Кассини–Гюйгенс ( / kə ˈ s iː n i ˈ h ɔɪ ɡ ən z / kə- SEE -nee HOY -gənz ), обычно называемый Кассини , была космической исследовательской миссией НАСА , Европейского космического агентства (ЕКА) и Итальянского космического агентства (АСИ) по отправке космического зонда для изучения планеты Сатурн и ее системы, включая ее кольца и естественные спутники . Автоматизированный космический аппарат класса Флагман включал как космический зонд НАСА Кассини , так и посадочный модуль Гюйгенс ЕКА, который приземлился на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане . [9] Кассини был четвертым космическим зондом, посетившим Сатурн, и первым, вышедшим на его орбиту, где он оставался с 2004 по 2017 год. Оба аппарата получили свои названия в честь астрономов Джованни Кассини и Христиана Гюйгенса .
Запущенный на борту ракеты-носителя Titan IVB/Centaur 15 октября 1997 года, «Кассини» находился в космосе около 20 лет, из которых 13 лет он провел на орбите Сатурна, изучая планету и ее систему после выхода на орбиту 1 июля 2004 года. [10]
Путешествие к Сатурну включало пролеты мимо Венеры (апрель 1998 г. и июль 1999 г.), Земли ( август 1999 г.), астероида 2685 Masursky и Юпитера (декабрь 2000 г.). Миссия завершилась 15 сентября 2017 г., когда траектория Cassini вошла в верхние слои атмосферы Сатурна, и он сгорел [11] [12], чтобы предотвратить любой риск заражения лун Сатурна, которые могли бы предоставить обитаемую среду для безбилетных земных микробов на космическом корабле. [13] [14] Миссия превзошла все ожидания – директор Планетарного научного отдела НАСА Джим Грин описал «Кассини-Гюйгенс» как «первую миссию» [15] , которая произвела революцию в понимании человечеством системы Сатурна, включая его спутники и кольца, а также наше понимание того, где в Солнечной системе может находиться жизнь . [16]
Первоначально планировщики Cassini планировали миссию на четыре года, с июня 2004 года по май 2008 года. Миссия была продлена еще на два года до сентября 2010 года, получив название Cassini Equinox Mission . Миссия была продлена во второй и последний раз с Cassini Solstice Mission , продолжавшейся еще семь лет до 15 сентября 2017 года, когда Cassini был сведен с орбиты и сгорел в верхних слоях атмосферы Сатурна. [17]
Модуль Huygens путешествовал с Cassini до его отделения от зонда 25 декабря 2004 года; Huygens приземлился на парашюте на Титан 14 января 2005 года. Разделение было облегчено SED (устройство Spin/Eject), которое обеспечивало относительную скорость разделения 0,35 метра в секунду (1,1 фута/с) и скорость вращения 7,5 об/мин. [18] Он возвращал данные на Землю в течение примерно 90 минут, используя орбитальный аппарат в качестве ретранслятора. Это была первая посадка, когда-либо совершенная во внешней Солнечной системе, и первая посадка на луну, отличную от Луны Земли.
В конце своей миссии космический аппарат Кассини выполнил свой «грандиозный финал»: ряд рискованных проходов через зазоры между Сатурном и его внутренними кольцами. [5] [6] Целью этой фазы было максимизировать научный результат Кассини до того, как космический аппарат был намеренно уничтожен [ 19 ], чтобы предотвратить потенциальное загрязнение лун Сатурна, если Кассини непреднамеренно врежется в них, когда маневрирование зонда станет невозможным из-за потери питания или других проблем со связью в конце его срока службы. Вход Кассини в атмосферу завершил миссию, но анализ возвращенных данных будет продолжаться в течение многих лет. [16]
Ученые и отдельные лица из 27 стран составили объединенную группу, ответственную за проектирование, строительство, полет и сбор данных с орбитального аппарата «Кассини» и зонда «Гюйгенс» . [16]
Лаборатория реактивного движения NASA в Соединенных Штатах, где был собран орбитальный аппарат, управляла миссией. Европейский центр космических исследований и технологий разработал Huygens . Главный подрядчик центра, Aérospatiale из Франции (часть Thales Alenia Space с 2005 года), собрал зонд с оборудованием и приборами, поставленными многими европейскими странами (включая батареи Huygens и два научных прибора из Соединенных Штатов). Итальянское космическое агентство (ASI) предоставило орбитальному аппарату Cassini высокочастотную радиоантенну с включением низкочастотной антенны (для обеспечения телекоммуникаций с Землей в течение всего срока миссии), компактный и легкий радар , который также использовал высокочастотную антенну и служил радаром с синтезированной апертурой , радиовысотомер , радиометр , радионаучную подсистему (RSS) и видимую часть канала VIMS-V спектрометра VIMS . [20]
NASA предоставило инфракрасный аналог VIMS, а также главную электронную сборку, которая включала электронные подузлы, предоставленные CNES из Франции. [21] [22]
16 апреля 2008 года НАСА объявило о двухлетнем продлении финансирования наземных операций этой миссии, после чего она была переименована в миссию «Кассини равноденствие». [23] Раунд финансирования был снова продлен [ кем? ] в феврале 2010 года с миссией «Кассини солнцестояние» .
Миссия состояла из двух основных элементов: орбитального аппарата ASI/NASA Cassini , названного в честь итальянского астронома Джованни Доменико Кассини , первооткрывателя колец Сатурна и четырех его спутников; и разработанного ЕКА зонда Huygens , названного в честь голландского астронома, математика и физика Христиана Гюйгенса , первооткрывателя Титана.
В период разработки миссия обычно называлась Saturn Orbiter Titan Probe (SOTP), как в рамках миссии Mariner Mark II, так и в общем смысле. [24]
Кассини-Гюйгенс был флагманской миссией к внешним планетам. [9] Другие флагманские корабли для исследования планет включают Галилео , Вояджер и Викинг . [ 9]
У Кассини было несколько целей, в том числе: [25]
Cassini–Huygens был запущен 15 октября 1997 года с космодрома 40 на мысе Канаверал с помощью ракеты-носителя Titan IV B/ Centaur ВВС США . Полная пусковая установка состояла из двухступенчатой ракеты-носителя Titan IV , двух навесных твердотопливных ракетных двигателей , верхней ступени Centaur и отсека полезной нагрузки, или обтекателя. [26]
Общая стоимость этой научно-исследовательской миссии составила около 3,26 млрд долларов США , включая 1,4 млрд долларов на предпусковую разработку, 704 млн долларов на операции миссии, 54 млн долларов на отслеживание и 422 млн долларов на ракету-носитель. Соединенные Штаты внесли 2,6 млрд долларов (80%), ЕКА — 500 млн долларов (15%) и АСИ — 160 млн долларов (5%). [27] Однако эти цифры взяты из пресс-кита, подготовленного в октябре 2000 года. Они не включают инфляцию в течение очень длительной миссии, а также не включают стоимость расширенных миссий.
Основная миссия Кассини была завершена 30 июля 2008 года. Миссия была продлена до июня 2010 года ( миссия равноденствия Кассини ). [28] Она подробно изучила систему Сатурна во время равноденствия планеты , которое произошло в августе 2009 года. [23]
3 февраля 2010 года НАСА объявило об очередном продлении миссии Кассини , которая продлится 6 1⁄2 лет до 2017 года и закончится во время летнего солнцестояния в северном полушарии Сатурна ( миссия « Солнцестояние Кассини» ). Продление позволило совершить еще 155 оборотов вокруг планеты, 54 пролета мимо Титана и 11 пролетов мимо Энцелада . [29] В 2017 году встреча с Титаном изменила его орбиту таким образом, что при максимальном сближении с Сатурном он находился всего в 3000 км (1900 миль) над облачными вершинами планеты, ниже внутреннего края кольца D. Эта последовательность «ближних орбит» закончилась, когда его последняя встреча с Титаном отправила зонд в атмосферу Сатурна, где он был уничтожен.
Истоки Cassini-Huygens датируются 1982 годом, когда Европейский научный фонд и Американская национальная академия наук сформировали рабочую группу для исследования будущих совместных миссий. Двое европейских ученых предложили парный Saturn Orbiter и Titan Probe в качестве возможной совместной миссии. В 1983 году Комитет по исследованию солнечной системы НАСА рекомендовал ту же пару Orbiter и Probe в качестве основного проекта НАСА. НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) проводили совместное исследование потенциальной миссии с 1984 по 1985 год. ЕКА продолжило свое собственное исследование в 1986 году, в то время как американский астронавт Салли Райд в своем влиятельном докладе 1987 года «Лидерство НАСА и будущее Америки в космосе » также рассмотрела и одобрила миссию Кассини . [30]
В то время как отчет Райда описывал орбитальный аппарат и зонд Saturn как сольную миссию NASA, в 1988 году заместитель администратора по космической науке и приложениям NASA Лен Фиск вернулся к идее совместной миссии NASA и ESA. Он написал своему коллеге в ESA Роджеру Боннету, настоятельно предлагая ESA выбрать миссию Cassini из трех имеющихся кандидатов и обещая, что NASA возьмет на себя обязательства по миссии, как только это сделает ESA. [31]
В то время NASA становилось все более чувствительным к напряжению, которое возникло между американскими и европейскими космическими программами в результате восприятия Европой того, что NASA не относилось к нему как к равному во время предыдущих совместных проектов. Чиновники и советники NASA, участвовавшие в продвижении и планировании миссии «Кассини-Гюйгенс», попытались исправить эту тенденцию, подчеркивая свое желание равномерно разделить любые научные и технологические выгоды, полученные в результате миссии. Отчасти этот новообретенный дух сотрудничества с Европой был обусловлен чувством конкуренции с Советским Союзом , который начал более тесно сотрудничать с Европой, поскольку ЕКА все больше отдалялось от НАСА. В конце 1988 года ЕКА выбрало «Кассини-Гюйгенс» в качестве своей следующей крупной миссии, и в следующем году программа получила крупное финансирование в США. [32] [33]
Сотрудничество не только улучшило отношения между двумя космическими программами, но и помогло Cassini–Huygens пережить сокращение бюджета Конгресса в Соединенных Штатах. Cassini–Huygens подвергался политической критике в 1992 и 1994 годах, но NASA успешно убедило Конгресс Соединенных Штатов , что было бы неразумно останавливать проект после того, как ESA уже вложило средства в разработку, поскольку разочарование из-за нарушенных обещаний по исследованию космоса могло перекинуться на другие области международных отношений. Проект политически продолжался гладко после 1994 года, хотя группы граждан, обеспокоенных потенциальным воздействием на окружающую среду, которое мог иметь неудачный запуск (из-за его плутониевого источника энергии), пытались сорвать его с помощью протестов и судебных исков до и после его запуска в 1997 году. [34] [35] [36] [37] [38]
Планировалось, что космический аппарат станет вторым стабилизированным по трем осям аппаратом Mariner Mark II с питанием от РИТЭГ , классом космических аппаратов, разработанных для миссий за пределами орбиты Марса , после миссии Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF), но сокращение бюджета и пересмотр проекта вынудили NASA прекратить разработку CRAF, чтобы спасти Cassini . В результате Cassini стал более специализированным. Серия Mariner Mark II была отменена.
Объединенный орбитальный аппарат и зонд является третьим по величине беспилотным межпланетным космическим аппаратом, когда-либо успешно запущенным, после марсианских зондов Phobos 1 и 2 , а также одним из самых сложных. [39] [40] Орбитальный аппарат имел массу 2150 кг (4740 фунтов), зонд 350 кг (770 фунтов), включая 30 кг (66 фунтов) вспомогательного оборудования зонда, оставшегося на орбитальном аппарате. С адаптером ракеты-носителя и 3132 кг (6905 фунтов) топлива при запуске космический аппарат имел массу 5600 кг (12 300 фунтов).
Космический аппарат Кассини был 6,8 метра (22 фута) в высоту и 4 метра (13 футов) в ширину. Сложность космического аппарата увеличивалась его траекторией (траекторией полета) к Сатурну и амбициозной наукой в пункте назначения. Кассини имел 1630 взаимосвязанных электронных компонентов , 22 000 проводных соединений и 14 километров (8,7 миль) кабелей. [41] Основной процессор компьютера управления был избыточной системой, использующей архитектуру набора инструкций MIL-STD-1750A . Основная двигательная установка состояла из одного основного и одного резервного двухкомпонентного ракетного двигателя R-4D . Тяга каждого двигателя составляла 490 Н (110 фунтов-силы ), а общая дельта-v космического аппарата составляла 2352 м/с (5260 миль/ч). [42] Меньшие монокомпонентные ракеты обеспечивали управление ориентацией.
Cassini работал на 32,7 кг (72 фунта) ядерного топлива, в основном диоксида плутония (содержащего 28,3 кг (62 фунта) чистого плутония ). [43] Тепло от радиоактивного распада материала превращалось в электричество. Huygens поддерживался Cassini во время полета, но использовал химические батареи, когда был независим.
В расследовании содержался DVD с более чем 616 400 подписями граждан из 81 страны, собранными в ходе общественной кампании. [44] [45]
До сентября 2017 года зонд Cassini продолжал вращаться вокруг Сатурна на расстоянии от 8,2 до 10,2 астрономических единиц (1,23 × 10 9 и 1,53 × 10 9 км ; 760 000 000 и 950 000 000 миль ) от Земли. Радиосигналам требовалось от 68 до 84 минут, чтобы пройти от Земли до космического корабля, и наоборот. Таким образом, наземные диспетчеры не могли давать инструкции «в реальном времени» для ежедневных операций или для непредвиденных событий. Даже если бы реакция была немедленной, между возникновением проблемы и получением ответа инженеров спутником прошло бы более двух часов.
Инструменты: [47]
Инструментарий Кассини состоял из: картографа с синтезированной апертурой радара , системы формирования изображений на основе зарядовой связи , видимого/ инфракрасного картографического спектрометра , составного инфракрасного спектрометра, анализатора космической пыли , эксперимента с радио- и плазменными волнами, плазменного спектрометра, ультрафиолетового визуализирующего спектрографа, инструмента формирования изображений магнитосферы , магнитометра и ионно -нейтрального масс-спектрометра . Телеметрия с антенны связи и других специальных передатчиков ( передатчика S-диапазона и двухчастотной системы K a -диапазона ) также использовалась для проведения наблюдений за атмосферами Титана и Сатурна и для измерения гравитационных полей планеты и ее спутников.
Канал HSP предназначен для наблюдения за звездным светом, проходящим через кольца Сатурна (известным как звездные затмения), чтобы понять структуру и оптическую глубину колец. [58] Данные о звездных затмениях, полученные как с каналов HSP, так и с каналов FUV, подтвердили существование струй водяного пара на южном полюсе Энцелада, а также охарактеризовали состав струй. [59]
Из-за расстояния Сатурна от Солнца солнечные батареи не были пригодны в качестве источников питания для этого космического зонда. [60] Для выработки достаточного количества энергии такие батареи были бы слишком большими и слишком тяжелыми. [60] Вместо этого орбитальный аппарат Кассини был оснащен тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами GPHS-RTG , которые используют тепло от распада около 33 кг (73 фунта) плутония-238 (в форме диоксида плутония ) для выработки постоянного тока с помощью термоэлектричества . [60] РИТЭГи в миссии Кассини имеют ту же конструкцию, что и те, которые использовались в космических зондах New Horizons , Galileo и Ulysses , и они были спроектированы с расчетом на очень длительный срок службы. [60] В конце номинальной 11-летней миссии Кассини они все еще могли вырабатывать от 600 до 700 Вт электроэнергии. [60] (Оставшееся от программы Cassini RTG оборудование было модифицировано и использовано для обеспечения работы миссии New Horizons к Плутону и поясу Койпера , которая была разработана и запущена позже. [61] )
Распределение мощности осуществлялось 192 твердотельными силовыми переключателями , которые также функционировали как автоматические выключатели в случае перегрузки. В переключателях использовались МОП-транзисторы , которые имели лучшую эффективность и более длительный срок службы по сравнению с обычными переключателями, в то же время устраняя переходные процессы . Однако эти твердотельные автоматические выключатели были склонны к ошибочному срабатыванию (предположительно, из-за космических лучей), что требовало их сброса и приводило к потерям в экспериментальных данных. [62]
Чтобы набрать обороты уже в полете, траектория миссии Кассини включала несколько гравитационных маневров: два пролета мимо Венеры , еще один мимо Земли и затем один мимо планеты Юпитер . Пролет над Землей был последним случаем, когда зонд представлял какую-либо мыслимую опасность для людей. Маневр был успешным, и «Кассини» пролетел на высоте 1171 км (728 миль) над Землей 18 августа 1999 года. [1] Если бы произошла какая-либо неисправность, приведшая к столкновению зонда с Землей, полное исследование воздействия на окружающую среду НАСА подсчитало, что в худшем случае (при остром угле входа, при котором «Кассини» постепенно сгорел бы), значительная часть из 33 кг [43] ядерного топлива внутри РИТЭГов была бы рассеяна в атмосфере Земли, так что до пяти миллиардов человек (т.е. почти все население Земли) могли бы быть подвергнуты воздействию, что привело бы к предполагаемому увеличению числа дополнительных смертей от рака до 5000 в последующие десятилетия [63] (0,0005 процента, т.е. доля 0,000005, от миллиарда смертей от рака, ожидаемых в любом случае по другим причинам; произведение неверно рассчитано в другом месте [64] как 500 000 смертей). Однако вероятность такого события оценивается менее чем в один к миллиону, то есть вероятность того, что один человек умрет (предполагая 5000 смертей), составляет менее 1 к 200. [63]
Анализ риска использования плутония, проведенный NASA, подвергся публичной критике со стороны Мичио Каку на том основании, что жертвы, ущерб имуществу и судебные иски в результате возможной аварии, а также потенциальное использование других источников энергии, таких как солнечные и топливные элементы, были недооценены. [65]
Космический аппарат «Кассини» был способен передавать данные в нескольких различных форматах телеметрии. Подсистема телеметрии, возможно, является самой важной подсистемой, поскольку без нее не было бы возврата данных.
Телеметрия была разработана с нуля, поскольку космический аппарат использовал более современный набор компьютеров, чем предыдущие миссии. [66] Таким образом, Кассини был первым космическим аппаратом, который принял мини-пакеты для уменьшения сложности словаря телеметрии, а процесс разработки программного обеспечения привел к созданию менеджера телеметрии для миссии.
В словаре телеметрии Кассини было собрано около 1088 каналов (в 67 мини-пакетах) . Из этих 67 мини-пакетов с более низкой сложностью 6 мини-пакетов содержали ковариацию подсистемы и элементы усиления Калмана (161 измерение), не используемые во время обычных операций миссии. Это оставило 947 измерений в 61 мини-пакете.
Всего было построено семь карт телеметрии, соответствующих 7 режимам телеметрии AACS. Эти режимы: (1) Record; (2) Nominal Cruise; (3) Medium Slow Cruise; (4) Slow Cruise; (5) Orbital Ops; (6) Av; (7) ATE (Attitude Estimator) Calibration. Эти 7 карт охватывают все режимы телеметрии космических аппаратов.
Зонд «Гюйгенс» , предоставленный Европейским космическим агентством (ЕКА) и названный в честь голландского астронома XVII века, который первым открыл Титан, Христиана Гюйгенса , тщательно исследовал облака, атмосферу и поверхность спутника Сатурна Титана во время своего спуска 15 января 2005 года. Он был разработан для входа и торможения в атмосфере Титана и парашютирования полностью оснащенной роботизированной лаборатории на поверхность. [67]
Система зонда состояла из самого зонда, который спустился на Титан, и оборудования поддержки зонда (PSE), которое оставалось прикрепленным к орбитальному космическому аппарату. PSE включает электронику, которая отслеживает зонд, восстанавливает данные, собранные во время его спуска, а также обрабатывает и доставляет данные на орбитальный аппарат, который передает их на Землю. Основной управляющий компьютер CPU представлял собой избыточную систему управления MIL-STD-1750A .
Данные передавались по радиосвязи между Huygens и Cassini , предоставленной Probe Data Relay Subsystem (PDRS). Поскольку миссия зонда не могла управляться с Земли из-за большого расстояния, она автоматически управлялась Command Data Management Subsystem (CDMS). PDRS и CDMS были предоставлены Итальянским космическим агентством (ASI).
После запуска Cassini было обнаружено, что данные, отправленные с зонда Huygens на орбитальный аппарат Cassini (и затем повторно переданные на Землю), будут в значительной степени нечитаемыми. Причина заключалась в том, что полоса пропускания электроники обработки сигналов была слишком узкой, а ожидаемый доплеровский сдвиг между посадочным модулем и материнским кораблем вывел бы сигналы из диапазона системы. Таким образом, приемник Cassini не смог бы получить данные с Huygens во время его спуска на Титан. [19]
Был найден обходной путь для восстановления миссии. Траектория Кассини была изменена, чтобы уменьшить скорость линии визирования и, следовательно, доплеровский сдвиг. [19] [68] Последующая траектория Кассини была идентична ранее запланированной, хотя изменение заменило две орбиты до миссии Гюйгенса на три, более короткие орбиты.
Космический зонд «Кассини» совершил два гравитационных пролета мимо Венеры 26 апреля 1998 года и 24 июня 1999 года. Эти пролеты обеспечили космическому зонду достаточный импульс, чтобы пролететь весь путь до пояса астероидов , в то время как гравитация Солнца втянула космический зонд обратно во внутреннюю часть Солнечной системы.
18 августа 1999 года в 03:28 UTC аппарат совершил гравитационный облет Земли. За час и 20 минут до наибольшего сближения Cassini приблизился к Луне на расстояние 377 000 километров и сделал серию калибровочных фотографий.
23 января 2000 года Кассини совершил пролет мимо астероида 2685 Masursky около 10:00 UTC. Он сделал фотографии [69] в период от пяти до семи часов до пролета на расстоянии 1,6 × 10 6 км (0,99 × 10 6 миль), а диаметр астероида оценивался от 15 до 20 км (от 9,3 до 12,4 миль).
Кассини приблизился к Юпитеру на расстояние 30 декабря 2000 года на 9,7 миллионов километров и провел множество научных измерений. За шесть месяцев пролета было сделано около 26 000 снимков Юпитера, его слабых колец и лун . Он создал самый подробный глобальный цветной портрет планеты (см. изображение справа), на котором наименьшие видимые детали имеют размер около 60 км (37 миль) в поперечнике. [70]
Главным открытием пролета, объявленным 6 марта 2003 года, была циркуляция атмосферы Юпитера. Темные «пояса» чередуются со светлыми «зонами» в атмосфере, и ученые долгое время считали, что эти зоны с их бледными облаками являются областями восходящего воздуха, отчасти потому, что многие облака на Земле образуются там, где воздух поднимается. Но анализ изображений Кассини показал, что отдельные грозовые ячейки восходящих ярко-белых облаков, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть с Земли, почти без исключения всплывают в темных поясах. По словам Энтони Дель Дженио из Института космических исследований имени Годдарда НАСА , «пояса должны быть областями чистого восходящего атмосферного движения на Юпитере, [поэтому] чистое движение в зонах должно быть нисходящим».
Другие атмосферные наблюдения включали закрученный темный овал высокой атмосферной дымки, размером с Большое Красное Пятно , около северного полюса Юпитера. Инфракрасные изображения выявили аспекты циркуляции около полюсов, с полосами опоясывающих земной шар ветров, с соседними полосами, движущимися в противоположных направлениях.
В том же заявлении обсуждалась природа колец Юпитера . Рассеяние света частицами в кольцах показало, что частицы имеют неправильную форму (а не сферическую) и, вероятно, являются выбросами микрометеоритов, падающих на луны Юпитера, вероятно, Метиду и Адрастею .
10 октября 2003 года научная группа миссии объявила о результатах испытаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна , проведенных с использованием радиоволн, переданных космическим зондом Кассини . [71] Радиоученые измерили сдвиг частоты радиоволн к космическому аппарату и от него, когда они проходили близко к Солнцу. Согласно общей теории относительности, массивный объект, такой как Солнце, заставляет пространство -время искривляться, в результате чего частота радиоволн, выходящих из его гравитационной ямы , уменьшается, а частота радиоволн, входящих в гравитационную яму, увеличивается, что называется гравитационным красным смещением / синим смещением.
Хотя некоторые измеримые отклонения от значений, рассчитанных с использованием общей теории относительности , предсказываются некоторыми необычными космологическими моделями, в ходе этого эксперимента такие отклонения не были обнаружены. Предыдущие тесты с использованием радиоволн, переданных космическими зондами Viking и Voyager, согласовывались с расчетными значениями общей теории относительности с точностью до одной тысячной. Более точные измерения, полученные в ходе эксперимента с космическим зондом Cassini, улучшили эту точность примерно до одной 51000-й части. [a] Данные твердо подтверждают общую теорию относительности Эйнштейна. [72]
В общей сложности миссия Кассини обнаружила семь новых лун, вращающихся вокруг Сатурна. [73] Используя изображения, полученные Кассини , исследователи обнаружили Мефону , Паллену и Полидевк в 2004 году, [74] хотя более поздний анализ показал, что Вояджер-2 сфотографировал Паллену во время своего пролета мимо окольцованной планеты в 1981 году. [75]
1 мая 2005 года Кассини обнаружил новую луну в щели Килера . Ей было присвоено обозначение S/2005 S 1, прежде чем ее назвали Дафнис . Пятая новая луна была обнаружена Кассини 30 мая 2007 года и была предварительно обозначена как S/2007 S 4. Теперь она известна как Анте . В пресс-релизе от 3 февраля 2009 года было показано, что Кассини обнаружил шестую новую луну . Диаметр луны составляет приблизительно 500 м (0,3 мили) в пределах кольца G кольцевой системы Сатурна, и теперь она называется Эгеон (ранее S/2008 S 1). [76] В пресс-релизе от 2 ноября 2009 года упоминается седьмой новый спутник, обнаруженный Кассини 26 июля 2009 года. В настоящее время он обозначен как S/2009 S 1 и имеет диаметр приблизительно 300 м (980 футов) в системе B-кольца. [77]
14 апреля 2014 года ученые НАСА сообщили о возможном начале формирования новой луны в кольце А Сатурна . [78]
11 июня 2004 года Кассини пролетел мимо луны Феба . Это была первая возможность для детального изучения этой луны ( Вояджер-2 совершил дальний пролет в 1981 году, но не передал никаких подробных изображений). Это также был единственный возможный пролет Кассини мимо Фебы из-за механики доступных орбит вокруг Сатурна. [79]
Первые снимки крупным планом были получены 12 июня 2004 года, и ученые миссии сразу поняли, что поверхность Фебы отличается от астероидов, которые посещали космические аппараты. Части сильно кратерированной поверхности выглядят очень яркими на этих снимках, и в настоящее время считается, что под ее непосредственной поверхностью находится большое количество водяного льда.
В объявлении от 28 июня 2004 года ученые программы Кассини описали измерение периода вращения Сатурна. [80] Поскольку на поверхности нет фиксированных особенностей, которые можно было бы использовать для получения этого периода, было использовано повторение радиоизлучения. Эти новые данные согласуются с последними значениями, измеренными с Земли, и представляют собой загадку для ученых. Оказывается, период радиовращения изменился с тех пор, как он был впервые измерен в 1980 году Вояджером -1 , и теперь он на 6 минут длиннее. Это, однако, не указывает на изменение общего вращения планеты. Считается, что это происходит из-за изменений в верхней атмосфере и ионосфере на широтах, которые магнитно связаны с областью источника радиоизлучения. [81]
В 2019 году НАСА объявило, что период вращения Сатурна составляет 10 часов, 33 минуты, 38 секунд, рассчитанный с использованием сейсмологии колец Сатурна. Вибрации из недр Сатурна вызывают колебания в его гравитационном поле. Эта энергия поглощается частицами кольца в определенных местах, где она накапливается, пока не высвобождается в виде волны. [82] Ученые использовали данные более чем 20 из этих волн, чтобы построить семейство моделей недр Сатурна, обеспечив основу для расчета его периода вращения. [83]
1 июля 2004 года космический корабль пролетел через зазор между кольцами F и G и достиг орбиты после семилетнего путешествия. [84] Это был первый космический корабль, вышедший на орбиту Сатурна.
Маневр выхода на орбиту Сатурна (SOI), выполненный Кассини , был сложным, требуя от аппарата ориентировать свою антенну с высоким коэффициентом усиления от Земли и вдоль траектории полета, чтобы защитить свои приборы от частиц в кольцах Сатурна. Как только аппарат пересек плоскость колец, ему пришлось снова повернуться, чтобы направить свой двигатель вдоль траектории полета, а затем двигатель включился, чтобы замедлить аппарат на 622 м/с, чтобы позволить Сатурну захватить его. [85] Кассини был захвачен гравитацией Сатурна около 8:54 вечера по тихоокеанскому летнему времени 30 июня 2004 года. Во время маневра Кассини прошел в пределах 20 000 км (12 000 миль) от облачных вершин Сатурна.
Когда Кассини находился на орбите Сатурна, в 2008 году во время планирования завершения миссии была проведена оценка выхода из системы Сатурна. [86] [ необходимо разъяснение ]
Cassini совершил свой первый пролет мимо крупнейшего спутника Сатурна , Титана , 2 июля 2004 года, на следующий день после выхода на орбиту, когда он приблизился на расстояние в 339 000 км (211 000 миль) от Титана. Снимки, сделанные с помощью специальных фильтров (способных видеть сквозь глобальную дымку луны), показали южные полярные облака, предположительно состоящие из метана , и поверхностные особенности с сильно различающейся яркостью. 27 октября 2004 года космический аппарат выполнил первый из 45 запланированных близких пролетов Титана, когда он прошел всего в 1200 км (750 миль) над луной. Почти четыре гигабита данных были собраны и переданы на Землю, включая первые радиолокационные изображения окутанной дымкой поверхности луны. Они показали, что поверхность Титана (по крайней мере, область, охваченная радаром) была относительно ровной, с рельефом, достигающим не более чем около 50 м (160 футов) в высоту. Пролет обеспечил значительное увеличение разрешения изображений по сравнению с предыдущим покрытием. Были сделаны изображения с разрешением до 100 раз лучшим, и они являются типичными для разрешений, запланированных для последующих пролетов Титана. Кассини собрал фотографии Титана, и озера метана были похожи на озера воды на Земле.
Cassini освободил зонд Huygens 25 декабря 2004 года с помощью пружины и спиральных рельсов, предназначенных для вращения зонда для большей устойчивости. Он вошел в атмосферу Титана 14 января 2005 года и после двух с половиной часов спуска приземлился на твердую землю. [6] Хотя Cassini успешно передал 350 полученных от Huygens снимков места спуска и посадки, сбой в одном из каналов связи привел к потере еще 350 снимков. [87]
Во время первых двух близких пролетов мимо спутника Энцелада в 2005 году Кассини обнаружил отклонение в локальном магнитном поле, которое характерно для существования тонкой, но значительной атмосферы. Другие измерения, полученные в то время, указывают на ионизированный водяной пар как на его основную составляющую. Кассини также наблюдал гейзеры водяного льда, извергающиеся с южного полюса Энцелада, что придает большую достоверность идее о том, что Энцелад поставляет частицы для кольца E Сатурна. Ученые миссии начали подозревать, что вблизи поверхности спутника могут быть карманы жидкой воды, которые подпитывают извержения. [88]
12 марта 2008 года «Кассини» совершил близкий пролет мимо Энцелада, пройдя в 50 км от поверхности луны. [89] Космический аппарат прошел через шлейфы, исходящие от его южных гейзеров, обнаружив воду, углекислый газ и различные углеводороды с помощью своего масс-спектрометра, а также картографируя особенности поверхности, которые имеют гораздо более высокую температуру, чем их окружение, с помощью инфракрасного спектрометра. [90] «Кассини» не смог собрать данные с помощью своего анализатора космической пыли из-за неизвестной неисправности программного обеспечения.
21 ноября 2009 года Cassini совершил свой восьмой пролет мимо Энцелада, [91] на этот раз с другой геометрией, приблизившись на расстояние 1600 км (990 миль) от поверхности. Инструмент Composite Infrared Spectrograph (CIRS) создал карту тепловых излучений от «тигровой полосы» Багдадской борозды . Полученные данные помогли создать детальное и высокоразрешающее мозаичное изображение южной части полушария луны, обращенного к Сатурну.
3 апреля 2014 года, почти через десять лет после того, как Кассини вышел на орбиту Сатурна, НАСА сообщило о наличии большого соленого внутреннего океана жидкой воды на Энцеладе. Наличие внутреннего соленого океана, контактирующего с каменистым ядром луны, ставит Энцелад «в число наиболее вероятных мест в Солнечной системе для обитания инопланетной микробной жизни ». [92] [93] [94] 30 июня 2014 года НАСА отметило десятилетие исследования Кассини Сатурна и его лун , выделив среди других открытий открытие водной активности на Энцеладе. [95]
В сентябре 2015 года НАСА объявило, что гравитационные и визуальные данные с Кассини были использованы для анализа либраций орбиты Энцелада и определили, что поверхность луны не связана жестко с ее ядром, сделав вывод, что подземный океан должен быть глобальным по своим масштабам. [96]
28 октября 2015 года «Кассини» совершил близкий пролет мимо Энцелада, приблизившись на расстояние 49 км (30 миль) к его поверхности и пройдя через ледяной шлейф над южным полюсом . [97]
14 декабря 2023 года астрономы сообщили о первом обнаружении в шлейфах Энцелада цианистого водорода , возможного химического вещества, необходимого для жизни , какой мы ее знаем, а также других органических молекул , некоторые из которых еще предстоит лучше идентифицировать и понять. По словам исследователей, «эти [недавно открытые] соединения потенциально могут поддерживать существующие микробные сообщества или управлять сложным органическим синтезом, ведущим к возникновению жизни ». [98] [99]
В мае 2005 года Cassini начал серию экспериментов по радиозатмению , чтобы измерить распределение частиц по размерам в кольцах Сатурна и измерить атмосферу самого Сатурна. В течение более четырех месяцев аппарат совершал орбиты, предназначенные для этой цели. Во время этих экспериментов он пролетал за плоскостью колец Сатурна, как видно с Земли, и передавал радиоволны через частицы. Радиосигналы, полученные на Земле, анализировались на предмет частоты, фазы и сдвига мощности сигнала, чтобы определить структуру колец.
На снимках, полученных 5 сентября 2005 года, «Кассини» обнаружил спицы в кольцах Сатурна, [100] которые ранее видел только визуальный наблюдатель Стивен Джеймс О'Мира в 1977 году, а затем подтвердили космические зонды «Вояджер» в начале 1980-х годов. [101] [102]
Радарные изображения, полученные 21 июля 2006 года, по-видимому, показывают озера жидких углеводородов (таких как метан и этан ) в северных широтах Титана. Это первое открытие существующих в настоящее время озер где-либо, кроме Земли. Размеры озер варьируются от одного до ста километров в поперечнике. [88]
13 марта 2007 года Лаборатория реактивного движения объявила, что обнаружила убедительные доказательства существования морей метана и этана в северном полушарии Титана. По крайней мере одно из них больше любого из Великих озер в Северной Америке. [103]
В ноябре 2006 года ученые обнаружили шторм на южном полюсе Сатурна с отчетливым глазом . Это характерно для урагана на Земле и никогда ранее не наблюдалось на другой планете. В отличие от земного урагана, шторм, по-видимому, неподвижен на полюсе. Шторм имеет ширину 8000 км (5000 миль) и высоту 70 км (43 мили), скорость ветра составляет 560 км/ч (350 миль/ч). [104]
10 сентября 2007 года «Кассини» завершил свой пролет мимо странной, двухцветной, орехообразной луны Япета . Снимки были сделаны с высоты 1600 км (1000 миль) над поверхностью. Когда он отправлял изображения обратно на Землю, в него попал космический луч , который заставил его временно перейти в безопасный режим . Все данные с пролета были восстановлены. [105]
15 апреля 2008 года Cassini получил финансирование на 27-месячную расширенную миссию. Она состояла из 60 дополнительных орбит Сатурна , 21 более близких пролетов Титана, семи Энцелада, шести Мимаса, восьми Тефии и одного целевого пролета Дионы , Реи и Елены . [ 106] Расширенная миссия началась 1 июля 2008 года и была переименована в миссию Cassini Equinox , поскольку миссия совпала с равноденствием Сатурна . [107]
В НАСА было подано предложение о втором продлении миссии (сентябрь 2010 г. — май 2017 г.), предварительно названное продленной-продленной миссией или XXM. [108] Это (60 млн долларов в год) было одобрено в феврале 2010 г. и переименовано в миссию «Солнцестояние Кассини» . [109] Оно включало в себя еще 155 оборотов Кассини вокруг Сатурна, выполнение 54 дополнительных пролетов Титана и еще 11 пролетов Энцелада.
25 октября 2012 года «Кассини» стал свидетелем последствий мощного шторма Большого Белого Пятна , который повторяется примерно каждые 30 лет на Сатурне. [110] Данные с инструмента композитного инфракрасного спектрометра (CIRS) указали на мощный разряд от шторма, который вызвал скачок температуры в стратосфере Сатурна на 83 К (83 °C; 149 °F) выше нормы. Одновременно исследователи НАСА в Исследовательском центре Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, обнаружили огромное увеличение количества этиленового газа. Этилен — бесцветный газ, который крайне редок на Сатурне и производится как естественным путем, так и из искусственных источников на Земле. Шторм, вызвавший этот разряд, был впервые замечен космическим аппаратом 5 декабря 2010 года в северном полушарии Сатурна. Шторм является первым в своем роде, который наблюдался космическим аппаратом на орбите вокруг Сатурна, а также первым, который наблюдался в тепловом инфракрасном диапазоне волн, что позволило ученым наблюдать температуру атмосферы Сатурна и отслеживать явления, невидимые невооруженным глазом. Всплеск этиленового газа, произведенный штормом, достиг уровней, которые в 100 раз превышали те, которые считались возможными для Сатурна. Ученые также определили, что наблюдаемый шторм был самым большим и горячим стратосферным вихрем, когда-либо обнаруженным в Солнечной системе, изначально он был больше Большого Красного Пятна Юпитера .
21 декабря 2012 года Cassini наблюдал транзит Венеры по диску Солнца. Инструмент VIMS анализировал солнечный свет, проходящий через атмосферу Венеры. Ранее VIMS наблюдал транзит экзопланеты HD 189733 b . [111]
19 июля 2013 года зонд был направлен на Землю, чтобы сделать снимок Земли и Луны , как часть естественного освещения, многоизображенного портрета всей системы Сатурна. Событие было уникальным, поскольку это был первый раз, когда НАСА сообщило общественности, что делается фотография с большого расстояния заранее. [112] [113] Команда по съемке заявила, что они хотели, чтобы люди улыбались и махали небесам, а ученый Кассини Кэролин Порко описала этот момент как шанс «отпраздновать жизнь на Бледно-голубой точке ». [114]
10 февраля 2015 года космический аппарат «Кассини» приблизился к Рее на расстояние 47 000 км (29 000 миль). [115] Космический аппарат наблюдал за луной с помощью своих камер, которые создали одни из самых высоких на сегодняшний день цветных изображений Реи. [116]
Последний пролёт Кассини над спутником Сатурна Гиперионом произошёл 31 мая 2015 года на расстоянии около 34 000 км (21 000 миль). [117]
Последний пролёт Cassini мимо спутника Сатурна Дионы состоялся 17 августа 2015 года на расстоянии около 475 км (295 миль). Предыдущий пролёт был совершён 16 июня. [118]
В период с 2012 по 2016 год устойчивый гексагональный рисунок облаков на северном полюсе Сатурна изменился с преимущественно синего цвета на более золотистый. [119] Одна из теорий этого явления — сезонные изменения: длительное воздействие солнечного света может создавать дымку, поскольку полюс поворачивается к Солнцу. [119] Ранее отмечалось, что в период с 2004 по 2008 год на Сатурне было меньше синего цвета. [120]
Конец Кассини включал серию близких прохождений Сатурна, сближение в пределах колец , а затем вход в атмосферу Сатурна 15 сентября 2017 года, чтобы уничтожить космический аппарат. [6] [12] [86] Этот метод был выбран для обеспечения защиты и предотвращения биологического загрязнения любой из лун Сатурна, которые, как считалось, потенциально пригодны для жизни . [121]
В 2008 году было оценено несколько вариантов достижения этой цели, каждый из которых имел различные финансовые, научные и технические проблемы. Краткосрочное столкновение с Сатурном для завершения миссии было оценено как «отличное» по следующим причинам: «Вариант D-кольца удовлетворяет невыполненным целям АО; [ необходимо определение ] дешевый и легко достижимый», в то время как столкновение с ледяной луной было оценено как «хорошее» как «дешевое и достижимое в любом месте/время». [86]
В 2013–2014 годах возникли проблемы с получением NASA финансирования от правительства США для Гранд-финала. Две фазы Гранд-финала в конечном итоге стали эквивалентом двух отдельных миссий класса Discovery , поскольку Гранд-финал полностью отличался от основной регулярной миссии Cassini . Правительство США в конце 2014 года одобрило Гранд-финал стоимостью 200 миллионов долларов. Это было намного дешевле, чем строительство двух новых зондов в отдельных миссиях класса Discovery . [122]
29 ноября 2016 года космический аппарат совершил пролет Титана, который привел его к воротам орбит F-кольца: это было началом фазы Гранд-финала, завершившейся его столкновением с планетой. [123] [124] Последний пролет Титана 22 апреля 2017 года снова изменил орбиту, чтобы пролететь через зазор между Сатурном и его внутренним кольцом несколько дней спустя, 26 апреля. Кассини прошел примерно в 3100 км (1900 миль) над облачным слоем Сатурна и в 320 км (200 миль) от видимого края внутреннего кольца; он успешно сделал снимки атмосферы Сатурна и начал передавать данные на следующий день. [125] После еще 22 витков через зазор миссия была завершена погружением в атмосферу Сатурна 15 сентября; сигнал был потерян в 11:55:46 UTC 15 сентября 2017 года, всего на 30 секунд позже, чем прогнозировалось. Предполагается, что космический корабль сгорел примерно через 45 секунд после последней передачи.
В сентябре 2018 года НАСА выиграло премию «Эмми» за выдающуюся оригинальную интерактивную программу за презентацию грандиозного финала миссии «Кассини» на Сатурне . [126]
В декабре 2018 года Netflix выпустил сериал «Миссия Кассини» в рамках программы 7 Days Out , в котором рассказывалось о последних днях работы над миссией «Кассини» перед тем, как космический аппарат врезался в Сатурн, завершив свой грандиозный финал.
В январе 2019 года было опубликовано новое исследование с использованием данных, собранных во время финальной фазы миссии «Кассини »:
Эксплуатация космического корабля была организована вокруг серии миссий. [17] Каждая из них структурирована в соответствии с определенным объемом финансирования, целями и т. д. [17] По меньшей мере 260 ученых из 17 стран работали над миссией Кассини-Гюйгенс ; кроме того, тысячи людей в целом работали над проектированием, изготовлением и запуском миссии. [128]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
Официальные сайты
СМИ и телекоммуникации
