения «Кассини» у Сатурна также было критически важным для успеха нашей работы. Продолжительное наблюдение — единственный способ запечатлеть непредсказуемые явления, такие как столкновения метеорных тел с кольцами Сатурна. Более того, медленная постоянная миграция орбит сатурнианских спутников вместе с изменениями атмосферы, возникающими из-за больших сезонных изменений в освещенности Солнцем, требовали от нас получения данных наблюдений за как можно больший промежуток времени. Запланированный срок экспедиции «Кассини» должен был составить четыре года, и ее завершение намечалось на 30 июня 2008 г. Однако ставший явным к тому времени ее оглушительный триумф, а также естественное желание сохранить работоспособность столь эффективного аппарата помогли нам отстоять свою точку зрения о необходимости продолжить экспедицию «Кассини». Наши аргументы оказались убедительными, мы получили согласие и ряд дополнительных гарантий, что, в частности, позволило нам в августе 2009 г. стать свидетелями редких условий освещенности в период сатурнианского равноденствия, когда солнечные лучи, падая на кольца Сатурна под малым углом, выявляют вертикальные структуры, выступающие над плоскостью кольца и отбрасывающие длинные легко различимые тени.

В итоге работа «Кассини» на орбите с момента ее начала продолжалась почти половину сатурнианского года (или 13 земных лет и два с половиной месяца). Мы прибыли чуть позже пика лета в южном полушарии планеты, а закончится экспедиция на пике ее лета в северном. Такие временные рамки дали нам возможность провести наблюдения в течение почти полного годичного цикла: мы наблюдали переход от лета к зиме в южных полушариях Сатурна и Титана и от зимы к лету в их северных полушариях. Это было чем-то вроде мошенничества в космических масштабах, тем не менее оно сработало.

Спутники

До начала космического века ученые считали, что спутники планет внешней области Солнечной системы — не что иное, как ничем не примечательные, мертвые в геологическом отношении глыбы льда. «Вояджер» показал, что такое предположение в корне ошибочно; задачей «Кассини» было провести тщательное исследование армии спутников Сатурна и дать нам представление об их истории. В ряде случаев история эта оказалась весьма примечательной.

Взять, например, Япет. Причина его двухцветной раскраски — одно полушарие белое как снег, а другое черное как сажа — долгое время оставалась загадкой. Из фотографий с высоким разрешением, сделанных «Кассини», мы узнали, что даже в небольших масштабах этот спутник — пестрая мозаика из темных и светлых участков. Фото- и тепловизионные камеры «Кассини» совместно показали нам, почему это так. И различия в цвете полушарий, и локальные пестрые участки образованы быстро разрастающимся тепловым процессом, обнаруженном только на медленно вращающемся Япете. Области, которые изначально были темными, нагреваются до такой степени, что происходит сублимация льда, и таким образом они становятся все темнее и горячее, области же, которые изначально были светлыми, — холоднее, и на них конденсируются пары, образовавшиеся в результате сублимации. С течением времени весь лед из темной области испаряется и аккумулируется вновь в светлых областях. Но почему в этом процессе участвует все полушарие? Двигаясь по своей орбите вокруг Сатурна, Япет стремительно проносится сквозь облако темного мелкодисперсного вещества, занесенного сюда с Фебы, одного из удаленных нерегулярных спутников (Феба обращается в противоположном направлении по сильно вытянутой наклонной орбите). Это облако окрашивает в черный цвет все расположенное впереди по ходу движения полушарие, делая его более теплым и свободным ото льда. Загадка разгадана.

Другой замечательный спутник — Титан. Камеры «Кассини», снимающие в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне, а также его радар смогли пробиться сквозь дымку Титана. И, конечно же, это сделал зонд «Гюйгенс», сев в начале 2005 г. на поверхность Титана, когда в течение двух с половиной часов он проводил панорамное фотографирование и измерения состава атмосферы, ее прозрачности, силы ветра и температуры, прежде чем прекратил работу на поверхности сатурнианского спутника. В целом «Кассини» обнаружил на Титане самый настоящий мир из научно-фантастических фильмов, где детали пейзажа — формы рельефа и облака — легко узнаваемы, но состоят из непривычного вещества, где внешний облик местности знаком, но ощущения совсем иные.

Мы обнаружили, что на Титане есть озера и моря, но не воды, а жидкого метана. На южном полюсе этого спутника камера высокого разрешения зонда «Кассини» разглядела такого рода резервуар размером с озеро Онтарио (посему получившее латинское название Ontario Lacus — «озеро Онтарио») в области, где много аналогичных «водоемов» меньших размеров. Другой измерительный прибор зонда «Кассини» подтвердил затем, что Ontario Lacus действительно заполнено жидким метаном. С тех пор мы обнаружили множество вместилищ жидкого метана различного размера. По ряду причин расположены они главным образом в высоких северных широтах. Наблюдения с помощью радара выявили крутые скалистые береговые линии, которые напоминают побережья залива Мэн. В отличие от этого экваториальные равнины там, где совершил посадку зонд «Гюйгенс», сухие и покрыты дюнами, простирающимися на большие пространства, перемежаемые то тут, то там возвышенностями по всему периметру Титана.

Открытие морей и озер жидкой органики на поверхности Титана, естественно, породило предположения о возможности существования там жизни. Но температура поверхности на Титане чрезвычайно низкая: –180° C. При таких низких температурах было бы странно обнаружить там химические реакции, аналогичные тем, что, как мы полагаем, необходимы для биохимических реакций, в основе которых — водные растворы. Но обнаружь мы действительно инопланетные биохимические процессы, успешно развивающиеся в среде метана, это было бы грандиозным открытием.

Хотя, с моей точки зрения, величайшее открытие, сделанное «Кассини», — это, безо всякого сомнения, Энцелад, покрытый льдом спутник размером в десять раз меньше Титана. «Вояджер» обнаружил там огромные, удивительно ровные пространства, которые говорят о прошлом, характеризующемся значительной внутренней активностью, а возможно даже о наличии там слоя жидкой воды, похороненного под его ледяной скорлупой, — и то и другое на спутнике, кажущемся слишком маленьким для существования на нем подобного рода физических явлений.

Первый намек на существование какой-либо активности на Энцеладе был получен в самом начале экспедиции, в январе 2005 г., когда мы обнаружили шлейф ледяных частиц, вырывающийся в районе южного полюса. Наши фотографии были незамедлительно представлены общественности, и все, кто наблюдал за экспедицией «Кассини» в интернете, затрепетали от восторга. Вскоре после этого другие приборы «Кассини» подтвердили, что шлейф действительно существует. Операторы, управляющие зондом «Кассини», быстро среагировали, изменив траекторию, чтобы взглянуть на Энцелад с более близкого расстояния. Нас поразило уже то, что мы узнали об Энцеладе в течение той первой части экспедиции, но только после 2008 г., когда мы получили благословение NASA на продолжение работы, мы смогли уделить значительные время и ресурсы на исследование этого интереснейшего объекта.

Энцелад, как мы теперь знаем, — это спутник, который сплющивается и растягивается гравитационными приливными силами Сатурна. Эта приливная энергия генерирует более чем достаточно внутреннего тепла, чтобы образовать глобальный океан из воды глубиной, возможно, в 50 км, похороненный под внешней оболочкой изо льда толщиной в несколько километров. Более 100 гейзеров бьют струями из четырех больших трещин в районе южного полюса, образуя шлейф из крошечных частиц льда и пара, который поднимается на несколько сотен километров над поверхностью. Большая часть твердых частиц этого шлейфа падает назад, на поверхность, но некоторое их количество улетает прочь и образует размытое, но большое кольцо Е. «Кассини» сумел пролететь через этот шлейф десятки раз и провести анализ его материала. Мы выяснили, что частицы, которые мы видим на наших снимках и которые еще за несколько часов до того были капельками океана, несут в себе следы больших органических молекул и соединений, что указывает на гидротермальную активность, схожую с той, что наблюдается в глубоководных гейзерах на дне земных океанов. Они обнаруживают также сравнимую с земной минерализацию воды. Пар, которые сопровождает эти частицы, — большей частью просто вода, но он содержит и следы простых органических соединений, а также двуокись углерода и аммиак — все ингредиенты, важные для под- держания и даже зарождения жизни.

Результаты экспедиции «Кассини» ясно свидетельствуют о существовании под поверхностью Энцелада среды, которая могла бы поддерживать биологическую активность. И теперь мы должны дать четкий ответ на пробирающий до мурашек на коже вопрос: а не стала ли эта малая ледяная планета вторым очагом рождения жизни в нашей Солнечной системе? Не могут ли в ее шлейфе быть признаки существования жизни? Может быть, микробы как снег падают на ее поверхность? Ни одно из других небесных тел так наглядно не демонстрирует все характеристики, которые, согласно нашим представлениям, необходимы для существования жизни. В настоящее время это самое многообещающее, самое доступное место в Солнечной системе для поиска жизни. И некоторые из нас настолько увлечены такой возможностью, что мы замышляем возвращаемую экспедицию на Энцелад, чтобы выяснить это.

Кольца

Безусловно, именно кольца делают Сатурн таким изумительно зрелищным, и выяснение сложного механизма их функционирования было основной целью проекта «Кассини». Они представляют собой естественное конечное состояние коллапса вращающегося облака обломков, и как таковые дают самый близкий аналог диска из космических валунов, который обеспечил строительный материал для нашей Солнечной системы. Они также служат моделью дозвездных дисков, из которых рождались новые солнечные системы и даже миллиарды похожих на детские вертушки скоплений пыли и газа, которые мы называем спиральными галактиками. Из всего, что можно было изучать возле Сатурна, кольца представляли самый большой научный интерес.

Благодаря выполненным «Кассини» измерениям мы пришли к пониманию происхождения большей части структур в кольцах Сатурна. В определенных местах мы обнаружили, что влияние гравитации некоторых спутников на удаленных орбитах нарушает орбиты частиц кольца, создавая острые края или волновые возмущения, которые распространяются спиралеобразно. В других случаях, там, где спутники встроены в кольца, гравитация собрала частицы в красивейшие структуры. Например, Пан, спутник диаметром примерно 30 км, расположенный внутри деления (или, как еще говорят, щели) Энке внешнего кольца A, сотворил именно это с частицами в своей окрестности; в свою очередь падающее на планету вещество кольца изменило форму Пана, в результате этот спутник выглядит так, как будто одет в балетную пачку.

В областях колец там, где плотность частиц особенно высока, мы обнаружили распространяющиеся в диске самовозбуждающиеся волны с длиной волны от 100 м до сотен километров. Эти волны могут отражаться от резких неоднородностей в частицах и интерферировать сами с собой и друг с другом, формируя хаотически выглядящий рельеф. И наши представления о структуре колец теперь включают приятное подтверждение гипотезы, которую Марк Марли, в настоящее время работающий в Исследовательском центре им. Эймса NASA, и я выдвинули в 1983 г.: что акустические колебания внутри тела Сатурна, возможно, также формируют и рельеф колец. Таким образом, кольца Сатурна ведут себя как сейсмограф.

Самые потрясающие сюрпризы кольца «Кассини» обнаружил незадолго до, во время и сразу же после равноденствия в августе 2009 г. По резкому краю внешнего и самого массивного кольца B мы обнаружили невероятную непрерывную нитку остроконечных теней длиной 20 тыс. км, выдающую наличие «кольцевых гор» — вереницы обломков, выступающих на 3 км над плоскостью кольца. Вероятно, эти образования возникли в результате очень сильного сжатия вещества кольца при прохождении около небольших мини-спутников, которые вошли в резонанс на краю кольца наподобие того, как нахлынувшая волна разбивается, налетая на поверхность отвесной скалы у береговой линии.

Еще одно открытие: мы увидели очень слабую слегка закрученную в спираль структуру, простирающуюся без разрывов на 19 тыс. км поперек внутренних колец C и D. В результате тщательного исследования, проведенного Мэттом Хедманом, в настоящее время работающим в Университете Айдахо, с коллегами, было обнаружено, что столкновение остатков кометы с внутренними кольцами, произошедшее в 1983 г., вытолкнуло все частицы кольца в районе столкновения на наклонные орбиты; эти орбиты испытывают прецессию, как волчок, причем внутренние прецессируют быстрее, чем внешние. С тех пор это возмущение закрутилось еще плотнее, образовав в кольцах структуру в виде спиральной складки высотой в 3 м. Во время пролета «Вояджеров» этой структуры еще не было. Солнечная система, как мы видим, — это удивительный динамический феномен, и в своих несметных и изменчивых формах кольца Сатурна демонстрируют наглядный урок универсальности, масштабируемости и бесконечной сложности гравитации. Ни один художник не смог бы нарисовать ничего подобного.

Атмосфера

«Кассини» в мельчайших подробностях исследовал также состав и динамику атмосферы Сатурна, открыв в идущих в ней процессах ряд неожиданных черт. Его научные приборы смогли исследовать атмосферу Сатурна в широком диапазоне высот, выявив картину ее глобальной циркуляции, состав и вертикальную структуру. Атмосфера разделена на широкие полосы, как и у Юпитера, хотя полосы эти у Сатурна менее заметны снаружи из-за толстого слоя дымки, лежащего над верхней кромкой настила из аммиачных облаков. Когда «Кассини» проводил зондирование ниже дымки и в тропосфере, он обнаружил, что ширина полос на Сатурне меняется в зависимости от широты: более узкие — темнее и сопутствуют быстрым струйным течениям, а более широкие, как правило, более светлые и связаны со струями, которые более медленны, а возможно и неподвижны относительно общего вращения планеты. В целом атмосфера Сатурна, по-видимому, довольно статична. Как показал «Кассини», даже удивительное струйное течение в форме шестиугольника над северным полюсом мало изменилось с тех пор, как его впервые заметил «Вояджер». Мы начинаем понимать, что стабильность — общая черта крупноразмерных атмосферных систем на гигантских планетах: если нет твердой поверхности, расположенной под газовой оболочкой, нет и трения, вызывающего ослабление атмосферных потоков. Начавшись, они не затухают долгое время.

Однако мы были очень рады обнаружить, что атмосфера Сатурна все же подвержена сезонным изменениям. Когда «Кассини» только-только прибыл к месту назначения, зимой в северном полушарии над облаками планета устроила совершенно неожиданное представление: она была голубой! Поскольку пролет обоих «Вояджеров» происходил в период, близкий к равноденствию, и они не прислали фотографий с зимними пейзажами, такая экстремальная раскраска оказалась большой неожиданностью. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что более слабый поток ультрафиолетового излучения в течение зимнего периода, а также эффект блокирования Солнца кольцами зимнего полушария замедляет образование слоя дымки. Прозрачная атмосфера создает более благоприятные условия для рэлеевского рассеяния, явления, которое делает голубой нашу собственную атмосферу, а метан в атмосфере сильнее поглощает красное излучение Солнца. Великолепная полоска лазури, которая окрашивает северное полушарие на наших фотографиях Сатурна, на самом деле — полоска атмосферы Нептуна, спроецированная на атмосферу Сатурна. Кто бы мог подумать?

Одно из характерных свойств Сатурна, которое было известно уже 100 лет, — то, что раз в несколько десятилетий там случаются вспышки колоссальных бурь. Поэтому мы были безумно рады, когда в конце 2010 г. увидели зарождение одной из таких бурь. На протяжении примерно 270 дней мы наблюдали, как это громыхающее, извергающее молнии чудовище возникло сначала в виде небольшого возмущения в атмосфере северного полушария, а затем увеличивалось в размерах, разрасталось на всю планету, пока его хвост не столкнулся с головой, и в конце концов постепенно затухло. Это было еще одно явление, свидетелем которого до того не был ни один космический аппарат. Мы подозреваем, что вода, компонент самого глубокого облачного яруса, может сдерживать конвекцию в более легкой атмосфере водорода на протяжении десятилетий до тех пор, пока выталкивающая сила в конце концов не победит, и в результате происходит большой конвекционный всплеск.

Топограф планет

Со времени своего возникновения в 1990 г. до эффектного завершения в сентябре этого года проект «Кассини» был одним из основных компонентов — и необычайно успешным — проводящихся человечеством на протяжении шести десятилетий исследований того, что находится вне нашей родной планеты. Его историческая экспедиция к Сатурну показала нам замысловатые детали функционирования необычайно притягательной и удивительно чуждой нам планетной системы. Он расширил наши представления о силах, сотворивших в том виде, в котором они существуют в настоящее время, Сатурн и его окружение, нашу Солнечную систему и, беря еще шире, разбросанные по всему космосу другие звездные и планетные системы.

Маловероятно, что мы уже вскоре увидим, как экспедиция столь же масштабная, как «Кассини», вернется к Сатурну. Чтобы стать частью этого потрясающего воображение приключения, нужно было прожить требующую значительных усилий, но приносящую внутреннее удовлетворение жизнь исследователя нашего времени, топографа далеких планет. На этом я заканчиваю свой рассказ, с удовлетворением осознавая, что история «Кассини» — одна из тех вех, что будет вдохновлять человечество в течение еще очень долгого времени.

В гостях у властелина колец Космический аппарат Cassini-Huygens через семь лет после запуска долетел до Сатурна: Lenta.ru

Ранним утром в четверг 1 июля 2004 года космический аппарат Cassini с исследовательским модулем Huygens на борту должен будет выйти на орбиту Сатурна. Завершится его семилетнее путешествие с Земли, за время которого он проделал путь длиной 3,5 миллиарда километров, и начнется другой этап экспедиции, которую задумали и реализовали три космических агентства — NASA, ESA и итальянское ASI — Agenzia Spaziale Italiana. Этот этап продлится меньше — всего четыре года, но в течение этого времени землян ждет увлекательный рассказ об одной из самых красивых планет в Солнечной системе.

Миссия Cassini-Huygens названа в честь Жан-Доминика Кассини и Христиана Гюйгенса. Имена этих европейских ученых XVII века астрономы обычно ставят рядом — оба они, и итальянец, и голландец прославились, в числе прочего, изучением самой красивой и загадочной планеты Солнечной системы — Сатурна. Впервые ее заметил, правда, другой знаменитый исследователь — Галилео Галилей. Он обратил внимание на то, что форма Сатурна меняется время от времени — впоследствии стало понятно, что это происходит из за того, что периодически с Земли Сатурновы кольца видны «в профиль», когда их не видно. Однако, разумеется, не только изысканные кольца привлекали и продолжают привлекать к этой планете внимание ученых — Сатурн и без них является интереснейшим объектом для изучения.

Итальянский и французский астроном, основатель астрономической династии. Родился 8 июня 1625 в Перинальдо (Генуэзская республика). Образование получил в иезуитском коллегиуме в Генуе и в аббатстве Сан-Фруктуозо. В 1644–1650 гг. работал в обсерватории маркиза Мальвазиа в Панцано (близ Болоньи), продолжил астрономическое образование под руководством Дж.Б.Риччоли и Ф.М.Гримальди. В 1650–1669 гг. профессор астрономии в Болонском университете. В 1669 г. переехал во Францию, где руководил строительством Парижской обсерватории, которую возглавлял до конца жизни. С 1669 г. – член Парижской Академии наук. Скончался в 1712 году. В 1671 г. Кассини открыл второй спутник Сатурна – Япет и объяснил изменения его яркости тем, что этот спутник всегда обращен к планете одной стороной. В 1672 г. открыл третий спутник Сатурна – Рею, в 1684 г. – два других, Тетис и Диону. В 1675 обнаружил, что кольцо Сатурна состоит из двух частей, разделенных темной полосой (которую стали называть «делением Кассини»). Размышляя над физической природой кольца Сатурна, Кассини предположил, что оно состоит из большого количества отдельных небольших частиц.

Планета в шляпе

Без учета диаметра колец Сатурн по своим размерам вполне сопоставим с другим гигантом Солнечной системы — Юпитером, хотя по размеру немного ему уступает — 120 тысяч километров против 143 тысяч (речь идет об экваториальных диаметрах). Обе планеты появились четыре миллиарда лет назад. Так же как и Юпитер, Сатурн состоит из газа, причем это единственная планета из известных на сегодняшний день, чья плотность меньше плотности воды. Если Сатурн поместить в гигантскую ванну размером с Солнечную систему, то он всплывет. Эта планета имеет суровый климат — на ее поверхности бушуют ураганы, скорость ветра при этом достигает 1800 километров в час. Вокруг Сатурна вращается 31 спутник, самый большой из которых — Титан. По размерам он больше планеты Меркурий и имеет собственную атмосферу — явление для нашей системы уникальное.

Однако, несмотря на все эти факты, кольца, опоясывающие планету, более всего привлекают исследователей. Они состоят из кусков льда и камней различного размера — от мелких осколков до скал объемом с многоэтажный дом. Они вращаются вокруг планеты с разной скоростью. По мнению ученых, кольца состоят из обломков астероидов, остатков комет и спутников, «оторвавшихся» от других планет — эти небесные тела разрушились, а их остатки Сатурн «притянул» на свою орбиту. Ширина колец достаточно велика — она соответствует расстоянию от Земли до Луны (примерно 400 тысяч километров).

Миссия Cassini-Huygens

Экспедиция началась 15 октября 1997 года. Взлет ракеты-носителя Titan IV-B/Centaur с аппаратом на борту мог состояться лишь в 140-минутный период — за несколько дней до этого инженеры NASA не вписались в подобное «окно», и старт пришлось отложить. Итог многолетней работы восьми тысяч специалистов в США, а также многих тысяч в 17 других странах был поставлен под вопрос из-за плохой погоды. Однако судьба оказалась благосклонной к ним — запуск состоялся. Cassini-Huygens отправился в долгое семилетнее путешествие к Сатурну. Ему пришлось обогнуть Землю и Венеру, чтобы набрать достаточную скорость для путешествия к Сатурну. Летом 1999 года аппарат последний раз пролетел мимо Земли, а в декабре 2000 года достиг Юпитера.

Голландский математик, физик и астроном. Родился 14 апреля 1629 г. в Гааге. Учился в университетах Лейдена (1645–1647) и Бреды. В 1665–1681 гг. жил в Париже, с 1681 г. – в Гааге. Гюйгенс получил известность благодаря изобретению маятниковых часов. Об этом открытии он сообщил в сочинении «Часы» (Horologium, 1658). В 1678 г. Гюйгенс представил в Парижскую академию наук «Трактат о свете» (Traite de la lumiere), в котором излагалась волновая теория света. В рамках этой теории ученый объяснил механизм распространения света, отражение, преломление, атмосферную рефракцию, двойное лучепреломление, рассматривалась также форма линз. С помощью сконструированного им телескопа в 1655 г. обнаружил кольцо у Сатурна и его спутник Титан, определил период обращения Титана вокруг планеты. Умер Гюйгенс в Гааге 8 июля 1695 года.

Первая часть путешествия закончится 1 июля в 06:36 по московскому времени, когда Cassini, развернувшись вокруг своей оси, начнет торможение своим двигателем. Он сбросит скорость настолько, чтобы плавно подойти к орбите Сатурна и стать ее искусственным спутником. Это должно произойти к 08:36. Аппарат приблизится к планете ниже пояса ее колец и затем пройдет сквозь него между кольцами F и G. Сами кольца он минует еще на полной скорости — двигатель включат «на реверс», когда Cassini будет «выше» пояса планеты. Он будет работать примерно 90 минут, после чего аппарат затормозится настолько, что сможет благополучно присоединиться к остальным спутникам Сатурна.

Все маневры будут проходить в автоматическом режиме — радиосигнал идет от Земли до Сатурна в течение 83 минут, и поэтому оперативно реагировать на обстоятельства в ЦУПе не получится — все инструкции были даны Cassini в воскресенье — на него отправили последний перед началом сближения с планетой блок программ.

Космический самоубийца

Миссия Huygens начнется на Рождество 24 или 25 декабря. В этот день он отделится от Cassini и спустя примерно три недели — 15 января сядет на Титан.

При посадке он воспользуется парашютом — этот спутник Сатурна обладает атмосферой. В целом, миссия будет продолжаться 2,5 часа. Чтобы назначить дату начала операции по посадке европейского модуля на сатурнианскую луну на 25 декабря, ученым нужно было собраться с духом — севший в этот день в 2003 году на Марс европейский модуль Beagle пропал, как известно без вести.

Возможно, европейцы руководствовались принципом «один снаряд два раза не падает в одну воронку», либо решили, что спутник — не планета, и тут «законы космической подлости» не работают.

Впрочем, никто и не надеется, что Huygens выживет — ему изначально была уготовлена роль самоубийцы. Вся работа по исследованию состава атмосферы и передача данных на Cassini будет осуществлена во время посадки, пока модуль будет находиться в воздухе. Впрочем, если Huygens выживет, то он сможет еще раз передать все необходимые данные с поверхности — материнский аппарат будет находиться в пределах видимости еще два часа.

Европейский модуль войдет в атмосферу спутника Сатурна на скорости 20 тысяч километров в час и затормозится до шести метров в секунду. На этой скорости он столкнется с поверхностью Титана.

Антропоморфизм и высокие технологии

Анатомия Cassini. Иллюстрация с сайта NASA

Lenta.ru

Оба аппарата — Cassini и Huygens могут осуществлять 27 различных научных экспериментов и измерений. Для этих целей они оснащены различными инструментами и приборами — у Cassini их 12, у Huygens — шесть. Некоторые приборы могут выполнять по несколько различных функций. С Землей аппараты могут связываться при помощи одной из трех антенн. Энергию Cassini-Huygens получает от особой бортовой электростанции, состоящей из трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Cassini оснащен двумя двигателями, один из которых является запасным.

Для наглядности NASA в своем пресс-релизе сравнило приборы космического аппарата с органами чувств человека. Однако, как отмечается на сайте агентства, приборы намного чувствительнее их человеческих аналогов — Cassini может «видеть» не только обычные цвета, но также излучение, частота которого выходит за рамки видимого спектра. Кроме того, он способен воспринимать и измерять магнитные поля, а также многое другое, вплоть до измерения заряда частиц космической пыли, которые не способен увидеть человек.

Cassini и Huygens оснащены двумя типами приборов — дистанционного измерения и «контактными» сенсорами. К дистанционным приборам можно отнести камеры, спектрометры, радары, которые способны измерять и исследовать свойства веществ и полей на расстоянии. Приборами непосредственного, контактного анализа являются всевозможные анализаторы магнитного поля, измерители массы, электростатического заряда и прочих свойств частиц, которые будут обнаружены в космосе.

За ценой не постоим

Бюджет экспедиции впечатляет не меньше, чем ее размах — в проект были вложены 3,27 миллиарда долларов, включая 600 миллионов, которые потратило Европейское космическое агентство, а также 150 миллионов ASI, которые пошли на разработку антенны высокого усиления (кроме нее на аппарате установлены еще две антенны низкого усиления). Вклад ESA в проект, конечно, намного больше, но он не превышает четверти от всех денег и усилий, затраченных на организацию экспедиции в целом — остальное в нее вложили американцы. Европейское агентство владеет двумя из 12 приборов на Cassini и четырьмя из шести на Huygens.

Cassini. Фото с сайта NASA

Lenta.ru

Однако деньги эти, как утверждают ученые, не пропадут даром. Как минимум, аппараты позволят им понять, какие процессы происходили на Земле задолго до появления на ней жизни, когда наша планета была сильно похожа на Титан.

Вложенные в проект деньги уже принесли первые результаты. Cassini уточнил некоторую информацию, которая ранее была получена космическими зондами Voyager 1 и Voyager 2 в 1980 и 1981 годах соответственно. Анализ колебаний естественного радиоэха Сатурна, который произвел Cassini, показал, что период вращения этой планеты вокруг собственной оси за последние двадцать лет увеличился примерно на один процент. В частности, в настоящее время Сатурн делает полный оборот за 10 часов 45 минут 45 секунд, что на шесть минут больше результатов Voyager.

До этого аппарат сумел сфотографировать крупным планом два спутника Сатурна – Титан и Фебу. Фотографии позволили сделать выводы о составе вещества, из которого они состоят.

И это только начало! Аппараты еще толком не начали свою работу, а результаты исследований уже поступают на Землю. Что ж, вооружимся терпением – в течение четырех следующих лет нам предстоит смотреть увлекательный сериал «Сатурн глазами двух великих ученых мужей». Приятного просмотра!

Павел Аксенов

Жемчужина Солнечной системы

КАССИНИ-ГЮЙГЕНС КА

Запущен
в 1997 году с мыса Канаверал во Флориде пейскрафт C assini s ,
с зондом Huygens на борту начал путешествие к Сатурну
это покроет более 2 миллиардов миль (3,5 миллиарда километров).
Задачи миссии Кассини-Гюйгенс состоят в том, чтобы проанализировать
состав и атмосфера Сатурна, исследовать кольца Сатурна
и несколько ее спутников, а также изучить магнитосферу планеты
— область пространства, на которую влияет магнитное поле Сатурна.
поле.

Для выполнения своих научных задач Cassini несет
две группы сложных инструментов. Первый состоит из удаленных
датчики, включая камеры видимого света и инфракрасные камеры.
Второй содержит инструменты, которые будут непосредственно исследовать
заряженные частицы и магнитные поля.

Вкл.
11 июня 2004 г. Cassini прошел примерно 1200 миль.
(2000 километров) Фиби, крупнейшей из самых отдаленных планет Сатурна.
луны. Анализ данных, собранных во время пролета, привел ученых к выводу, что Фиби — это реликвия, существовавшая более четырех миллиардов лет назад. Эта маленькая луна, кажется, была одним из многочисленных ледяных планетезималей (маленьких тел), которые помогли сформировать гигантские внешние планеты.

Кассини начал вращаться вокруг Сатурна 1 июля 2004 г. , Universal
Время (30 июня в часовых поясах США). Ожидается, что орбитальный аппарат
обогнуть Сатурн более семидесяти раз в течение следующих четырех лет,
ежедневно передают на Землю огромное количество информации.

В
Декабрь 2004 г., Гюйгенс отделился от Кассини .
и начните движение к Титану, крупнейшему спутнику Сатурна и
единственная луна в Солнечной системе, имеющая атмосферу. Гюйгенс вошел в атмосферу Титана в январе 2005 года и собрал
различные атмосферные данные перед посадкой на поверхность Луны.
[См. Обновления, чтобы узнать, что ученые узнали из замечательной миссии Huygens .]

орбитальный аппарат назван в честь Жана-Доминика (или Джованни Доменико) Кассини.
(1625-1712), французско-итальянский астроном, открывший четыре
Спутники Сатурна и брешь в системе колец, известная как Кассини
разделение. Зонд чествует голландского ученого Кристиана Гюйгенса.
(1629 г.-1695), который правильно предположил, что Сатурн был окружен
кольцами, а также открыли Титан.

Эта миссия представляет собой крупную совместную работу трех
международных космических агентств и многих стран. Орбитальный аппарат Cassini
был построен и управляется Лабораторией реактивного движения НАСА,
Зонд Huygens был построен Европейским космическим агентством,
и Agenzia Spaziale Italiana (Итальянское космическое агентство) предоставили
Антенна связи Кассини с высоким коэффициентом усиления. Кроме того,
семнадцать стран помогли построить космический корабль, и сотни
Ученые всего мира оценивают данные, отправленные обратно на Землю.

Космический зонд Кассини потерпел крушение с фильтрами Материон без сбоев

Меню прецизионной оптики

После 20 лет пребывания в космосе спутник Cassini-Huygens, созданный совместно НАСА, Европейским космическим агентством и Итальянским космическим агентством, вступил в завершающую фазу своей грандиозной миссии по наблюдению и исследованию Сатурна.

Запущенный в 1997 году, «Кассини» завершил свою номинальную миссию в июле 2008 года, за которой последовало несколько продлений миссии. Устаревший орбитальный аппарат в настоящее время славно пролетает в промежутках между планетой и ее внутренними кольцами и выходит из них со скоростью 77 000 миль в час, захватывая иначе недоступные изображения и данные, прежде чем он погрузится в атмосферу планеты и встретит запланированную гибель в пятницу утром, 15 сентября.

В конце 2004 года орбитальный аппарат сбросил зонд «Гюйгенс» и отправился в 20-дневное путешествие к огромному спутнику Титану, где он совершил успешный спуск и мягкую посадку на замерзшую поверхность. Плотная атмосфера Титана скрыла его поверхность от пролетавших ранее спутников. Зонд передавал данные на орбитальный аппарат для последующей доставки на Землю в течение семи часов, пока его батарея не разрядилась.

Миссия «Кассини-Гюйгенс» сделала несколько удивительных открытий, в том числе семь ранее неизвестных спутников, а также изображения крупным планом, показывающие, что таинственные кольца Сатурна состоят в основном из частиц льда с вкраплениями розовой пыли и камней размером от гальки до дома. «луны» больших размеров.

Сейчас у орбитального корабля заканчивается топливо, и некоторые системы отказывают. «В его подшипниках почти закончилась смазка; его средства управления реакцией изнашиваются; и источник питания для одного датчика вышел из строя», — сообщает Wall Street Journal .

Но оптические фильтры на камерах и других инструментах, которые воспроизводили все или почти все изображения и оптические данные, продолжают работать безукоризненно — в значительной степени благодаря фильтрам, поставляемым Materion Precision Optics.

Том Муни, инженер и менеджер по продукции компании Precision Optics в Вестфорде, гордится этим. Он работал над проектом Cassini еще в конце 1980-х и начале 1990-х годов, когда компания Precision Optics подала заявку и выиграла контракт.

Проектирование, изготовление и тестирование фильтров началось за несколько лет до запуска. Включая круговой семилетний полет к Сатурну, «фильтры были уже довольно старыми к тому времени, когда они использовались. Мы построили их так, чтобы они превысили предполагаемый срок службы», — сказал он.

Компания

Precision Optics поставила все фильтры для основной системы обработки изображений орбитального аппарата «Кассини», в том числе 18 фильтров для широкоугольной камеры и 24 фильтра для узкоугольных камер. Мы также поставили массивы многополосных фильтров для картографического спектрометра видимого и инфракрасного диапазонов. Зонд Huygens включал фильтры Materion на тепловизоре и на солнечных датчиках, а также ультрафиолетовые фотометры на Descent Imager / Spectra Radiometer. По словам Тома, фильтры позволяют изображениям различать цвета. «Фотографии довольно удивительны, как изображения, но они также раскрывают ценную научную информацию».

Как сказал руководитель миссии «Гюйгенс» в 2005 году, когда были получены первые снимки поверхности Титана: «У вас достаточно информации на этой фотографии, чтобы написать несколько научных статей».
Возможно, даже более важным, чем изображения, является способность захватывать изображения за пределами видимого спектра с использованием инфракрасного и ультрафиолетового света и определять присутствие или отсутствие различных химических веществ по их «спектральным сигнатурам» или «отпечаткам пальцев в оптическом спектре», — сказал он.

Возможно, самым большим открытием миссии «Кассини» является доказательство того, что три спутника Сатурна могут поддерживать химию жизни, какой мы ее знаем. Фильтры Materion внесли непосредственный вклад в эти открытия, позволив проводить дистанционный химический анализ атмосфер лун и Сатурна.

В марте 2008 года во время облета луны Энцелада спектральные фильтры на борту «Кассини» взяли пробы шлейфов гейзеров и обнаружили, что они состоят из воды с примесью аммиака, метана и углекислого газа. В то же время инфракрасные фильтры обнаружили особенности поверхности, указывающие на наличие жидкой воды недалеко от поверхности. Основываясь на этих и других выводах, НАСА относит Энцелад к «одним из наиболее вероятных мест в Солнечной системе, где может обитать инопланетная микробная жизнь».

К счастью для развития науки, оптические фильтры на «Кассини» представляли собой новейшие технологии того времени. Но этого почти не произошло, вспоминал Том. «В то время мы разработали несколько новых процессов нанесения покрытий, которые были более дорогими, но гораздо более надежными, чем существующие технологии», — сказал он. Процессы были протестированы в симуляциях, но на самом деле они не летали в космос.

«В этих крупных космических миссиях у вас есть один шанс», — объяснил Том. «Отказ не вариант. НАСА хочет знать наследие полетов, то, что что-то подвергалось реальной космической среде».

Как рассказал Том, заказчики фильтров Precision Optics — Lockheed и Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) — обсуждали это с менеджерами миссии «Кассини». «В какой-то момент одна из двух камер основного тепловизора должна была иметь фильтры, изготовленные по старому процессу, а другая — по новому.

«Наконец, один видный инженер из JPL, который был нашим защитником, встал и сказал: «Это безумие. Почему мы вообще ведем этот разговор? Новый процесс лучше. Тот факт, что он не летал в космос, не является причиной для того, чтобы его не использовать». Они сказали НАСА, что поддержат его, и фильтры нового процесса были одобрены».

После того, как эти фильтры нового поколения были установлены на «Кассини», сказал Том, «это было гладко.