В краю гігантів | Журнал Популярна Механіка
На зміну «Піонерам» і «Вояджер», розробленим в кінці 1970-х, прийшли апарати нового покоління - нині покійний юпітеріанскую корабель Galileo, що працює в системі Сатурна станція Cassini і летить до Плутона космічний розвідник New Horizons.
Польоти "Вояджер" значно збагатили вчених інформацією про двох найбільших планетах Сонячної системи. «Всіх відкриттів і не перерахуєш. 'Вояджери' виявили вулканізм на супутнику Юпітера Іо, який на два порядки інтенсивніше земного. Виявили, що поверхня ще одного супутника, Європи, закута в гладкий крижаний покрив, під яким, ймовірно, ховається рідкий океан. На Каллісто знайшли пари води і виразні сліди геологічної активності, що мала місце в далекому минулому, - розповів нашому журналу науковий керівник цього проекту, професор Каліфорнійського технологічного інституту Едвард Стоун. - Чимало сюрпризів принесло і вивчення Сатурна. Виявилося, що кільця цієї планети мають складну динамічну структуру, обумовлену тяжінням її супутників. На Титані, найбільшою з його лун, була відкрита щільна атмосфера з азоту і метану, тиск якої більш ніж в півтора рази перевищує тиск земної повітря. Там також є слідові кількості складних органічних сполук, які, судячи з усього, утворюються з метану під дією радіації. Крім цього «Вояджери» виконали детальні заміри багатьох параметрів магнітосфер і атмосфер обох планет-гігантів ».
Дослідницький корабель повинен здійснити 74 орбітальних витка навколо Сатурна, а також зібрати дані про найбільших супутниках цієї планети.
Винятковий інтерес вчених до Титану пояснюється тим, що це єдиний супутник у Сонячній системі, що володіє щільною атмосферою.
Cassini оснащений УФ, ІК і радіоспектрометр, аналізатором пилу, мас-спектрометром, камерою, магнітометром, радаром, а також фіксованої головною антеною чотириметрової діаметра, за допомогою якої він відсилає дані на Землю. Місія Cassini розрахована як мінімум на чотири роки. Спусковий модуль Huygens призначений для спуску і посадки на Титан, найбільший супутник гігантської планети.
Повернення до Юпітера
Але «Піонери» і «Вояджери» вивчали Юпітер з Сатурном лише на прольоті. Це був відмінний дебют - але всього лише дебют. У NASA ще в 1960-х виникла ідея створення корабля для тривалої роботи в системі Юпітера. В середині 1970-х одночасно в двох підрозділах NASA, Дослідницькому центрі імені Еймса і Лабораторії реактивного руху (JPL) в Пасадені, почали конструювати станції, здатні не тільки дистанційно досліджувати цю планету і її супутники, а й вистрілити в її атмосферу зонд, оснащений вимірювальної апаратурою. Спочатку проект назвали JOP (Jupiter Orbiter-with-Probe), але незабаром перейменували в честь Галілео Галілея, першовідкривача чотирьох найбільших юпитерианских супутників Іо, Європи, Ганімеда і Каллісто (ці імена придумав німецький астроном Симон Маріус, який спостерігав їх трохи пізніше). 1 жовтня 1977 Конгрес США затвердив проект Galileo, а через сім років NASA повністю передало його під егіду JPL.
Небачений Сатурн На початку березня 2007 роки людство вперше побачило Сатурн зверху. Цю фотографію передав на Землю корабель Cassini. Сатурн освітлений Сонцем зліва. На зміну «піонерам» і «Вояджер», розробленим в кінці 1970-х, прийшли апарати нового покоління - нині покійний юпетіріанскій корабель Galileo, що працює в системі Сатурна станція Cassini і летить до плутону косміче- ський розвідник New Horizons.
Запуск Galileo відбулася 18 жовтня 1989 року. Це можливо було зробити набагато раніше, але старт корабля неодноразово відкладали через технічні і політичних причин. Остаточною датою був травень 1986 року, але запуск був знову відкладений через загибель «Челленджера» 28 січня. Galileo завантажили на спеціальний трейлер і перевезли з мису Канаверал назад в JPL для чергової переробки.
Відстрочки дозволили модернізувати приладове оснащення корабля, особливо комп'ютери (втім, 8-бітові 1,6-МГц мікропроцесори RCA 1802 зараз якось не вражають). Більш того, цілком ймовірно, вони врятували весь проект. Galileo був обладнаний дванадцятьма корректирующими двигунами тягою по 10 Ньютоновий. За кілька місяців до запуску з'ясувалося, що при безперервній роботі вони сильно перегріваються і надійно функціонують лише в імпульсному режимі. Якби цієї інформації не було, корабель мав чималі шанси зруйнуватися після першого маневру.
Місяця Сатурна За останні роки список супутників Сатурна значно збільшився. До моменту запуску Cassini їх було відомо 18, а зараз - не менше 56. Період обертання недавно виявлених супутників навколо Сатурна становить приблизно два роки, вони знаходяться на значній відстані від гіганта.
Спочатку передбачалося, що після розстикування з шатлом Galileo включить розгінну ракету Centaur, яка давно і добре працювала в блоці з ракетами Titan і Atlas. Однак начальство NASA злякалося, що цей рідкопаливний мотор вибухне, якщо запуск шаттла виявиться нештатним. Можливість такого результату була вкрай мала, раніше її не брали до уваги, але після аварії «Челленджера» Galileo вирішили зістикувати з порівняно малопотужним твердопаливним прискорювачем тягою 400 ньютонів, спеціально виготовленим для цієї мети корпорацією Boeing.
На відміну від Centaur, цей двигун не міг відправити корабель в прямій трідцатімесячний політ до Юпітера. Тому балістики винайшли складний маршрут, під час якого Galileo повинен був тричі збільшувати свою кінетичну енергію за допомогою гравітаційного маневру. Йому належало набрати швидкість близько Венери, вдруге провести цей же маневр в поле тяжіння рідної планети, піти від неї до внутрішньому кордоні пояса астероїдів, знову повернутися до Землі, розігнатися в третій раз і лише після цього відправитися до Юпітера. Вийшла дуже красива, але дуже складна траєкторія: дві замкнуті петлі і гіперболічна дуга, спрямована до мети подорожі, яке зайняло цілих п'ять років замість двох з половиною.
Корабель і вантаж Стартова маса самого Galileo становила 2223 кг, з яких 925 кг доводилося на пальне і окислювач, а 118 кг - на наукове обладнання (твердотельную відеокамеру, три спектрометра, що працюють в ближньому ІЧ-діапазоні і в ультрафіолеті, радіометр в комплексі з фотополяриметра , детектор швидких частинок, пару плазмових детекторів, детектори пилу і важких іонів, магнітометр і допплерівський вимірювач швидкості). Джерелами електрики служили два радіоізотопних термоелектричних генератора, які на старті давали в сумі 570 Вт, а в кінці місії - близько 500 Вт. Маса виділень апарату, велика частина якої припадала на теплові екрани і парашут, становила 339 кг. Власне атмосферне зонд важив 121 кг з 30 кг наукової начинки (п'ять приладів для вимірювання тиску, щільності і температури юпитерианской атмосфери, визначення її хімічного складу і детектування проходить через неї потоку електромагнітного випромінювання).
політ Galileo
9 лютого 1990 корабель пролетів повз Венеру і відправив на Землю три її фотознімку. 8 грудня наблизився до Землі, «клацнув» зворотний бік Місяця і помчав на призначене на 29 жовтня 1991 року рандеву з астероїдом Гаспра. 8 грудня 1992 року знову пролетів повз Землю, знову перетнув марсіанську орбіту, пройшов крізь астероїдний пояс і попрямував до Юпітера. Однак навесні 1991 року програму польоту ледь не була зірвана.
Для зв'язку з Землею Galileo був оснащений трьома радіоантенами. Головна антена високого підсилення, 5-метрова параболічна чаша, в момент старту була складена, як парасолька. Її передбачалося розгорнути за орбітою Марса, а до цього користуватися двома невеликими антенами низького посилення. Команда на розкриття була послана з Пасадени 8 квітня 1991 року, але два прута з вісімнадцяти, до яких кріпився «парасольку», заклинило. Пізніше з'ясувалося, що по дорозі з Пасадени на мис Канаверал в 1989 році вони втратили мастило. Спроби розкрити антену розтягнулися на три з гаком роки, але ні до чого не привели. Зрештою вихід все ж знайшовся. Цілої роті інженерів і програмістів (130 осіб!) Вдалося збільшити пропускну здатність малих антен з десяти біт в секунду майже до тисячі. У порівнянні з можливостями основної антени це було трохи, але все-таки прийнятно.
Поки корабель добирався до Сатурна, за допомогою земних телескопів виявили ще 13 супутників. Cassini після прибуття на місце виявив ще чотири: МЕТОН, Паллене, Полідевк і Дафніс, діаметр яких становить від 3 до 7 км. У 2004-2006 роках астрономи з Гавайського університету повідомили про відкриття 21 міні-супутника. Так що зараз відомі 56 достовірних місяців, а ще три - під питанням. Вчені-астрономи припускають, що недавно виявлені супутники - це тіла, вибиті з пояса астероїдів гравітаційними збуреннями від Юпітера і пізніше потрапили в сферу впливу Сатурна. Про це, зокрема, свідчить той факт, що вони обертаються навколо планети в напрямку, зворотному обертанню великих супутників. Але ось як саме відбулося захоплення - поки не ясно. Існуючі моделі не можуть дати пояснення спостережуваних орбітах цих небесних тіл.
Galileo почав підготовку до подорожі в середині літа 1995 року, коли від Юпітера його відділяло більше 80 млн. Км. 13 липня він відстикувався і відправив в самостійний шлях спускається модуль, а через два тижні включив гальмівний двигун. Якби хоч одна з цих операцій не була виконана, корабель по гіперболі проскочив би мимо Юпітера і пішов в глибокий космос. 11 жовтня Galileo вперше з відстані в 30 млн. Км сфотографував Юпітер.
В гостях у гіганта
26 листопада 1995 року Galileo перетнув кордон магнітосфери Юпітера. 7 грудня спускний модуль пірнув углиб атмосфери, розкрив гальмівний парашут, скинув тепловий екран і отстрелил зонд, який передавав інформацію майже годину. Приймальна антена Galileo зловила його останній радіосигнал, коли зонд спустився на 200 км нижче першого шару хмар. Там температура дійшла до 150 ° C, а тиск до 24 бар, і електроніка відмовила. За розрахунками, зонд міг опуститися ще приблизно на 300 км, де температура піднялася до 1500 ° C, і апарат просто розплавився.
Спусковий модуль Cassini отримав ім'я великого голландського вченого Християна Гюйгенса, який першим точно описав кільця Сатурна і відкрив Титан, куди Cassini і повинен був доставити свій вантаж. Винятковий інтерес вчених до Титану пояснюється тим, що це єдиний супутник у Сонячній системі, що володіє щільною атмосферою. Cassini нашпигували 12 приладами, ще шість змонтували на зонді Huygens (за програмними цілями і принципами роботи вони не дуже відрізняються від інструментів Galileo). Повна стартова маса комплексу Cassini- Huygens склала 5,82 т, причому трохи більше половини припало на ракетне паливо. Стартова маса корабля-матки становила 2125 кг, а зонда - 349 кг. Махина мала в висоту 6,7 м, а в ширину - більше 4 м.
Виміряні величини тиску і температури верхніх шарів юпитерианской атмосфери свідчили про те, що в глибинах Юпітера прихована потужна «топка». Ймовірно, саме вона створює в повітряному басейні планети перепади тиску - вони і служать причиною ураганів, швидкість яких, як показав зонд, доходить до 700 км / ч.
Дані з зонда в цілому підтвердили теоретичні моделі будови Юпітера. Майже напевно він має невелике кам'яне ядро, маса якого вдвічі перевищує земну. Воно укладено в товсту оболонку з рідкого електропровідного металевого водню, температура якої досягає десятків тисяч градусів, а тиск - 2-3 млн. Атмосфер. У цій внутрішній оболонці циркулюють кільцеві електричні струми, завдяки яким Юпітер і володіє сильним магнітним полем (в 14 разів перевищує земне). Зверху лежить ще один шар рідкого водню, стиснений меншими тисками і тому не володіє металевими властивостями. Водневий океан пронизують потужні конвекційні течії, які переносять тепло з глибин в атмосферу.
кільця Сатурна
Влітку 1610 року Галілео Галілей, навівши свій слабенький телескоп на Сатурн, він побачив не одне, а три світяться плями! Щоб забезпечити пріоритет, Галілей, за звичаєм свого часу, опублікував відкриття за допомогою анаграми. Її рассшіфрованний переклад з латині говорить: «Найвищу планету потрійну спостерігав» (найвищу - тому, що Сатурн в ті часи вважали найвіддаленішої від Землі планетою).
Сатурн оточений кількома кільцями, що обертаються в його екваторіальній площині. Два найяскравіших бачив ще Кассіні, який позначив їх латинськими літерами A і B (щілину Кассіні розділяє саме їх). Із Землі можна також спостерігати і тьмяне кільце C, розташоване ближче до поверхні планети. Ширина кільця A становить 14600 км, кільця B - 25500 км, кільця C - 17500 км (товщина кілець не перевищує 1-2 кілометрів). Ще чотири кільця (D, E, G і F) були виявлені за допомогою космічних апаратів. Зовнішнє кільце Е - саме розріджений і найширше, один з його країв віддалений від центру Сатурна на 180000 км, інший - на 480000 км. Кільця не однорідні, вони утворені тисячами вузьких «кілець».
Походження кілець все ще залишається предметом суперечок. Згідно з однією з гіпотез, це ровесники планети, що виникли під час її формування з первинного газопилової хмари, яка поклала початок і іншим планетам, і Сонцю. Інша гіпотеза стверджує, що кільця утворилися в результаті невдалого появи на світло однієї з сатурнианской лун, речовина якої так і не змогло сконденсуватися. Однак все ж більш імовірно, що кільця - це уламки розваленого при зіткненні з кометою крижаного супутника Сатурна. Якщо вірна ця модель, то сатурнианской кільця набагато молодший своєї планети.
Довгий час вважали, що окольцованность Сатурна - явище унікальне. Однак в 1977 році були відкриті кільця у Урана, а незабаром - і у Юпітера з Нептуном. Так що кільцями володіють всі чотири гігантські планети Сонячної системи.
Закінчивши справи на Юпітері, корабель зайнявся його місяцями. «Вояджери» показали, що Європа покрита товстим (від 5 до 20 км) панциром з водяного льоду. Прилади Galileo визначили, що під ним ховається солоний океан глибиною до сотні кілометрів, що покриває всю поверхню супутника. Вода в ньому не замерзає через приливних хвиль, породжених тяжінням Юпітера, Іо та Ганімеда. Це відкриття породило припущення про можливість життя на Європі, але поки це лише домисли. Що до структури супутника, то, швидше за все, під океаном знаходиться силікатна мантія, а під нею - багате металами ядро.
Двохсотлітній шторм У 1665 році Кассіні зауважив на поверхні Юпітера овальне затемнення. Пізніше його спостерігали і інші астрономи, в останній раз в 1713 році. Не виключено, що це було те ж саме атмосферний освіту в південній півсфері планети, яке в XIX столітті отримало за свій колір ім'я «Велика Червона Пляма». Однак безперервне спостереження цього феномена проводиться лише з 1830 року, і не можна виключити, що Кассіні бачив щось інше. За сучасними уявленнями, це стійка зона підвищеного тиску, інакше кажучи, потужний антициклон. Його нинішня протяжність зі сходу на захід становить 24-40 тисяч кілометрів, з півдня на північ - 12-14 тисяч кілометрів (за останні сто років «пляма» скоротилося в два рази). Під дією сили Коріоліса повітря всередині «плями» обертається проти годинникової стрілки (як і в земних антициклонах південної півкулі) з періодом близько шести земних діб. Причина червонуватого відтінку «плями» поки не ясна, але напевно пов'язана з його хімічним складом. Вчені вважають, що колір може визначатися наявністю складних органічних молекул, червоного фосфору або сполук сірки.
Іо і Ганімед структурно схожі з Європою, але рідкої води там немає. Ув'язнений в 800-км крижану оболонку Ганімед має навіть власне магнітне поле, чим не може похвалитися жоден планетний супутник. А ось поверхня Іо сильно нагріта. В середньому з кожного квадратного метра вона щомиті випромінює 2,5 вата, більше, ніж в найактивніших вулканічних зонах Землі. Є там сірчисті гейзери висотою до 300 км, гігантські вулкани, котрі заливають лавою тисячі квадратних кілометрів - в загальному, справжнє пекло. Феноменальний вулканізм Іо породив гори висотою в два Евересту, найвищі у всій Сонячній системі. Каллісто ж, навпаки, виявилася холодним кам'яно-крижаною кулею.
Galileo трохи не дожив до 14 років. На останньому маневрі корабель направили в атмосферу Юпітера, і 21 вересня 2003 року його зник, залишивши про себе гідну пам'ять.
Шляхетний гігант Телеметрія з зонда Galileo дозволила з'ясувати, что на Юпітері, як и на Сонце, на один атом гелію пріпадає примерно дев'ять атомів водних. Зато кисня там менше, чем в сонячній атмосфері, и в основному ВІН присутній не у вільному виде, а в складі водяної пари. З Іншого боку, там более вуглецю (носій - метан) и сірки (сірководень). Однако найбільше здівувалі планетологов дані по благородним газам: зонд знайшов в атмосфері Юпітера в два-три рази больше аргону, криптону и ксенону, чем очікувалося. Що в цьом дивного? Простір біля Юпітера настільки прогріте сонячним світлом, що ці гази в таких кількостях не змогли б сконденсуватися при народженні планети. Тому не виключено, що Юпітер виник в десятках астрономічних одиниць від Сонця і поступово перемістився на свою нинішню орбіту.
До окільцьованої планеті
15 жовтня 1997 був запущений Cassini, теж дітище JPL, але складніше і дорожче (Galileo коштував близько $ 1,5 млрд., Cassini - трохи менше $ 3,5 млрд.). Корабель назвали на честь астронома XVII століття Джованні Кассіні, засновника і першого директора Паризької обсерваторії. Він першим помітив темну щілину між кільцями Сатурна (зараз вона носить його ім'я), першим зрозумів, що кільця складаються з міріад мікроскопічних супутників планети, і першим спостерігав сатурнианской місяця Япет, Рею, Тефию і Диону.
Аби не допустити повторення неполадок c радіозв'язком, NASA оснастило корабель фіксованою головною антеною діаметром 4 м. Тому Cassini запустили нема на шатлі, а за допомогою зв'язки Titan-Centaur. Але навіть таким способом неможливо було відправити шеститонний корабель прямо до Сатурну. Cassini двічі розганявся в околицях Венери, потім набрав швидкість близько Землі, а в жовтні 2000 року ще раз влучив у гравітаційну катапульту, пролітаючи повз Юпітера. Лише 1 липня 2004 року настав час включати гальмівний двигун і ставати супутником Сатурна. 26 жовтня Cassini зробив перший проліт поблизу Титана на відстані всього 1200 км, а 25 грудня отстрелил до нього спускний апарат. 14 січня зонд увійшов в атмосферу Титана і через 2,5 години опустився на його поверхню. Huygens визначив хімічний склад атмосфери Титана (98,4% азоту, 1,6% метану і сліди ще більше десятка газів) і її тиск поблизу поверхні (понад 1,5 атм).
Galileo і Cassini - кораблі-гіганти. А ось наддалекий космічний розвідник New Horizons, запущений 19 січня 2006 року із мису Канаверал за допомогою ракети «Атлас-V», має вельми скромні габарити. Його стартова маса разом з паливом - всього 478 кг. Та й ціна не надто висока - на розробку і запуск корабля укупі зі стеженням за ним в перші 10 років після старту буде витрачено не більш $ 675 млн. New Horizons несе сім наукових інструментів, які живляться від єдиного радіоізотопного генератора. Вони можуть «замалювати» кольорові карти Плутона і його супутника Харона і здійснити аналіз замерзлих газів, складових їх поверхню. Потім корабель відвідає одне з великих тел пояса Койпера. Корабель оснащений детекторами плазми і пилових частинок, що знаходяться в космічному просторі, і апаратурою для зв'язку з Землею. Потужності його ракетного бустера вистачило, щоб без проміжних маневрів відправитися від Землі прямо до Юпітера.
Місія Cassini розрахована як мінімум на чотири роки. Близько трьох він вже відпрацював. Проте всі основні системи корабля функціонують штатно, і можна вважати, що програму продовжать до 2012 року. Підводити їй підсумки ще рано, хоча зроблено вже чимало. Cassini точно визначив тривалість сатурнианской доби (10 годин 47 хвилин 6 секунд), які виявилися на 8 хвилин коротше, ніж вважали раніше. Він виявив на поверхні Титану гори, метеоритні кратери і низькотемпературні вулкани. У його північній полярній зоні радіолокатор Cassini виявив вісім десятків темних плям діаметром від 3 до 70 км. Це можуть бути озера з рідкого метану, який, випаровуючись, породжує гігантські хмари, що зрошують поверхню Титана метановими дощами. Заступник керівника проекту Cassini Лінда Спілкер розповіла «ПМ», що вважає ці відомості одним з найбільш фантастичних результатів всієї місії. За її словами, Титан багато в чому нагадує нашу планету - там є і справжня атмосфера, і гори, і річки, і навіть щось на кшталт морів. Ось тільки температура там навіть на екваторі не піднімається вище -180 ° С.
Ще одне відкриття Cassini - вулканічна активність на супутника Сатурна Енцеладі. Він покритий кіркою водяного льоду з домішкою двоокису вуглецю, під якою ховається кам'янисте ядро. Виявилося, що Енцелад належить до нечисленної групи тіл Сонячної системи, що володіють геологічно активними надрами. Досі подібні явища, крім Землі, спостерігалися лише на Іо і Тритоні, найбільшою з лун Нептуна. Прилади Cassini виявили на її поверхні потужні гейзери, що викидають в космос водяну пару, пил і частинки льоду. Це підтверджує стару гіпотезу, відповідно до якої Енцелад служить джерелом речовини для кільця Е.
Не виключено, що фонтани Енцелада підживлюються з резервуарів під його поверхнею. Вода може зберігати там рідкий стан завдяки приливні прогріванню, як на Європі. Втім, це пояснення поки визнають не всі планетологи, існують і конкуруючі моделі.
Стаття опублікована в Журналі «Популярна механіка» ( №4, грудень 2007 ).
Що в цьом дивного?