Сатурн почти не виден
Сатурн — планета, расположенная на границе видимости невооружённым глазом в нашей Солнечной системе, и самый дальний объект, который можно наблюдать без оптических приборов. Будучи шестой планетой от Солнца, Сатурн находится на среднем расстоянии около 1,4 миллиарда километров от Земли, что делает его одним из наиболее труднодоступных объектов для исследований. Слабо различимая на ночном небе, эта планета, тем не менее, оказалась важным объектом научного интереса ещё в 17-м веке.
Кольца Сатурна были впервые обнаружены итальянским учёным Галилео Галилеем в 1610 году, когда он направил свой недавно усовершенствованный телескоп на эту планету. Однако, из-за ограниченных возможностей телескопа того времени, Галилей не смог точно интерпретировать увиденное и предположил, что по бокам Сатурна находятся два «спутника» или «придатка». Он описал их как «ручки» по обе стороны планеты, не понимая, что видит кольцевую структуру.
Настоящее понимание того, что Сатурн окружён кольцами, пришло несколько десятилетий спустя, когда голландский астроном Христиан Гюйгенс (1629 — 1695), используя более мощный телескоп, в 1655 году установил, что это не спутники, а тонкое кольцо, окружающее планету и не соприкасающееся с её поверхностью. Гюйгенс был первым, кто описал это кольцо как единую структуру, и его работа сыграла важную роль в изучении системы Сатурна и его колец.
Именно с тех пор Сатурн становится одной из самых узнаваемых планет Солнечной системы: ведь его изображают окружённым кольцом.
Серьёзные исследования Сатурна произвёл в 1671 году астроном Джованни Доменико Кассини (1625 —1712).
Кассини родился и получил образование в Италии. В 1644 —1650 годах он работал в обсерватории неподалёку от Болоньи, где продолжил своё астрономическое образование. С 1650 года он работал профессором астрономии в Болонском университете. В 1669 году Кассини переселился во Францию, где в 1671 году стал директором Парижской обсерватории. На этом посту он оставался до конца жизни.
Парижская обсерватория была создана в 1667 году по указу Людовика XIV, а, следовательно, хорошо финансировалась. Не удивительно, что здесь был установлен 150-кратный телескоп, самый мощный для того времени. Благодаря этому телескопу Кассини открыл четыре спутника Сатурна, которые в честь короля-благодетеля назвал «звёздами Людовика». В 1675 году астроном обнаружил щель в кольцах Сатурна, которую назвали «щелью Кассини». Кому не нравится слово «щель», называют её «разрывом Кассини». Кассини также наблюдал вращение Сатурна вокруг своей оси.
Понятно, что, когда уже в 20-м веке учёные решили разработать космический аппарат для исследования Сатурна, название для него было очевидным, «Кассини».
До самой далёкой планеты не так уж друзья далеко
Сатурн оставался одной из самых интересных и загадочных планет в Солнечной системе. Внимание исследователей привлекали и химический состав его атмосферы, и уникальная структура его колец, и огромные спутники.
А ещё учёных интересовал самый большой спутник Сатурна, Титан. Титан во многих отношениях был похож на Землю. Эта планета меньше Земли, но сравнима с ней по размеру. Сила тяжести на Титане близка к силе тяжести на Земле. Сюда вполне могли бы опуститься астронавты и организовать космическую базу для исследования загадочного Сатурна. Поэтому многие фантасты 20-го века любили направлять научные экспедиции на загадочный Титан. Исследования показали, что у Титана есть твёрдая поверхность и атмосфера, состоящая из метана. Наблюдения за химическим составом атмосферы этой планеты, показывали, что на Титане могут даже существовать простейшие формы жизни.
В 1979 – 1981 годах к Сатурну направлялись три космических зонда. Первым космическим аппаратом, достигшим Сатурна, был «Пионер-11», который пролетел мимо планеты 1 сентября 1979 года. Он передал первые снимки Сатурна и его колец, а также подтвердил существование мощного магнитного поля и зафиксировал данные о температуре и плотности атмосферы. Следом за ним в ноябре 1980 года зонд «Вояджер-1» пролетел мимо Сатурна, провёл детальное изучение его колец и магнитного поля планеты, а кроме того, пролетел неподалёку от Титана.
В августе 1981 года мимо Сатурна по пути к Урану и Нептуну пролетел космический зонд «Вояджер-2». Он сделал дополнительные снимки планеты и её колец.
Ценная информация и фотоснимки этих экспедиций подготовили грандиозный проект запуска к Сатурну специальной космической лаборатории, нацеленной на углублённое исследование «окольцованной» планеты и её спутников. Согласно этому проекту станция должна была не только подойти к планете ближе, чем когда-либо, но и изучить её спутники, кольца и магнитосферу. Более того, была задумана экспедиция также и на крупнейший спутник Сатурна — Титан. Для этого был приготовлен отдельный космический аппарат, названный «Гюйгенс». Вы, конечно, не удивлены таким названием. Помните, кто обнаружил, что Сатурн окружён кольцами?
Устройство станции
Создание автоматического аппарата, способного осуществить дальний космический перелёт и собрать информацию об одной из крупнейших планет Солнечной систем – задача сложнейшая. Именно сложность этого проекта вдохновила конструкторов космической техники на создание «Кассини».
Задачи, поставленные перед разработчиками, определялись целями миссии к Сатурну. Что же это были за цели?
Предполагалось исследовать кольца Сатурна, атмосферу планеты и её магнитное поле. Кроме того, учёных интересовала геология спутников Сатурна. Предполагалось также исследование атмосферы и геологической структуры Титана с помощью зонда «Гюйгенс», который должен был совершить мягкую посадку на поверхность самого крупного спутника Сатурна.
Станция «Кассини» состояла из 12 модулей, оснащённых высокоточными инструментами и системами для сбора данных. Фотокамеры с высоким разрешением позволяли получать подробные фотоснимки поверхность Сатурна и его спутников. Для измерения химического состава атмосферы применялись точные спектрометры, а колебания магнитного поля регистрировались магнетометрами.
Результаты измерений, произведенных на расстоянии около 1.4 миллиарда километров, следовало передать на Землю. Кроме того, станция принимала сигналы управления, посылаемые с Земли. Для этого на межпланетном зонде была установлена мощная антенна диаметром 4 метра. Для проникновения сквозь плотные облака, обнаруженные на Титане предыдущими аппаратами-разведчиками на «Кассини» был установлен радар. С его помощью учёные рассчитывали увидеть, что происходит на поверхность загадочного спутника далёкой планеты.
Поскольку станция должна была работать на таком удалении, что радиосигнал туда доходил за 83 минуты, управление на «Кассини» было полностью автономным. На борту было несколько вычислительных комплексов, способных работать в сложнейших условиях. Они управляли всеми научными приборами и перемещениями станции. Это был, конечно, не искусственный интеллект, но очень умная компьютерная система. Представляете, какой сложной задачей было программирование этого комплекса!
Чтобы мелкая неисправность не привела к тотальному сбою, который невозможно будет устранить, все компьютеры были задублированы: выйдет из строя один, начнёт работу другой.
Конструкторы космических аппаратов стремятся уменьшить размеры отправляемых в космос агрегатов и их вес. Несмотря на все их старания, станция «Кассини» получилась крупным ребёночком. Она имела 6.7 метров в высоту и 4 метра в ширину. Полный вес станции составлял 5600 килограмм. Из них на зонд «Гюйгенс» приходилось 350 килограммов, вес же собственно «Кассини» был 2150 килограммов.
Мирный атом в каждую хату
Для питания всех исследовательских и управляющих приборов необходимо электричество. На огромном удалении от Солнца солнечные батареи были бы бесполезны. Поэтому на зонде «Кассини» для обеспечения аппарата энергией были установлены три радиоизотопных термоэлектрических генератора. Каждый генератор представлял собой контейнер с 11 килограммами радиоактивного диоксида плутония. При радиоактивном распаде диоксида плутония выделялось тепло. Это тепло нагревало один конец термопары, спаянной из двух разных металлов. Другой конец этой термопары охлаждался до забортной температуры, то есть ниже -180°C. При этом на концах термопары возникала разность потенциалов. Такое явление называется эффектом Зеебека по имени физика, открывшего его в 1821 году. Электрическая мощность этого источника питания была невелика. В начале миссии она составляла около 880 ватт, а в конце миссии, в 2010 году снизилась до 670 ватт. Именно снижение мощности термогенератора привело к окончанию миссии в 2017 году. Можно сказать, что зонд скончался от старости.
Мы строили, строили и, наконец, построили
Общие затраты на миссию превышали 3.26 миллиардов долларов США. В проекте участвовали американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Европейское космическое агентство (ESA) и отдельно Итальянское космическое агентство. Кассини всё-таки был по рождению итальянец. Расходы не проект поделили следующим образом: правительство США выделило 2.6 миллиардов долларов, Европейское космическое агентство — 500 миллионов, и Итальянское космическое агентство — 160 миллионов.
Проект полёта к Сатурну был, конечно, грандиозным. Расстояние между Землёй и Сатурном такое, что полёт занимает семь лет. Специально для «Кассини» была рассчитана сложная орбита. Космический зонд должен был пройти мимо нескольких планет, гравитация которых «подталкивала» бы его и разгоняла до высоких скоростей, без необходимости включать двигатель. Топливо надо экономить.
Разработку «Кассини» начали в 1993 году. Уже тогда стоимость зонда составляла около половины стоимости самого дорогого в ту пору космического прибора, телескопа «Джеймс Уэбб». Тем из критиков, кто считал швырять в небеса миллиарды долларов непозволительной роскошью, руководители NASA указывали на то, что это проект, совместный с Европейским космическим агентством. Кроме того, отмечалось, что разработки, применённые в процессе создания зонда «Кассини» удешевят проекты других межпланетных зондов, которые намечалось запустить к Марсу.
Проект «Кассини» подвергли жёсткой критике и экологи. Известно, что все экологи – люди, немного сдвинутые на своей теме, даже если оставить в стороне не совсем нормальную Грету Тунберг. В данном случае их обеспокоил радиоизотопный термоэлектрический генератор, который будет в какой-то момент пролетать на «Кассини» неподалёку от Земли. А в нём 33 килограмма радиоактивного материала! Безопасно ли это? Не произойдёт ли ядерный взрыв? Конструкторы успокоили экологов, доказав, что вероятность трагического события чрезвычайно мала.
Хорошее начало – половина дела
Старт станции состоялся 15 октября 1997 года.
«Кассини» не направился прямо к Сатурну, для этого потребовалось бы слишком много топлива. Траектория полёта была рассчитана на то, чтобы максимально ускорить космический аппарат с помощью гравитации встречных планет. Станция получала гравитационный разгон четыре раза. В первый раз это произошло 26 апреля 1998 года у Венеры. Более, чем через год, 24 июня станция снова прошла мимо Венеры, что в очередной раз ускорило скорость полёта. 18 августа «Кассини» пролетел мимо Земли, но не возвратился на родную планету, а разогнался в её гравитационном поле, и начал свой путь к окраине Солнечной системы. Последний раз гравитационное ускорение произошло уже на орбите Юпитера 30 декабря 2000 года. Наконец, 1 июля 2004 года зонд «Кассини» вышел на орбиту вокруг Сатурна. Полёт продолжался около 7 лет. Стартовала станция в 20-м столетии, а до цели долетела уже в 21-м.
Герой труда
25 декабря 2004 года от орбитальной станции «Кассини» отделился спускаемый аппарат «Гюйгенс» и, как полагалось планом исследования, направился к крупнейшему спутнику Сатурна, Титану. 14 января 2005 года «Гюйгенс» вошёл в атмосферу Титана и совершил мягкую посадку на его поверхность. По ходу спуска, в течение почти 2.5 часов модуль передавал на Землю информацию. После посадки трансляция продолжалась ещё 1 час и 12 минут. Учёные увидели фотографии каменистого поля, где была произведена посадка. На Землю шла информация о ветре в атмосфере и о составе этой атмосферы.
Это был выдающийся и впечатляющий успех. Люди смогли увидеть другие миры, отделённые от Земли трудно даже представимым расстоянием в 1.4 миллиарда километров. Радиосигнал проходит это расстояние за 1 час и 20 минут! Как тут не удивиться могуществу человеческого разума.
Станция «Кассини», оставшись в одиночестве, исследовала кольца Сатурна, многократно пролетая над ними и делая множество фотографий. К тому же зонд обнаружил множество новых спутников Сатурна. Сейчас их число составляет 146. Многочисленные фотографии новых лун Сатурна и подробности строения колец этой планеты были переданы на Землю. Сейчас любой желающий может увидеть их на сайте NASA.
Среди спутников Сатурна одной из важных целей исследования был спутник Энцелад. С 17 февраля 2005 года «Кассини» начал фотографировать поверхность Энцелада. Спутник оказался покрыт льдом, под поверхностью которого находится тёплый океан. «Кассини» сфотографировал водяные гейзеры, прорывающиеся на поверхность из глубины. Струи, которые выбрасываются из трещин в ледяной коре, содержат не только воду, но и органические молекулы, а также соли. Это очень важный признак того, что на Энцеладе может существовать жизнь.
Грустное прощание
Специалисты, создавшие «Кассини», рассчитывали только на 4 года его работы. Но прошло 4 года, 5 лет, 8 лет, 12, а космический аппарат продолжал работать. Поток новых знаний о далёкой планете не иссякал.
Но всему хорошему приходит конец. В 2017 работа атомной установки, которая снабжала зонд энергией заканчивалась, а значит «Кассини» должен быть умереть. Превратиться в обесточенный, а потому оглохший, ослепнувший и молчаливый спутник Сатурна.
И здесь возникала проблема. В таком пассивном состоянии «Кассини» может попасть в зону притяжения одного из 80 спутников Сатурна. У большинства из них нет атмосферы, значит космическая станция в атмосфере не сгорит и, упав на поверхность спутника, разобьётся.
Не беда, что разобьётся сама станция. Проблема в том, что при этом разобьётся ядерный термоэлектрический генератор, содержавший плутоний, а это загрязнит поверхность спутника, «принявшего» зонд, радиоактивными отходами. Это противоречило давнему соглашению между всеми странами, имеющими космические программы, о том, что запрещено загрязнять поверхность других планет ядерными или химическими отходами. После того, как на Титане, а потом на Энцеладе были обнаружены условия, в которых может развиваться жизнь, стало ясно, что следует избегать даже малейшей опасности загрязнения спутников Сатурна.
Оставалось одно: заставить космический зонд нырнуть в атмосферу Сатурна и там сгореть вместе с бортовой ядерной электростанцией. Так и было сделано. Инженеры заблокировали все системы защиты станции и приказали снизить скорость и войти в атмосферу Сатурна.
Все эти 7 лет коллектив учёных, находившихся в центре управления, вёл круглосуточную работу, днём, ночью и во время праздников. Во многом благодаря их энтузиазму длительный межпланетный перелёт прошёл в высшей степени успешно.
Но человеку свойственно одушевлять всё, с чем он работает. Люди, 7 лет сопровождавшие работу «Кассини» стали относиться к космическому роботу-разведчику, как к живому существу. Когда началось падение станции, и она загорелась в плотных слоях атмосферы Сатурна, распадаясь на части, многие в центре управления не могли сдержать слёз.
Между тем, даже во время падения «Кассини» посылал на Землю информацию. Герой продолжал работу до самого конца!
