Cassini geimfarið

Cassini-Huygens er sannkallað fjölþjóðaverkefni. Sautján þjóðir taka þátt í því með einum eða öðrum hætti auka þriggja geimferðastofnanna. Verkefninu er stjórnað af NASA, nánar tiltekið Jet Propulsion Laboratory í Pasadena í Kaliforníu, þar sem Cassini-brautarfarið var smíðað. Þróun og smíði Huygens-kannans var í höndum ESA, Geimstofnunar Evrópu, og ASI, ítalska geimstofnunin, þróaði loftnetið á Cassini-farinu.

Heildarkostnaður Cassini-Huygens nam rúmum þremur milljörðum bandaríkjadala. Þessum kostnaði er skipt þannig að NASA leggur til 2,6 milljarða dollara, ESA hálfan milljarð dollara og ASI 160 milljónir dollara.

Meingleiðangri Cassinis lauk þann 30. júlí 2008. Geimfarið var enn við hestaheilsu, ef svo má segja, á þeim tíma svo ákveðið var að framlengja leiðangurinn um tvö ár, eða fram í september 2010. Sá hluti leiðangursins nefndist Cassini Equinox Mission, sem kalla mætti jafndægraleiðangur Cassinis, því í ágúst 2009 urðu jafndægur á Satúrnusi. Þá skein sólin beint á miðbaug reikistjörnunnar.

Þann 3. febrúar 2010 tilkynnti NASA að leiðangurinn yrði framlengdur um sex og hálft ár til viðbótar, eða til ársins 2017. Þessi hluti leiðangursins stendur nú yfir og er kallaður Solstice Mission eða sólstöðuleiðangurinn. Fram til ársins 2017 mun Cassini hringsóla 155 sinnum um Satúrnus, heimsækja Títan 54 sinnum og Enkeladus í 11 skipti.

Cassini-Huygens er stærsta geimfar sem smíðað hefur verið hingað til í þeim tilgangi að afla meiri þekkingar á sólkerfinu. Leiðangurinn er sameiginlegt átak mannkynsins að læra meira um eina mest heillandi reikistjörnu sólkerfisins.

1. Markmið

Verkfræðingar setja saman Cassini geimfarið. Mynd: NASA/JPL

Markmið Cassini-Huygens eru margþætt. Leiðangrinum er ætlað að svara grundvallarspurningum um reikistjörnuna, hringana og tunglin sem um hana sveima. Meginmarkmiðin eru sjö:

• Rannsaka hringa Satúrnusar ítarlega.

• Rannsaka efnasamsetningu yfirborða tunglanna og jarðsögu þeirra.

• Kanna uppruna og eðli dökka efnisins á forgönguhveli Japetusar.

• Rannsaka uppbyggingu og hegðun segulhvolfs Satúrnusar.

• Rannsaka hegðun efstu laga lofthjúps Satúrnusar.

• Rannsaka lofthjúp Títans.

• Rannsaka yfirborð Títans.

2. Geimfarið

Geimfarið er engin smásmíð. Það er 6,7 metra langt og 4 metra breitt, ekkert ósvipað litlum strætó að stærð. Massi þess, með Huygens-kannanum, var 5,7 tonn.

2.1 Orka

Satúrnus er svo langt frá jörðinni að sólarrafhlöður duga ekki til orkuframleiðslu. Að öðrum kosti þyrftu þær að vera mjög stórar og þar af leiðandi þungar. Þess í stað eru þrír kjarnaofnar um borð í Cassini sem umbreyta hitanum sem myndast við náttúrulega hrörnun 32,7 kg af plútóníum-238 samsætunnar til að framleiða 600 til 700 wött af raforku. Kjarnaofnarnir í Cassini eru af sömu tegund og voru um borð í Galíleó og Ódysseifs geimförnum. Þeir eiga að endast í langan tíma.

2.2 Mælitæki

Titan IVB/Centaur eldflaugin sem kom Cassini-Huygens út í geiminn. Mynd: NASA

Um borð í Cassini er fjöldi mælitækja, svo sem myndavéla, litrófsmæla, sviðs- og agnanema, ratsjá og fleira.

• Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) – Mælir orku og rafhleðslu agna sem rekast á geimfarið, sameindir í jónahvolfi Satúrnusar og segulsviðið.

• Cosmic Dust Analyzer (CDA) – Mælir stærð, hraða og stefnu rykagna við Satúrnus. Var notaður til að mæla efnasamsetningu agna sem streyma út úr Enkeladusi.
  

• Composite Infrared Spectrometer (CIRS) – Mælir innrauða geislun frá Satúrnusi svo unnt sé að læra um hitastig og þrýsting í lofthjúpnum, hvernig þessir þættir breytast með hæð, varmaeiginleika og efnasamsetningu. Mælir svipaða þætti hringanna og tunglanna.

• Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) – Mælir hlaðnar agnir (róteindir og þyngri jónir) og óhlaðnar agnir (atóm) við Títan og Satúrnus til að læra meira um lofthjúpa þeirra, ístunglin og hringana.

• Imaging Science Subsystem (ISS) – Tvær myndavélar sem hafa tekið hundruð þúsunda mynda af Satúrnusi, hringunum og tunglunum í sýnilegu ljósi, innrauðu ljósi og útbláu ljósi. Önnur vélin tekur yfirlitsmyndir en hin af smáatriðum. Á báðum vélunum eru síuhjól svo unnt sé að mynda á mismunandi bylgjulengdum rafsegulrófsins (0,2 til 1,1 míkrómetrar).

• Dual Technique Magnetometer (MAG) – Mælir styrk og stefnu segulsviðs Satúrnusar. Með því fást upplýsingar um kjarna reikistjörnunnar.

• Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) – Útbýr myndir og önnur gögn um agnirnar sem fastar eru í segulhvolfi Satúrnusar. Þannig má læra um víxlverkun segulhvolfsins við sólvindinn, lofthjúp Satúrnusar, Títan, hringana og ístunglin.

• Ratsjá – Um borð í Cassini er að sjálfsögðu ratsjá svo hægt sé að svipta hulunni af Títan. Ratsjáin gerir okkur kleift að skyggnast í gegnum skýjaþykknið og kortleggja yfirborð tunglsins, átta okkur á mismunandi eiginleikum þess og mæla hæð landslagsins. Ratsjáin er einnig notuð til að hlusta eftir útvarpsbylgjum frá Satúrnusi eða jafnvel tunglunum.

• Radio and Plasma Wave Science Instrument (RPWS) – Mælir útvarpsmerki sem koma frá Satúrnusi, þar á meðal útvarpsbylgjur sem verða til við víxlverkun sólvindsins við Satúrnus og Títan. Tækið mælir líka þéttleika rafeinda og hitastig við Títan og í sumum svæðum segulhvolfsins. RPWS á að kanna segulsvið Satúrnusar, kortleggja jónahvolfið, rafgas og eldingar í lofthjúpi Satúrnusar.

• Radio Science Subsystem (RSS) – Útvarpsloftnet á jörðinni eru notuð til að fylgjast með hvernig útvarpsmerki frá geimfarinu breytast þegar þau eru send í gegnum fyrirbæri, til dæmis í gegnum lofthjúp Títans, hringa Satúrnusar eða jafnvel á bak við sólina. Með þessum hætti er hægt að læra um efnasamsetningu lofthjúpsins og þrýsting og hitastig í lofthjúpnum og jónahvolfinu. Á þennan hátt er líka hægt að finna út hversu stórar agnir eru í hringum Satúrnsar.

• Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) – Tekur myndir af útbláu ljósi sem endurvarpast af skýjum og hringum Satúrnusar svo hægt sé að læra meira um uppbyggingu þeirra og efnasamsetningu.

• Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) – Tvær myndavélar sem gera litróf úr sýnilegu og innrauðu ljósi svo hægt sé að úr hverju yfirborð tunglanna, hringarnir og lofthjúpar Satúrnusar og Títans eru.

3. Huygens-könnunarfarið

Yfirborð Títans. Litlu klumparnir eru úr ís. Mynd: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Huygens-könnunarfarið er evrópski hluti leiðangursins, nefnt eftir hollenska stjörnufræðingnum Christiaan Huygens sem uppgötvaði Títan árið 1655.

Á jóladag árið 2004 losnaði Huygens frá Cassini geimfarinu og hóf 22 daga langt ferðalag til Títans. Þann 15. janúar 2005 féll kanninn inn í lofthjúp Títans, sveif hægt og rólega niður á yfirborðið og lenti þar heilu og höldnu. Huygens varð þar með fyrsta og eina geimfarið sem lent hefur á hnetti í ytra sólkerfinu og svo langt frá jörðinni.

Títan er sá staður í sólkerfinu sem líkist jörðinni okkar einna mest. Það kemur kannski á óvart, sérstaklega þegar haft er í huga að þar ríkir nístingskuldi, meira en 180°C frost!

Títan hefur lofthjúp eins og jörðin en miklu þykkari sem teygir sig miklu lengra út í geiminn en lofthjúpur jarðar. Þessi þokukenndi hjúpur sveipar Títan appelsínugulri móðu og felur leyndardóma hans fyrir okkur.

Huygens hélt áfram að senda gögn til Jarðar í um 90 mínútur eftir lendingu. Með þeim hafa vísindamenn náð að draga fram mynd af því sem geðist þegar kanninn lenti og setja saman tölvugert myndskeið af lendingunni.

Fyrst þegar farið skall á yfirborðinu gróf það 12 cm djúpa holu sem það svo skoppaði upp úr og rann síðan 30 til 40 sentímetra á flötu yfirborðinu. Tíu sekúndur liðu þangað til farið stöðvaðist loks.

Við lendinguna þyrlaðist upp „ryk“ sem sennilega er sá lífræni agnúði sem vitað er að fellur úr lofthjúpi Títans. Sú staðreynd að rykið þyrlaðist upp bendir til þess að lendingarstaðurinn hafi verið þurr í nokkurn tíma fyrir lendingu.

Það hvernig Huygens kanninn hreyfðist í lendingunni sýnir að á yfirborðinu er þunnt íslag. Það er sem sagt hálka á Títan!

4. Ferðalagið

Ferðalag Cassinis til Satúrnusar var flókið enda ekki til nógu öflug eldflaug til að skjóta farinu þangað beint. Þess í stað varð Cassini að fljúga framhjá reikistjörnum til að auka hraða sinn. Mynd: NASA

Cassini-Huygens var skotið á loft frá Canaveralhöða í Flórída þann 15. október 1997. Því var skotið út í geiminn með Titan IVB/Centaur eldflaug, þeirri öflugustu sem NASA bjó yfir á þessum tíma. Þrátt fyrir það var hún ekki nógu öflug til að senda þetta stóra geimfar beina leið til Satúrnusar.

Þess vegna var brugðið á það ráð að beita aðferð sem kallast þyngdarhjálp (e. gravity assist). Með þyngdarhjálp er hægt að auka hraða geimfars með því að láta það fara nærri reikistjörnu. Reikistjarna togar í geimfarið en massi geimfarsins togar örlítið á móti í reikistjörnuna. Það gefur möguleika á orkuskiptum.

Cassini fór tvær ferðir umhverfis sólina á leið sinni til Satúrnusar. Þann 26. apríl 1998 flaug geimfarið fyrir aftan Venus og „stal“ þannig örlitlum brautarskriðþunga af reikistjörnunni og fékk við það aukinn hraða. Síðan flaug það aftur framhjá Venusi þann 24. júní 1999 og tók þá stefnuna til Jarðar. Þann 18. ágúst flaug Cassini svo framhjá Jörðinni og tók meðal annars myndir af tunglinu úr 377.000 km fjarlægð. Með þessari þyngdarhjálp fékk Cassini-Huygens loks nægan hraða til að þeytast út í ytra sólkerfið.

4.1 Flogið framhjá Júpíter

Seinustu þyngdarhjálpina fékk geimfarið hjá Júpíter 30. desember árið 2000. Fékk þá Cassini-Huygens þann lokahnykk sem þurfti til að komast alla leið til Satúrnusar.

Teknar voru 26.000 ljósmyndir af Júpíter. Margar þeirra eru þær bestu sem teknar hafa verið að reikistjörnunni. Aðeins myndir sem New Horizons geimfarið tók í febrúar 2007 á leið sinni til Plútós eru betri.

4.2 Föbe heimsótt

Föbe. Mynd: NASA/JPL/SSI

Föstudaginn 11. júní 2004 flaug Cassini framhjá Föbe, ysta tungli Satúrnusar. Var þetta í eina skiptið sem Cassini hafði tök á að heimsækja Föbe. Þar áður hafði Voyager 2 flogið framhjá tunglinu árið 1981, þá þúsund sinnum lengra frá því en Cassini.

Föbe er örsmár hnöttur, aðeins 220 km í þvermál, en í 13 milljón km fjarlægð frá Satúrnusi. Tunglið er mjög dökk blanda íss, bergs og kolefnis og snýst öfugan hring um Satúrnus miðað við flest önnur tungl reikistjörnunnar.

Þetta bendir til þess að Föbe sé ættaður utar í sólkerfinu, líklega úr Kuipersbeltinu, og að Satúrnus hafi einhvern tímann fangað það.

Cassini var næst tunglinu í 2.068 km hæð yfir yfirborðinu og þaut framhjá á 20.900 km hraða á klukkustund.

Fáeinum klukkustundum síðar sneri geimfarið sér við og sendi stórkostlegar myndir til Jarðar, sem sýndu fjölda gíga af ýmsum stærðum.

Kort af hitastigi yfirborðsins voru búin út frá mælingum á innrauðu ljósi. Þær sýndu að yfirborðið er mjög kalt, aðeins um –163°C þar sem sólar nýtur.

4.3 Koman til Satúrnusar

Þann 1. júlí 2004 kom Cassini-Huygens til Satúrnusar, eftir sjö ára ferðalag frá jörðinni. Cassini flaug að Satúrnusi undir hringflötinn í gegnum stóra geil milli F-hringsins og G-hringsins. Næst komst Cassini í 18.000 km fjarlægð frá Satúrnusi.

Eldflaugar geimfarsins voru ræstar skömmu eftir að Cassini kom inn fyrir hringana. Var það gert til að hægja ferðina um 622 metra á sekúndu svo þyngdarsvið Satúrnusar gæti klófest Cassini. Annars hefði Cassini einfaldlega þotið framhjá. Ræsingin hófst klukkan 01:12 að íslenskum tíma og stóð yfir í 95 mínútur, einni mínútu skemur en ráð var fyrir gert. Að lokum var Cassini loksins kominn á braut um Satúrnus.

5. Leiðangurslok

Leiðangur Cassinis í hnotskurn. Mynd: NASA/jPL

Síðla árs 2016 mun Cassini stinga sér inn á milli mjórrar geilar milli lofthjúps Satúrnusar og innsta hringsins. Braut Cassinis mun þá halla mikið miðað við miðbaug reikistjörnunnar. Þá hefst lokahluti leiðangursins en Cassini hefur hingað til verið fyrir utan meginhringana. Þessi lokaáfangi leiðangursins er kallaður Cassini Grand Finale.

Með þessu er vonast til að nýjar og betri nærmyndir fáist af hringunum og vísbendingar um aldur þeirra — hvort hringarnir séu nýlegir eða gamlir. Farnar verða tuttugu og tvær hringferðir um Satúrnus og bæði þyngdarsvið og segulsviðið kortlagt með meiri nákvæmni en áður.

Árið 2017 verður eldsneytið nánast uppurið. Þá verður farinu stýrt inn í lofthjúp Satúrnusar þar sem það mun eyðileggjast. Þetta er gert til að koma í veg fyrir að Cassini brotlendi á Enkeladusi eða Títan, þeim stöðum sem eru stjörnulíffræðilega mikilvægir, og mengi þá með bakteríum sem hugsanlega lifðu af ferðalagið til Satúrnusar.

Galíleó geimfarið hlaut sömu örlög árið 2003 þegar það féll inn í Júpíter.

With input from more than 2,000 members of the public, team members on NASA's Cassini mission to Saturn have chosen a name for the final phase of the mission: the Cassini Grand Finale.

Tengt efni

• Satúrnus

• Hringar Satúrnusar

• Geimferðir

• Frétt: Urmull lítilla tunglagna mynda furðuverk í F-hring Satúrnusar

• Frétt: Cassini í tíu ár við Satúrnus

Heimildir

1. Jet Propulsion Laboratory. Cassini Solstice Mission.
2. Jet Propulsion Laboratory. Cassini Names Final Mission Phase Its 'Grand Finale'
   

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2013). Cassini geimfarið. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornufraedi.is/solkerfid-large/geimferdir/cassini-geimfarid (sótt: DAGSETNING).