(таинственный мир Титана)
Если бы вы высадились на Титан с парашютом, вы бы смогли насладиться великолепным видом колец Сатурна, перед тем как исчезнуть в оранжевой дымке, покрывающей этот необыкновенный мир. Коллегам было бы любопытно узнать приземлились ли вы на естественный грунт или плюхнулись в море углеводорода, однако сообщение об этом стало бы последним, что вы послали. Вы бы моментально замерзли до смерти или задохнулись бы без кислорода в атмосфере напоминающей выбросы нефтеочистительного завода.
Несомненно, для такой миссии лучше подойдет робот.
Кассини/Гюйгенс - это автоматическая научно-исследовательская станция, часть совместной миссии NASA и ESA к Сатурну и его крупнейшему спутнику Титану.
15 октября 1997 года она была запущена в космос с помощью ракетоносителя Titan IVB/Centaur.
Для разгона Кассини/Гюйгенс использует серию гравитационных маневров
(27 апреля 1998 - Венера, 24 июня 1999 - Венера, 18 августа 1999 - Земля, 30 декабря 2000 - Юпитер).
Миссия достигнет Сатурна в начале 2005 года.
Гюйгенс станет первым зондом, который высадится на поверхности объекта внешней Солнечной системы.
Когда Вояджер I пролетел мимо Титана в 1980 году, на снимках была видна лишь туманная оранжевая атмосфера с голубоватым оттенком на горизонте. Но приборы обнаружили, что атмосфера Титана состоит из азота и богата углеродными структурами. Так же Титан не похож ни на одну из планет или лун Солнечной системы, и, что важно, в некотором отношении имеет сходство с Землей, до того, как на ней появилась жизнь.
Парижанин Дэниел Готье (Daniel Gautier) был одним из ученых, участвовавших в проекте Вояджера. "Я был очень взволнован результатами, полученными Вояджером 1", -- вспоминает он. "Мне сразу пришло в голову, что следующая миссия должна отправиться на Титан. После всесторонних исследований совместно с американскими и европейскими коллегами, в ноябре 1982 года Винг Ип (Wing Ip) из Линдау и я внесли предложение о создании автоматической научно-исследовательской станции для совместной миссии ESA и NASA к Титану".
Вояджер 1 так же подтвердил содержание в атмосфере Титана метана, легчайшего из углеводородов. Этот факт озадачил химиков. Солнечные лучи мгновенно превращают метан в этан, так что Титан должен возобновлять метан в атмосфере. Противоречивые теории говорят об океанах метана или подземных метанохранилищах.
Гюйгенс поможет найти доказательства этих теорий.
В 2004 году орбитальная станция NASA Кассини (Cassini orbiter) доставит Гюйгенс на Титан и ретранслирует сигналы зонда на Землю. Затем Кассини продолжит свое путешествие, чтобы провести следующие 4 года, исследуя Сатурн, его кольца и спутники, а так же тридцать раз пролететь мимо Титана.
Два прибора для орбитальной станции, измерители магнитного поля и задымленности, сконструированы под руководством европейских ученых в сотрудничестве с американскими коллегами. Остальные - ведущими американскими исследователями с участием европейских партнеров.
С научной точки зрения, работа всех приборов скоординирована. Информация, собранная Гюйгенсом на поверхности, поможет интерпретировать более глобальные наблюдения Титана с орбитальной станции, осуществляемые посредством пяти различных средств дистанционного зондирования, использующих видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, а так же радиолокацию.
Одна из основных причин посылки зонда Гюйгенс на Титан - желание узнать больше об условиях на этом странном спутнике, что весьма напоминает Землю в начале своего развития, до появления на ней какой бы то ни было жизни. Титан намного холоднее, скудны запасы воды, однако атмосфера и поверхность странного спутника Сатурна, тем не менее, может содержать множество химических веществ, существовавших на молодой Земле в том первобытном океане, в котором зародились первые живые организмы.
Исследование комет обнаружило, что в космосе имеются довольно сложные углеродные молекулы.
Хвосты комет могли доставить такие вещества на молодую Землю. Но ультрафиолетовое излучение Солнца, космические лучи, разряды молний также могли произвести углеродные соединения из простых веществ, содержащихся на земной поверхности.
Диаграмма (см. рисунок) показывает, какие углеродные соединения ожидается найти на Титане.
Зонд Гюйгенс изучит "химическую кухню" Титана. Американский прибор идентифицирует сложные молекулы по их массе и скорости прохождения через различные фильтры, а франко-австрийский прибор соберет частицы из атмосферы Титана и испарит их для идентификации, с помощью специальной печи.
Теории и эксперименты, относящиеся к происхождению жизни, пока не привели к четким результатам, несмотря на сотни лет стараний выдающихся ученых. До сих пор не ясно, как образовались самоподдерживающиеся соединения нуклеиновых кислот, протеинов и жиров. Космические исследования могут снять с мертвой точки развитие этих теорий, идентифицировав химические вещества, похожие на те, что содержались в первобытном океане
Результаты, полученные с Гюйгенса, дадут новый стимул теориям происхождения жизни на Земле, а возможно откроют нам неожиданные перспективы.
Гюйгенс будет находиться в бездействующем режиме в ближайшие семь лет, на всем пути от Земли к Сатурну, однако каждые шесть месяцев будет проводиться проверка его работоспособности.
По достижению цели орбитальный космический аппарат Кассини один раз облетит вокруг Сатурна, а затем отправит Гюйгенс по направлению к Титану. Затем Кассини останется на прежней траектории, направив на Титан четырех метровую, мощную антенну для получения сигналов Зонда, который к началу миссии окажется на расстоянии 75 000 километров.
После 22-дневного путешествия к Титану, в течение которого зонд по прежнему будет бездействовать, все подсистемы и эксперименты будут автоматически запущены. На высоте 500 километров над поверхностью Титана акселерометры (измерители ускорения) почувствуют первые изменения скорости зонда, полученной им при отделении от Кассини (20 000 км/ч). По скорости торможения, записанной при снижении зонда, ученые сделают выводы об изменении плотности внешних слоев Титана. Все детали и крепления будут подвержены сильному воздействию на высоте около 200 километров, когда замедление возрастет до 16 грамм.
Гюйгенс сконструирован подобно моллюску, с хорошей защитой приборной начинки. Скорлупа будет являться и тормозом, и теплозащитным экраном, когда температура газа за оболочкой зонда достигнет 12 000 градусов. В течение трех жарких минут Гюйгенс опустится до высоты 180 километров над поверхностью Титана и его скорость при этом снизится до 1 400 километров в час.
Затем, активированные детектором наличия атмосферы, пиротехнические устройства выпустят вытяжной парашют, отсоединят задний экран и выпустят основной парашют.
Не позднее, чем через минуту скорость сократится до 250 километров в час. Передний экран будет отброшен, что откроет приборам атмосферу Титана на высоте около 150 километров. Температура атмосферы может быть приблизительно равной -120 градусам по шкале Цельсия.
На этом этапе зонд полностью функционален, его подсистемы и эксперименты будут поддерживаться пятью батареями, вырабатывающими в сумме 300 ватт.
Основной парашют, используемый для торможения на большой высоте, будет срезан через 15 минут и заменен парашютом поменьше. Зонд к тому времени будет находиться уже на высоте 120 километров. Его высадка завершиться в течение двух последующих часов, плюс или минус еще 15 минут, в зависимости от показаний радиовысотомера.
Как ожидается, ветры, дующие со скоростью в 250 км/ч, будут сбивать Гюйгенс с курса. Германский прибор проследит за скоростью ветра с помощью измерений сдвига частот в сигналах, получаемых приемником на Кассини. Когда зонд пролетит над поверхностью радиолокационный, высотомер соберет другую серию экспериментальной информации, которая поможет определить характеристики поверхности Титана.
Детальная информация о климате Титана будет получена с помощью атмосферных приборов, созданных интернациональной командой ученых под руководством итальянцев. Помимо измерений высотомера, в течение всего полета будут регистрироваться показания термометра и барометра. Другие приборы измерят электрические характеристики атмосферы и зарегистрируют радио импульсы от разрядов молний, если таковые будут иметь место. Микрофон будет фиксировать удары грома.
"Большинство исследований планетарной метеорологии полагаются на фотосъемку и другие методы удаленного зондирования", говорит Марселло Фалчигони (Marcello Fulchignoni), ученый из Рима. "Гюйгенс дает нам редкий шанс непосредственно записать погоду другого мира и нам следует быть готовыми к сюрпризам".
Миниатюрные крылья на борту зонда заставят его вращаться во время спуска, позволив американским камерам сканировать пейзаж. В начале они смогут увидеть лишь слой оранжевой дымки, что придает Титану неподвижный вид. Солнечный свет, а так же инфракрасный свет отражаемые гало, окружающим Титан, выявят физические размеры и относительное содержание частиц дымки. Инфракрасный спектрометр и спектрометр видимой части спектра измерят тепло, получаемое Титаном от Солнца и отдаваемое им в космос.
Американский химический анализатор отсортирует и сосчитает вес молекул и атомов в масс спектрометре. Газовый хроматограф поможет разделить молекулы по скоростям их дегельминтизации через разделительные колонны абсорбирующего материала.
Специальным прибором, разработанным во Франции и Австрии, будут взяты образцы твердых частиц, содержащихся в атмосферных слоях на высоте 500-300 км. На высоте 45 километров этот сборщик частиц будет продолжать свою работу. Фильтр засосет частицы в печь, которая подогреет собранный материал по стадиям, вплоть до 650 градусов. Продукты с каждой стадии будут поступать для анализа в масс спектрометр и специальный газовый хроматограф. Затем фильтр будет продут и вновь возвращен за борт Гюйгенса для дальнейшего сбора частиц в слое облаков.
Температура атмосферы может опуститься с -120 до -200 градусов Цельсия, опасно низкой температуры для Гюйгенса. У основания атмосферы Титана, возможно на высоте 50 километров над поверхностью, температура должна немного восстановиться. Здесь дымка может рассеяться и позволить камерам Гюйгенса сделать свои первые снимки поверхности Титана, под пушистой пеленой туч.
Метеорологи будут поражены сходствами и контрастами с земной погодой в мире, где облака и дожди состоят из метана и азота. Камеры увидят панорамы туч во вращении над поверхностью Титана.
Дальнейший спуск, чем ниже, тем неопределеннее, чем дальше, тем рискованней. Найдет ли Гюйгенс океан из смеси метана и азота с плавающими на поверхности органическими айсбергами зловещего цвета или сушу, покрытую гейзерами, извергающими метан и вулканами, извергающими аммиак и воду. В течение последних сотен метров спуска, посадочные прожекторы помогут спектрографам в поисках метана на поверхности. Акустический зонд будет прослушивать эхо.
Если Гюйгенс выдержит твердый удар или всплеск, как только достигнет поверхности на скорости 20 километров в час, то радар, камеры и химические приборы смогут продолжить работу и после приземления. В последние несколько минут миссии начнет работать специальный пакет приборов для исследований на поверхности, разработанный под руководством британских ученых. В случае посадки на твердую поверхность, пенетрометр (прибор для измерения твердости поверхности) измерит ее жесткость, а наклономер покажет, является ли поверхность приземления плоской.
Наклономер может зафиксировать морские волны, если поверхность приземления окажется жидкой. Акустический зонд измерит глубину океана или озера, тогда как другие приборы - его плотность, скорость звука и света в жидкости. Процентное содержание метана и этана, определенное по плотности даст представление о том, как много времени ушло на превращение Титаном одного вещества в другое. Это позволит ученым сделать вывод о возрасте океана, является ли он ровесником Титана или же появился на спутнике позднее.
Время, которое Гюйгенс проведет на поверхности, составит приблизительно от трех минут до получаса или даже больше. Однако это зависит от того, вынесет ли зонд приземление и низкую температуру. В любом случае Гюйгенс погибнет, когда сядут его батареи. Он останется на Титане, как символ человечества и первой европейской космической миссии к иному миру.
В космосе, орбитальный аппарат Кассини примет последние сигналы Гюйгенса, а затем скроется за горизонтом. Направив свою антенну к Земле, он ретранслирует показания со всех приборов зонда. И только тогда терпеливые ученые увидят Титан под развеянной завесой тайны.
Перевод с английского © 2003, Кирилл Юдин
Официальная страница миссии Кассини/Гюйгенс
