Кассини-Гюйгенс ( / k ə ˈ s iː n i ˈ h ɔɪ ɡ ən z / kə- SEE -nee HOY -gənz ), обычно называемый Кассини , был космической исследовательской миссией НАСА , Европейского космического агентства (ЕКА), и Итальянское космическое агентство (ASI) отправить космический зонд для изучения планеты Сатурн и ее системы, включая ее кольца и естественные спутники . Роботизированный космический корабль класса« Флагман » включал в себя космический зонд НАСА «Кассини» и спускаемый аппарат ЕКА «Гюйгенс» , который приземлился на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане . [8] «Кассини» был четвертым космическим зондом, посетившим Сатурн, и первым, вышедшим на его орбиту, где он оставался с 2004 по 2017 год. Оба корабля получили свои имена в честь астрономов Джованни Кассини и Христиана Гюйгенса .
Запущенный на борту корабля «Титан IVB/Кентавр» 15 октября 1997 года, «Кассини» проработал в космосе почти 20 лет, из них 13 лет он провел на орбите Сатурна и изучал планету и ее систему после выхода на орбиту 1 июля 2004 года. [9]
Путешествие к Сатурну включало облёты Венеры ( апрель 1998 г. и июль 1999 г.), Земли (август 1999 г.), астероида 2685 Масурский и Юпитера (декабрь 2000 г.). Миссия завершилась 15 сентября 2017 года, когда траектория Кассини привела его в верхние слои атмосферы Сатурна и он сгорел [10] [11] , чтобы предотвратить любой риск загрязнения спутников Сатурна, которые могли бы стать обитаемой средой для безбилетных пассажиров с Земли. микробы на космическом корабле. [12] [13] Миссия оказалась успешной, превзойдя все ожидания – директор отдела планетарных наук НАСА Джим Грин охарактеризовал Кассини-Гюйгенс как «первую миссию» [14] , которая произвела революцию в человеческом понимании системы Сатурна, включая его спутники и колец и наше понимание того, где в Солнечной системе может быть найдена жизнь . [15]
Планировщики Кассини первоначально планировали миссию продолжительностью в четыре года, с июня 2004 года по май 2008 года. Миссия была продлена еще на два года до сентября 2010 года и получила название миссии Кассини-Равноденствие . Миссия была продлена во второй и последний раз с помощью миссии «Кассини Солнцестояние» , продлившейся еще семь лет до 15 сентября 2017 года, когда Кассини был сведен с орбиты и сгорел в верхних слоях атмосферы Сатурна. [16]
Модуль «Гюйгенс» путешествовал вместе с «Кассини» до своего отделения от зонда 25 декабря 2004 года; Гюйгенс приземлился на Титане на парашюте 14 января 2005 года. Разделению способствовало устройство 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. . [17] Он возвращал данные на Землю в течение примерно 90 минут, используя орбитальный аппарат в качестве ретранслятора. Это была первая посадка , когда-либо совершенная за пределами Солнечной системы, и первая посадка на луну, отличную от земной Луны.
В конце своей миссии космический корабль Кассини выполнил свой «грандиозный финал»: ряд рискованных проходов через промежутки между Сатурном и его внутренними кольцами. [5] [6] Целью этого этапа было максимизировать научные результаты «Кассини » до того, как космический корабль был намеренно уничтожен [18], чтобы предотвратить потенциальное загрязнение спутников Сатурна, если «Кассини» случайно врежется в них, когда маневрирование зонда станет невозможным из-за потеря мощности или другие проблемы со связью в конце срока службы. Вход Кассини в атмосферу завершил миссию, но анализ полученных данных будет продолжаться еще много лет. [15]
Ученые и люди из 27 стран составили совместную команду, ответственную за проектирование, строительство, полеты и сбор данных с орбитального аппарата Кассини и зонда Гюйгенс . [15]
Миссией руководила Лаборатория реактивного движения НАСА в США, где был собран орбитальный аппарат. Европейский центр космических исследований и технологий разработал аппарат «Гюйгенс» . Главный подрядчик центра, французская компания Aérospatiale (часть Thales Alenia Space с 2005 года), собрала зонд с оборудованием и инструментами, поставленными многими европейскими странами (включая батареи « Гюйгенса » и два научных прибора из США). Итальянское космическое агентство (ASI) предоставило орбитальному аппарату «Кассини » радиоантенну с высоким коэффициентом усиления , включающую антенну с низким коэффициентом усиления (для обеспечения связи с Землей на протяжении всего полета), компактный и легкий радар , который также использовал антенну с высоким коэффициентом усиления и служил радаром с синтезированной апертурой , радиовысотомером , радиометром , радионаучной подсистемой (RSS) и частью видимого канала ВИМС-В спектрометра ВИМС . [19]
НАСА предоставило инфракрасный аналог VIMS, а также главный электронный блок, который включал в себя электронные узлы, предоставленные CNES Франции. [20] [21]
16 апреля 2008 года НАСА объявило о продлении на два года финансирования наземных операций этой миссии, после чего она была переименована в миссию «Кассини Равноденствие». [22] Раунд финансирования вновь был продлен [ кем? ] в феврале 2010 года с миссией «Кассини Солнцестояние» .
Миссия состояла из двух основных элементов: орбитального аппарата ASI/NASA « Кассини » , названного в честь итальянского астронома Джованни Доменико Кассини , первооткрывателя колец Сатурна и четырех его спутников; и разработанный ЕКА зонд «Гюйгенс» , названный в честь голландского астронома, математика и физика Христиана Гюйгенса , первооткрывателя Титана.
Во время разработки миссия обычно называлась Saturn Orbiter Titan Probe (SOTP), как миссия Mariner Mark II , так и в целом. [23]
Кассини-Гюйгенс был миссией флагманского класса к внешним планетам. [8] Другие планетарные флагманы включают «Галилео» , «Вояджер» и «Викинг» . [8]
Кассини преследовал несколько целей, в том числе: [24]
Кассини-Гюйгенс был запущен 15 октября 1997 года с космодрома 40 станции ВВС США на мысе Канаверал с помощью ракеты Titan IV B/ Centaur ВВС США . Полная пусковая установка состояла из двухступенчатой ракеты-носителя «Титан IV» , двух навесных твердотопливных двигателей , верхней ступени «Кентавр» и кожуха полезной нагрузки или обтекателя. [25]
Общая стоимость этой научно-исследовательской миссии составила около 3,26 миллиарда долларов США , включая 1,4 миллиарда долларов на предстартовые разработки, 704 миллиона долларов на эксплуатацию миссии, 54 миллиона долларов на слежение и 422 миллиона долларов на ракету-носитель. США внесли 2,6 миллиарда долларов (80%), ЕКА - 500 миллионов долларов (15%) и АСИ - 160 миллионов долларов (5%). [26] Однако эти цифры взяты из пресс-кита, подготовленного в октябре 2000 года. Они не включают инфляцию в течение очень продолжительной миссии и не включают стоимость расширенных миссий.
Основная миссия Кассини была завершена 30 июля 2008 года. Миссия была продлена до июня 2010 года ( Миссия Кассини Равноденствие). [27] Здесь подробно изучалась система Сатурна во время равноденствия планеты , которое произошло в августе 2009 года. [22]
3 февраля 2010 года НАСА объявило об очередном продлении миссии Кассини , которое продлится 6,5 лет до 2017 года и завершится во время летнего солнцестояния в северном полушарии Сатурна ( Миссия солнцестояния Кассини ). Расширение позволило совершить еще 155 витков вокруг планеты, 54 облета Титана и 11 облетов Энцелада . [28] В 2017 году столкновение с Титаном изменило его орбиту таким образом, что при максимальном приближении к Сатурну он находился всего в 3000 км (1900 миль) над верхушками облаков планеты, ниже внутреннего края кольца D. Эта последовательность «ближайших орбит» закончилась, когда его последняя встреча с Титаном отправила зонд в атмосферу Сатурна для уничтожения.
История Кассини-Гюйгенса восходит к 1982 году, когда Европейский научный фонд и Американская национальная академия наук сформировали рабочую группу для исследования будущих совместных миссий. Два европейских учёных предложили в качестве возможной совместной миссии спаренный орбитальный аппарат Сатурна и зонд Титан. В 1983 году Комитет НАСА по исследованию Солнечной системы рекомендовал ту же пару Орбитального аппарата и Зонда в качестве основного проекта НАСА. НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) проводили совместное исследование потенциальной миссии с 1984 по 1985 год. ЕКА продолжило собственное исследование в 1986 году, в то время как американский астронавт Салли Райд в своем влиятельном отчете 1987 года « Лидерство НАСА и будущее Америки в космосе» , также изучил и одобрил миссию Кассини . [29]
В то время как в отчете Райда орбитальный аппарат и зонд Сатурна описывались как одиночная миссия НАСА, в 1988 году заместитель администратора по космической науке и приложениям НАСА Лен Фиск вернулся к идее совместной миссии НАСА и ЕКА. Он написал своему коллеге из ЕКА Роджеру Боннету, настоятельно предлагая ЕКА выбрать миссию Кассини из трех имеющихся кандидатов и обещая, что НАСА возьмется за эту миссию, как только ЕКА это сделает. [30]
В то время НАСА становилось все более чувствительным к напряжению, которое возникло между американской и европейской космическими программами в результате того, что европейцы считали, что НАСА не относилось к нему как к равному во время предыдущего сотрудничества. Должностные лица и советники НАСА, участвовавшие в продвижении и планировании проекта Кассини-Гюйгенс, попытались исправить эту тенденцию, подчеркнув свое желание равномерно разделить любые научные и технологические выгоды, полученные в результате миссии. Частично этот вновь обретенный дух сотрудничества с Европой был вызван чувством конкуренции с Советским Союзом , который начал более тесно сотрудничать с Европой по мере того, как ЕКА все дальше отдалялось от НАСА. В конце 1988 года ЕКА выбрало «Кассини-Гюйгенс» в качестве своей следующей крупной миссии, а в следующем году программа получила крупное финансирование в США. [31] [32]
Сотрудничество не только улучшило отношения между двумя космическими программами, но и помогло Кассини-Гюйгенсу пережить сокращение бюджета Конгрессом США. Кассини-Гюйгенс подвергся политической критике как в 1992, так и в 1994 году, но НАСА успешно убедило Конгресс США, что было бы неразумно останавливать проект после того, как ЕКА уже вложило средства в разработку, поскольку разочарование по поводу невыполненных обещаний по исследованию космоса может перекинуться на другие сферы международных отношений. После 1994 года проект протекал политически гладко, хотя группы граждан, обеспокоенные потенциальным воздействием на окружающую среду, которое мог бы иметь провал запуска (из-за плутониевого источника энергии), пытались сорвать его посредством протестов и судебных исков до и после запуска в 1997 году. [33] [34] [35] [36] [37]
Планировалось, что этот космический корабль станет вторым трехосным стабилизированным кораблем Mariner Mark II с приводом от РИТЭГ , классом космических кораблей, разработанных для полетов за пределы орбиты Марса , после миссии Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF), но бюджет был сокращен и проект пересмотрен. вынудил НАСА прекратить разработку CRAF, чтобы спасти Кассини . В результате Кассини стал более специализированным. Серия Mariner Mark II была отменена.
Комбинированный орбитальный аппарат и зонд является третьим по величине беспилотным межпланетным космическим кораблем, когда-либо успешно запущенным, после марсианских зондов «Фобос-1» и «Фобос -2» , а также одним из самых сложных. [38] [39] Орбитальный аппарат имел массу 2150 кг (4740 фунтов), зонд - 350 кг (770 фунтов), включая 30 кг (66 фунтов) оборудования для поддержки зонда, оставленного на орбитальном аппарате. С адаптером ракеты-носителя и 3132 кг (6905 фунтов) топлива при запуске космический корабль имел массу 5600 кг (12300 фунтов).
Космический корабль Кассини имел высоту 6,8 метра (22 фута) и ширину 4 метра (13 футов). Сложность космического корабля увеличивалась из-за его траектории (траектории полета) к Сатурну, а также амбициозных научных исследований в пункте назначения. Кассини имел 1630 взаимосвязанных электронных компонентов , 22 000 проводных соединений и 14 километров (8,7 миль) кабелей. [40] Центральный процессор управляющего компьютера представлял собой резервную систему, использующую архитектуру набора команд MIL-STD-1750A . Основная двигательная установка состояла из одного основного и одного резервного двухкомпонентного ракетного двигателя Р-4Д . Тяга каждого двигателя составляла 490 Н (110 фунтов силы ), а общая скорость космического корабля составляла 2352 м/с (5260 миль в час). [41] Меньшие монотопливные ракеты обеспечивали ориентацию.
Кассини работал на 32,7 кг (72 фунта) ядерного топлива, в основном диоксида плутония (содержащего 28,3 кг (62 фунта) чистого плутония ). [42] Тепло от радиоактивного распада материала было превращено в электричество. Во время круиза «Гюйгенс» поддерживал «Кассини» , но в независимости от него он использовал химические батареи.
Расследование содержало DVD с более чем 616 400 подписями граждан из 81 страны, собранными в ходе общественной кампании. [43] [44]
До сентября 2017 года зонд Кассини 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 потребовалось от 68 до 84 минут, чтобы пройти путь от Земли до космического корабля и наоборот. Таким образом, наземные диспетчеры не могли давать инструкции «в реальном времени» для ежедневных операций или непредвиденных событий. Даже если бы реакция была немедленной, между возникновением проблемы и получением спутником ответа инженеров прошло бы более двух часов.
Инструменты: [46]
Аппаратура «Кассини » состояла из: радиолокационного картографа с синтезированной апертурой , системы формирования изображений с зарядовой связью , картографического спектрометра видимого/ инфракрасного диапазона , составного инфракрасного спектрометра, анализатора космической пыли , эксперимента с радио- и плазменными волнами, плазменного спектрометра, ультрафиолетовый спектрограф, прибор для получения изображений магнитосферы , магнитометр и ионный /нейтральный масс-спектрометр . Телеметрия с антенны связи и других специальных передатчиков ( передатчик S-диапазона и двухчастотная система K a - диапазона ) также использовалась для наблюдений атмосфер Титана и Сатурна, измерения гравитационных полей планеты и ее гравитационных полей. спутники.
UVIS состоял из четырех отдельных каналов детектора: дальнего ультрафиолета (FUV), экстремального ультрафиолета (EUV), высокоскоростного фотометра (HSP) и ячейки поглощения водорода-дейтерия (HDAC). UVIS собрал гиперспектральные изображения и дискретные спектры Сатурна, его спутников и колец, а также данные о затмении звезд. [56]
Канал HSP предназначен для наблюдения за звездным светом, проходящим через кольца Сатурна (так называемые звездные затмения), чтобы понять структуру и оптическую толщину колец. [57] Данные о затмении звезд по каналам HSP и FUV подтвердили существование шлейфов водяного пара на южном полюсе Энцелада, а также охарактеризовали состав шлейфов. [58]
Из-за удаленности Сатурна от Солнца солнечные батареи не могли использоваться в качестве источников энергии для этого космического зонда. [59] Для выработки достаточной мощности такие массивы были бы слишком большими и слишком тяжелыми. [59] Вместо этого орбитальный аппарат Кассини был оснащен тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами GPHS-RTG , которые используют тепло распада около 33 кг (73 фунтов) плутония-238 (в форме диоксида плутония ) для выработки электроэнергии постоянного тока. посредством термоэлектриков . [59] РИТЭГи миссии «Кассини» имеют ту же конструкцию, что и те, которые используются на космических зондах «Новые горизонты» , «Галилео » и «Улисс» , и рассчитаны на очень длительный срок службы. [59] В конце номинальной 11-летней миссии Кассини они все еще были в состоянии производить от 600 до 700 Вт электроэнергии. [59] (Оставшееся оборудование от программы Cassini RTG было модифицировано и использовано для питания миссии «Новые горизонты» к Плутону и поясу Койпера , которая была спроектирована и запущена позже. [60] )
Распределение мощности осуществлялось с помощью 192 полупроводниковых силовых переключателей , которые также выполняли функцию автоматических выключателей в случае перегрузки. В переключателях использовались МОП-транзисторы , которые отличались большей эффективностью и более длительным сроком службы по сравнению с обычными переключателями, одновременно устраняя переходные процессы . Однако эти твердотельные автоматические выключатели были склонны к ошибочному срабатыванию (предположительно из-за космических лучей), что требовало их перезапуска и приводило к потерям экспериментальных данных. [61]
Чтобы набрать обороты уже в полете, траектория миссии «Кассини» включала несколько маневров гравитационной рогатки : два пролета Венеры , еще один — Земли, а затем один — планеты Юпитер . Пролет над землей стал последним случаем, когда зонд представлял хоть какую-то мыслимую опасность для людей. Маневр прошел успешно: 18 августа 1999 года Кассини пролетел на высоте 1171 км (728 миль) над Землей . в худшем случае (при остром угле входа, при котором Кассини постепенно сгорел бы) значительная часть из 33 кг [42] ядерного топлива внутри РИТЭГов была бы рассеяна в атмосфере Земли, так что до пяти миллиардов человек (т.е. почти все население Земли) могло подвергнуться воздействию, что, по оценкам, вызвало до 5000 дополнительных смертей от рака в последующие десятилетия [63] (0,0005 процента, т.е. доля 0,000005, от миллиарда смертей от рака, ожидаемых в любом случае от других причин; продукт неправильно рассчитан в другом месте [64] как 500 000 смертей). Однако вероятность того, что это произойдет, оценивается менее чем в один миллион, то есть вероятность смерти одного человека (при условии 5000 смертей) составляет менее 1 из 200. [63]
Анализ рисков НАСА при использовании плутония подвергся публичной критике со стороны Мичио Каку на том основании, что жертвы, материальный ущерб и судебные иски, возникшие в результате возможной аварии, а также потенциальное использование других источников энергии, таких как солнечные и топливные элементы, были недооценены. [65]
Космический корабль Кассини был способен передавать телеметрию в нескольких различных форматах. Подсистема телеметрии, пожалуй, самая важная подсистема, поскольку без нее не было бы возврата данных.
Телеметрия была разработана с нуля, поскольку на космическом корабле использовался более современный набор компьютеров, чем в предыдущих миссиях. [66] Таким образом, «Кассини» был первым космическим кораблем, принявшим мини-пакеты для уменьшения сложности Телеметрического словаря, а процесс разработки программного обеспечения привел к созданию диспетчера телеметрии для миссии.
В Телеметрическом словаре Кассини было собрано около 1088 каналов (в 67 мини-пакетах) . Из этих 67 мини-пакетов меньшей сложности 6 мини-пакетов содержали ковариацию подсистемы и элементы усиления Калмана (161 измерение), которые не использовались во время обычных операций миссии. Осталось 947 измерений в 61 мини-пакете.
Всего построено семь карт телеметрии, соответствующих 7 режимам телеметрии СААК. Этими режимами являются: (1) Запись; (2) Номинальный круиз; (3) Средне-медленный крейсерский режим; (4) Медленный круиз; (5) Орбитальные операции; (6) Ав; (7) Калибровка ATE (оценщика ориентации). Эти 7 карт охватывают все режимы телеметрии космического корабля.
Зонд «Гюйгенс» , предоставленный Европейским космическим агентством (ЕКА) и названный в честь голландского астронома 17-го века, впервые открывшего Титан, Кристиана Гюйгенса , тщательно исследовал облака, атмосферу и поверхность спутника Сатурна Титана во время его спуска 15 января 2005 года. Он был разработан для входа и торможения в атмосфере Титана, а также для спуска на поверхность полностью оборудованной роботизированной лаборатории. [67]
Система зонда состояла из самого зонда, спустившегося на Титан, и оборудования поддержки зонда (PSE), которое оставалось прикрепленным к орбитальному космическому кораблю. PSE включает в себя 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. Центральный процессор управляющего компьютера представлял собой резервированную систему управления MIL-STD-1750A .
Данные были переданы по радиосвязи между «Гюйгенсом» и «Кассини» , обеспечиваемой подсистемой ретрансляции данных зонда (PDRS). Поскольку из-за большого расстояния миссией зонда невозможно было управлять телеуправлением с Земли, ею автоматически управляла подсистема управления командными данными (CDMS). PDRS и CDMS были предоставлены Итальянским космическим агентством (ASI).
После запуска «Кассини » было обнаружено, что данные, отправленные с зонда «Гюйгенс» на орбитальный аппарат «Кассини» (а затем повторно переданные на Землю), будут практически нечитаемыми. Причина заключалась в том, что полоса пропускания электроники обработки сигналов была слишком узкой, и ожидаемый доплеровский сдвиг между посадочным модулем и базовым кораблем вывел бы сигналы за пределы диапазона системы. Таким образом, приемник Кассини не сможет получить данные от Гюйгенса во время его спуска на Титан. [18]
Был найден обходной путь для восстановления миссии. Траектория Кассини была изменена, чтобы уменьшить лучевую скорость и, следовательно, доплеровский сдвиг. [18] [68] Последующая траектория Кассини была идентична ранее запланированной, хотя это изменение заменило две орбиты до миссии Гюйгенс тремя, более короткими орбитами.
Космический зонд «Кассини» совершил два облёта Венеры с помощью гравитации 26 апреля 1998 года и 24 июня 1999 года . космический зонд обратно во внутреннюю часть Солнечной системы.
18 августа 1999 года в 03:28 по всемирному координированному времени корабль совершил гравитационный облет Земли. За час и 20 минут до максимального сближения «Кассини» максимально приблизился к Луне на расстоянии 377 000 километров и сделал серию калибровочных фотографий.
23 января 2000 года «Кассини» пролетел мимо астероида 2685 Масурский около 10:00 по всемирному координированному времени. Он сделал фотографии [69] за пять-семь часов до пролёта на расстоянии 1,6 × 10 6 км (0,99 × 10 6 миль) и диаметром от 15 до 20 км (9,3–12,4 миль). астероид.
Кассини максимально приблизился к Юпитеру 30 декабря 2000 года на расстоянии 9,7 миллиона километров и провел множество научных измерений. За шесть месяцев пролета было сделано около 26 000 изображений Юпитера, его слабых колец и спутников . Он создал самый подробный глобальный цветной портрет планеты (см. изображение справа), на котором мельчайшие видимые детали имеют диаметр примерно 60 км (37 миль). [70]
Главным открытием пролета, о котором было объявлено 6 марта 2003 года, стала циркуляция атмосферы Юпитера. Темные «пояса» чередуются со светлыми «зонами» в атмосфере, и ученые долгое время считали эти зоны с их бледными облаками областями восходящего потока 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 возникают в темных поясах. По словам Энтони Дель Генио из Института космических исследований имени Годдарда НАСА , «пояса должны быть областями чистого восходящего движения атмосферы на Юпитере, [поэтому] чистое движение в этих зонах должно быть опускающимся».
Другие наблюдения за атмосферой включали в себя закрученный темный овал высокой атмосферной дымки размером с Большое Красное Пятно недалеко от северного полюса Юпитера. Инфракрасные изображения выявили аспекты циркуляции вблизи полюсов: полосы ветров, опоясывающих земной шар, а соседние полосы движутся в противоположных направлениях.
В том же объявлении также обсуждалась природа колец Юпитера . Рассеяние света частицами в кольцах показало, что частицы имели неправильную форму (а не сферическую) и, вероятно, образовались в результате выброса микрометеоритов на спутники Юпитера, вероятно, Метиду и Адрастею .
10 октября 2003 года научная группа миссии объявила о результатах испытаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна , выполненных с использованием радиоволн , передаваемых космическим зондом «Кассини» . [71] Радиоучёные измерили сдвиг частоты радиоволн, поступающих и исходящих от космического корабля, когда они проходили близко к Солнцу. Согласно общей теории относительности, массивный объект, такой как Солнце, вызывает искривление пространства-времени , в результате чего частота радиоволн, выходящих из его гравитационной ямы , уменьшается, а частота радиоволн, попадающих в гравитационную яму, увеличивается, что называется как гравитационное красное /синее смещение.
Хотя некоторые измеримые отклонения от значений, рассчитанных с использованием общей теории относительности, предсказываются некоторыми необычными космологическими моделями, в этом эксперименте таких отклонений обнаружено не было. Предыдущие испытания с использованием радиоволн, передаваемых космическими зондами «Викинг» и «Вояджер», соответствовали расчетным значениям общей теории относительности с точностью до одной тысячной. Более точные измерения в ходе эксперимента с космическим зондом «Кассини» улучшили эту точность примерно до одной части на 51 000. [а] Данные твердо подтверждают общую теорию относительности Эйнштейна. [72]
Всего миссия Кассини обнаружила семь новых лун, вращающихся вокруг Сатурна. [73] Используя изображения, полученные «Кассини» , исследователи обнаружили Мефону , Паллену и Полидевка в 2004 году, [74] хотя более поздний анализ показал, что «Вояджер-2» сфотографировал Паллену во время своего пролета над кольцевой планетой в 1981 году. [75]
1 мая 2005 года Кассини обнаружил новую луну в щели Киллер . Ему было присвоено обозначение S/2005 S 1, прежде чем он получил название Daphnis . Пятая новая луна была открыта Кассини 30 мая 2007 года и получила предварительное обозначение S/2007 S 4. Сейчас она известна как Анте . В пресс-релизе от 3 февраля 2009 года было показано шестое новолуние, обнаруженное Кассини . Луна имеет диаметр около 500 м (0,3 мили) в G-кольце кольцевой системы Сатурна и теперь называется Эгеон (ранее S / 2008 S 1). [76] В пресс-релизе от 2 ноября 2009 г. упоминается седьмая новая луна, обнаруженная Кассини 26 июля 2009 г. В настоящее время она имеет обозначение S/2009 S 1 и имеет диаметр около 300 м (980 футов) в галактике B. кольцевая система. [77]
14 апреля 2014 года учёные НАСА сообщили о возможном начале новой луны в Кольце А Сатурна . [78]
11 июня 2004 года «Кассини» пролетел мимо спутника Феба . Это была первая возможность изучить эту луну крупным планом ( «Вояджер-2» совершил далекий облет в 1981 году, но не дал подробных изображений). Это также был единственный возможный пролет Кассини к Фебе из-за механики доступных орбит вокруг Сатурна. [79]
Первые изображения крупным планом были получены 12 июня 2004 года, и учёные миссии сразу поняли, что поверхность Фиби отличается от поверхности астероидов, посещаемых космическими кораблями. Части покрытой кратерами поверхности выглядят на этих снимках очень яркими, 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 радиоизлучений. Эти новые данные согласовались с последними значениями, полученными с Земли, и стали загадкой для ученых. Оказывается, период вращения радио изменился с тех пор, как он был впервые измерен в 1980 году « Вояджером-1» , и теперь он стал на 6 минут длиннее. Это, однако, не указывает на изменение общего вращения планеты. Считается, что это связано с изменениями в верхних слоях атмосферы и ионосфере на широтах, которые магнитно связаны с областью радиоисточника. [81]
В 2019 году НАСА объявило, что период вращения Сатурна составляет 10 часов 33 минуты 38 секунд, рассчитанный с использованием сейсмологии колец Сатурна. Вибрации недр Сатурна вызывают колебания его гравитационного поля. Эта энергия поглощается кольцевыми частицами в определенных местах, где она накапливается, пока не высвободится волной. [82] Ученые использовали данные более чем 20 из этих волн, чтобы построить семейство моделей внутренней части Сатурна, обеспечив основу для расчета периода его вращения. [83]
1 июля 2004 года космический корабль пролетел через разрыв между кольцами F и G и достиг орбиты после семилетнего путешествия. [84] Это был первый космический корабль, вышедший на орбиту Сатурна.
Маневр выведения на орбиту Сатурна (SOI), выполненный Кассини , был сложным и требовал от корабля направить свою антенну с высоким коэффициентом усиления в сторону от Земли и вдоль траектории полета, чтобы защитить свои инструменты от частиц в кольцах Сатурна. Как только корабль пересек плоскость кольца, ему пришлось снова повернуть, чтобы направить двигатель по траектории полета, а затем двигатель включился, чтобы замедлить корабль на 622 м/с, чтобы позволить Сатурну захватить его. [85] Кассини был захвачен гравитацией Сатурна около 20:54 по тихоокеанскому летнему времени 30 июня 2004 года. Во время маневра Кассини прошел в пределах 20 000 км (12 000 миль) от вершин облаков Сатурна.
Когда Кассини находился на орбите Сатурна, отход от системы Сатурна оценивался в 2008 году во время завершения планирования миссии. [86] [ нужны разъяснения ]
Кассини совершил свой первый облет крупнейшего спутника Сатурна , Титана , 2 июля 2004 года, на следующий день после выхода на орбиту, когда он приблизился к Титану на расстояние 339 000 км (211 000 миль). Изображения, полученные через специальные фильтры (способные видеть сквозь глобальную дымку Луны), показали южные полярные облака, предположительно состоящие из метана , и элементы поверхности с сильно различающейся яркостью. 27 октября 2004 года космический корабль совершил первый из 45 запланированных близких облетов Титана, пролетев на высоте всего 1200 км (750 миль) над Луной. Было собрано и передано на Землю почти четыре гигабита данных, включая первые радиолокационные изображения окутанной дымкой поверхности Луны. Он показал, что поверхность Титана (по крайней мере, область, охватываемая радаром) относительно ровная, а высота топографии не превышает 50 м (160 футов). Этот облет обеспечил значительное увеличение разрешения изображений по сравнению с предыдущими съемками. Были получены изображения с разрешением, в 100 раз лучшим, и они типичны для разрешений, запланированных для последующих пролетов Титана. Кассини собрал фотографии Титана, а метановые озера были похожи на водные озера на Земле.
Кассини выпустил зонд «Гюйгенс» 25 декабря 2004 года с помощью пружины и спиральных направляющих, 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 «Кассини» успешно передал 350 изображений места спуска и посадки, полученных от «Гюйгенса» , сбой в одном из каналов связи привел к потере еще 350 изображений. [87]
Во время первых двух близких пролетов спутника Энцелада в 2005 году Кассини обнаружил отклонение местного магнитного поля, характерное для существования тонкой, но значительной атмосферы. Другие измерения, полученные в то время, указывают на то, что ионизированный водяной пар является его основным компонентом. Кассини также наблюдал гейзеры водяного льда, извергающиеся на южном полюсе Энцелада, что придает больше правдоподобия идее о том, что Энцелад поставляет частицы кольца E Сатурна. Ученые миссии начали подозревать, что вблизи поверхности Луны могут находиться скопления жидкой воды, которые подпитывают извержения. [88]
12 марта 2008 года «Кассини» приблизился к Энцеладу, пройдя в пределах 50 км от поверхности Луны. [89] Космический корабль прошел через шлейфы, исходящие от его южных гейзеров, обнаруживая воду, углекислый газ и различные углеводороды с помощью своего масс-спектрометра, а также картируя элементы 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 «Кассини» совершил восьмой облет Энцелада, [91] на этот раз с другой геометрией, приблизившись к поверхности на расстояние 1600 км (990 миль). Прибор Композитный инфракрасный спектрограф (CIRS) составил карту тепловых выбросов из «тигровой полосы» Багдадской борозды . Возвращенные данные помогли создать детальное мозаичное изображение с высоким разрешением 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 со скалистым ядром Луны, ставит Энцелад «в число наиболее вероятных мест в Солнечной системе, где может обитать инопланетная микробная жизнь ». [92] [93] [94] 30 июня 2014 года НАСА отпраздновало десятилетие исследования Кассини Сатурна и его спутников , выделив среди других открытий открытие активности воды на Энцеладе. [95]
В сентябре 2015 года НАСА объявило, что данные гравитации и изображений Кассини были использованы для анализа либраций орбиты Энцелада, и определило, что поверхность Луны не связана жестко с ее ядром, и пришло к выводу, что подземный океан, следовательно, должен быть глобальным по размеру. [96]
28 октября 2015 года «Кассини» пролетел мимо Энцелада на расстоянии 49 км (30 миль) от поверхности и прошел через ледяной шлейф над южным полюсом . [97]
14 декабря 2023 года астрономы сообщили о первом открытии в шлейфах Энцелада цианистого водорода , возможного химического вещества, необходимого для жизни в том виде, в каком мы его знаем, а также других органических молекул , некоторые из которых еще предстоит точно идентифицировать. и понял. По мнению исследователей, «эти [недавно открытые] соединения потенциально могут поддерживать существующие микробные сообщества или стимулировать сложный органический синтез , ведущий к возникновению жизни ». [98] [99]
В мае 2005 года «Кассини» начал серию экспериментов по радиозатмению , чтобы измерить распределение частиц по размерам в кольцах Сатурна и измерить атмосферу самого Сатурна. Более четырех месяцев корабль находился на предназначенных для этой цели орбитах. Во время этих экспериментов он пролетел за плоскостью колец Сатурна, если смотреть с Земли, и передавал радиоволны через частицы. Радиосигналы, полученные на Земле, были проанализированы на предмет сдвига частоты, фазы и мощности сигнала, чтобы определить структуру колец.
На изображениях, полученных 5 сентября 2005 года, Кассини обнаружил спицы в кольцах Сатурна, [100] ранее замеченные только визуальным наблюдателем Стивеном Джеймсом О'Мирой в 1977 году, а затем подтвержденные космическими зондами "Вояджер" в начале 1980-х годов. [101] [102]
Радиолокационные изображения, полученные 21 июля 2006 года, показывают озера жидких углеводородов (таких как метан и этан ) в северных широтах Титана. Это первое открытие существующих ныне озер где-либо за пределами 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, чем любое из Великих озер в Северной Америке. [103]
В ноябре 2006 года учёные обнаружили на южном полюсе Сатурна бурю с отчетливой стенкой глаза . Это характерно для урагана на Земле и никогда раньше не наблюдалось на других планетах. В отличие от земного урагана, шторм кажется неподвижным на полюсе. Размер шторма составляет 8000 км (5000 миль) в поперечнике и 70 км (43 мили) в высоту, скорость ветра составляет 560 км/ч (350 миль в час). [104]
10 сентября 2007 года «Кассини» завершил облёт странной двухцветной луны, имеющей форму грецкого ореха, Япета . Изображения были сделаны на высоте 1600 км (1000 миль) над поверхностью. Когда он отправлял изображения обратно на Землю, в него попал космический луч , который вынудил его временно перейти в безопасный режим . Все данные облета были восстановлены. [105]
15 апреля 2008 года «Кассини» получил финансирование на 27-месячную расширенную миссию. Он состоял из еще 60 витков Сатурна , еще 21 близкого пролета Титана, семи - Энцелада, шести - Мимаса, восьми - Тефии и по одному целевому пролету - Дионы , Реи и Елены . [106] Расширенная миссия началась 1 июля 2008 года и была переименована в Миссию Кассини по равноденствию, поскольку миссия совпала с равноденствием Сатурна . [107]
В НАСА было подано предложение о втором продлении миссии (сентябрь 2010 г. - май 2017 г.), предварительно названном расширенной-расширенной миссией или XXM. [108] Эта программа (60 миллионов долларов в год) была одобрена в феврале 2010 года и переименована в « Миссию солнцестояния Кассини» . [109] Он включал в себя еще 155 облетов вокруг Сатурна Кассини , проведение 54 дополнительных облетов Титана и еще 11 облетов Энцелада.
25 октября 2012 года «Кассини» стал свидетелем последствий мощной бури Большого Белого Пятна , которая повторяется на Сатурне примерно каждые 30 лет. [110] Данные составного инфракрасного спектрометра (CIRS) указали на мощный разряд во время урагана, который вызвал скачок температуры в стратосфере Сатурна на 83 К (83 °C; 149 °F) выше нормы. Одновременно с этим исследователи НАСА в Исследовательском центре Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, обнаружили огромное увеличение содержания этиленового газа. Этилен — бесцветный газ, который крайне редко встречается на Сатурне и производится как естественным путем, так и из искусственных источников на Земле. Шторм, вызвавший этот разряд, впервые наблюдался космическим кораблем 5 декабря 2010 года в северном полушарии Сатурна. Шторм является первым в своем роде, наблюдаемым с космического корабля на орбите вокруг Сатурна, а также первым, наблюдаемым в тепловом инфракрасном диапазоне волн, что позволяет ученым наблюдать за температурой атмосферы Сатурна и отслеживать явления, невидимые невооруженным глазом. . Всплеск этиленового газа, образовавшегося в результате шторма, достиг уровня, который в 100 раз превышал тот, который считался возможным для Сатурна. Ученые также определили, что наблюдаемый шторм был самым большим и горячим стратосферным вихрем, когда-либо обнаруженным в Солнечной системе, первоначально он был больше Большого Красного Пятна Юпитера .
21 декабря 2012 года Кассини наблюдал прохождение Венеры через Солнце. Прибор VIMS анализировал солнечный свет, проходящий через атмосферу Венеры. VIMS ранее наблюдал транзит экзопланеты HD 189733 b . [111]
19 июля 2013 года зонд был направлен в сторону Земли, чтобы сделать изображение Земли и Луны как часть многокадрового портрета всей системы Сатурна при естественном освещении. Событие было уникальным, поскольку впервые НАСА проинформировало общественность о том, что фотография делается с большого расстояния заранее. [112] [113] Команда фотографов заявила, что хочет, чтобы люди улыбались и махали в небо, а ученый Кассини Кэролин Порко описала этот момент как шанс «отпраздновать жизнь на Бледно-голубой точке ». [114]
10 февраля 2015 года космический корабль Кассини приблизился к Рее , приблизившись на расстояние 47 000 км (29 000 миль). [115] Космический корабль наблюдал за Луной с помощью своих камер, создав цветные изображения Реи с самым высоким разрешением. [116]
Последний облет спутника Сатурна Гипериона « Кассини» совершил 31 мая 2015 года на расстоянии около 34 000 км (21 000 миль). [117]
Кассини совершил свой последний облет спутника Сатурна Дионы 17 августа 2015 года на расстоянии около 475 км (295 миль). Предыдущий облет состоялся 16 июня. [118]
В период с 2012 по 2016 год устойчивый шестиугольный рисунок облаков на северном полюсе Сатурна изменился с преимущественно синего цвета на более золотистый. [119] Одна из теорий заключается в сезонных изменениях: длительное воздействие солнечного света может создавать дымку, когда полюс поворачивается к Солнцу. [119] Ранее отмечалось, что в период с 2004 по 2008 год на Сатурне в целом было меньше синего цвета. [120]
Конец Кассини включал серию близких проходов Сатурна, сближение внутри колец , а затем вход в атмосферу Сатурна 15 сентября 2017 года для уничтожения космического корабля. [6] [11] [86] Этот метод был выбран для обеспечения защиты и предотвращения биологического загрязнения любого из спутников Сатурна, которые, как считалось, потенциально пригодны для жизни . [121]
В 2008 году был оценен ряд вариантов достижения этой цели, каждый из которых имел различные финансовые, научные и технические проблемы. Кратковременное столкновение с Сатурном в конце миссии было оценено как «отличное» по той причине, что «вариант D-кольца удовлетворяет недостигнутым целям AO; [ необходимо определение ] дешево и легко достижимо», а столкновение с ледяной луной было оценено как «хорошее» из-за того, что оно было «дешево и достижимо в любом месте и в любое время». [86]
В 2013–2014 годах были проблемы с получением НАСА финансирования правительства США для Гранд-финала. Две фазы Гранд-финала в конечном итоге стали эквивалентом двух отдельных миссий класса «Дискавери » , поскольку Гранд-финал полностью отличался от основной регулярной миссии Кассини . 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 «Дискавери ». [122]
29 ноября 2016 года космический корабль совершил облет Титана, который доставил его к вратам орбит F-кольца: это было начало фазы Гранд Финала, кульминацией которой стало столкновение с планетой. [123] [124] Последний пролет Титана 22 апреля 2017 года снова изменил орбиту, чтобы пролететь через разрыв между Сатурном и его внутренним кольцом несколькими днями позже, 26 апреля. Кассини пролетел примерно на 3100 км (1900 миль) над слоем облаков Сатурна. и 320 км (200 миль) от видимого края внутреннего кольца; он успешно сделал снимки атмосферы Сатурна и на следующий день начал возвращать данные. [125] После еще 22 витков через разрыв миссия завершилась 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 транслировал «Миссию НАСА Кассини» в сериале «7 дней вне», документируя последние дни работы над миссией Кассини перед тем, как космический корабль врезался в Сатурн, чтобы завершить свой грандиозный финал.
В январе 2019 года было опубликовано новое исследование с использованием данных, собранных во время фазы Гранд- финала Кассини :
Эксплуатация космического корабля была организована в виде серии миссий. [16] Каждый из них структурирован в соответствии с определенным объемом финансирования, целями и т. д. [16] Над миссией Кассини-Гюйгенс работали не менее 260 ученых из 17 стран ; кроме того, над проектированием, изготовлением и запуском миссии работали тысячи людей. [128]
Официальные сайты
СМИ и телекоммуникации
