Cassini-Huygens: Udforskning af Saturnus System

Cassini-rumfartøjet kredsede om Saturn fra 30. juni 2004, indtil 15. september 2017, da sonden sluttede sit liv med et spring ned i den ringede planets atmosfære.

Dette forsætlige dødsdyk blev udført for at sikre, at Cassini aldrig blev forurenet en potentielt beboelig Saturnmåne, såsom Enceladus eller Titan.

Missionen er kendt for opdagelser som at finde vandstråler, der bryder ud fra Enceladus, og spore et par nye måner til Saturn.

Cassini er et fælles projekt blandt flere rumagenturer, som er en kontrast til de store NASA-prober fra fortiden som Pioneer og Voyager. I dette tilfælde er de vigtigste deltagere NASA, Den Europæiske Rumorganisation og Agenzia Spaziale Italiana (den italienske rumfartsorganisation).

Udviklingshistorie

Cassini var det første dedikerede rumfartøj at se på Saturn og dens system. Det blev opkaldt efter Giovanni Cassini, en astronom fra det 17. århundrede, der var den første til at observere fire af Saturnusmånerne – Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684) og Dione (1684).

Før dette rumfartøj kom flere flybys af Saturn af Pioneer 11 (1979), Voyager 1 (1980) og Voyager 2 (1981). Nogle af de opdagelser, der kom ud af disse missioner, omfattede at finde ud af, at Titans overflade kan ikke ses i synlige bølgelængder (på grund af dens tykke atmosfære) og spotting af flere ringe af Saturn, der ikke var synlige med jordbaserede teleskoper.

Det var kort efter den sidste flyby , i 1982, at videnskabelige komitéer i både USA og Europa dannede en arbejdsgruppe for at drøfte mulige fremtidige samarbejder. Gruppen foreslog en flagskibsmission, der skulle kredse om Saturn og sende en atmosfærisk sonde ind i Titan. Der var imidlertid en vanskelig “finanspolitisk klima” i begyndelsen af 1980erne bemærkede NASAs Jet Propulsion Laboratory i en kort historie om missionen , som skubbede godkendelse af Cassini til 1989.

Europæerne og amerikanerne overvejede hver især at arbejde sammen eller arbejde alene. En rapport fra 1987 af den tidligere astronaut Sally Ride fortalte for eksempel for en solomission til Saturn. Kaldet “NASAs Leadership and Americas Future in Space”, sagde rapporten, at undersøgelse af de ydre gaskæmpeplaneter (såsom Saturn) hjælper forskere med at lære om deres atmosfære og interne struktur. (I dag ved vi også, at denne form for undersøgelse hjælper os med at forudsige strukturen af exoplaneter, men de første exoplaneter blev først opdaget i begyndelsen af 1990erne.)

“Titan er et særligt interessant mål for udforskning, fordi organisk kemi, der nu finder sted der, giver det eneste laboratorium på planetarisk skala til at studere processer, der kan have været vigtige i den præbiotiske jordbaserede atmosfære, “tilføjede rapporten, hvilket betyder, at der på Titan er kemi, der kunne have været magen til det, der var til stede på jorden før livet opstod.

Cassinis udvikling kom med mindst to store udfordringer for at fortsætte. I 1993 og 1994 havde missionen en pris på 3,3 mia. $ (ca. 5 mia. $ i 2017 dollars eller omkring halvdelen af omkostningerne af James Webb-rumteleskopet.) Nogle kritikere opfattede dette som alt for højt for missionen. Som svar påpegede NASA, at Den Europæiske Rumorganisation også bidrog med midler og tilføjede, at teknologierne fra Cassini hjalp med at und lavere NASA-missioner som Mars Global Surveyor, Mars Pathfinder og Spitzer Space Telescope, ifølge JPL.

Cassini modtog også flak fra miljøgrupper, der var bekymrede for, at når rumfartøjet fløj forbi Jorden, kunne dets radioisotop termoelektriske generator (atomkraft) udgøre en trussel mod vores planet, tilføjede JPL. Disse grupper indgav en juridisk udfordring på Hawaii kort før lanceringen i 1997, men udfordringen blev afvist af den føderale distriktsdomstol på Hawaii og den niende appelret.

At imødegå bekymringer om rumfartøjets radioisotop. termoelektriske generatorer, der almindeligvis bruges til NASA-missioner, reagerede NASA ved at udstede et supplerende dokument om flyby og detaljerede agenturets metode til at beskytte planeten og sagde, at der var mindre end en million million chance for en påvirkning forekommer.

Saturnus største måne, Titan, passerer foran planeten og dens ringe i dette ægte farvebillede fra NASAs Cassini-rumfartøj. Denne opfattelse vender ud mod den nordlige, solbelyste side af ringene lige over ringplanet. Det blev taget den 21. maj 2011, da Cassini var omkring 2,3 millioner kilometer fra Titan. (Billedkredit: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)

Start og krydstogt

Cassini vendte ikke direkte mod Saturn, snarere involverede dens mission komplicerede kredsløbsmekanik.Det gik forbi adskillige planeter – inklusive Venus (to gange), Jorden og Jupiter – for at få et hastighedsforøg ved at drage fordel af hver planets tyngdekraft.

Det næsten 12.600-lb (ca. 5.700 kg) rumfartøj blev fjernet fra Jorden den 15. oktober 1997. Det gik af Venus i april 1998 og juni 1999, Jorden i august 1999 og Jupiter i december 2000.

Cassini bosatte sig i kredsløb omkring Saturn den 1. juli 2004 Blandt dets primære mål var at lede efter flere måner, finde ud af, hvad der forårsagede Saturnus ringe og farverne i ringene, og forstå mere om planetens måner.

Måske Cassinis mest detaljeret blik kom efter frigivelse af Huygens lander mod Titan, Saturnus største måne. Landeren blev opkaldt efter den hollandske videnskabsmand Christiaan Huygens, der i 1654 vendte et teleskop mod Saturn og observerede, at dens ulige bloblignende form – Galileo Galilei havde først set formen i et teleskop og tegnet den i sin notesbog som noget som ører på planeten – var faktisk forårsaget af r ting.

Huygens lander faldt ned gennem den mystiske tåge omkring månen og landede den 14. januar 2005. Den sendte information tilbage til Jorden i næsten 2,5 timer under dens nedstigning og fortsatte derefter med at videreformidle det, den så fra overfladen i 1 time og 12 minutter.

I det korte tidsvindue så forskerne billeder af et klippefelt og fik information tilbage om månens vind og gasser i atmosfæren og overfladen.

Dette første panorama af Titan frigivet af ESA viser en fuld 360-graders visning omkring Huygens Den venstre side viser en grænse mellem lyse og mørke områder. De hvide striber, der ses nær denne grænse, kunne males “tåge”, da de ikke umiddelbart var synlige fra højere højder. Huygens drev over et plateau (billedets centrum) og var på vej mod landingsstedet i et mørkt område (til højre) under nedstigning. (Billedkredit: ESA / NASA / University of Arizona.)

Storslåede måner

Et af de definerende træk ved Saturn er dets antal måner. Bortset fra de billioner af ton små sten, der udgør dens ringe, har Saturn 62 opdagede måner fra september 2012. NASA viser 53 navngivne måner på et af sine websteder.

Faktisk opdagede Cassini to nye måner næsten umiddelbart efter ankomsten (Methon og Pallene), og inden 2004 var afsluttet, påviste den polydeuces.

Da sonden vandrede forbi Saturnus måner, afslørede de resultater, den sendte tilbage til Jorden, nye ting om deres miljøer og udseende. Nogle af de mere bemærkelsesværdige fund inkluderer:

  • At finde beviser for flydende vand på Enceladus, en frossen måne, der skyder ud iskolde stråler, når den vrides af Saturnus tyngdekraft. I 2015 lavede Cassini en række flybys af Enceladus for at få mere information om gas og støv i fjerene;
  • At opdage og derefter fastgøre flere detaljer om en kæmpe metansø på Titan;
  • 50-mile jordskred på Iapetus;
  • En nærbillede af Rhea, der afslører en pockmarked overflade;
  • En kæmpe ring, 8 millioner miles væk fra Saturn, sandsynligvis lavet op af snavs fra Phoebe.

Saturn er heller ikke blevet ignoreret. For eksempel postulerede en NASA-undersøgelse i 2012, at Saturnus jetstrømme i atmosfæren kan drives af intern varme i stedet for energi fra solen. Forskere mener, at varme bringer vanddamp op fra indersiden af planeten, som kondenserer. når den stiger og producerer varme. Denne varme antages at ligge bag dannelse af jetstrøm såvel som storme.

Missionens udvidelse og slutning

Cassini var oprindeligt beregnet til sidste fire år ved Saturn, indtil 2008, men dens mission er blevet udvidet flere gange. Dets sidste og sidste ben blev kaldt Cassini Solstice Mission, opkaldt fordi planeten og dens måner nåede solstice igen mod missionens afslutning. Saturn kredser om solen hver 29. år Jord-år. Med Cassinis mission, der varede i 13 år, betød dette, at rumfartøjet observerede næsten halvdelen af Saturnus sæsonmæssige forandring, da planeten gik rundt om sin bane.

I 2016 blev rumfartøjet sat på en række sidste manøvrer for at give nærbillede af ringene, wi det ultimative mål om at kaste Cassini ind i Saturn den 15. september 2017. Denne strategi var designet til at beskytte Enceladus og andre potentielt beboelige måner mod den (lille) chance for, at Cassini kolliderede med overfladen og sprede jordmikrober.

Vigtigste milepæle i finalen inkluderede:

  • Ringgræsningsbaner: Hver uge mellem 30. november 2016 og 22. april , 2017, gjorde Cassini løkker rundt om Saturnus-polerne for at se på ringens ydre kant for at lære mere om deres partikler, gasser og struktur. Det observerede også små måner i denne region, herunder Atlas, Daphnis, Pan og Pandora.
  • Den 22. april 2017 foretog Cassini den sidste flyby af Titan.Flyby blev udført på en sådan måde for at ændre Cassinis bane, så den begyndte 22 dyk (en gang om ugen) mellem planeten og dens ringe. Dette var første gang et rumfartøj udforskede denne zone, og det medførte en vis risiko, fordi kredsløb bragte det mellem den ydre del af atmosfæren og ringens indre zone (hvor det er i fare for at ramme partikler eller gasmolekyler).
  • Den 15. september 2017 lavede Cassini et selvmordsspring ind i Saturn ved at tage målinger så længe dets instrumenter kunne kommunikere tilbage til Jorden.

Noget af videnskaben, Cassini udførte i denne periode, omfattede oprettelse af kort over planetens tyngdekraft og magnetfelter , estimere hvor meget materiale der er i ringene og tage billeder i høj opløsning af Saturn og dens ringe fra nærbillede.

Rumfartøjet gjorde en interessant opdagelse fra sit nye udsigtspunkt. Det fandt ud af, at Saturnus magnetfelt er tæt på linje med planetens rotationsakse, som forvirrede forskere på grund af, hvordan de tror, at magnetfelter dannes – gennem en forskel i hældning mellem magnetfeltet og en planetens rotation. i slutningen af juli 2017 planlagde forskerne imidlertid at samle flere data for at se, om Saturnus interne processer måske forvirrede deres målinger.

Cassinis arv

Kort efter rumfartøjets død, fortalte Cassini-missionsplanlægger Erick Sturm journalister, at han planlagde at skrive en rapport om, hvad han og hans team lærte efter at have drevet en mission i så lang tid. Mens entusiasmen holdt forskerne igennem de lange år (som nogle gange krævede arbejde i ferien eller midt om natten), var ingeniørarbejde også nøglen.

Kim Steadman, ingeniør i Cassini-teamet i 14 år år, sagde, at redundans var afgørende. Hun sagde, at et reaktionshjul og nogle af sondens thrustere mislykkedes under missionen, hvilket ville have betydet, at rumfartøjet ikke kunne pege sine instrumenter til at indsamle data eller kommunikere med Jorden ved at rette antennen mod planeten. Imidlertid fortsatte Cassinis mission, fordi den havde sikkerhedskopier.

Holdet planlægger at udstede rapporten for at hjælpe med fremtidig rumfartøjsplanlægning. En af disse anbefalinger kan omfatte en gasmåler. Cassini døde med ca. 1 procent af dets brændstof tilbage, men blyfremdrivningsingeniør Todd Barber fortalte Space.com, at han havde svært ved at estimere, hvor meget brændstof der var tilbage i Cassini; han måtte gøre det ved hjælp af forskellige indirekte metoder. Dette betød, at i de sidste måneder var Barber lidt nervøs for manøvrer, der kræver fremdrift, da der var en fejlmargin for hans beregninger og ikke vidste, om der var nok brændstof tilbage til at udføre dem.

Missionen kan være overstået, men videnskabelige resultater vil fortsætter med at strømme i årtier, fordi ikke alle oplysningerne er analyseret endnu. NASA fortsatte også med at frigive nye fotos fra rumfartøjet, selv efter at Cassini var død. I slutningen af september 2017 sendte agenturet for eksempel et foto af Enceladus – et mål af stor interesse på grund af de mange gejsere på månens overflade.

Der er også flere andre tidlige opgaver i gang med at flyve til Saturn Mens disse missioner er år væk – hvis de nogensinde er godkendt – repræsenterer de videnskabelig interesse for Saturn og dens måner, og deres design er baseret på Cassinis opdagelser. Specifikt kæmper fem Saturn-relaterede koncepter til den næste New Frontiers-mission, et program, der i de forløbne år gav New Horizons Pluto-rumfartøjet, Juno Jupiter-orbiteren og asteroide-retur-rumfartøjet OSIRIS-REx. De fem forslag er:

SPRITE (Saturn Probe Interior og Atmosphere Explorer), der bevidst ville flyve ind i Saturnus atmosfære for at se dens sammensætning og struktur i cirka 90 minutter. Cassini varede kun et par minutter under sit spring, men det var ikke designet til dette arbejde.

Oceanus, som er designet til at se på Titans potentiale for beboelighed ved at undersøge organiske molekyler “gennem den metanologiske cyklus og vurdere udvekslingsprocesser mellem atmosfæren , overflade og undergrund, “ifølge en projektbeskrivelse præsenteret på den 48. Lunar and Planetary Science Conference i The Woodlands, Texas.

Dragonfly, som ville foretage periodiske flyvninger i Titans atmosfære for at se på organiske overfladen flere steder.

Enceladus Life Finder, der ville flyve gennem fjer flere gange for at samle og karakterisere de molekyler, der er der – især komplekse organiske forbindelser, der kunne indikere livets forløbere.

Enceladus Life Signatures and Habitability, hvoraf lidt er blevet frigivet offentligt. Det kan være målrettet mod Enceladus-skyerne, som periodisk blev undersøgt af Cassini under flybys.

Den vindende kandidat blandt de 12 foreslåede New Frontiers-missioner (de andre missioner er rettet mod Venus, månen eller kometerne) vil blive valgt i midten af 2019 til lancering senest i 2025.Der er dog en semifinale markering; NASA vælger to eller tre af disse forslag inden da til yderligere undersøgelse inden den endelige beslutning.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *