Cassini удалось обнаружить едва заметную атмосферу Дионы - одного из крупных спутников Сатурна, открытого в 1684 г. и на протяжении долгого времени вызывающего большой интересу исследователей.

Сатурн, составлен из 65 отдельных снимков, сделанных спектрометром VIMS.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Газовая оболочка Дионы состоит из молекулярного кислорода, как и аналогичная тонкая атмосфера, найденная в 2010 г. у другого спутника Сатурна - Реи. Наличие ее у Дионы предполагалось, но гарантий не было - этот спутник слишком мал. Поэтому обнаружение слабой атмосферы - экзосферы - стало пусть небольшим, но сюрпризом. Плотность ее вблизи поверхности Реи и Дионы меньше земной примерно в 5 трлн раз и сравнима с плотностью земной атмосферы на высоте 500 км.

Этот снимок Дионы Cassini выполнил 3 мая 2012 г. с расстояния около 24000 км

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Ученые подозревали наличие молекулярного кислорода в окрестностях Дионы с тех пор, как космический телескоп имени Хаббла обнаружил там озон. Подтвердить наличие экзосферы удалось 7 апреля 2010 г. во время второго пролета Cassini на высоте около 500 км над поверхностью этого небольшого спутника. Тогда плазменный спектрометр Cassini обнаружил ионизированные молекулы кислорода - по одной на каждые 10 см³ космического пространства. Сейчас ученые анализируют данные масс-спектрометра ионов и нейтральных частиц, полученные во время близкого пролета 12 декабря 2011 г., имея целью сравнить информацию по Дионе и Рее и, возможно, обнаружить другие компоненты экзосферы Дионы.

Фотография в видимом диапазоне сделана во время пролета Cassini возле Дионы 12 декабря 2011 г. Кроме Дионы, диаметр которой превышает 1120 км, на снимок попали два малых спутника Сатурна: Прометей (86 км в диаметре), по форме напоминающий картофелину, виден над кольцом Сатурна, а Эпиметий (113 км в диаметре) - правее и чуть ниже от него. Расстояние до Дионы - 108000 км, разрешение 650 м

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    «Мы теперь знаем, что Диона, также как Рея и кольца Сатурна, является источником молекул кислорода, - комментирует Роберт Токар (Robert Tokar), член команды Cassini. -Отсюда следует, что молекулярный кислород - обычное дело в системе Сатурна и что он появляется в процессе, который не связан с жизнью».

Эта фотография Реи сделана 10 марта 2012 г. с расстояния 41 873 км.     Рея - ледяное тело со средней плотностью, равной 1.23 г/см3. Столь низкий показатель свидетельствует о том, что каменные породы составляют менее трети массы спутника, а остальное приходится на водяной лед. Ускорение свободного падения на поверхности маленькой луны составляет всего 0.264 м/с2. Размеры спутника - 1532.4x1525.6x1524.4 км.     Ведущее полушарие Реи светлое и сильно кратерировано. Заднее полушарие содержит темные участки, а также сеть ярких тонких полосок. Первоначально считалось, что они образовались в результате выброса воды или льда на поверхность (например, в результате криовулканизма). Однако данные Cassini показали, что схожие (но более выраженные) образования на Дионе представляют собой не выбросы вещества, а ледяные хребты и обрывы. Последующее фотографирование Реи окончательно подтвердило гипотезу об обрывах.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    По-видимому, кислород высвобождается при бомбардировке ледяной поверхности Дионы солнечной радиацией или частицами высоких энергий из космоса. Возможны и другие причины, в том числе геологические.


    На основании снимков Cassini ученые сделали вывод, что Феба, один из спутников Сатурна, является так называемой планетезималью - так и не развившимся зародышем планеты.
    В отличие от комет и других примитивных небесных тел, Феба активно развивалась в течение некоторого времени - до того, как ее эволюция остановилась. Считается, что подобные объекты сформировались и застыли очень быстро. Они представляют собой «строительный материал», из которого были слеплены планеты. «Изучение таких "зародышей" дает ученым возможность понять, какой была обстановка в Солнечной системе во время рождения планет и их спутников»,- поясняет Жюли Кастильо-Рогес (Julie Castillo-Rogez) из JPL.
    Группа астрономов под руководством Джонатана Лунина (Jonathan Lunine) из Корнеллского университета в городе Итака (США) изучила снимки Фебы, полученные Cassini с 2004 г. по настоящее время. Они проанализировали структуру и попытались определить состав Фебы. По словам ученых, неправильная форма планеты и ее богатые водой породы не могли возникнуть в условиях, типичных для формирования комет и небольших астероидов.
    Исследователи использовали полученные данные для моделирования условий, господствовавших в окрестностях Фебы во время ее рождения.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    «Объединив данные, полученные Cassini, с методикой моделирования, которая ранее применялась для других тел Солнечной системы, мы смогли "вернуться" в прошлое и выяснить, почему Феба так сильно отличается от других спутников Сатурна», - уточнил Лунин.
    Ранее Фебу относили к категории тел нерегулярной формы, сохранивших ее с момента образования, но оказалось, что это не так. «Изучив снимки Cassini и смоделировав появление кратеров на Фебе, мы поняли, что она была изначально почти шарообразной, а не неправильной формы, которую потом "скруглили" падения астероидов», - добавил другой участник группы Питер Томас (Peter Thomas) из Корнеллского университета.
    Моделирование показало, что Феба сформировалась в первые три миллиона лет после возникновения Солнечной системы, причем довольно далеко от своего теперешнего местоположения - в поясе Койпера. В самом начале существования «зародыша» его структура была пористой, похожей на сыр с большими дырками, но по мере гравитационного сжатия и последующего разогрева недра Фебы уплотнились. Ее современная средняя плотность на 40% выше типичной для других спутников Сатурна. Аналогичная величина характерна для другого койперовского объекта - Плутона и его крупного спутника Харона.
    По словам планетологов, Феба оставалась горячей в течение нескольких десятков миллионов лет после ее формирования. Основой для этого мог служить распад радиоактивных элементов в ядре «зародыша». После своей геологической смерти планетезималь «мигрировала» в сторону планет-гигантов, где и была захвачена притяжением Сатурна.


    На снимках Cassini во внешнем кольце F обнаружены странные объекты примерно километровой величины, как бы прокалывающие его и оставляющие за собой ярко светящиеся следы - «мини-джеты».
    «Я считаю, что кольцо F является самым таинственным кольцом Сатурна, и последние результаты Cassini свидетельствуют, что кольцо F еще более динамичное, чем мы предполагали, - замечает Карл Мюррей (Carl D. Murray) из Университета Королевы Марии в Лондоне. - Мы видим, что зона кольца F подобна оживленному зоопарку, который заселен объектами с размерами от километра и до таких лун, как спутник Сатурна Прометей».
    Ученым уже было известно, что притяжение крупных объектов, таких как 148-километровый Прометей, может создавать в кольце F «каналы», «волны» и «снежные комья». Но они не знали, как «снежные комья» эволюционируют после своего появления. Теперь же появились доказательства, что не все «снежки» разрушаются под действием приливных сил. Некоторые небольшие «комья» выживают и, имея орбиту, немного отличающуюся от орбиты кольца, продолжают «вспахивать» его. Снимки свидетельствуют, что эти объекты могут сталкиваться с кольцом F на небольших скоростях - где-то порядка 2 м/с. В результате из кольца вытягиваются сверкающие частицы льда, и их яркий след простирается на расстояние от 40 до 180 км.
    Группе исследователей, в которую входит Мюррей, посчастливилось увидеть такой крошечный след на снимке Прометея, выполненном 30 января 2009 г., и отслеживать его в течение восьми часов наблюдения за этим спутником. Благодаря длительности съемки удалось подтвердить, что мелкий объект происходит из кольца F, поэтому ученые решили просмотреть весь каталог изображений Cassini, чтобы выяснить, как часто повторялось такое явление.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    «Длина окружности кольца F составляет 880 000 км, а эти мини-джеты просто крошечные: для того чтобы их заметить, нужно немало времени и везения, - утверждает Ник Эттри (Nick Attree) из группы Мюррея. - Мы «прочесали» порядка 20 000 снимков и были в восторге, обнаружив 500 экземпляров этих «бродяг» всего лишь за семилетний период пребывания Cassini возле Сатурна».
    В некоторых случаях объекты путешествуют группами, создавая мини-джеты, которые выглядели весьма экзотично, напоминая острие гарпуна. На других снимках можно увидеть все кольцо F со спиралями и завихрениями, которые вызываются всевозможными объектами по всему кольцу и совершают движение сквозь кольцо и вокруг него.

20 мая 2012 г. на пути к Титану Cassini прошел на минимальном за весь полет расстоянии (около 1900 км) от Метоны - одного из крохотных спутников Сатурна, диаметр которого не превышает 3 км. На лучших из снимков, сделанных в июне 2005 г. с расстояния приблизительно 225000 км, этот спутник был едва различим.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    «Не говоря о том, что это демонстрация удивительной красоты кольца F, его исследование с помощью Cassini помогает лучше понять процессы возникновения звездных систем из газопылевых дисков, сходных с диском, который мы видим вокруг Сатурна, но гораздо крупнее, - убеждена Линда Спил-кер (Linda J. Spilker), научный руководитель проекта Cassini в JPL. - Нам не терпится увидеть, что же еще Cassini покажет нам в кольцах Сатурна».


    Турбулентные струйные течения бегут на восток и на запад через весь Сатурн. Долгие годы специалисты пытались понять механизм, который управляет этими образованиями в атмосфере планеты, и выявить источник, из которого струи черпают энергию.
    Наблюдения Cassini за несколько лет позволили понять, как тепло планеты накачивает энергией эти потоки. Конденсация воды в результате нагрева внутренним теплом Сатурна приводит к образованию перепада температур в атмосфере. Разница температур создает вихри - возмущения, которые переносят воздух взад и вперед на той же широте, и эти вихри разгоняют струйные течения, как шестеренки - ленту конвейера.

Чрезвычайно сильное струйное течение, снятое 13 января 2008 г. с расстояния 1.3 млн км. Цвета искусственные

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Альтернативная гипотеза состояла в том, что перепад температур обусловлен солнечным теплом - как это происходит в атмосфере Земли. «Мы знаем, что атмосферы таких планет, как Сатурн и Юпитер, могут получать энергию только из двух источников - от Солнца или внутреннего тепла. Проблема была в том, чтобы найти способ обработать данные и выявить разницу», - говорит Энтони Дель Джинио (Anthony A. Del Genio) из Годдардского института космических исследований NASA, руководитель проведенного исследования и участник команды по обработке изображений Cassini.
    Разобраться в проблеме удалось потому, что Cassini находится на орбите Сатурна уже довольно долго и передал достаточно изображений, чтобы увидеть малозаметные следствия повседневных погодных вариаций. «Понимание механизма, управляющего метеорологией на Сатурне и вообще на газовых гигантах, было одной из главных целей с момента формирования концепции миссии Cassini, - констатирует Каролина Порко (Carolyn С. Рогсо), руководитель команды обработки изображений в Институте космических исследований в Боулдере. - Замечательно, что мы наконец пришли к пониманию атмосферных процессов, которые делают Землю в чем-то похожей, а в чем-то отличной от других планет».
    В отличие от Земли с ее тонкой атмосферой и твердой поверхностью, Сатурн - газовый гигант, в глубине атмосферы которого находятся многочисленные слои облаков. Множество струйных потоков пересекают диск Сатурну - и камера Cassini видит их с фильтрами ближнего инфракрасного диапазона. Большинство потоков направлены к востоку, некоторые - на запад. Они образуются в местах, где температура значительно изменяется с широтой.
    Благодаря ИК-фильтрам ученые смогли впервые наблюдать процессы образования потоков на относительно низких высотах в атмосфере Сатурна. Один фильтр позволяет увидеть верхнюю часть тропосферы, где еще сильно пригревает Солнце, другой - более глубокие слои, на верхушках облаков аммиачного льда. Там влияние Солнца слабее, но именно там «рождается» погода - конденсируется вода, образуются облака и идет дождь.
    Исследование 2012 года отличается от первого, выполненного пятью годами раньше, тем, что авторы использовали специальное программное обеспечение для отслеживания движения облаков и определения их скорости на снимках, сделанных Cassini в период с 2005 по 2012 г. «С нашим улучшенным алгоритмом мы смогли определить почти 120000 направлений ветра на 560 снимках, что дало нам беспрецедентную карту ветров на двух независимых высотах в глобальном масштабе», - говорит Джон Барбара (John М. Barbara).
    Ученые обнаружили, что в нижнем из двух изученных слоев вихри сильнее, чем в верхнем, где в основном идет нагрев солнечными лучами. Поэтому был сделан вывод, что основным источником энергии потоков является внутреннее тепло. Наибольшее соответствие с наблюдениями дал следующий теоретический механизм. Внутреннее тепло планеты выносит наверх водяной пар из недр Сатурна. По мере охлаждения воздуха в некоторых местах он конденсируется, выделяя тепло и образуя облака и дожди. Этого тепла оказывается достаточно, чтобы создавать вихри и приводить в движение струйные течения.
    Саму конденсацию пара наблюдать не удалось - этот процесс происходит в основном на еще более низких уровнях, недоступных для Cassini, - однако он хорошо известен для штормов в средних широтах Земли. На Сатурне, однако, энергию вихрям дает нагрев вследствие конденсации воды, в то время как на Земле циклоны формируются энергией солнечного тепла.


    Яркие голубые точки внутри гигантского шторма на Сатурне представляют собой вспышки молний. Обнаружение их стало для ученых большим сюрпризом. «Мы не думали, что сможем увидеть молнии на дневной стороне Сатурна... Тот факт, что Cassini смог зафиксировать молнию, означает, что она была очень мощной», - подчеркивает Ульяна Дюдина, выпускница МГУ и исследователь команды Cassini, работающая в Калифорнийском технологическом институте.

Синяя молния

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Cassini обнаружил эти молнии во время наблюдения за гигантской бурей б марта 2011 г. Наиболее яркими они оказались при съемке с синим фильтром, но пришлось специально усилить синюю компоненту изображения, чтобы точно определить место и размеры вспышки. При анализе изображений удалось установить, что мощность видимой всего секунду вспышки могла достигать 3 млрд ватт, причем только в видимом диапазоне спектра. Очевидно, молния формируется в глубине облачного слоя, где замерзают водяные капли, при этом размер освещенной области на выходе из облаков достигает 150-200 км.
    Для ученых остается загадкой тот факт, что молнию можно было различить только с применением синего светофильтра. Возможно, вспышки действительно были синего цвета, но вероятно и иное объяснение: при съемке с синим фильтром используется более короткая экспозиция, и удается увидеть наиболее короткоживущие явления.


    Бушующий на Сатурне ураган отмечен не только уникальными по силе молниями, но и самым мощным и горячим стратосферным вихрем, когда-либо замеченным на планетах и лунах. Кроме того, в результате этого шторма произошел таинственный всплеск образования этилена.
    Гигантский ураган в северном полушарии планеты - из тех, что фиксируются в среднем один раз за год этой планеты, - был обнаружен приборами Cassini в декабре 2010 г. Сопровождаемый сильными ветрами и интенсивными вспышками молний, он создал слой облаков, который окружал газовый гигант кольцом шириной 14 500 км, и лишь примерно через год начал утихать.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    К маю 2011 г. ИК-спектрометр CIRS на Cassini выявил в стратосфере в полосе урагана два теплых «пятна», свидетельствующих о мощном выбросе энергии в атмосферу. Позднее оба пятна слились в закрученный по часовой стрелке гигантский стратосферный вихрь, диаметр которого превышал размеры Большого Красного пятна на Юпитере. После этого в области 40° с.ш., 70° в.д. был отмечен подъем температуры до -53°С, или более чем на 80°С по сравнению с соседними регионами, - самый мощный скачок, когда-либо зафиксированный в Солнечной системе. «Выброс настолько велик, что в него почти невозможно поверить, особенно в этой части атмосферы Сатурна, которая обычно очень стабильна», - поражается Бриджетт Хесман (Brigette E. Hesman) из Университета Мэриленда.

Две температурные карты широтной полосы северного полушария Сатурна. Наивысшая температура отмечена желтым цветом. Верхняя полоса получена измерениями в линии метана, нижняя - этилена.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Одновременно исследователи из Годдардовского центра космических полетов обнаружили всплеск концентрации этилена - она поднялась до отметки в 100 раз выше теоретически допустимой. «Мы никогда раньше не видели этилена на Сатурне, так что это было полным сюрпризом», - сообщил руководитель команды CIRS Майкл Флейзар (F. Michael FLasar). Однако эти результаты удалось подтвердить наблюдениями с Земли, с обсерватории Китт-Пик в Аризоне.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Этилен является побочным продуктом метана, который ранее был обнаружен в атмосфере Сатурна в небольших количествах, но каким образом концентрация этилена достигла наблюдаемых значений, пока остается загадкой. Ученые смогли лишь исключить вариант поступления этилена из некоего резервуара в атмосфере Сатурна и размышляют о возможных условиях его синтеза. «Эти исследования дадут нам новое понимание некоторых фотохимических процессов, которые идут в атмосферах Сатурна, других гигантских планет Солнечной системы и за ее пределами», - говорит Скотт Эджингтон (Scott G. Edgington), заместитель научного руководителя проекта Cassini в JPL.

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    Ученые подозревают, что огромный перепад температур мог изменить ход химических реакций в атмосфере планеты, позволив метану превратиться в этилен, что совершенно несвойственно для Сатурна. «Мы знаем, что все это было вызвано большим штормом в нижних слоях атмосферы... - допускает Хесман. - Но почему шторм вызвал столько странностей? Нам придется изучать его долгие годы, чтобы разобраться».

КАССИНИ: 15 ЛЕТ В КОСМОСЕ!

    На Юпитере? Именно! Прелесть науки в том, что из старых наблюдений часто можно извлечь нетривиальную новую информацию. Cassini заснял гигантскую планету во время пролета в 2000 г., но лишь сейчас с использованием тогдашних снимков группа ученых и астрономов-любителей, возглавляемая Эми Саймон-Миллер (Amy A. Simon-MiLLer) из Центра космических полетов имени Годдарда, скомпоновала видеофильм о деталях поведения атмосферы планеты.
    На новом видео ученые впервые увидели колебания, сотрясающие одно из высотных струйных течений Юпитера. (Подобный процесс происходит и в земной атмосфере и оказывает влияние на погоду.) «Впервые люди смогли увидеть волновое движение в одном из высотных струйных течений Юпитера, - рассказывает Саймон-Миллер. - Сравнивая такой же процесс в земной атмосфере с тем, что происходит на Юпитере, мы сможем узнать много нового об обеих планетах».
    Самые сильные и наиболее известные струйные течения Земли наблюдаются у полюсов. Они огибают планету с запада на восток, местами живописно отклоняясь на север и юг. Встречаясь с так называемыми волнами Россби (более медленными потоками, идущими в обратном направлении - с востока на запад), они могут приносить в традиционно теплые места, например во Флориду, холодные воздушные массы.
    На Юпитере же струйные течения всегда прямые и узкие. Хотя там присутствуют волны Россби (их обнаружили в северном полушарии планеты около двадцати лет назад), они почему-то не могут побудить струйные течения искривиться. Существовала и еще одна загадка: в южном полушарии Юпитера волн Россби обнаружить не могли.
    Для получения более полной картины происходящего ученые проанализировали снимки Юпитера, полученные зондами Voyager, телескопом Hubble и станцией Cassini, а также материалы, собранные астрономами-любителями за последнее десятилетие.
    На видеоролике хорошо показано как раз одно из струйных течений южного полушария Юпитера. Ученые обратили внимание на линию маленьких темных V-образных «шевронов», которая сформировалась вдоль одного края течения и движется вместе с ним к востоку. Со временем, однако, относительно четкая линия превращается в волну, и «шевроны» движутся вверх и вниз (то есть на север и юг) - точно так же, как на Земле. Дэвид Чхой (David Choi) из Центра Годдарда считает это явным признаком волны Россби в южном полушарии.
    Изучение этих волн даст ключ к пониманию устройства более низких слоев атмосферы Юпитера, пока недоступных для дистанционного зондирования.


    На протяжении семи лет установленный на борту Cassini картирующий спектрометр видимого и инфракрасного диапазона VIMS (Visual and Infrared Mapping Spectrometer) успешно исследовал погодные условия на Сатурне, состав колец, углеводородный состав поверхности и аэрозолей в атмосфере Титана. Сейчас VIMS осваивает новые наблюдательные возможности.
    21 декабря 2012 г. спектрометр отследил прохождение Венеры по диску Солнца. (Жители Земли видели такое прохождение ранее - в июне 2012 г.) Наблюдения VIMS стали первым случаем, когда космический аппарат отследил транзит планеты в Солнечной системе, находясь за пределами земной орбиты. Cassini изучал атмосферу Венеры «на просвет», однако главной целью наблюдений стало отнюдь не изучение Утреней звезды. Ученые использовали эту возможность, чтобы протестировать способность спектрометра VIMS «ловить» планеты, расположенные за пределами Солнечной системы.
    «Интерес к инфракрасным исследованиям экзопланет резко возрос за годы, прошедшие после запуска Cassini, - говорит Филлип Николсон (Phillip D. Nicholson), член команды VIMS в Корнеллском университете, контролировавший наблюдения за транзитом Венеры. - В то время мы понятия не имели, что будем требовать от VIMS освоить этот новый трюк. Но VIMS до сих пор так хорошо работал у Сатурна, что мы начинаем думать о других вещах, которые он может сделать».