Визит к Властелину Колец

Чтобы долететь от Земли до Сатурна, автоматической межпланетной станции «Кассини» понадобилось почти 7 лет. Все эти годы большая часть приборов «Кассини» спала, просыпаясь лишь для того, чтобы запечатлеть пролетающие мимо объективов небесные тела. Путешествие успешно закончилось в июле 2004 года, когда станция стала искусственным спутником Сатурна и начался многолетний период активной работы, ознаменовавшийся спуском на поверхность Титана в январе 2005 года исследовательского зонда «Гюйгенс».

Загадочный тихоход

Властелином Времени — Сатурном назвали древние римляне эту сияющую бледным светом планету за величественный и неторопливый путь по небосводу. Именем всесильного бога Кроноса, ведающего тайнами жизни и смерти, величали ее греки.

 

 

В честь этого бога, хранителя времени, возводились храмы, слагались гимны и легенды. Но пришло время, и ученые с помощью телескопа приблизили к себе самую далекую из видимых невооруженным глазом планет. Оказалось, что небесный владыка не похож ни на одну из известных им планет. Наблюдатели увидели совершенно неведомое тело — то ли вытянутое, то ли имеющее какие-то странные образования по бокам.

Главное открытие, связанное с Cатурном, произошло в середине XVII века, когда Гюйгенс открыл знаменитые кольца и его крупнейший спутник — Титан. С тех пор существенно усовершенствовались, стали зорче телескопы, были открыты новые спутники Cатурна (сейчас их уже известно более 30, и открытия продолжаются), а также отдельные детали колец. Сегодня любой желающий может увидеть изменяющийся облик окольцованной планеты, не только взяв в руки научный журнал, но и вооружившись ночью хорошим полевым биноклем, и тем не менее прибавить что-либо более существенное к знаниям о семье Сатурна земные телескопы не позволяют — слишком уж далеко лежат исследуемые объекты. Коренным образом ситуация смогла измениться лишь 47 лет назад, когда первый искусственный спутник закружил вокруг Земли, возвестив миру о начале космической эры.

Космические пилигримы

Первым посланцем Земли, отправившимся в путешествие к Сатурну, стала американская межпланетная станция «Пионер-11». Запущенная в апреле 1973 года, она через шесть с половиной лет пронеслась вблизи Властелина Колец и передала первую серию его портретов с близкого расстояния. А в начале 1980-х годов начатую работу с еще большим успехом продолжили два «Вояджера».

Знаменитые кольца Сатурна оказались состоящими из тысячи тонких колечек, причем некоторые из них необъяснимым образом переплетались. Спутники, видимые в телескоп только как небольшие звездочки, предстали в образе самостоятельных и огромных миров, покрытых ледяным панцирем и имеющих весьма сложный рельеф. Но самый невероятный сюрприз преподнес исследователям Титан. Оказалось, что этот спутник, превосходящий размером Меркурий, обладает собственной атмосферой, причем столь плотной, что ни с одного из пролетавших мимо космических аппаратов так и не удалось разглядеть его поверхность. Было понятно, что здесь необходимы более детальные исследования и без специальной миссии не обойтись. Первоначально предполагалось запустить сразу два аппарата-исследователя дальнего космоса: первый направить к комете Копфа, с заданием внедрить в ее ядро специальный зонд (пенетратор), а второй забросить в направлении Сатурна. Однако жизнеспособным оказался лишь второй проект, причем его материальное воплощение по сравнению с первоначальным планом существенно видоизменилось. В разработке приняло участие множество организаций, среди которых Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), Европейское космическое агентство (ESA) и Итальянское космическое агентство. Аппарат, отправляющийся в дальний путь, решено было назвать «Кассини». Ему предстояло исследовать систему Сатурна и саму планету. Кроме того, на борту закрепили небольшой европейский зонд, который должен был впервые в истории осуществить мягкую посадку на Титан. Зонд получил имя «Гюйгенс». Так необычно спустя века вновь встретились имена знаменитых ученых прошлого.

Непосредственные контактеры

«Кассини» является самым крупным, дорогим и сложным из американских автоматических межпланетных аппаратов. Его стартовый вес почти 6 тонн, высота больше 10 метров, а чтобы обхватить «Кассини» по диаметру, нужно взяться за руки семерым взрослым мужчинам. На его борту установлено 12 научных приборов и имеется выдвигающаяся 11-метровая штанга для магнитометра. Связь с Землей обеспечивает 4-метровая остронаправленная итальянская антенна. Если всю имеющуюся на борту электрическую проводку растянуть в одну линию, то ее длина составит более 14 километров. У аппарата нет привычных солнечных батарей. На орбите Сатурна из-за удаленности от Солнца они малоэффективны, поэтому энергией «Кассини» обеспечивают 3 радиоизотопных термоэлектрических генератора, содержащих в общей сложности почти 33 килограмма радиоактивного плутония. Более половины стартового веса «Кассини» занимало топливо. И хотя только 1% времени путешествия до Сатурна аппарат провел с работающими двигателями, так много топлива ему необходимо для торможения, выхода на сатурнианскую орбиту и последующих маневров.

Не менее интересен и зонд «Гюйгенс», предназначенный для посадки на Титан. На его борту 6 приборов для детального изучения поверхности, скрытой за таинственными оранжевыми облаками. Имеется и специальная десантная камера для съемки пейзажа, расстилающегося вокруг места посадки. В пути зонд, масса которого составляет 350 килограммов, был спрятан под огромным, почти 3-метровым, кожухом и выглядел на фоне затянутого в золотое одеяло теплозащиты «Кассини» как «летающая тарелка», пристыковавшаяся к земному межпланетному космическому аппарату.

Крупнейший из спутников

Диаметр Титана — 5 150 км. Площадь поверхности, как у вместе взятых материков Евразии и Африки. Период обращения Титана вокруг Сатурна в точности равен обороту вокруг собственной оси — почти 16 суток. Это значит, что он всегда смотрит на окольцованную планету лишь одним своим полушарием, как и Луна на Землю. Атмосфера в основном азотно-метановая, причем азота более 80%. Давление у поверхности — 1,5 земной атмосферы, а температура опускается ниже –200°С. Кроме того, толщина атмосферы очень велика — почти в 10 раз больше земной, в ней много облаков и дуют достаточно крепкие ветры со скоростью более 100 км/ч. Штанга магнитометра Платформа с фотосъемочной аппаратурой Антенны для изучения спектра радиоизлучения и плазменных волн Реактивные двигатели для коррекции траектории полета и выхода на орбиту (суммарная «тяга» — 990 ньютон) Основная остронаправленная антенна

Данное комбинированное изображение, уже переданное «Кассини» на Землю, получено в инфракрасных (зеленые и красные детали рельефа поверхности) и ультрафиолетовых лучах (голубая дымка атмосферы).

Траектория полета

Старт «Кассини» состоялся 15 октября 1997 года. Чтобы вывести в космос столь огромный груз, была использована мощная американская ракета-носитель «Титан-4Б». Между аппаратом и ракетой был установлен дополнительный разгонный блок «Кентавр», который и придал межпланетному путешественнику необходимую стартовую скорость и первоначальное направление полета. Кстати, оно было вовсе не в сторону желанного Сатурна, а смотрело во внутренние просторы Солнечной системы, точнее, в сторону Венеры. По земным понятиям это можно было бы сравнить с путешествием из Москвы в Петербург через Владивосток. Но в космосе это вовсе не абсурд. Там не бывает прямых дорог. Любая космическая трасса — часть эллипса. И часто случается так, что для экономии топлива лучше всего использовать так называемые гравитационные маневры, получая дополнительную скорость за счет пролета вблизи планет. Сегодня такая эквилибристика в космосе применяется повсеместно. При правильном расчете аппарат, проходя вблизи одной из выбранных для маневра планет, может не только изменить направление своего полета, но и приобрести дополнительную скорость за счет гравитационного притяжения и собственного движения планеты. И все это происходит, что называется, «даром», то есть без расхода драгоценного топлива. И такой космический волейбол может происходить неоднократно. Не стал исключением и «Кассини». В случае если бы ученые решили отправить аппарат сразу к Сатурну, им пришлось бы загрузить на борт еще целых 68 тонн топлива — никакая из современных ракет не справилась бы с такой ношей. Но за подобную эквилибристику приходится платить временем полета и точной датой старта, соответствующей удачному расположению ускоряющих планет и, конечно, запасаться терпением на дополнительные годы полета.

Фактически весь путь до цели своего путешествия — таинственного Сатурна, «Кассини» провел в своеобразном анабиозе. Все его ненужные во время перелета системы спали. Лишь изредка группа управления связывалась с бортом аппарата и ждущим своей очереди зондом, чтобы проверить их самочувствие или провести научные исследования. Однако с января 2004 года операторы принялись постепенно выводить аппарат из спячки. Начали активироваться система за системой, включаться все больше научных приборов и всевозможных датчиков. «Кассини» начал ощущать приближающийся Сатурн. На регулярно поступающих снимках хорошо было видно, как растет изображение величественного Властелина Колец. «Кассини» подходил в направлении, лежащем ниже плоскости колец, и Сатурн представал взору камер немного похожим на вечернюю Луну — в фазе первой четверти, — и темная тень от планеты лежала на кольцах. В таком ракурсе Сатурн никогда не виден с Земли.

Выход на орбиту

Интересное событие произошло незадолго до выхода «Кассини» на сатурнианскую орбиту. Аппарат вошел в гравитационное поле Сатурна 18 мая 2004 года, а уже 11 июня прошел в непосредственной близости в 2 068 километрах, от внешнего его спутника — Фебы («Вояджер-2» проходил почти в 1 000 раз дальше). Возможность встречи с ней подарила сама природа за счет удобного положения этой маленькой луны на момент подлета. Ученые считают эту возможность уникальной удачей. Кроме того, Феба весьма необычный спутник. Орбита ее сильно вытянута, да еще и вращение происходит в противоположную сторону по отношению к другим сатурнианцам. Видимо, мы имеем здесь дело с захваченным гравитационным полем планеты-гиганта астероидом или ядром кометы. Снимки Фебы, переданные «Кассини» на Землю, оказались сенсационными. На них предстало астероидоподобное неправильной формы тело с размерами чуть больше 200 километров, усеянное кратерами всевозможных размеров, в том числе и гигантских, до 50 километров в поперечнике. При детальной съемке на стенках некоторых из них были обнаружены четкие слои какого-то белого вещества, лежащего под многометровым темным слоем. Казалось, что оползни обнажили ледяную основу Фебы. И это визуальное впечатление вполне подтвердили данные приборов «Кассини». По-видимому, Феба как минимум наполовину состоит изо льда. Маленькая сатурнианка по своим характеристикам оказалась очень похожей на Плутон и его спутник Харон, а также на многие объекты ледяного пояса Койпера, где сосредоточены протокометные ядра. А значит, она ближе к кометам, чем к астероидам. И это только первое прикосновение и первая тайна системы Сатурна.

Для того чтобы оказаться на сатурнианской орбите, «Кассини» предстояло выполнить долгожданный и ответственный маневр торможения. Он был давно и тщательно рассчитан, и вся программа действий помещена в память бортового компьютера. Радиосигнал летит от Земли до Сатурна почти 1,5 часа и еще столько же обратно. Значит, если оператор пошлет команду на торможение, то сообщение о том, что она выполнена, он получит лишь по прошествии 3 часов. За это время можно переделать уйму дел и при этом не опоздать на очередной сеанс связи. Так что если торможение не будет происходить на автопилоте, аппарат пронесется мимо желанной цели, и только его и видели.

И вот долгожданный день 1 июля 2004 года, которого так ждали конструкторы и ученые, наступил. В 2:11 по Гринвичу «Кассини» прошел так называемый восходящий узел траектории и преодолел плоскость колец Сатурна, причем проскочив точно между двумя тонкими внешними колечками, обозначаемыми как F и G. При этом аппарат был развернут таким образом, что остронаправленная антенна служила своеобразным зонтиком для хрупких приборов, защищая их от возможного воздействия находящихся между кольцами частичек пыли. К счастью, столкновения не повредили аппарату, но их было зафиксировано не менее 100 тысяч. Затем, через 24 минуты, над ярким, хорошо видимым с Земли кольцом A, включился на торможение один из двух основных двигателей аппарата. Он проработал целых 97 минут, израсходовав 850 килограммов топлива. За это время «Кассини» прошел наиболее близкую к Сатурну точку, всего в 20 тысячах километров над его облаками, промчавшись почти над всей плоскостью колец. А когда двигатель смолк, стало ясно, что мечта исследователей сбылась — «Кассини» оказался на орбите Сатурна. Это была долгожданная победа. Еще один нырок между тонкими кольцами и — окончился беспримерный перелет, который длился почти 7 лет по земным часам. В апартаментах же Властелина Колец это все заняло лишь четверть года, можно сказать, один сезон. Ведь сатурнианский год во много раз больше земного — эта планета совершает свой оборот вокруг Солнца за 29,5 года. За то время, пока «Кассини» находился в пути, Сатурн переместился из созвездия Рыб в созвездие Близнецов.

Цели и успехи миссии

После выхода на эллиптическую орбиту межпланетного путешественника ждет большая и напряженная работа по крайней мере на ближайшие 4 года. Ему предстоит совершить 74 оборота вокруг Сатурна, периодически сближаясь с его спутниками, изучая их и саму планету, и при этом преодолеть еще 1,7 миллиарда километров. Для исследований кроме Фебы были выбраны еще 8 сатурнианцев. Так, запланировано по одному близкому пролету Мимаса, Дионы и Гипериона, по два — Тефии и Реи, и четыре встречи с Энцеладом. Но львиная доля внимания со стороны «Кассини» достается, безусловно, Титану — целых 45 пролетов на самых различных расстояниях. Это и есть главный гвоздь программы, выполняемой аппаратом во владениях Властелина Колец.

Первое знакомство «Кассини» с гигантским спутником с расстояния в 339 тысяч километров произошло через 30 часов после выхода на сатурнианскую орбиту, а именно 2 июля 2004 года. Это был так называемый нулевой пролет, начальная возможность примериться перед десантированием «Гюйгенса». Строго говоря, съемка Титана началась еще в мае, когда «Кассини» был только на подлете к Сатурну. Фотографирование в ближнем инфракрасном диапазоне (в полосе длин волн 938 нанометров) позволило выявить на покрытом завесой плотных облаков спутнике некоторые детали рельефа. Однако точно интерпретировать, что же представляют собой проступившие на снимках темные и светлые пятна, не представлялось возможным. Было даже непонятно, где впадины, а где возвышенности. Кроме того, «Кассини» запечатлел плавающие в азотной атмосфере облака, возможно, состоящие из метана. Стало ясно, что более близкий подход откроет куда более тонкие структуры. Интересные результаты дала съемка в ультрафиолетовых лучах. Она выявила второй слой атмосферы Титана. Он начинается на высоте несколько сот километров над поверхностью спутника и напоминает дымку. Видимо, он состоит из сложных органических молекул, образующихся из азота и метана в нижнем слое под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Во всяком случае, эта гипотеза имеет право на существование и будет проверена в дальнейшем.

Новая, более близкая встреча с Титаном ждала «Кассини» в конце первого витка вокруг Сатурна и состоялась 26 октября. Этот пролет выявил куда больше интересных сведений о таинственном спутнике, нежели предыдущий. Аппарат прошел всего в 1 200 километрах от него, это в 300 раз ближе, чем в июле. Фотоснимки, которые были переданы из системы Сатурна на этот раз, просто завораживали. В инфракрасных лучах Титан предстал во всей своей красе, обнажив лежащую под завесой плотной атмосферы поверхность. На лике спутника ярко и четко проступило светлое пятно размером с континент, еще раньше получившее название Ксанаду. Оно граничит с темным районом с сильно изрезанной границей. Создается впечатление, что на снимке видна гладь моря с множеством заливов и островов. И именно в таком районе должен был совершить посадку «Гюйгенс». Причем сложность рельефа Титана подтвердил и бортовой радар. Так что вполне возможно, что внизу действительно море, только вместо воды в нем плещутся метан и этан. На Титане очень холодно, –180°С, и привычные нам газы становятся там жидкостями.

Таким образом, сегодня в результате исследований ученые не отрицают даже возможности наличия на Титане примитивной жизни или хотя бы каких-то органических процессов, схожих с происходившими миллиарды лет назад на Земле, еще до этапа зарождения на ней жизни. Звучит как фантастика, но нередко бывает, что реальность оказывается удивительнее любых вымыслов. Удалось уточнить и состав верхнего слоя атмосферы Титана: в ней обнаружены сложные органические молекулы бензола, диацетилена и пропана. Определены были и необходимые для успешного десанта данные по скорости ветра в атмосфере Титана. Она составляет от 15 до 35 метров в секунду, а это, учитывая плотность (в 1,6 раза больше земной) газовой оболочки гигантского спутника Сатурна, считается достаточно крепким ветром.

Программа дальнейших действий

И все же все эти уникальные открытия, скорее всего, поблекнут в сравнении с самым ярким событием экспедиции — посадкой на Титан европейского зонда «Гюйгенс». Для очередной прикидки по посадке «Кассини» еще один раз подходил к таинственному спутнику, на этот раз на расстояние 2 358 километров. Это произошло 13 декабря, а всего через 12 дней, 25 декабря, час пробил, и после срабатывания пироболтов «Гюйгенс» был отпущен в самостоятельный полет длиной 21 день (как ни странно, но маленький взрыв пирозаряда самый надежный способ нарушить жесткое соединение двух космических объектов и позволить им разойтись по своим траекториям). Долгожданная посадка, согласно расчетам, намечалась на 15 января 2005 года.

Спускаемый аппарат ждали достаточно продолжительное путешествие на парашюте в атмосфере Титана и обширная программа исследований после прититанивания. И если на Венере главными врагами исследователей были невероятная жара и давление, то вблизи Сатурна их подкарауливает космический холод. При столь близкой к абсолютному нулю температуре, как на Титане, не могут работать не только полупроводниковые приборы, но и аккумуляторные батареи, поэтому конструкторы постарались сделать все возможное, чтобы электроника не замерзла окончательно за расчетные часы полета и десятки минут пребывания на твердой поверхности или минуты плавания в море из жидких газов.

В 2005 году космического странника ждет еще немало встреч и открытий: сближение с Энцеладом, Мимасом, Гиперионом, Дионой, Реей и, конечно же, вновь с Титаном. Кстати, он будет использоваться и для внутрисистемных гравитационных маневров, позволяющих «Кассини» менять наклонение плоскости своей орбиты в диапазоне от 0 до 60°. Это позволит обозреть Сатурн и его семью во всевозможных ракурсах.

Безусловно, за 4 года миссии не будет оставлен без внимания и сам Властелин Колец. Ведь он представляет самое настоящее скопище загадок. Сегодня мы знаем, что кольцеобразными структурами обладают все планеты-гиганты. «Кассини» изучит кольца предельно подробно и передаст их снимки с высоким разрешением. Ученые хотят узнать об их происхождении и структуре, о взаимодействии с гравитационным и электромагнитным полем и о распределении химических элементов. Особое место в программе занимает изучение взаимодействия колец с так называемыми спутниками-«пастухами», благодаря которым кольца оказываются устойчивыми. Очень интересует ученых и магнитосфера планеты, ее форма и напряженность в направлении на Солнце и с противоположной стороны. Много внимания будет уделено атмосфере Сатурна. Эта планета обладает самой низкой плотностью (меньше плотности воды) в Солнечной системе. Если бы отыскался столь огромный водоем, чтобы в нем мог поместиться Сатурн, он мог бы там плавать. Почему так? Что скрывается за облаками окольцованной планеты? Из-за чего Сатурн отдает в пространство больше энергии, нежели получает? Как зарождаются и гибнут мощные штормы, наблюдаемые в его атмосфере? Все это должен узнать «Кассини» и еще многое и многое другое. Ну а что дальше? Пролетят 4 напряженных года, аппарат, десятки раз обернувшись вокруг Сатурна, раскроет ученым многие его тайны… Но расчеты показывают, что приборы «Кассини» и 3 его энергетических сердца смогут работать еще целых 200 лет (!), столь велик их ресурс. А значит, уникальные исследования можно продолжить, точно так же, как неоднократно продолжалась миссия «Галилео» у Юпитера. Их возможности зависят от оставшегося запаса бортового топлива. Если его будет достаточно, то можно будет осуществить еще немало сближений со спутниками Сатурна, охватив, например, выпавшие из основной программы. Можно затормозиться и выйти на орбиту Титана, чтобы еще подробнее его изучить. Да мало ли еще интереснейших идей… Например, еще до старта высказывалось совершенно фантастическое предположение: после того как ученые окончательно узнают все тайны Сатурна, провести серию гравитационных маневров среди его лун и, развив достаточную скорость, покинуть систему Властелина Колец, устремившись в пояс астероидов или к объектам пояса Койпера. Но вряд ли… Похоже, тайны Сатурна и его семьи неисчерпаемы, и ученые вряд ли захотят быстро расстаться с Властелином Колец.

Первооткрыватели колец и спутников

В середине XVII века, а точнее, в марте 1655 года, голландский ученый Христиан Гюйгенс, наблюдая Сатурн в свой самый сильный по тем временам телескоп, разглядел окружающее планету яркое кольцо. Кроме того, вблизи от Сатурна исследователь обнаружил маленькое тусклое пятнышко. Так был открыт первый и, как думал ученый, единственный спутник планеты, получивший позднее громкое имя Титан. Новые открытия, связанные с Сатурном, произошли, когда на сцену вышел Джованни Доменико Кассини, итальянец по происхождению, ставший руководителем строительства Парижской обсерватории, а позже и ее бессменным директором. Кстати, вместе с ним в строительстве принимал участие и Христиан Гюйгенс. В октябре 1671 года, опровергнув мнение голландского коллеги, Кассини обнаружил новую луну Сатурна — Япет, а годом позже — Рею. Но одним из самых ярких открытий знаменитого астронома, безусловно, стала щель, разделяющая сплошное, как тогда думали, кольцо и по праву получившая имя первооткрывателя. Последними открытиями Кассини в системе Сатурна стали обнаруженные в одну и ту же ночь, совпавшую с весенним равноденствием 1684 года, еще два спутника, названные впоследствии Тефией и Дионой.