Триумф у Сатурна
Перевёл и озвучил первую часть замечательного фильма NASA Triumph at Saturn о миссии Кассини, одном из самых успешных межпланетных проектов в истории.
Перевёл и озвучил первую часть замечательного фильма NASA Triumph at Saturn о миссии Кассини, одном из самых успешных межпланетных проектов в истории.
Уран
Благодаря «Вояджерам» человечество впервые могло полюбоваться кольцами планет-гигантов. Когда мы говорим о планетарных кольцах, нам сразу представляется величественный Сатурн: ему, действительно, можно по праву отдать звание «Властелина колец» в Солнечной системе, ведь такой мощной кольцевой системой не обладает ни одна другая планета!
Сатурн. Фото "Кассини"
Но у каждой системы колец свои особенности – все они уникальны и красивы по-своему. Так, кольца Юпитера разреженные и содержат в основном тёмные, очень мелкие частицы. Они практически невидимые, поэтому мы привыкли представлять эту планету вообще без колец.
Кольца Юпитера. Фото "Новые горизонты"
Яркие кольца Сатурна состоят преимущественно из замёрзшей воды.
Сатурн. Фото "Кассини"
А вот тёмные кольца Урана, по-видимому, состоят из элементарного углерода и органических молекул, немного напоминающих древесный уголь или печную сажу. Уран имеет 13 главных колец, некоторые из которых словно «дышат» - расширяются и сжимаются.
Уран
Кольца Нептуна самые тонкие из всех, причём участки каждого кольца настолько отличаются по плотности, что при наблюдении с Земли в мощные телескопы кажутся просто дугами или разомкнутыми окружностями.
Нептун
Как же обзавелись газовые гиганты этими «аксессуарами» и почему их нет у планет земной группы? Во всём виноваты приливные силы. Если какой-нибудь блуждающий спутник или комета рискнут подойти к планете на опасно близкое расстояние, то обращённая к планете сторона «непрошеного гостя» испытывает более сильное притяжение, чем его тыльная сторона. Если контакт получается достаточно тесным, а внутреннее сцепление спутника невелико, то за свой непрошеный визит он дорого платит – планета разрывает его в клочья! Из останков несчастного и формируются кольца, и все эти частички поддерживаются силой гравитации самой планеты и других многочисленных спутников-пастухов. У планет земной группы нет таких «слуг» и силам гравитации газовых гигантов им остаётся только позавидовать, хотя точного ответа на этот вопрос пока нет.
Система колец Урана занимает промежуточное положение по сложности своей структуры между внушительными кольцами Сатурна и простыми системами колец Юпитера и Нептуна. Американские астрономы Джеймс Эллиот, Эдвард Данхэм и Дуглас Минк в 1977 открыли первые 9 колец Урана. После этого были открыты ещё четыре: два — «Вояджером-2» в 1986 году, ещё два — телескопом «Хаббл» в 2003—2005 годах.
Система колец Урана
Нередко упоминают, что английский астроном Уильям Гершель – учёный, открывший Уран в 1781 году, ещё тогда наблюдал за кольцами ледяного гиганта. Это утверждение ошибочно. Разумеется, Гершель был блестящим учёным и опытным наблюдателем звёздного неба, но даже сейчас в очень хороший и качественный любительский телескоп сам Уран достаточно трудно рассмотреть, не говоря уже о кольцах, а оптика того времени была намного слабее современной. Только самые мощные современные телескопы с помощью специальной электроники позволят детально рассмотреть их с Земли.
Итак, всего открытых колец у Урана – 13, к ним относятся самые мощные кольца, однако «мощные» - это сильно сказано. Между кольцами Урана большие промежутки. Сами кольца включают в себя мелкие частички, начиная от крошечных пылинок, до небольших камней размером до 20 м. Ширина колец ограничивается в несколько км. Точное количество колец подсчитать нам вряд ли удастся, как и в случае с Сатурном – у него тоже есть несколько, скажем так, основных колец, но при увеличении снимков, заметно, что каждое из них дробится на сотни и тысячи более мелких колечек.
Схема внутренних колец Урана в усиленных цветах, составленная по снимкам «Вояджера-2»
Посмотрим на снимки «Вояджера-2» - это единственные фотографии, сделанные с самого близкого расстояния, ведь больше к Урану не летал ни один другой космический аппарат! Кольца тоже дробятся на более мелкие, и попробуй-ка их посчитай, ведь многие, как уже было сказано выше, состоят из тёмных частиц. Сколько ещё среди них таится неуловимых тончайших невидимок!
В начале статьи упоминалось некое необычное «дыхание» колец. Почему они расширяются и сжимаются? Ответ может крыться в гравитационном воздействии спутников Урана. На Сатурне ярким примером может служить спутник Дафнис: учёные, исследовавшие снимки «Кассини», заметили, что, даже несмотря на свой крохотный размер, этот маленький «хулиган» создаёт в кольцах волны!
Уран тоже имеет своих «подданных», стерегущих его кольца, – это спутники Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Купидон, Белинда, Маб, Миранда, а всего спутников – 27. Спутники – пастухи вместе с силами гравитации самой планеты могут заставлять кольца сжиматься и расширяться, а также, вероятно, здесь не обошлось и без необычного вращения Урана: плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты под углом 97,86°. Это значит, что планета вращается ретроградно, в положении «лежа на боку слегка вниз головой». Учёные объясняют это последствием столкновения с крупным космическим телом, перевернувшим планету вверх тормашками, ещё на заре формирования Солнечной системы.
Вид на Уран с Миранды в представлении художника
И это ещё не все загадки тёмных колец Урана: при помощи сети телескопов ALMA и восьмиметрового телескопа VLT («Очень большой телескоп») учёные из США и Великобритании получили данные о наблюдениях за кольцами в миллиметровом и среднем инфракрасном диапазонах – это позволило наконец-то измерить температуру колец. Оказалось, что кольца не только «дышат», они ещё и теплее самой планеты! Так, температура Урана – около минус 224 С, а температура тел в наиболее ярком кольце оказалась на отметке в минус 196 С! Это неожиданно «высоко» и говорит либо о медленном охлаждении после захода планеты в тень, либо о медленном вращении.
Очень жаль, что пока к Урану и Нептуну не планируется никаких научно-исследовательских миссий, а ведь обе эти планеты уникальны и удивительны, но, к сожалению, мало изучены и пока таят в себе больше загадок, чем ответов.
Одинокий странник, изучавший величие Сатурна, его колец и спутников, провёл в космосе в общей сложности 20 лет: 15 октября 1997 года он был запущен с мыса Канаверал (штат Флорида), и, проделав долгий семилетний путь, 30 июня 2004 года "Кассини" добрался до Сатурна и вышел на орбиту газового гиганта.
Долгие годы астрономы всего мира с трепетом наблюдали за открытиями автоматической межпланетной станции - это и фотографии многочисленных ледяных лун, впечатляющие снимки колец и таинственных узоров переменчивых и неспокойных штормов, огромное количество данных о природе далёкого от нас уголка Солнечной системы.
Но когда запасы топлива были на исходе, 26 апреля 2017 года "Кассини" было предназначено совершить несколько отчаянных поручений - "нырнуть" между кольцами Сатурна и самой планетой 22 раза, а затем, чтобы обезопасить спутники, на которых могут быть компоненты жизни, аппарат должен был стать навсегда с этой удивительной планетой одним целым. Инженеры проекта направили "Кассини" в недра газового гиганта, а свою антенну он до последнего держал направленной на Землю, передавая свою прощальную речь землянам. 15 сентября 2017 года "Кассини" навсегда скрылся в облаках Сатурна. Летя навстречу своей гибели, "Кассини", даже разрушаясь, продолжал функционировать - каждый его прибор неустанно передавал данные, пока аппарат не сгорел в атмосфере. "Сердце" станции остановилось, когда учёные поймали последний его сигнал. Он бесподобно справился со всеми манёврами, но что же он сообщил нам в своём грандиозном финале, длившемся с апреля по сентябрь 2017 года?
Более 13 лет "Кассини" был нашими глазами и ушами в системе Сатурна. Планета имеет 82 спутника и кольца, состоящие из частичек льда и камня, причём, точно подсчитать количество колец невозможно, так как при увеличении снимков, сделанных в финальных пролётах с близкого расстояния, видно, как они делятся на более мелкие, словно бы до бесконечности. Астрономы иногда называют Сатурн "Солнечной системой в миниатюре", поскольку многочисленные спутники напоминают планеты, а кольца - Пояс астероидов и Пояс Койпера.
"Кассини" падал в атмосферу Сатурна со скоростью 124 000 км/ч. Никто не знал, сколько он продержится, поскольку изучение планеты изнутри не было задумано учёными изначально. Оказавшись "под кольцами", "Кассини" сделал снимки облаков Сатурна с расстояния, близкого настолько, насколько это было возможно.
Но больше всего учёных поразил Гигантский Гексагон - огромный шестиугольный вихрь, причём, одна сторона этого шестиугольника сопоставима с диаметром Земли! Он есть только на северном полюсе планеты и состоит из тысяч более мелких вихрей, а в самом центре этого шестиугольника - гигантская воронка, уходящая глубоко в недра Сатурна на несколько сотен км. Сам "шестигранник" в зависимости от сезонов ещё и меняет свой цвет: он может быть зеленоватым, золотистым или голубым, но форма шестиугольника стабильна и остаётся на протяжении сотен лет.
Времена года на Сатурне меняются, как на Земле, из-за наклона оси планеты. Когда северный полюс Сатурна оказывается наклонённым к Солнцу, он получает больше света. Солнечный свет взаимодействует с атмосферой и образуются взвешенные частицы - аэрозоли. Они напоминают смог, поэтому и окрашивают Гексагон в оранжево-золотистый цвет, а когда на зиму Сатурн "отворачивается" от Солнца, шестиугольник темнеет. Центральная воронка всегда тёмно-синего цвета, независимо от сезона, вероятно, из-за того, что дымка частиц-аэрозолей затягивается туда, как пылесосом.
Симметричная форма Гексагона получается благодаря взаимодействию вращения планеты и атмосферных течений. В финале своей миссии во время максимальных сближений "Кассини" передал фотографии этих блуждающих друг за другом вихрей в прекрасном качестве.
Во время своего финала "Кассини" обнаружил, что на Сатурне могут даже идти дожди, но это не тот безобидный дождик в привычном нам понимании - это сами кольца постепенно притягиваются Сатурном. Газовый гигант притягивает частички льда, камня и пыли - главные составляющие колец, а затем уничтожает их в своих верхних слоях атмосферы. Каждую секунду на Сатурн выпадает несколько тонн ледяного дождя. Если так будет продолжаться и дальше, то через 300 млн лет планета останется без своего главного "аксессуара".
Кольца могут состоять из микроскопических частичек пыли и глыб размером с крупный внедорожник. Кольца находятся довольно далеко от Сатурна, чтобы он притянул их к себе, но почему же на Сатурне постоянно идёт назойливый и моросящий дождь из ледяных частиц? "Кассини" дал ответ на этот вопрос: осколки льда обладают статическим зарядом. Ультрафиолетовое излучение сдувает электроны, и частицы приобретают заряд - нечто похожее происходит с воздушным шариком, который потёрли о волосы, и он прилипает к стене из-за статического электричества, а раз у Сатурна сильное магнитное поле, то он и притягивает эти ледяные частицы к себе, как магнит. Роль этого магнита играет металлический водород, находящийся вблизи ядра планеты. Под действием огромного давления и высокой температуры в несколько тысяч градусов водород становится не газом и даже не жидкостью, а похожим на расплавленный металл по своей консистенции. Электроны легко высвобождаются, перемещаясь в жидкости, таким образом, под сильным давлением жидкий водород ведёт себя как металл.
Какова масса колец Сатурна? Если взять всё их вещество, то масса получится очень незначительной - они в 100 тысяч раз легче нашей планеты! Возможно, Сатурн периодически "ловит" проходящие мимо кометы и астероиды, пополняя таким образом состав колец. Если какому-то заблудшему небесному телу "не повезёт" пройти мимо, то Сатурн разорвёт его приливными силами.
Но сколько лет кольцам? Существовали ли они с рождения самой планеты или они появились недавно? "Кассини" в финале своей миссии дал нам ответ на этот вопрос: нам очень повезло застать это великолепие - им всего от 10 до 100 млн лет, и возможно, что во времена динозавров на Земле Сатурн не был ещё "Властелином колец" - они слишком лёгкие и слишком яркие. Если бы они были долгожителями, то давно бы уже покрылись пылью, и стали намного темнее. Вероятно, Сатурн притянул к себе ледяной спутник вроде Энцелада и своей гравитацией разрушил его, разорвав на мелкие кусочки. Они распределились по орбите, постоянно сталкивались друг с другом, в результате чего раздробились на мелкие составляющие, а острые углы между ними сгладились, как галька на морском берегу.
"Кассини" показал, что плотность колец очень неоднородна. Там миллионы колец, а между ними могут быть щели, и сами кольца похожи на дорожки на пластинке. Сами кольца удерживаются спутниками-пастухами, которые невозможно увидеть с Земли, так как они прячутся между ними и своей гравитацией удерживают их от дальнейшего распада. Силой гравитации они создают в кольцах волны, и всё это похоже на удивительную симфонию баланса и гармонии. Вместе все спутники помогают своему "Властелину" поддерживать украшение в надлежащем состоянии. Но как они туда протиснулись в таком случае? Пока этот вопрос остаётся открытым.
"Кассини" погиб, но его наследие живёт и до сих пор не оставляет равнодушным. Финальные снимки Гексагона, открытие ледяного дождя, исследование исчезающих и появляющихся вихрей, открытие спутников-пастухов показало нам, что Сатурн - это единая система. Да, с виду он кажется красивым и одновременно суровым, но это невероятный мир, где всё сбалансировано, начиная от маленькой завитушки в атмосфере и заканчивая тончайшими пылинками в кольцах. Сатурн - это уникальное творение природы, и "Кассини" показал нам, что весь мир гигантской планеты держится на хрупком равновесии гравитации. Лишь единство и гармония могли создать такой истинный шедевр во Вселенной! Это и были последние слова "Кассини".
Энцелад — один из 82 известных нам спутников Сатурна. Около 10 лет назад учёные NASA назвали Энцелад наиболее пригодным для жизни местом во всей Солнечной системе. Оказалось, что глубоко под поверхностью этого спутника, под его ледяной коркой, могут скрываться океанические течения, аналогичные земным.
Согласно новому анализу слоя льда, покрывающего глобальный водяной океан спутника Сатурна, можно сделать вывод, что там есть течения, очень похожие на земные. Если это действительно так, значит, океан Энцелада неоднороден.
Гейзеры на Энцеладе. Снимок сделан зондом «Кассини». (НАСА / Лаборатория реактивного движения / Институт космических наук (Space Science Institute)
Энцелад не так просто раскрывает свои секреты!
Впервые удалось получше его рассмотреть только в 1981 году, когда «Вояджер-2» пролетел мимо него, направляясь к более дальним планетам Солнечной системы. На изображениях, сделанных зондом, люди увидели небольшой шар льда. Он имеет почти белую поверхность с высокой отражающей способностью. Средний диаметр Энцелада составляет всего 500 километров. Спутник покрыт кратерами и изрезан длинными трещинами и горными хребтами, что свидетельствует о его геологической активности.
Затем, в 2010 году, нас ждал сюрприз: зонд Сатурна под названием «Кассини» обнаружил на спутнике гейзеры. Они выбрасывали водяной пар из трещин ледяной оболочки Энцелада. Это дало основания полагать, что спутник не был полностью покрыт льдом, а скрывал под поверхностью жидкий соленый океан.
Сочетание воды в жидком состоянии и трещин во льду помогло ученым понять, как устроен Энцелад. Энцелад обращается вокруг Сатурна за 32,9 часа, имея слегка вытянутую, овальную по форме орбиту. Таким образом, он то удаляется от планеты, то приближается к ней, и, соответственно, гравитационное воздействие Сатурна время от времени усиливается и ослабевает. Это напряжение и вызывает нагрев недр спутника, обеспечивая его геотермальную активность, а также создает трещины на поверхности льда или расширяет их (во время максимального удаления Энцелада от Сатурна).
Благодаря внутреннему теплу, океан остается жидким, и он может фонтанировать через трещины, после чего вода попадает на поверхность и снова замерзает. Внутреннее тепло будет порождать и вертикальные конвекционные потоки, аналогичные земным. Более теплая вода выталкивается наверх, где она остывает, и затем снова циркулирует вниз.
Однако, поскольку Энцелад все-таки значительно отличается от Земли, пока неясно, могут ли его океаны быть похожи с земными и по другим характеристикам. Например, глубина океанов Земли в среднем составляет 3,7 км, а глубина океанов Энцелада — не менее 30 километров. И при этом они еще покрыты 20-километровым слоем льда.
Хотя мы не можем увидеть, что скрывает океан, но лед оставляет нам некоторые зацепки. Мы знаем, что лед на полюсах значительно тоньше, чем на экваторе, и еще тоньше на южном полюсе, где как раз извергаются гейзеры. По мнению группы исследователей во главе с геофизиком Аной Лобо из Калифорнийского технологического института, в океане Энцелада происходит нечто более сложное, чем просто вертикальная конвекция.
Тонкий лед, вероятно, связан с более сильным таянием (спасибо, кэп!), а более толстый лед — с более сильным замерзанием.
Значит, там, где лед толще, океан более соленый, поскольку замерзает только вода, а большая часть солей возвращается обратно в воду. Это делает воду подо льдом более плотной, поэтому она опускается на дно океана.
В регионах таяния происходит обратное. Вода свежее, она менее плотная, поэтому остается наверху. На Земле это приводит к возникновению термохалинной циркуляции (ее часто называют океаническим конвейером). Вода замерзает на полюсах, а более плотная и соленая вода опускается на дно и течет по направлению к экватору, в то время как более теплые воды с экватора направляются к полюсам, где они замерзают, что приводит к опусканию более плотной холодной соленой воды и так далее.
Команда разработала компьютерную модель Энцелада, основанную на нашем понимании и представлении подобных течений. Было обнаружено, что такая циркуляция может образовывать толщину льда, которую мы как раз наблюдаем на спутнике.
До сих пор неясно, есть ли на Энцеладе жизнь. Он очень далек от Солнца, но из-за внутреннего геотермального нагрева может иметь хемосинтетические пищевые сети, аналогичные тем, которые встречаются вокруг гидротермальных источников в глубинных зонах океанов Земли. Если в океанах Энцелада прячется жизнь, открытия команды помогут нам ее найти.
Для тех, кто, как и переводчик этой статьи, впервые видит слово хемосинтетик
Автотрофные организмы, или автотрофы, способны самостоятельно создавать органические вещества из минеральных компонентов. Подобные организмы также подразделяют на 2 группы: фотосинтетики (фотоавтотрофы) и хемосинтетики (хемоавтотрофы). Фотосинтетики использут энергию световых лучей, а хемосинтетики — энергию химических связей неорганических веществ.
Мы знаем, что воды Энцелада соленые: вода, взятая «Кассини» из гейзеров, доказала это. Если команда исследователей не ошиблась, уровень соли в этих гейзерах, на самом деле, может быть ниже, поскольку они выбрасываются из области таяния. Получается, что вода на экваторе может быть более соленой.
Мы также знаем, что океанические течения на Земле играют особую роль в распределении питательных веществ. Знания об уровне солёности воды и распределении питательных веществ поможет нам выделить те районы Энцелада, которые будут наиболее пригодны для жизни (в том виде, в каком мы ее понимаем сейчас).
На момент написания статьи нет информации о специальных миссиях на Энцелад. Однако миссии Dragonfly на спутник Сатурна Титан, Europa Clipper на спутник Юпитера Европу для изучения ее ледяной, (возможно) извергающей фонтаны воды и пара поверхности, а также миссия JUpiter ICy Moon Explorer (JUICE) могут пролить свет на циркуляцию океана в этих странных ледяных мирах.
Исследование команды опубликовано в журнале Nature Geoscience.
Используя данные, полученные в ходе миссии «Кассини», команда астрономов составила детальные карты метановых рек Титана. Больше всего пользы их работа принесёт предстоящей миссии NASA Dragonfly, в рамках которой на поверхность спутника отправится винтокрылый аппарат.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/PSJ/ac0245
Исследование было опубликовано в издании Planetary Science Journal.
Сеть каналов близ кратера Менрва в экваториальной области Титана.
Источник: J. W. Miller et al 2021 Planet. Sci. J. 2 142
Так же, как вода на Земле, жидкие метан и этан на Титане формируют ручьи, реки и озёра. Понимание их устройства, со всеми поворотами и ответвлениями – ключ к пониманию геологии этого мира, ведь именно по ним двигаются геологические отложения.
Системы каналов – сердце сети путей, по которым перемещаются наносы. Они показывают места концентрации органического материала близ тектонических или даже криовулканических объектов. Эти материалы затем могут попасть в подповерхностный водяной океан Титана или смешаться с жидкой водой, поднимающейся на поверхность.
Алекс Хейс, доцент астрономии из Корнеллского университета, соавтор статьи
Титан – единственное кроме Земли тело в Солнечной системе с активной гидрологической системой: на нём идут дожди, текут реки и даже есть моря.
В отличие от Марса, на котором каналы с реками были 3,6 миллиарда лет назад, на Титане их можно увидеть прямо сейчас. Этот мир – яркий пример похожей на земную гидрологической системы, и наш единственный шанс узнать, как изменяется планетарный ландшафт без растений.
Ведущий автор исследования, Джулия Миллер, нашла интересный способ проверить надёжность данных радара «Кассини», по которым были составлены карты: их сравнивали с радиолокационными изображениями рек Земли, снизив качество последних до такого же уровня. Это дало возможность понять пределы качества данных «Кассини» и определить изображения, которые можно было с уверенностью использовать для работы.
Как утверждает Джулия, форма рек говорит о многом:
По внешнему виду реки можно определить кое-что о материале, через который она течёт, о наклоне поверхности, или о том, что вообще происходило в этом регионе. Реки можно использовать как отправную точку, чтобы затем узнать больше о том мире, где они протекают.
Миссия Dragonfly отправится к Титану в 2027 году. Посадка аппарата на поверхность спутника запланирована на 2034-й.
Эти карты помогут понять то, что обнаружит Dragonfly, и поместят результаты миссии в глобальный контекст.
Источник: Cornell Chronicle
https://news.cornell.edu/stories/2021/10/titans-river-maps-m...24 года назад, 15 октября 1997 года, с мыса Канаверал стартовала ракета-носитель «Титан IV-Б» с разгонным блоком «Центавр». Она вывела на орбиту межпланетную станцию «Кассини-Гюйгенс», которая отправилась в свой долгий путь к Сатурну. Совместный проект NASA, ESA и Итальянского космического агентства для исследования планеты Сатурн, его колец и спутников.
1 июля 2004 года станция вышла на орбиту Сатурна. 25 декабря аппарат «Гюйгенс» отделился от «Кассини» и спустя три недели вошёл в атмосферу Титана, успешно «прититанившись» на поверхность.
15 сентября 2017 года, после почти 20 лет работы, «Кассини» был планово направлен в атмосферу Сатурна, где зонд разрушился и сгорел. Всё это происходило в прямом эфире с трансляцией в социальных сетях (с задержкой на 83 минуты из-за дальности Сатурна).
UPD. Новость 2017 года
Последние 13 лет космический аппарат «Кассини» безмолвно менял наше понимание Солнечной системы. Миссия «Кассини» — совместный проект американского аэрокосмического агентства NASA и Европейского космического агентства стоимостью 3,62 миллиарда долларов – заключалась в изучении газового гиганта Сатурна и его многочисленных лун. Но уже завтра эта миссия подойдет к своему в буквальном смысле пылающему концу. В пятницу, в 7:55 по восточному времени Земля перестанет получать данные от «Кассини», так как аппарат со скоростью метеора упадет в атмосферу Сатурна и будет целенаправленно уничтожен. К этому моменту астрономы готовились многие годы.
Все инструменты космического аппарата по-прежнему отлично работают, однако продолжительная миссия израсходовала практически все топливо, необходимое для коррекции орбитальной траектории движения зонда вокруг Сатурна. Но вместо того, чтобы просто позволить аппарату выйти из-под контроля и, возможно, разбиться где-нибудь еще, команда управления миссией запрограммировала компьютер зонда на вхождение в атмосферу Сатурна, чтобы уберечь спутники планеты и любые вероятные формы жизни, находящиеся на них.
Несмотря на все заслуги этого космического аппарата, «Кассини», если можно так выразиться, всегда был аутсайдером. Его миссия не была такой яркой, как миссия аппарата «Новые горизонты», пролетевшего мимо Плутона, или любой другой миссии, связанной с Марсом, куда за пару последних десятилетий американское агентство отправило не один посадочный модуль и ровер. Темы, связанные с миссией возле Сатурна, редко составляли главные заголовки новостей. Однако отсутствие хайпа никоим образом не снизило градус научной важности открытий, которые совершил «Кассини».
История «Кассини»
Если отбросить формальности, то началась она 15 октября 1997 года, когда на борту ракеты-носителя Titan IVB/Centaur «Кассини» был выведен на орбиту Земли. Запуск был совместным – ракета-носитель выводила также на орбиту и зонд «Гюйгенс», построенный Европейским космическим агентством. Этот аппарат был разработан для высадки на крупнейший спутник Сатурна Титан, откуда он смог бы передавать научные данные исследователям на Землю.
Запуск происходил не без эксцессов. Были люди, протестовавшие против запуска «Кассини» из-за опасения загрязнения среды плутониевым топливом, на основе которого работает космический аппарат. Перед отправкой «Кассини» физик Мичио Каку заявил, что если запуск окажется неудачным и произойдет взрыв ракеты, то радиоактивный материал осыплется дождем на людей, находящихся возле стартового комплекса. Агентство NASA и правительственные структуры поспешили уверить всех в том, что такая ситуация просто невозможна. К счастью, в конечном итоге запуск действительно прошел без каких-либо проблем.
Два космических аппарата прибыли к Сатурну спустя 7 лет с момента их запуска со стартового комплекса на мысе Канаверал. «Гюйгенс» высадился на Титан 14 января 2005 года. С тех пор «Кассини» совершил множество орбитальных оборотов вокруг планеты и ее спутников. Благодаря ему мы получили возможность по-новому взглянуть на эту систему, разобраться в особенности колец планеты.
Кольца
Безусловно, именно кольца делают Сатурн таким изумительно зрелищным, и выяснение сложного механизма их функционирования было основной целью проекта «Кассини». Они представляют собой естественное конечное состояние коллапса вращающегося облака обломков, и как таковые дают самый близкий аналог диска из космических валунов, который обеспечил строительный материал для нашей Солнечной системы. Они также служат моделью дозвездных дисков, из которых рождались новые солнечные системы и даже миллиарды похожих на детские вертушки скоплений пыли и газа, которые мы называем спиральными галактиками. Из всего, что можно было изучать возле Сатурна, кольца представляли самый большой научный интерес.
Благодаря выполненным «Кассини» измерениям мы пришли к пониманию происхождения большей части структур в кольцах Сатурна. В определенных местах мы обнаружили, что влияние гравитации некоторых спутников на удаленных орбитах нарушает орбиты частиц кольца, создавая острые края или волновые возмущения, которые распространяются спиралеобразно. В других случаях, там, где спутники встроены в кольца, гравитация собрала частицы в красивейшие структуры. Например, Пан, спутник диаметром примерно 30 км, расположенный внутри деления (или, как еще говорят, щели) Энке внешнего кольца A, сотворил именно это с частицами в своей окрестности; в свою очередь падающее на планету вещество кольца изменило форму Пана, в результате этот спутник выглядит так, как будто одет в балетную пачку.
В областях колец там, где плотность частиц особенно высока, мы обнаружили распространяющиеся в диске самовозбуждающиеся волны с длиной волны от 100 м до сотен километров. Эти волны могут отражаться от резких неоднородностей в частицах и интерферировать сами с собой и друг с другом, формируя хаотически выглядящий рельеф. И наши представления о структуре колец теперь включают приятное подтверждение гипотезы, которую Марк Марли, в настоящее время работающий в Исследовательском центре им. Эймса NASA, и я выдвинули в 1983 г.: что акустические колебания внутри тела Сатурна, возможно, также формируют и рельеф колец. Таким образом, кольца Сатурна ведут себя как сейсмограф.
Самые потрясающие сюрпризы кольца «Кассини» обнаружил незадолго до, во время и сразу же после равноденствия в августе 2009 г. По резкому краю внешнего и самого массивного кольца B мы обнаружили невероятную непрерывную нитку остроконечных теней длиной 20 тыс. км, выдающую наличие «кольцевых гор» — вереницы обломков, выступающих на 3 км над плоскостью кольца. Вероятно, эти образования возникли в результате очень сильного сжатия вещества кольца при прохождении около небольших мини-спутников, которые вошли в резонанс на краю кольца наподобие того, как нахлынувшая волна разбивается, налетая на поверхность отвесной скалы у береговой линии.
Еще одно открытие: мы увидели очень слабую слегка закрученную в спираль структуру, простирающуюся без разрывов на 19 тыс. км поперек внутренних колец C и D. В результате тщательного исследования, проведенного Мэттом Хедманом, в настоящее время работающим в Университете Айдахо, с коллегами, было обнаружено, что столкновение остатков кометы с внутренними кольцами, произошедшее в 1983 г., вытолкнуло все частицы кольца в районе столкновения на наклонные орбиты; эти орбиты испытывают прецессию, как волчок, причем внутренние прецессируют быстрее, чем внешние. С тех пор это возмущение закрутилось еще плотнее, образовав в кольцах структуру в виде спиральной складки высотой в 3 м. Во время пролета «Вояджеров» этой структуры еще не было. Солнечная система, как мы видим, — это удивительный динамический феномен, и в своих несметных и изменчивых формах кольца Сатурна демонстрируют наглядный урок универсальности, масштабируемости и бесконечной сложности гравитации. Ни один художник не смог бы нарисовать ничего подобного.
Пять самых интересных открытий «Кассини»
Сложно перечислить весь вклад в планетарную науку, который внес «Кассини» за 13 лет своей миссии, но совсем несложно понять, как много эта миссия значит для ученых на Земле. Ниже будут представлены всего несколько самых важных открытий, совершенных этим зондом более чем за десятилетний срок его работы.
Гейзеры на Энцеладе
«Кассини» не только заметил, но и пролетел сквозь выбросы жидкой воды, выстреливаемой в космос из подповерхностного океана Энцелада. Открытие оказалось удивительным. Океан спутника, вполне возможно, имеет правильный химический состав, необходимый для жизни, что делает его одной из самых желанных целей для поиска внеземной жизни внутри Солнечной системы.
«Землеподобная» среда Титана
Наблюдая за Титаном, мы смогли узнать больше о себе. Исследование одного из самых больших спутников Сатурна открыло для нас сложный мир озер из жидкого метана и дюн из углеводородов. Для неподготовленного наблюдателя Титан может показаться похожим на Землю, но это явно чужая планета, представляющая собой идеальный пример разнообразия среди планетарных тел.
Множество спутников Сатурна
До момента отправки «Кассини» к Сатурну в 1997 году ученым было известно лишь о существовании 18 спутников, оборачивающихся вокруг кольцевого гиганта. Пока космический аппарат в течение семи лет двигался к этой планете, исследователи открыли еще 13 спутников. Однако сегодня, благодаря «Кассини», мы смогли выяснить, что Сатурн является «папой» аж 53 спутников.
Гексагональный шторм Сатурна
За время своей работы «Кассини» удалось получить по-настоящему впечатляющие изображения Сатурна, но, возможно, самыми впечатляющими и одновременно уникальными являются фотографии полюсов планеты. Нам удалось в деталях рассмотреть шестиугольный поток атмосферных течений, окружающих мощный шторм, бушующий на северном полюсе Сатурна. Согласно NASA, площадь этого урагана в 50 раз больше, чем площадь среднестатистического урагана на Земле.
Пустое место между кольцами Сатурна
Перед кульминацией миссии «Кассини» занял положение между кольцами планеты и самим Сатурном. И как выяснилось, здесь невероятно спокойно. Вместо ожидаемых пылевых завихрений, мечущихся между планетой и кольцами, «Кассини» в рамках своих последних орбитальных облетов обнаружил абсолютно пустое пространство.
Спутники
До начала космического века ученые считали, что спутники планет внешней области Солнечной системы — не что иное, как ничем не примечательные, мертвые в геологическом отношении глыбы льда. «Вояджер» показал, что такое предположение в корне ошибочно; задачей «Кассини» было провести тщательное исследование армии спутников Сатурна и дать нам представление об их истории. В ряде случаев история эта оказалась весьма примечательной.
Взять, например, Япет. Причина его двухцветной раскраски — одно полушарие белое как снег, а другое черное как сажа — долгое время оставалась загадкой. Из фотографий с высоким разрешением, сделанных «Кассини», мы узнали, что даже в небольших масштабах этот спутник — пестрая мозаика из темных и светлых участков. Фото- и тепловизионные камеры «Кассини» совместно показали нам, почему это так. И различия в цвете полушарий, и локальные пестрые участки образованы быстро разрастающимся тепловым процессом, обнаруженном только на медленно вращающемся Япете. Области, которые изначально были темными, нагреваются до такой степени, что происходит сублимация льда, и таким образом они становятся все темнее и горячее, области же, которые изначально были светлыми, — холоднее, и на них конденсируются пары, образовавшиеся в результате сублимации. С течением времени весь лед из темной области испаряется и аккумулируется вновь в светлых областях. Но почему в этом процессе участвует все полушарие? Двигаясь по своей орбите вокруг Сатурна, Япет стремительно проносится сквозь облако темного мелкодисперсного вещества, занесенного сюда с Фебы, одного из удаленных нерегулярных спутников (Феба обращается в противоположном направлении по сильно вытянутой наклонной орбите). Это облако окрашивает в черный цвет все расположенное впереди по ходу движения полушарие, делая его более теплым и свободным ото льда. Загадка разгадана.
Другой замечательный спутник — Титан. Камеры «Кассини», снимающие в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне, а также его радар смогли пробиться сквозь дымку Титана. И, конечно же, это сделал зонд «Гюйгенс», сев в начале 2005 г. на поверхность Титана, когда в течение двух с половиной часов он проводил панорамное фотографирование и измерения состава атмосферы, ее прозрачности, силы ветра и температуры, прежде чем прекратил работу на поверхности сатурнианского спутника. В целом «Кассини» обнаружил на Титане самый настоящий мир из научно-фантастических фильмов, где детали пейзажа — формы рельефа и облака — легко узнаваемы, но состоят из непривычного вещества, где внешний облик местности знаком, но ощущения совсем иные.
Мы обнаружили, что на Титане есть озера и моря, но не воды, а жидкого метана. На южном полюсе этого спутника камера высокого разрешения зонда «Кассини» разглядела такого рода резервуар размером с озеро Онтарио (посему получившее латинское название Ontario Lacus — «озеро Онтарио») в области, где много аналогичных «водоемов» меньших размеров. Другой измерительный прибор зонда «Кассини» подтвердил затем, что Ontario Lacus действительно заполнено жидким метаном. С тех пор мы обнаружили множество вместилищ жидкого метана различного размера. По ряду причин расположены они главным образом в высоких северных широтах. Наблюдения с помощью радара выявили крутые скалистые береговые линии, которые напоминают побережья залива Мэн. В отличие от этого экваториальные равнины там, где совершил посадку зонд «Гюйгенс», сухие и покрыты дюнами, простирающимися на большие пространства, перемежаемые то тут, то там возвышенностями по всему периметру Титана.
Открытие морей и озер жидкой органики на поверхности Титана, естественно, породило предположения о возможности существования там жизни. Но температура поверхности на Титане чрезвычайно низкая: –180° C. При таких низких температурах было бы странно обнаружить там химические реакции, аналогичные тем, что, как мы полагаем, необходимы для биохимических реакций, в основе которых — водные растворы. Но обнаружь мы действительно инопланетные биохимические процессы, успешно развивающиеся в среде метана, это было бы грандиозным открытием.
Хотя, с моей точки зрения, величайшее открытие, сделанное «Кассини», — это, безо всякого сомнения, Энцелад, покрытый льдом спутник размером в десять раз меньше Титана. «Вояджер» обнаружил там огромные, удивительно ровные пространства, которые говорят о прошлом, характеризующемся значительной внутренней активностью, а возможно даже о наличии там слоя жидкой воды, похороненного под его ледяной скорлупой, — и то и другое на спутнике, кажущемся слишком маленьким для существования на нем подобного рода физических явлений.
Первый намек на существование какой-либо активности на Энцеладе был получен в самом начале экспедиции, в январе 2005 г., когда мы обнаружили шлейф ледяных частиц, вырывающийся в районе южного полюса. Наши фотографии были незамедлительно представлены общественности, и все, кто наблюдал за экспедицией «Кассини» в интернете, затрепетали от восторга. Вскоре после этого другие приборы «Кассини» подтвердили, что шлейф действительно существует. Операторы, управляющие зондом «Кассини», быстро среагировали, изменив траекторию, чтобы взглянуть на Энцелад с более близкого расстояния. Нас поразило уже то, что мы узнали об Энцеладе в течение той первой части экспедиции, но только после 2008 г., когда мы получили благословение NASA на продолжение работы, мы смогли уделить значительные время и ресурсы на исследование этого интереснейшего объекта.
Энцелад, как мы теперь знаем, — это спутник, который сплющивается и растягивается гравитационными приливными силами Сатурна. Эта приливная энергия генерирует более чем достаточно внутреннего тепла, чтобы образовать глобальный океан из воды глубиной, возможно, в 50 км, похороненный под внешней оболочкой изо льда толщиной в несколько километров. Более 100 гейзеров бьют струями из четырех больших трещин в районе южного полюса, образуя шлейф из крошечных частиц льда и пара, который поднимается на несколько сотен километров над поверхностью. Большая часть твердых частиц этого шлейфа падает назад, на поверхность, но некоторое их количество улетает прочь и образует размытое, но большое кольцо Е. «Кассини» сумел пролететь через этот шлейф десятки раз и провести анализ его материала. Мы выяснили, что частицы, которые мы видим на наших снимках и которые еще за несколько часов до того были капельками океана, несут в себе следы больших органических молекул и соединений, что указывает на гидротермальную активность, схожую с той, что наблюдается в глубоководных гейзерах на дне земных океанов. Они обнаруживают также сравнимую с земной минерализацию воды. Пар, которые сопровождает эти частицы, — большей частью просто вода, но он содержит и следы простых органических соединений, а также двуокись углерода и аммиак — все ингредиенты, важные для под- держания и даже зарождения жизни.
Результаты экспедиции «Кассини» ясно свидетельствуют о существовании под поверхностью Энцелада среды, которая могла бы поддерживать биологическую активность. И теперь мы должны дать четкий ответ на пробирающий до мурашек на коже вопрос: а не стала ли эта малая ледяная планета вторым очагом рождения жизни в нашей Солнечной системе? Не могут ли в ее шлейфе быть признаки существования жизни? Может быть, микробы как снег падают на ее поверхность? Ни одно из других небесных тел так наглядно не демонстрирует все характеристики, которые, согласно нашим представлениям, необходимы для существования жизни. В настоящее время это самое многообещающее, самое доступное место в Солнечной системе для поиска жизни. И некоторые из нас настолько увлечены такой возможностью, что мы замышляем возвращаемую экспедицию на Энцелад, чтобы выяснить это.
Миссия, по которой будут скучать
Хотя, как уже отмечалось выше, миссия «Кассини» была не такой яркой, как марсианские, она оказалась очень полезной для современной астрономии. Каждый месяц зонд отправлял на Землю по-настоящему уникальные, ранее невиданные изображения и новые научные данные. Многие начинающие астрономы построили свои карьеры на базе этих данных.
Завершение миссии станет настоящей потерей для научного и околонаучного сообщества. Особенно на фоне того, что, помимо зонда, который займется изучением спутника Юпитера Европы, у NASA и других космических агентств нет планов, по крайней мере в видимом будущем, продолжать изучение горизонтов удаленных миров Солнечной системы вроде Сатурна, Нептуна и Урана.
Дисклеймер: всю инфографику переводил я и постарался как можно более похожие шрифты подобрать, все ролики Youtube идут со встроенными английскими субтитрами и возможностью их перевести на удобный для вас язык.
Ледяной спутник Сатурна, Энцелад, вызывает повышенный интерес в последние годы, поскольку Cassini зафиксировал струи воды и другого материала, выбрасываемые из южного полюса луны. Одна особенно соблазнительная гипотеза, подтвержденная составом образцов, заключается в том, что в океанах может существовать жизнь под ледяными панцирями Энцелада. Чтобы оценить обитаемость Энцелада и выяснить, как лучше всего исследовать эту ледяную луну, ученым необходимо лучше понять химический состав и динамику океана Энцелада.
https://en.wikipedia.org/wiki/Goldilocks_and_the_Three_Bears
В частности, для обитаемости может быть важна соответствующая соленость. Как и в каше Трех медведей ( это отсылка к старой британской сказке ), уровень соли в воде должен быть подходящим для жизни. Слишком высокая соленость может угрожать жизни, а слишком низкая соленость может указывать на слабую реакцию вода-порода, ограничивая количество доступной для жизни энергии. Если жизнь действительно существует, циркуляция океана, которая также косвенно зависит от солености, будет определять, куда переносятся тепло, питательные вещества и потенциальные биосигнатуры, и, следовательно, является ключом к обнаружению биосигнатур.
Видео UT, посвященное выполнению миссии «Cassini».
Группа ученых, работающая с доктором Ваннинг Кангом из Массачусетского технологического института, подходит к этим вопросам путем численного моделирования вероятной циркуляции океана для различных возможных уровней солености и оценки вероятности каждого сценария, задавая вопрос, может ли он поддерживать наблюдаемую геометрию ледяной оболочки, построенную по данным Cassini.
Циркуляция океана зависит от разницы в плотности составляющей его воды в разных частях океана. Более плотная вода будет течь в сторону менее плотной, чтобы достичь равновесия. Эти различия в плотности сами по себе контролируются двумя ключевыми факторами: местоположением источника тепла на луне и соленостью океана, оба из которых в настоящее время плохо изучены.
Видео UT с обсуждением химического состава Энцелада.
На Энцеладе есть два места для потенциального источника тепла: в силикатном ядре или в нижнем шельфовом леднике, где он встречается с верхней частью океана. Если в силикатном ядре вырабатывается значительное количество тепла из-за приливных изгибов под океаном, ученые ожидают увидеть конвекцию, точно такую же, как при кипячении воды в горшке. Точно так же, если замерзание происходит на поверхности океана, соль будет вытеснена изо льда, увеличивая локальную плотность воды и вызывая конвекцию сверху.
Соленость также играет ключевую роль в расчетах плотности. При относительно низком уровне солености вода сжимается при нагревании около точки замерзания, делая ее более плотной. Поскольку океан Энцелада соприкасается с глобальным ледяным панцирем, он близок к замерзанию. Это противоречит тому, как большинство людей думают о потеплении, которое обычно означает, что с повышением температуры материал становится менее плотным. При более высокой солености это становится правдой, и вода начинает вести себя нормально, расширяясь при нагревании.
В разрезе показано внутреннее строение Энцелада, спутника Сатурна.
Учитывая неопределенность солености океана Энцелада (от 4 до 40 граммов соли на килограмм воды) и того, какой процент нагрева планеты происходит в любом из двух источников, доктор Кан и ее соавторы использовали модель океана Массачусетского технологического института для моделирования циркуляция океана в различных комбинациях, если предположить, что наблюдаемый ледяной панцирь поддерживается за счет замерзания в толстых ледяных областях и таяния в других местах. Это в значительной степени справедливо для ледяных миров, поскольку шельфовые ледники со временем сгладятся естественным образом из-за течения льда, если никакой другой процесс не поддерживает разницу.
https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_budget
Команда диагностировала перенос тепла при различных сценариях и обнаружила, что только некоторые из них могут в целом поддерживать «сбалансированный» тепловой баланс, то есть то, как различные источники тепла (количество теплового потока от океана ко льду, плюс тепло произвенное во льду из-за приливного изгиба плюс скрытое тепловыделение) может точно уравновесить теплопотери через ледяной панцирь.
Изображение, показывающее круговорот воды и льда в океанах Энцелада.
Согласно модели, такой баланс может быть достигнут в широком смысле, если соленость океана находится на некотором промежуточном уровне (10-30 г / кг) и если ледяная оболочка является доминирующим источником тепла. Когда эти два условия выполнены, циркуляция океана слабая. В результате теплая полярная вода не будет слишком эффективно перемешиваться к экватору, поэтому экваториальное таяние не произойдет. Это приводит к образованию более толстого шельфового ледника вокруг экватора луны, как это наблюдал Cassini. Это также означает, что давление на границе раздела вода-лед ниже на полюсах, а это означает, что она также имеет более высокую температуру замерзания, чем вода на экваторе.
Для сценариев с «несбалансированным» тепловым балансом, это означает, что часть тепла, создаваемого на луне, не отводится, перенос тепла к экватору слишком эффективен, и экваториальная ледяная оболочка будет иметь тенденцию таять. Между тем, сила градиента давления будет направлять ледяной поток от экватора к полюсам. Вместе таяние поток льда неизбежно уменьшит толщину льда вблизи экватора. Согласно этому сценарию, наблюдаемая геометрия льда не может сохраняться на протяжении всей жизни луны.
Художественный рендеринг, показывающий внутренний разрез коры Энцелада, который показывает, как гидротермальная активность может вызывать появление водяных шлейфов на поверхности луны.
В конце концов, работа доктора Кан и ее коллег подчеркивает, что ледяная оболочка и циркуляция океана на ледяных спутниках должны рассматриваться как взаимосвязанная система: циркуляция океана перераспределяет тепло и формирует ледяную оболочку, и, в свою очередь, замерзание ледяной оболочки / таяние и изменение толщины стимулируют циркуляцию океана. Хорошим результатом этого исследования является то, что оно указывает на возможность вывести одно из другого, что может быть полезно далеко за пределами Энцелада. В рамках этих усилий по изучению ледяных лун в нашей Солнечной системе группа, известная как программа «Исследование океанических миров», будет работать вместе, чтобы углубить наше понимание обитаемости ледяных лун и оптимального способа их исследования.
Источник: UniverseToday
https://www.universetoday.com/151050/how-salty-is-enceladus-...