АМС Galileo была запущена в 1989 г. и работала на орбите спутника Юпитера с 7 декабря 1995 г. Основная программа закончилась в декабре 1997 г. За время до совместного
пролета КА совершил 28 витков вокруг планеты, причем 28-й оказался самым длительным – 222 дня. Максимальное расстояние от Юпитера в апоцентре составило 290 радиусов планеты (20.7 млн
км). Следующий, 29-й виток стал вторым по длительности – его период составил 203 дня, и апоцентр лежал на расстоянии в 270 радиусов от Юпитера.
АМС Cassini была запущена в 1997 г. для полета к Сатурну. Для сокращения времени перелета программа полета аппарата предусматривала гравитационные маневры у Земли,
Венеры и Юпитера.
КА "GALILEO" и КА "CASSINI"
Встреча Cassini с Юпитером, названная "пролетом тысячелетия" (Jupiter Milleniun Flyby), – последняя "остановка" аппарата перед прибытием к Сатурну. Ее уникальность
в том, что ученым представилась возможность проведения наблюдений Юпитера совместно с АМС Galileo. Наблюдение Юпитера сразу с двух близко расположенных аппаратов – такого еще не было!
Ученые из команды Cassini готовились к пролету уже давно, начали проводить исследования с октября 2000 г.
Вот основные задачи совместных наблюдений системы Юпитера:
- изучение взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Юпитера;
- исследования динамики атмосферы планеты;
- изучение структуры юпитерианских колец;
- изучение взаимодействия Ио с юпитерианской магнитосферой;
- исследования авроральных явлений в магнитосфере Юпитера;
Вся программа наблюдений была условно разбита на две части. На первом этапе, который продлился до конца декабря 2000 г., Cassini проводил наблюдения за дневной
стороной Юпитера и его магнитосферы. Кроме того, к работе подключился и космический телескоп им. Хаббла, который получил общую картину авроральных явлений на Юпитере.
ТЕЛЕСКОП им. ХАББЛА: СИЯНИЯ
Авроральные явления можно наблюдать и на Земле. Это известные полярные сияния. На Юпитере подобные сияния в тысячи раз более интенсивные, и механизм их возникновения
более сложный, чем у земных. На Земле полярные сияния напрямую связаны с воздействием солнечного ветра на нашу магнитосферу. На Юпитере же взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой –
явление более сложное и требующее пристального изучения. В чем смысл проведения таких исследований, пояснил Лотфи Бен-Яффел (Lotfi Ben-Jaffel) из Парижского института астрофизики. Понимание
процессов взаимодействия солнечного ветра с атмосферой и магнитосферой Юпитера является ключом к исследованиям планет других звездных систем.
"Каждый месяц у других звезд обнаруживают планеты "юпитерианской группы", как их называют за большие размеры, и эти планеты очень близки к своим солнцам. А
значит, явления, вызванные влиянием солнечных излучений на планету, играют большую роль в их жизни и еще более интенсивны, чем у Юпитера".
Особенности авроральных явлений на Юпитере поясняет снимок, выполненный 26 ноября 1998 г. телескопом Хаббла в УФ-спектре. Яркое излучение на темно-синем фоне –
это авроральное свечение, похожее на земные полярные сияния. Оно вызвано тем, что высокоэнергичные частицы солнечного ветра, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля планеты, сталкиваются
с атомами газа верхних слоев атмосферы планеты. Столкновение вызывает ионизацию атомов и, как следствие, их свечение. Вообще на Юпитере можно наблюдать несколько видов свечений:
- основной области, расположенной вблизи северного полюса планеты;
- районов более рассеянного излучения, расположенных также вблизи сев. полюса;
- трасс от движения вблизи Юпитера трех крупных спутников – Ио, Ганимеда и Европы.
Это явление характерно только для Юпитера. Трассы возникают потому, что при
движении спутников в магнитном поле Юпитера они генерируют электрический ток, текущий вдоль силовых линий.
ТЕЛЕСКОП им. ХАББЛА: СИЯНИЯ
На подлете во время первого этапа КА "Кассини" также наблюдал галилеевы спутники, малые луны, кольца и атмосферу Юпитера:
Ио на фоне Большого Красного Пятна Юпитера
Снимок 1 декабря 2000 года с расстояния в 28,6 млн км от Юпитера. Разрешение 170 км на пиксель.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Вихрь и горячая точка в атмосфере Юпитера
Серия снимков с борта космического аппарата "Кассини" демонстрирует как темная овальная горячая точка взаимодействует с вихрем в атмосфере Юпитера (второй снимок сверху).
Столкновение исказило форму горячего пятна (третий снимок сверху), в результате чего оно уменьшилось (последний снимок в серии). Черная шкала сбоку показывает масштаб (10 000 км). Снимки от 21,
24, 27 ноября и 3 декабря 2000 г.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Это Ганимед, крупнейший естественный спутник Солнечной системы. Он больше по размерам, чем Меркурий или Плутон. Ганимед – единственный естественный спутник, обладающий
собственным магнитным полем. Кроме того, ученые считают, что он залит океаном и покрыт слоем льда. Яркая область на юге Ганимеда, внизу снимка, – Озирис, большой, относительно свежий кратер,
окруженный светлым материалом, видимо, выброшенным при падении метеорита. А темные области, которые заметили еще на снимках, сделанных с АМС Galileo и Voyager, – это относительно старые, изрытые
кратерами участки поверхности. Разновидности таких областей были замечены на многих ледяных спутниках Солнечной системы. Возможно, кратер образовался после того, как в далеком прошлом более теплый
материал, богатый водой, поднялся из-подо льда наружу и замерз. Снимок был сделан, когда Cassini находился в 26.5 млн км от Ганимеда, его разрешение – 160 км/пиксел.
КА "CASSINI": ГАНИМЕД
Европа и Каллисто на фоне Юпитера
Снимок сделан КА "Кассини" 7 декабря 2000 года. Во время съемки Европа находилась в 600 000 км над облаками Юпитера, а Каллисто (в нижнем левом углу) в 1,8 млн км.
Европа немногим меньше земной Луны и имеет одну из самых ярких поверхностей в Солнечной системе. Каллисто на 50% больше и в три раза темнее Европы.
КА "CASSINI": ЕВРОПА И КАЛЛИСТО
При наблюдении за кольцами Юпитера ученые поставили целью сконцентрировать внимание на высоком временном разрешении исследований. Это необходимо для того, чтобы можно было
проследить динамику изменений колец, вызванных движением в них малых спутников Юпитера. По полученным данным можно уточнить орбиты малых спутников, а также определить, являются ли они источниками
материала, образующего кольца.
Спутники и кольцо Юпитера
Анимация охватывает период в 16 часов и демонстрирует яркую луну Метис и тусклую Адрастею. Снимки сделаны КА "Кассини" 11 декабря 2000 года на подлете к Юпитеру.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
13 декабря Cassini выполнил первый снимок поверхности Юпитера, расположенной вблизи северного полюса, узкоугольной камерой с расстояния около 19 млн км. По ряду последующих
изображений ученые увидели, что северные территории Юпитера покрыты облачным покровом сложного химического состава, разнообразной высоты и толщины.
Северный полюс Юпитера (КА "Кассини", декабрь 2000 г.)
Разрешение карты 120 км на пиксель.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Цилиндрическая карта Юпитера (КА "Кассини", декабрь 2000 г.)
Разрешение карты 120 км на пиксель.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Южный полюс Юпитера (КА "Кассини", декабрь 2000 г.)
Разрешение карты 120 км на пиксель.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Ученые полагают, что структура облачности говорит о вихревом движении ветров в тех районах.
Одной из причин образования вихрей на полюсах может являться кориолисова сила. Именно эта сила на Земле заставляет отклоняться морские течения и потоки воздушных масс; эффект
от ее воздействия максимален на высоких широтах и почти исчезает у экватора. Вихри могут образоваться и из-за конвективных атмосферных потоков, которые, как полагают ученые, наиболее интенсивны у полюсов.
Работа в рамках первой задачи включала изучение магнитного поля Юпитера и сбор статистики по солнечному ветру: скорости, температуре, давлении, плотности, направлении
магнитного поля. "Мы получили возможность наблюдать магнитное поле Юпитера путем выполнения ряда наблюдений с одинаковыми условиями, – говорил английский астроном Мишель Дагерти (Michele Dougherty).
– Ранее это могли делать только исследователи земной магнитосферы".
В то время как Cassini выполнял наблюдения с внешней, солнечной стороны магнитосферы Юпитера, Galileo проводил наблюдения изнутри нее.
Магнитосфера Юпитера (КА "Кассини")
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Данные с АМС Cassini показали, что радиация у Юпитера еще более интенсивна, чем ученые предполагали ранее по данным Galileo. Результаты этих исследований были представлены
на встрече Европейского геофизического общества в Ницце (Франция). Во время пролета в 10 млн км от планеты Cassini "прослушивал эфир" с использованием антенны высокого усиления, созданной Итальянским
космическим агентством. Антенна используется для связи с Землей. С ее помощью "…оказалось возможным "услышать" детали эмиссии в радиационных поясах, которые невозможно было засечь с Земли или с любого
из ранее запущенных КА. Результаты важны также для дальнейших экспериментов у Сатурна... – говоритд-р Скотт Болтон, физик из JPL. – Исследования оказались полезны не только для понимания физических
процессов в радиационных поясах, но и для разработчиков любого КА для экспериментов в непосредственной близости от Юпитера".
Высокоэнергичные электроны, двигающиеся по расходящимся спиральным траекториям, искривленным магнитным полем Земли, создают фоновое синхротронное излучение, безвредное для
аппаратуры КА (главная опасность – быстрые электроны), но дающее полезную информацию о ее источнике.
Ученые использовали данные наземных телескопов, наблюдавших синхротронное излучение Юпитера на нескольких частотах, при моделировании радиационных поясов и в оценках
потенциальной опасности радиации для КА. К сожалению, КВ-излучение, генерируемое частицами самых высоких энергий, "тонет" в ИК-излучении атмосферы Юпитера и его с Земли не увидишь.
Когда Cassini находился в тени Юпитера, условия для разделения ИК- и ВЧ-синхротронного излучения стали лучше. Наблюдения вели сканированием требуемой области несколько раз, с
целью поиска излучения определенной поляризации. В это время КА прикрывался антенной HGA, как щитом, от высокоэнергичных электронов Юпитера.
После этого полученные данные были объединены с результатами исследования поясов, выполненного наземными телескопами (ученые "слушали" эмиссии на нескольких частотах с
использованием радиоастрономической сети VLA Национального научного фонда, расположенной вблизи Сокорро (Нью-Мексико). Одновременно ученики 25 школ 13 штатов использовали в тех же целях большую
параболическую антенну вблизи Барстоу (Калифорния).
Суть полученных результатов в следующем. Измерения с Cassini показали, что количество электронов с очень высоким уровнем энергии оказалось меньше, чем ожидали. Это плохо.
Известный к настоящему времени уровень НЧ-излучения без ожидаемого соответствующего уровня ВЧ-излучения означает, что это излучение надо искать для частиц с уровнями энергий, немного меньшими ожидаемых. Но
увеличение числа таких электронов принесет бортовой аппаратуре больше неприятностей, чем такое же уменьшение количества частиц более высоких энергий. Отсюда вывод: среда у Юпитера еще более опасна, чем
ожидали.
КА "CASSINI": РАДИАЦИЯ
28 декабря, на день раньше, чем предполагали, Cassini миновал фронтовую ударную волну магнитосферы Юпитера. Преждевременность события говорит о том, что размер
магнитосферы больше предполагаемого.
"Размер оказался вдвое больше того, что был при пролете АМС Voyager 1", – сказал Уилльям Курт (William Kurth) из Университета Айовы. Он предположил, что
магнитосфера разбухла из-за уменьшения давления солнечного ветра. Такое уменьшение было зафиксировано двумя неделями раньше околоземными ИСЗ.
И вот настал долгожданный момент встречи... 29 декабря американская АМС Galileo совершила очередной пролет системы Юпитера, пройдя в 19:26 PST (30 декабря в 03:26 UTC) точку перииовия (перицентр орбиты вокруг
Юпитера) на расстоянии 535000 км от планеты. Через несколько часов, 30 декабря в 02:00 PST, американо-европейская АМС Cassini, направляющаяся к Сатурну, прошла в 9.7 млн км от Юпитера. На этом
первый этап наблюдений завершился.
Второй этап исследований начался в январе 2001 г. В это время телескоп им. Хаббла выполнил съемку системы Юпитера с дневной стороны, в то время как Cassini и
Galileo провели исследования ее ночной стороны. К этому времени специалисты по результатам декабрьских исследований подготовили компьютерную модель прогнозируемых наблюдений, чтобы
проверить ее новыми наблюдениями.
Исследования начались с тора Ио, поиска признаков взаимодействия его разряженной атмосферы с магнитосферой Юпитера, а также проведения совместных с КА Galileo наблюдений за
распределением потоков пыли в разных частях системы Юпитера, так как Ио является главным поставщиком пыли вблизи Юпитера.
Затмение на Ио
Во время затмения луны Юпитером 1 января 2001 года космический аппарат "Кассини" запечатлел свечение сияний и вулканов на Ио. Съемка велась в УФ и ИК диапазоне. Анимация
охватывает период в 2 часа и включает в себя 48 изображений. Разрешение цветных снимков 120 км на пиксель, а снимки, полученные через прозрачный фильтр, имели разрешение в 60 км на пиксель. Белые
точки вблизи экватора представляют собой вулканы. Самая яркая точка – это вулкан Пеле.
КА "CASSINI": ИО
Ио и Юпитер в новом 2001 году
Галилеевский спутник Ио плывет над облаками Юпитера на этом снимке, полученном на заре тысячелетия, 1 января 2001 года в 10:00 UTC, через два дня после максимального
сближения с планетой-гигантом. Во время съемки Ио находился в 350 000 км от Юпитера.
КА "CASSINI": ИО
Затем Cassini выполнил наблюдения за атмосферой Юпитера для обнаружения и исследования циркуляций газа на разных широтах. Главной целью здесь являлся
поиск главных движущих сил, способствующих образованию атмосферных бурь на планете. У ученых были две версии, за счет чего живут вихри на планете. Первая – так называемая паразитная теория, согласно
которой малые вихри выживают за счет энергии больших. Вторая теория – гипотеза поглощения, наоборот, утверждает, что большие вихри появляются за счет слияния малых (видимо, в результате, как обычно,
победит единство противоположностей). Полученные с АМС Voyager и Galileo данные говорили в пользу второй гипотезы. Задача Cassini была внести ясность в этот вопрос. Для этого были все возможности –
камера КА такая же или лучшая, чем у Galileo, расстояние позволяло делать снимки такого же качества, как когда-то с АМС Voyager, а канал передачи данных позволял передавать снимки с большой частотой.
Предварительные результаты подтвердили вторую гипотезу.
Ночь и день на Юпитере
Узкоугольные снимки с борта КА "Кассини" от 1 января 2001 года демонстрируют шторма, видимые на дневной стороне Юпитера, и которые богаты вспышками молний если
смотреть на них ночью.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
АМС Galileo также была рассчитана на ведение съемок с высоким временным разрешением. Однако поскольку антенна высокого усиления не раскрылась, и пришлось отказаться от высокоскоростного
канала передачи данных с этого КА на Землю.
Полярные сияния на Юпитере (северный и южный полюс)
Полярные сияния на северном и южном полюсах Юпитера 13 января 2001 года. Снимки сделаны через 2 недели после максимального сближения КА "Кассини" с планетой-гигантом.
Съемка велась с расстояния в 16,5 млн км от Юпитера, в это время аппарат находился примерно в 2,5 градусах ниже плоскости экватора планеты. Разрешение изображений 100 км на пиксель.
КА "CASSINI": ЮПИТЕР
Индивидуальные наблюдения Galileo
Пролет системы Юпитера – короткий период работы КА вблизи перицентра орбиты – начался 27 декабря. Напомним, предыдущий пролет системы Юпитера Galileo совершил в мае 2000 г.
За событиями следили станции DSN в Голдстоуне и Мадриде.
Задержка сигнала с КА из-за расстояния до Земли составляла 35 минут.
Первым на пути аппарата встретился спутник Юпитера Ганимед. 29 декабря в 00:20 PST КА прошел на расстоянии 2326 км от его поверхности с относительной скоростью 10.5 км/с. В
это время Ганимед находился в тени Юпитера. Такая ситуация была предусмотрена заранее – ученые хотели с помощью бортовой аппаратуры зарегистрировать в атмосфере Ганимеда авроральное свечение, чтобы по
полученным данным узнать больше о магнитном поле и о составе атмосферы спутника. В 01:37 PST КА прошел вблизи Европы на расстоянии 794 тыс км, однако никаких особенных наблюдений за ней не вели. Далее
в 05:42 КА прошел на минимальном расстоянии от Каллисто (2.3 млн км), а в 19:33 "заглянул" к Ио (921 тыс км).
Как всегда, сбор научных данных был начат с включения на 60 мин комплекта приборов по регистрации частиц и полей на запись с высоким разрешением. Этот комплект уже работал
непрерывно с конца октября по программе совместных исследований с Cassini. В состав него входят детектор пыли, детектор энергичных частиц, счетчик тяжелых ионов, магнитометр, детектор плазмы и прибор по
изучению волн в плазме.
Кроме того, в течение первого дня пролета ученые выполнили ряд наблюдений Ганимеда фотополяримером PPR. Среди них – сканирование его ночной стороны для определения скорости
изменения температуры его поверхности после заката солнца.
Несколько наблюдений Ганимеда были сделаны, когда спутник оказался на солнечном свету, чтобы определить, как быстро нагревается его поверхность.
Область Sippar Sulcus, южное полушарие Ганимеда. На одном изображении представлены три основных типа светлых областей на Ганимеде. Изображение слева (a) представляет собой
мозаику из кадров, полученных КА "Вояджер" (низкое разрешение) и КА "Галилео" (180 метров на пиксель). Изображение справа (b) – это цифровая модель рельефа в трехмерной форме. Цветовая градация показывает
изменение высоты. На врезке очерчены геологические районы: области рытвин (g) черные, области "сетчатых" трещин (r) окрашены в серый цвет, гладкие районы (s) белого цвета, кальдеры заштрихованы.
КА "GALILEO": ГАНИМЕД
Это синтезированное изображение области рытвины Сиппар (Sippar Sulcus) в южном полушарии Ганимеда (35°ю.ш., 180°з.д.) выполнено с использованием снимков КА Voyager
(1979) и Galileo (1997) и опубликовано 1 марта 2000 года в журнале Nature. Здесь находятся упомянутые области "светлого" материала. Видно, что местами более молодые участки поверхности лежат ниже
более старых областей разломов. Это доказывает, что когда-то поверхность спутника залило "лавой", обладающей небольшой вязкостью (вода или ледяная шуга). Многочисленные светлые "брызги", проникшие
откуда-то справа, – следствие возникновения крупного кратера Озирис (Osiris), не попавшего в кадр и лежащего правее его границы. Разрешение карты – от 350 до 400 м/пиксел. На правом изображении -
цифровая топокарта того же региона. Относительные высоты показаны цветом.
Ученые, занимающиеся изучением Ганимеда, самого крупного спутника Солнечной системы, провели совместную обработку снимков одних и тех же областей поверхности спутника,
выполненных в разное время Galileo и одним из Voyager'ов (1979), чтобы получить стереоизображения, а по ним создать трехмерную топографическую карту исследуемого района. Ученых интересовали т.н.
"светлые" области поверхности, которые, согласно высказанным ранее гипотезам, считались районами ледников.
На полученной карте поверхность по профилю оказалась похожа на протяженную выемку, дно которой примерно на километр ниже более темной (старой) изрытой кратерами поверхности
Ганимеда.
"Эта долина… напоминающая земную, заполнена чем-то имеющим гладкую поверхность, – рассказывает Уилльям МакКиннон, планетолог из университета Вашингтона (США). – Наполняющий
ее материал по вязкости больше похож на земную лаву, чем на относительно хрупкий ледник.
Как можно видеть, материал по периметру застыл в виде вала, и, похоже, он обладал хорошей текучестью, что невозможно для твердого, хотя и разогретого льда. Особенности
говорят о том, что вследствие вулканической активности на поверхность лилась вода или смесь воды со льдом ("ледяная каша"). Длина одной из долин – до 900 км, а возраст – примерно 1 млрд лет…"
Кроме того, на снимках высокого разрешения вдоль границ светлой области видны впадины, которые похожи на вулканические кальдеры. По словам МакКиннона, образования, похожие
на кальдеры, могут служить доказательством вулканического происхождения этого района.
КА "GALILEO": ГАНИМЕД
В промежутках между этими исследованиями выполнили сканирование южного полюса Ганимеда – самого холодного места на спутнике.
На поверхности Юпитера ученые наблюдали Большое красное пятно (БКП), облачный покров ряда приэкваториальных районов, а также авроральные явления.
Отдельные наблюдения были посвящены Ио. С использованием спектрометров PPR и NIMS ученые выполнили поиск текстурных измерений поверхности после последнего пролета вследствие
вулканической активности. Данные использованы при планировании научной деятельности во время следующих пролетов этого спутника.
КА "Галилео" и КА "Кассини" наблюдали два гигантских плюма на Ио
КА "GALILEO": ИО
30–31 декабря КА выполнил глобальные съемки Юпитера и его колец, областей турбулентности к северо-западу от БКП, а также Ио, находящейся в тени Юпитера.
На этом для КА "Галилео" программа GMM завершилась. С начала января 2001 года началась передача данных на Землю.
15 марта 2001 года, когда завершился прием данных с последнего пролета, миссия была продлена до августа 2003 года. Новая завершающая программа Galileo включала еще пять пролетов
объектов системы Юпитера. Ближайший из них 25 мая 2001 года на 30-м витке Galileo вокруг Юпитера и посвящен спутнику Каллисто. Пролет на расстоянии 123 км.
КА "GALILEO": ЗАСЛУГИ
Продление жизни старичка Galileo – неплохой повод вспомнить его заслуги перед наукой. А накопилось их за 11 лет исследований немало. Основными являются:
- получение доказательств существования жидкого соленого океана под слоем льда на спутнике Юпитера Европа;
- обнаружение признаков существования жидкого океана на спутниках Ганимед и Каллисто;
- детальные наблюдения вулканических процессов на "огненном" спутнике Ио, получение большого числа фотографий выбросов газа, потоков лавы, вулканических кальдер и т.д.;
- уточнение данных о составе атмосферы Юпитера;
- обнаружение у Ганимеда – спутника планеты – собственного магнитного поля и магнитосферы;
- прямое наблюдение падения на Юпитер кометы Шумейкеров-Леви 9;
- комплексное изучение магнитосферы планеты;
- первый близкий пролет астероида (Гаспра) во время перелета к Юпитеру, обнаружение у астероида Ида естественного спутника (Дактиль).
Исследователи
