| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Сатурн
| |||||
 Исследователи |
|||||
АМС "Voyager" |
Страница:
Аппарат АМС "Вояджер-1",
АМС "Вояджер-2" и Пионер-11,
Вояджеры летят к Сатурну (Part #1, Part #2, Part #3, Part #4);
|
|
Сатурн: Властелин Колец
Величайший межпланетный проект "Вояджер"
Voyager 2: Сближение с Сатурном
Первым из спутников на пути «Вояджера-2» встретился Япет: 23 августа в 01:28 UTC по бортовому времени (в этот день радиосигнал от Сатурна шел 86 мин 34 сек, и с такой же задержкой на Земле получали информацию о работе «Вояджера-2») аппарат прошел в 908487 км выше него. Далеко, но все-таки в 2.5 раза ближе, чем первый из «Вояджеров»! Станция сделала около 30 снимков, на которых удалось разглядеть, что вся поверхность спутника усеяна кратерами и что переднее по ходу движения полушарие еще темнее, чем считалось ранее. Оно отражает всего 4-5% падающего света, как асфальт, в то время как хвостовое полушарие (за исключением темного дна кратеров) - 50%, подобно свежему снегу. Что самое любопытное, темная сторона Япета имела заметный красно-коричневый оттенок. Было выдвинуто предположение, что это... слой органических веществ, образовавшихся из имеющегося на спутнике метана под воздействием ионизирующего излучения. По возмущениям в движении «Вояджера» удалось установить среднюю плотность Япета - 1.1 г/см3 - и прикинуть его состав: 35 % силикатов, 55 % водного льда и 10% метанового.
Специалисты плазменной группы предсказали, что Voyager 2 пройдет границу магнитосферы Сатурна на расстоянии 18 Rs (1.1 млн км) от планеты. Аппарат в первый раз вошел в ударную волну 24 августа в 13:39 UTC на удалении 31.7 Rs от планеты, но она три раза отступала, и Voyager 2 погружался в эту область еще трижды - в 17:09, в 18:30 и окончательно в 00:26 на расстоянии 22 Rs от планеты. Наконец, 25 августа около 05:30 Voyager 2 на отметке 18.6 Rs оставил магнитопаузу позади. Прогноз подтвердился блестяще, но... Титан опять оказался вне магнитосферы! Интересно, что за следующие трое суток она «разбухла», и на выходе граница магнитосферы лежала в 1.7 раза дальше от планеты, чем на входе.
Программа съемок Сатурна и остальных его спутников была окончательно скорректирована 24 августа, за двое суток до пролета. Но еще накануне станция начала съемки Гипериона, а 25 августа в 01:26 сблизилась с ним до 472 915 км. Каких только прозвищ не удостоился этот продолговатый, усеянный кратерами объект: «земляной орех», «картофелина», «гамбургер», «консервная банка», «кирпич» и даже «хоккейная шайба, которую обгрызли мыши»! Даже его размеры не удалось сразу определить: по горячим следам они оценивались в 360x210 км, в справочнике 1982 г. указывали 410x260x220 км, а по современным данным Гиперион «похудел» до 328x260x214 км.
Специалистов по небесной механике крайне удивило направление большой оси спутника: не в сторону Сатурна, куда ее должен был развернуть градиент силы тяжести, а под 45° к плоскости орбиты. Огромный кратер диаметром 100 км по центру изображения подсказал Брэдфорду Смиту и Эдварду Стоуну вероятное объяснение: сравнительно недавно - не более 10 млн лет назад - Гиперион столкнулся с другим небесным телом, приобрел свою необычную форму и с тех пор не может «успокоиться». К Титану Voyager 2 подошел на 666101 км, однако и с этого расстояния было видно, что «шапка» полярных облаков, наблюдавшаяся первым аппаратом над северным полюсом, изменила свой облик и теперь более похожа на темный «воротник», а толщина туманного слоя на полюсах достигает 480 км. Фотополяриметр провел ценные наблюдения Титана; в его атмосфере были найдены поляризующие свет частицы размером 0.05 и 0.10-0.15 мкм. Позднее в лабораториях из азота и метана были синтезированы толины - карбонатгидриды, которые, по-видимому, взвешены в атмосфере Титана и делают ее оранжевой и непрозрачной. Была уточнена оценка состава атмосферы Титана - 82% азота, 6% метана, а остальное может приходиться на аргон и малые составляющие.
Встречами с Гиперионом и Титаном программа предпролетного дня не исчерпывалась. В общей сложности Voyager 2 провел 33 наблюдения, используя сканирующую платформу для наведения инструментов. Фаза пролета началась за 18 часов до прохождения на минимальной высоте над Сатурном и тоже предусматривала многократные переключения между разными целями. Voyager 2 начал ее фотографированием Энцелада с большой дистанции, а затем сделал серию снимков неизвестного ранее полушария Тефии и обнаружил на нем гигантский кратер Одиссей диаметром 400 км и глубиной 15 км с выраженной центральной горкой и несколькими концентрическими валами. Выяснилось также, что найденный первым «Вояджером» каньон Итака достигает 100 км в ширину и нескольких километров в глубину и охватывает почти 3/4 окружности спутника. Вероятно, и Тефия претерпела в своей жизни катастрофу, после которой «собрала себя» из обломков, а когда ее ледяные недра застыли, они взломали кору и оставили гигантский шрам. В результате на этом спутнике осталось два разных вида поверхности: на большей части - древние плотно кратерированные равнины, сложенные ярким льдом, а кроме того - относительно темная полоса с меньшим числом кратеров.
За 4 часа 20 мин до Сатурна аппарат заснял с расстояния 318000 км Диону-В - малый спутник размером 39x37x25 км, находящийся на одной орбите с Дионой, но опережающий ее на 60° в движении вокруг планеты. 25 августа в 23:40 Voyager 2 начал фото-поляриметрическую съемку звезды δ Скорпиона в процессе прохождения ее за затененным участком системы колец, и в 01:18 данные начали поступать на Землю. Весь эксперимент был рассчитан на 142 минуты; через 22 минуты после его начала звезда начала заходить за внутренний край кольца С, а в 01:52 вышла из-за слабого кольца F. Всего прибор Артура Лонне Лейна из JPL сделал свыше 700 000 замеров с частотой около 100 в секунду, которые дали возможность выявить в кольце А и в делении Энке отдельные колечки и даже фрагменты шириной до 100 м. Удалось также установить, что кольцо А имеет в толщину не более 300 м, а на краю со стороны деления Энке всего 100-200 метров - при том, что ширина одного лишь этого кольца составляет 15 200 км! Во всех трех основных кольцах при фотополяриметрической съемке с разрешением 0.5 км были найдены щели разной ширины; три из них впоследствии получили имена Максвелла (в кольце С), Гюйгенса (на внутренней стороне деления Кассини) и Килера (на самом внешнем краю кольца А). Практически в каждом делении и щели наблюдались эксцентрические и даже извивающиеся колечки. Исследователи прикинули общее количество самых тонких колец Сатурна - и получили несколько сотен тысяч! Были определены заново максимальные размеры частиц в кольце А (10 м), в делении Кассини (8 м) и в кольце С (2 м). Кольцо В оказалось с красноватым оттенком, а С - с голубоватым; в то же время некоторые колечки в пределах С казались сходными по цвету и составу с материалом кольца В. При съемке под острым углом (вплоть до 0.5°) перед нисходящим узлом траектории «спицы» в кольце В были видны, но «взвешивания» материалов над плоскостью кольца выявить не удалось. Зато наблюдались спиралевидные волны плотности длиной от 100 км и до предела прибора по разрешению. Научный руководитель проекта Эдвард Стоун предположил, что радиальные структуры могут быть вызваны как раз вариациями плотности, обусловленными гравитационным воздействием спутников, в частности в резонансе 1:2 с Мимасом. Когда более плотные части кольца «распухают», они становятся видимыми... Тонкую структуру «переплетенного» кольца F удалось увидеть в 10 раз детальнее, чем позволяла оптика, и в нем было выделено до 10 слабых компонентов. А вот фотоснимки, сделанные с нескольких разных точек, принесли неожиданный результат: на этот раз никаких извивов видно не было, кольцо F состояло из пяти совершенно ровных колечек. И лишь при повторном просмотре отснятых кадров удалось найти один снимок, где колечко разделялось на две «ниточки», которые затем сливались вновь.
Сразу после «просвечивания» колец станция сняла Энцелад с расстояния 112000 км при разрешении 2 км. На этот раз на его сияющей поверхности были найдены не только гладкие области, но и горные хребты, длинные желоба (вероятно, разломы в результате деформации коры) и ударные кратеры диаметром до 35 км, причем области молодого льда местами перекрывали друг друга и старый кратерированный рельеф. В целом Энцелад напоминал спутник Юпитера Ганимед, но только в масштабе 1:10. Возраст гладких участков поверхности спутника был оценен не более чем в 100 млн лет, а это означало, что Энцелад, скорее всего, активен и сегодня. Учитывая, что максимум плотности слабого кольца Е находится вблизи орбиты этого спутника, Ларри Содерблом заявил даже, что на Энцеладе могут происходить криовулканические извержения. Пройдет четверть века, и КА Cassini блестяще подтвердит эту гипотезу!
За час, оставшийся до перицентра, станция сфотографировала «новые» малые спутники 1980 S25 (Тефия-В, ныне Калипсо) и 1980 S28 (Атлант), однако разрешение было слишком низким, чтобы увидеть детали. За пять минут до момента пролета и через девять минут после него Voyager 2 находился на минимальном расстоянии от двух «спутников-пастухов» кольца F - 1980 S26 (Пандора) и 1980 S27 (Прометей). Огибая планету в направлении справа налево, если смотреть с Земли, 26 августа в 03:24 UTC Voyager 2 прошел точку максимального сближения с Сатурном на расстоянии 161126 км от центра планеты, то есть на высоте около 100800 км над видимой границей облаков. Скорость его в этот момент составила 24.2 км/с, при том что «на дальних подступах» к Сатурну она была лишь 11 км/с. Подчеркивая точность навигации, NASA сообщило, что аппарат прошел перицентр всего на 3.1 сек раньше запланированного времени и с отклонением лишь на бб км.
Когда готовилась эта статья, Роберт Джейкобсон из JPL предоставил нам копию доклада о баллистических условиях встречи «Вояджеров» с Сатурном, подготовленного им совместно с Джеймсом Кэмпбеллом и еще тремя соавторами в январе 1982 г. Тогда они пришли к выводу, что отклонение «Вояджера-2» отточки прицеливания составило 63 км, а время начала радиозатмения было выдержано с точностью до 0.8 сек. В этом докладе было определено точное время пролета Сатурна - 03:24.07.8 UTC по бортовым часам - и приведена наиболее полная таблица основных событий встречи КА Voyager 2 с Сатурном, которую мы воспроизводим на этой странице.
Отметим, что в 1983 г. Р. Джейкобсон уточнил момент пролета - 03:24:05 UTC по бортовому времени; последующие ревизии параметров движения Сатурна и его спутников оставили эту поправку в силе. Современная таблица основных событий пролета «Вояджера-2» была скорректирована в результате дальнейшего уточнения моделей движения Сатурна и спутников после прибытия в систему Сатурна зонда Cassini. Для Титана и Дионы отклонение от данных 1982 г. отсутствует, для большинства спутников оно не превосходит 10 секунд, и лишь для Гипериона и Япета максимальное сближение происходит позже на 32 и 62 секунды соответственно. Авария сканирующей платформы
Программа дальнейших исследований была расписана на 28 часов после пролета, однако выполнить ее не удалось. В 04:00 UTC аппарат зашел за Сатурн, и через 86 минут Земля перестала принимать его сигнал. Вне зоны связи Voyager 2 должен был отследить заход Солнца за планету, провести наблюдения ночной стороны и лимба Сатурна, пересечь плоскость колец в 1200 км снаружи от кольца G и отснять их в тени «с ребра», сменить опорную звезду с (3 Киля на Вегу и выполнить фотополяриметрические наблюдения β Тельца при прохождении этой звезды за кольцами А и F. За две минуты до полуночи по времени Пасадены, или в 06:58 по Гринвичу, антенна станции DSS-43 в Австралии уловила сигналы «Вояджера», прошедшие 86 минутами раньше через краешек атмосферы Сатурна. Аппарат был жив, но когда пошла телеметрия, выяснилось, что сканирующая платформа с камерами смотрит не на Сатурн и его кольца, как должна была бы, а «во тьму». Она «застряла» в положении, соответствующем азимуту 260° и углу места 20°. Возможно, читатели помнят, что аналогичный отказ случился на КА Voyager 1 в самом начале полета, 23 февраля 1978 г., и тогда причиной был признан застрявший в механизме поворота платформы кусочек тефлона. Такой же была и первая версия причины нового сбоя, а вторая заключалась в том, что механизм был поврежден попаданием крупной частицы при прохождении плоскости колец. В ее пользу говорил тот факт, что примерно в это время было зафиксировано несколько непредусмотренных включений двигателей ориентации «Вояджера». Добавим, что Voyager 2 прошел через плоскость колец в 04:18 UTC в направлении с севера на юг на расстоянии 2.86 Rs от центра планеты (172 500 км), в 32000 км от внешнего края кольца F и примерно в 3000 км снаружи от слабого кольца G. При этом на протяжении 150 сек плазменный инструмент «слышал» интенсивный - в миллион раз сильнее нормального - шум на частоте до 1 МГц. Группа Джеймса Уорвика объяснила это явление ударами в корпус аппарата на скорости порядка 13 км/с частиц микронного размера из кольца G, их испарением и ионизацией. ...В два часа ночи по местному времени на борт ушли команды, приостанавливающие выполнение записанной на борту программы - дальше предусматривалась ориентация КА продольной осью вдоль оси вращения планеты для регистрации движения плазмы и потоков частиц - и предписывающие развернуть платформу по углу места, чтобы избежать случайного наведения приборов на Солнце. Операторы заранее подстраховались с подбором режима передачи для общения с бортовым приемником «Вояджера» - следовало ожидать, что после нахождения в тени Сатурна его рабочая частота сдвинется непредсказуемым образом. Через четыре часа стало ясно, что Voyager 2 принял и выполнил инструкции Земли.
После считывания данных с бортового запоминающего устройства выяснилось, что отказ сканирующей платформы не связан с прохождением плоскости колец. Как выяснилось, она застряла существенно позже, в 05:06 по бортовому времени, во время планового разворота, причем перед этим платформа двигалась по углу места безукоризненно, а по азимуту - с трудом и в одном направлении медленнее, чем в другом. Стало ясно, что причина сбоя внутренняя и, возможно, не имеет катастрофического характера. В результате отказа платформы не были сделаны два из трех запланированных снимков Энцелада и шесть снимков Тефии с близкой дистанции (лишь на один из них попал маленький кусочек спутника). Не состоялась съемка южного полушария Сатурна, не удалось провести инфракрасные измерения тепловой инерции материала колец по мере входа их в тень и ультрафиолетовую спектроскопию при просвечивании колец Солнцем. Лишь снимки колец оказались удачными даже после застревания платформы - мимо цели такого размера трудно было промахнуться! Едва ли не последним из них стал случайный, но очень интересный снимок деления Энке* с извилистым колечком посередине.
В целом же почти все поставленные на фазу пролета задачи были выполнены, и Брэдфорд Смит, безусловно, был прав, когда, узнав об аварии на борту, произнес с облегчением: «Слава Богу, что это произошло сейчас, а не на несколько часов раньше!»
Уже через сутки после аварии операторам удалось впервые сдвинуть платформу на 10° по азимуту, и появилась надежда на восстановление ее работы. Еще через день серией коротких движений они развернули платформу камерами в сторону Сатурна и начали съемку колец на отлете с расстояния 3.2 млн км южного полушария планеты и ее колец. Первый кадр после перерыва появился на экранах JPL в 29 августа в 00:40 UTC.
Азимутальный привод работал нехотя и медленно, но его поведение постепенно улучшалось, и 4 сентября в 02:23 UTC уже по командам бортового компьютера была начата съемка Фебы с расстояния 2.08 млн км. Для этого весь Voyager 2 развернули так, чтобы опорной звездой был Канопус, навели малыми шагами камеру на Фебу и за 25 часов сделали более 200 снимков. Кроме камеры, измерения вели ИК-датчик и фотополяриметр. Оказалось, что самый далекий спутник Сатурна почти круглый, он имеет диаметр 240 км (по современным данным, 230x220x210 км) и очень темную поверхность; это порадовало тех специалистов, которые видели в Фебе источник материала на темном полушарии Япета. Светлое пятно на Фебе позволило оценить период вращения спутника вокруг оси - между 9 и 10 часами. В отличие от всех остальных лун Сатурна, Феба оказалась несинхронной, а направление ее вращения - обратным. Предположение о том, что она является захваченным астероидом, стало вполне обоснованным. По окончании съемки Фебы (в общей сложности Voyager 2 сделал в системе Сатурна около 16000 снимков вместо 18500 по плану) аппарат был вновь сориентирован по β Киля. 8 сентября операторы провели новый тест сканирующей платформы и вновь столкнулись с ее нештатным поведением. После дополнительных испытаний наземного аналога стало ясно, что проблема вызвана нагревом механизма из-за неэффективной смазки при быстрых разворотах со скоростью 1°/с. Износ его частей приводит к образованию металлической пыли, которая в конце концов начинает мешать движению. На будущее было решено использовать азимутальный привод лишь в диапазоне от 180 до 270° и на малых скоростях (0.08°/с и лишь в порядке исключения - 0.33°/с). К счастью, для съемок Урана и Нептуна этого было достаточно. Voyager 2 окончательно покинул магнитосферу Сатурна на расстоянии 5.2 млн км (87.4 Rs) от планеты. Тем временем 29 августа ученые подвели итоги измерениям радиоизлучения и регистрации энергичных частиц в окрестностях Сатурна. Дональд Гарнетт (Donald A. Gurnett) сообщил о регистрации в диапазоне 3-30 кГц необычных низкочастотных сигналов, напоминающих на слух «переговоры» дельфинов. Voyager 1 тоже их «слышал», но на этот раз «звуки» были значительно четче. Наиболее заметными они становились вблизи Тефии и Дионы, причем распространялись только в сторону Сатурна, но не наружу. Гарнетт предположил, что спутники в своем движении вокруг планеты ускоряют электроны и заставляют плазму «звучать».
Оказалось также, что Тефия и Диона «производят» со скоростью до 1 кг/с ионы водорода, углерода и кислорода, которые образуют плазменный тор в зоне их орбит. Общее количество ионизированного кислорода было оценено в 1/15 от массы тора Ио в системе Юпитера, состоящего в основном из серы. Между Дионой и Реей кислородный «бублик» соприкасался с тором «титановского» водорода. Еще одним результатом пролета «Вояджера-2» стало обнаружение плазменного кольца, проходящего в 785000 км от центра планеты на освещенной стороне и в 335 000 км на теневой, то есть между орбитами Тефии и Реи. Энергия частиц в этом кольце (30 кэВ и выше) соответствовала температуре от 300 до 500 млн К - в 300 раз больше, чем в солнечной короне! Правда, концентрация частиц была очень низкой - примерно 1000 на кубометр. Еще на первом «Вояджере» радиоастрономы во главе с Дж. Уорвиком обнаружили приемником PRA километровое излучение Сатурна с максимумом на частоте 175 кГц и определили полосу длиной 25000 км, где должен находиться его источник. Пролет второй станции позволил указать его местонахождение на 80° с. ш.; между прочим, там же Voyager 1 наблюдал полярное сияние в виде кольца. Затем выяснилось, что источник выдает свой сигнал раз в сутки, при прохождении через полуденное направление, с периодом 10 час 39.4 мин; правда, регистрируется он не всегда. Более слабый источник был выявлен и в южной полярной области. Позднее выяснилось: подозрительная активность присуща всему меридиану, на котором лежат оба источника, и, что еще более странно, с выходом этого меридиана из тени на дневную сторону планеты в самой плотной части кольца В начинают быстро, в течение 15-60 минут, в направлении от центра по радиусу развиваться споки. Как это все работает, непонятно до сих пор. Электростатические разряды длительностью 15-400 мс регистрировались на «Вояджере-2» втрое реже, чем на первом аппарате. На слух они напоминали треск палки, проводимой по забору, а по сути были похожи на земные молнии, вот только мощность их составляла 100-1000 МВт и даже выше. Как правило, импульсы приходили на протяжении трех часов и отсутствовали следующие семь часов. Их по-прежнему связывали с кольцом В, с генерацией разрядов при движении находящегося в нем малого спутника, но эта гипотеза не выдержала проверки временем. В конце концов выяснилось, что «сверхмолнии» возникают в экваториальной зоне Сатурна, в зоне струйного течения, где период также составляет 10 час 10 мин, в пределах 60° по долготе. Все совпало: и источник, и период, и продолжительность регистрации разрядов.
28 сентября 1981 г. Voyager 2 завершил свою работу в системе Сатурна и вступил в новую стадию своего полета, названную не без пафоса «межвездной миссией "Вояджера" к Урану». К этой планете аппарат был направлен в результате гравитационного маневра у Сатурна, который изменил направление станции почти на 90°, а ее гелиоцентрическая скорость увеличилась с 16.5 км/с на подлете до 20.7 км/с на отлете. 29 сентября Voyager 2 успешно выполнил коррекцию ТСМ-В10, причем включение двигателей было очень продолжительным - на 5754 секунды. Взяв затем Вегу как опорную звезду, аппарат начал долгое - более четырех лет - путешествие к Урану. Автор: И. ЛИСОВ, П. ШАРОВ, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|