Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
National Geographic №194, ноябрь 2019
National Geographic Traveler №72, ноябрь 2019 – январь 2020
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука

Миссия на Сатурн

Текст: Билл Дутитт Иллюстрации: НАСА, Лаборатория реактивных двигателей и Институт космических наук
09 января 2013
/upload/iblock/80e/80e1545bbd865f8a60ef06d3c288235a.jpg
Кольца Сатурна (их средняя толщина – всего 40 метров) состоят из миллиардов льдинок. Они появились сотни миллионов лет назад – вероятно, в результате разрушения спутника или кометы.
/upload/iblock/2da/2dac3d8815767833c48acbac20566e1e.jpg
Кольца Сатурна отбрасывают тень на облака в верхних слоях атмосферы.
/upload/iblock/8bf/8bf8c73bca04c15dcede381fae44ef91.jpg
Спутник Мимас на фоне Сатурна.
/upload/iblock/1fd/1fd46196df7b7f54509f31d03daa94c4.jpg
Ледяной спутник Диона «завис» над кольцами (мы видим их сбоку).
/upload/iblock/bd0/bd0d962e03c819f29a00a7160283d7a8.jpg
Титан, спутник Сатурна (фотография раскрашена, чтобы показать дымку и детали ландшафта).
/upload/iblock/283/2833ad07c3cdd479255fcaa222d8b07d.jpg
Зонд «Кассини».
/upload/iblock/b1c/b1cb6da465e5334ad7267f1c231ca3d0.jpg
На снимке «Вояджера-1» (1980 год) структура кольца F напоминает переплетенные косички; спустя 25 лет «Кассини» увидел его подернутым рябью.
/upload/iblock/88e/88efd5c0825f7f78b3c4564e4ba9c469.jpg
Орбиты двух ближайших спутников, Пандоры (на снимке зонда «Кассини», 2005 год, справа) и Прометея, со временем меняются, что сказывается на форме этого кольца.
/upload/iblock/74b/74b3a38eca16a7c4b7b609be52e766a8.jpg
Поверхность Титана усеяна полуметровыми глыбами льда.
Фото: ESA/НАСА/JPL/Университет Аризоны
/upload/iblock/f11/f11b91bef0ed6c23cea3485c603433fa.jpg
Водяной пар и частицы льда взлетают на сотни километров над Энцеладом (слева – естественные цвета; справа – снимок раскрашен).
/upload/iblock/fd4/fd44bd9e597d826e2f1f5b2ea19be5d9.jpg
Выпадая на поверхность южного полушария спутника, лед выравнивает ее. Каролин Порко, глава фотогруппы «Кассини», говорит: «Мы обнаружили условия, которые подходят для существования живых организмов».
/upload/iblock/375/3750e999a7d96278d440fd97afb0b190.jpg
Спускаясь сквозь густую оранжевую мглу атмосферы Титана, «Гюйгенс» на высоте двух километров сделал 360-градусный панорамный снимок. Яркие гряды холмов окаймляют возвышенность, на 150 метров поднимающуюся над темной равниной.
Фото: ESA/НАСА/JPL/Университет Аризоны
Конец 2004 года, шесть миллионов километров от Сатурна. Космический зонд «Кассини», запущенный с Земли в 1997 году, сделал 126 фотографий, которые затем были искусно соединены. Так получилось это изображение – точный портрет самой необычной планеты. Теперь вы можете увидеть ее своими глазами.
Дождь на Титане идет раз в тысячу лет – это ливень из жидкого метана. Из-за плотной ядовитой атмосферы здесь царят вечные оранжевые сумерки. Смертельный холод – минус 179 градусов по Цельсию. А над мглистым горизонтом нависает окруженный кольцами Сатурн. И все же Титан – самый большой спутник Сатурна – пугающе похож на нашу Землю. «Титан мог бы стать планетой, похожей на нашу, – говорит Тобиас Оуэн из Астрономического института Гавайского университета, – все необходимые материалы и элементы у него для этого есть. Но судьба так и не дала ему шанс». Плотная атмосфера Титана наполнена углеводородным смогом. После редких метановых ливней внезапно появляются реки – они бегут к огромной песчаной равнине, пробивая в низких холмах глубокие русла. Возможно, на Титане, как и на Земле, продолжается геологическая активность и извергаются вулканы – только спокойные и холодные, а лавоподобная смесь, изрыгаемая ими, состоит из полурастаявшего льда и аммиака.
Миссия «Кассини» оказалась настоящим путешествием в прошлое Солнечной системы. Встреча с Титаном – самый интересный ее этап. Сатурн, его кольца и спутники таят немало загадок.
Но самое поразительное – это тихие ветры Титана: они несут с собой смесь органических молекул – некоторые из них похожи на те, благодаря которым на Земле появилась жизнь. До сих пор планетологам оставалось только гадать, каков он, Титан. Теперь его увидели воочию: за последние два с половиной года космический зонд «Кассини» свел близкое знакомство со спутниками и кольцами Сатурна и обратил пристальный взгляд на эту гигантскую планету. С «Кассини» на поверхность Титана был даже запущен еще один зонд, поменьше, под названием «Гюйгенс». Миссия «Кассини» оказалась настоящим путешествием в прошлое Солнечной системы. Встреча с Титаном – самый интересный ее этап. Сатурн, его кольца и спутники таят немало загадок. Металлический водород в ядре этой планеты, мельчайшие частицы, из которых состоят ее кольца, льды спутника Фебы и теплые гейзеры Энцелада... Если раскрыть эти тайны, можно многое узнать о том, как 4,6 миллиарда лет назад формировалась Солнечная система и возникали предпосылки для зарождения жизни. Однако раскрывать свои тайны Сатурн не спешил. В 1610 году Галилео Галилей открыл, как впоследствии выяснилось, его кольца. Но он вел наблюдения при помощи несовершенного телескопа и потому принял их за два небесных тела, расположенных по бокам Сатурна и уступающих ему по размеру. Лишь в 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс (в честь которого был назван зонд, совершивший посадку на Титан) сделал правильное описание колец и разглядел тусклую искорку у их внешней стороны – спутник, который позже назвали Титаном (в честь титанов из древнегреческой мифологии, правивших миром, когда Земля была еще совсем юной). С тех пор новые спутники Сатурна открывали с завидной регулярностью (сегодня известно 56). В пятидесятые годы ХХ века телескопы позволили астрономам увидеть окружающую Титан дымку – первый признак того, что этот спутник, в отличие от всех других спутников в Солнечной системе, обладает плотной атмосферой. И наконец мимо Сатурна пролетели первые космические зонды: в 1979 году – «Пионер-11», в 1980 и 1981 годах – «Вояджер-1» и «Вояджер-2». По пути они крупным планом сфотографировали планету, ее кольца и спутники. Сегодня после долгих веков неудовлетворенного любопытства и ожиданий ученые наконец-то могут окинуть Сатурн долгим пристальным взглядом. Благодаря совместным усилиям НАСА, Европейского космического агентства и Итальянского космического агентства был создан зонд «Кассини-Гюйгенс» – металлический цилиндр длиной 6,7 метра, ощетинившийся самыми современными приборами и увенчанный блюдцем-антенной. Его запустили к Сатурну в 1997 году, и 30 июня 2004 года он прибыл на место назначения. Исследования, к проведению которых он приступил, рассчитаны по меньшей мере на четыре года. Пролетев три с половиной миллиарда километров, «Кассини» должен был сбросить скорость, чтобы его смогла захватить гравитация Сатурна. Космический аппарат включил тормозные двигатели и храбро проскочил между внешними кольцами, оказавшись менее чем в 20 тысячах километров над светло-коричневыми облаками планеты. «Мы тогда здорово перенервничали», – вспоминает Роберт Митчелл, один из руководителей проекта «Кассини».
Ветры, бушующие в атмосфере Сатурна, едва ли не самые быстрые во всей Солнечной системе - их скорость достигает 1500 километров в час.
С Земли кольца Сатурна выглядят гладкими, но на самом деле они представляют собой скопления обломков – миллиарды объектов размером от пылинки до большого дома. Если бы хоть один камешек взрезался в «Кассини», когда тот пролетал между кольцами со скоростью 110 тысяч километров в час, проект стоимостью 3,4 миллиарда долларов был бы погублен. Команда Митчелла, работающая в Лаборатории реактивных двигателей НАСА (Пасадена, Калифорния), с тревогой следила за «Кассини». Но все обошлось: целый и невредимый, зонд вышел на орбиту и начал «осматриваться» на новом месте. Сатурн в семьсот раз больше Земли (он уступает по величине лишь Юпитеру) и почти полностью состоит из водорода. Он так быстро вращается, что его день длится меньше одиннадцати земных часов, а диаметр планеты по экватору (120500 километров) на 11800 километров больше, чем расстояние между полюсами. Поскольку Сатурн состоит в основном из газа, на нем нет стационарных объектов, по которым можно было бы точно измерить скорость его вращения. Однако плотное ядро планеты генерирует мощное магнитное поле, которое вращается вместе с ней. За минувшие два года «Кассини» установил, что магнитное поле Сатурна совершает полный оборот за 10 часов, 47 минут и 6 секунд. Тем не менее мы не можем быть полностью уверены в том, что сама планета вращается с этой же скоростью. И все же магнитное поле позволяет нам заглянуть в самое сердце Сатурна. Еще в начале своего существования, 4,6 миллиарда лет назад, Сатурн представлял собой дисковидное газопылевое облако, вращавшееся вокруг новорожденного Солнца. Постепенно частицы этого облака соединялись друг с другом, пока гравитация не получила возможность диктовать свою волю, заставляя материю объединяться в еще большие куски железа и камня. Один из таких кусков, чья масса, возможно, в несколько раз превышала массу Земли, стал той «затравкой», вокруг которой в конце концов и вырос Сатурн. Со временем гравитация каменного ядра притянула огромные облака водорода. Газ накапливался, планета быстро набирала массу. Давление росло, и внутренний слой водорода сжался так сильно, что, по мнению ученых, стал жидким металлом – превосходным проводником электричества. А электрические токи, возникающие в металлическом водороде, генерируют гигантское магнитное поле. Ядро Сатурна все еще хранит тепло, оставшееся со времени образования планеты. Оно порождает мощные восходящие потоки в нижних слоях атмосферы, которые, в свою очередь, вызывают сверхзвуковые ветры – едва ли не самые быстрые во всей Солнечной системе (их скорость достигает 1500 километров в час). Для атмосферы Сатурна, по словам Кевина Бэйнса из Лаборатории реактивных двигателей, характерны «бури, грозы, зоны облаков и странные волнообразные формации». Вечное движение успокаивается лишь в самых верхних слоях атмосферы, подернутых желтоватой дымкой. Здесь неторопливо плывут облака, на которые отбрасывают тени кольца Сатурна. Внешние кольца состоят из ледяной и каменной крошки, их диаметр – около 265500 километров. Однако толщина этих лент – всего около сорока метров. «Представьте себе лист бумаги размером с десять футбольных полей», – говорит специалист по кольцам Сатурна Джефф Каззи. Никто в точности не знает, как именно Сатурн обзавелся кольцами, но некоторые ученые предполагают, что это его собственная гравитация разорвала на мелкие кусочки какой-нибудь ледяной спутник (или комету). Из его обломков и образовались кольца. Как бы то ни было, по космическим меркам появились они совсем недавно. Однако на их примере мы можем изучить нечто более древнее: то, как пояс малых космических объектов, окружавший Солнце во времена его юности, взаимодействовал с новорожденными планетами. По словам Каззи, гравитационное воздействие любого из спутников незначительно. В то же время их гравитация способствует сохранности колец, поскольку не дает их частицам сходить со своих орбит. Cпутник также может вызывать появление промежутков между кольцами, а его гравитационное поле – порождать колебания плотности, волнами проходящие по ближайшему кольцу. Этот «космический танец» заметили «Вояджеры». Однако «Кассини» сообщил новые подробности. Пролетая между кольцами в июне 2004 года, он обнаружил наличие маленьких спутников в разреженном кольце А, самом внешнем из главных колец. В кольце F, находящемся дальше других от планеты, «Кассини» сфотографировал переплетающиеся тонкие «колечки»: частицы, из которых они состоят, собирают и рассеивают находящиеся неподалеку маленькие спутники. «Мы наблюдаем “колечки”, взаимодействующие со спутниками, и спутники, определяющие форму больших колец, – говорит Каззи. – Так можно получить информацию о формировании Солнечной системы. Становится понятнее, как в протопланетарных дисках образуются планеты». Один из реликтов времен формирования Солнечной системы до сих пор кружит вокруг Сатурна – это спутник Феба. Он обращается в направлении, противоположном движению большинства других спутников Сатурна, – уже это говорит о его необычном происхождении. В 2004 году на пути к Сатурну «Кассини» с близкого расстояния сфотографировал Фебу. Зонд обнаружил, что этот спутник (его диаметр – 220 километров) представляет собой смесь из камней, льда и углеродных соединений, то есть очень похож на астероиды из пояса Койпера – маленькие ледяные объекты из внешней части Солнечной системы (их считают остатками строительного материала внешних планет). Когда формирование Солнечной системы завершилось, большая часть этих объектов оказалась далеко за орбитой Плутона. Одним из них была, возможно, и Феба, но ее удержало притяжение юного Сатурна. Главные спутники Сатурна, видимо, возникли из того же скопления газа, пыли и камней, что и сама планета. Тем не менее они значительно отличаются друг от друга. «Кассини» выяснил, что некоторые из них, в том числе Гиперион, похожий на 360-километровую картофелину, – не более чем неплотные скопления камней и льда. «Спутники побольше – более плотные, у них характерный ландшафт, созданный космическими катаклизмами или внутренним теплом и вулканической активностью. Например, на снимках «Вояджера» видно, что у Япета (диаметр этого спутника – почти полторы тысячи километров) одно полушарие белое, а другое – черное: словно инь и ян. Специалисты предполагают, что Япет состоит из почти чистого льда. В одном полушарии он прикрыт камнями и органическими веществами (поэтому оно темное), а в другом – обнажен (это светлое полушарие). «Кассини» обнаружил новые загадки. У Япета, как и у Сатурна, есть утолщение в области экватора. Кроме того, вдоль него примерно на полторы тысячи километров (главным образом в темном полушарии) тянется горный хребет вдвое выше земных Гималаев. «Никто не может объяснить эти явления», – говорит Питер Томас из Корнельского университета. Но более всего ученых интересует самый крупный спутник Сатурна – Титан. 25 декабря 2004 года, через полгода после прибытия к Сатурну, «Кассини» произвел запуск доставленного им с Земли блюдцеобразного зонда «Гюйгенс» – это была кульминация всей миссии. Три недели спустя «Гюйгенс» вошел в туманную атмосферу Титана. Центр управления Европейского космического агентства в Дармштадте (Германия) был переполнен учеными, студентами и журналистами, с нетерпением ожидающими первые сигналы с Титана. Повсюду звучала английская, французская, немецкая, испанская и итальянская речь, напоминая об интернациональном происхождении «Гюйгенса». Несколькими часами ранее «Гюйгенс», словно вылетевшая из ствола винтовки пуля, ворвался в верхние слои атмосферы Титана. От трения теплозащитный фильтр зонда разогрелся до полутора тысяч градусов. Через несколько минут движение «Гюйгенса» затормозилось и аппарат остыл. Открылись парашюты, теплозащитный фильтр был сброшен, зонд подхватило ветром, а его видеокамеры и микрофоны принялись регистрировать данные о погоде. «Гюйгенс» пошел на посадку, и люди в Центре управления сгрудились в одном большом зале. Руководители полета уже получали с зонда сигналы о том, что он благополучно пережил спуск. От Сатурна до Земли эти сигналы (передававшиеся через «Кассини») доходили за 67 минут. Наконец в пять часов дня Дэвид Саутвуд, директор Европейского космического агентства по научным вопросам, поднялся на возвышение и официально объявил о благополучной посадке. И снова нужно было ждать: компьютеры преобразовывали сигналы в изображения. Медленно тянулись часы. Вдруг на телевизионных экранах, развешанных по стенам зала, появилась зернистая черно-белая фотография, сделанная «Гюйгенсом» во время спуска, – округлые холмы и темная равнина. Люди бросились к экранам, и на какое-то время спутник, названный в честь древних богов, стал объектом восторженного внимания прессы (в этом было что-то религиозное). Вслед за первым изображением последовали другие, в том числе и широкая панорама Титана с воздуха, на скорую руку составленная из снимков поменьше. Наконец появились и первые – цветные! – снимки, сделанные после посадки. Собравшимся предстала ярко-оранжевая равнина, усыпанная камнями. Вдалеке виднелись невысокие холмы. Далеко за полночь восторженная публика еще толпилась у экранов, рассматривая сменяющие друг друга фотографии далекого мира. К этому времени короткая миссия «Гюйгенса» уже почти завершилась. Двигаясь по орбите, «Кассини» вышел из зоны связи с «Гюйгенсом», и тот еще несколько часов, пока его батареи не разрядились, посылал сигналы в пустоту. Небольшая неисправность передающей системы смазала впечатление от успешной посадки: половина сделанных зондом фотографий была утеряна. Даже если бы все прошло идеально, «Гюйгенс» смог бы запечатлеть лишь очень малую часть Титана. Однако увиденного хватило для того, чтобы ответить на несколько ключевых вопросов. Раньше никто не мог даже предположить, куда сядет «Гюйгенс»: на твердую поверхность, в вязкую жижу или маслянистый метановый океан. Космический аппарат не обнаружил жидкости, но множество признаков указывало на то, что поверхность Титана – сверху покрытая корочкой, а снизу мягкая, словно крем-брюле, – время от времени обильно увлажняется.
Совершенно случайно ученые наткнулись на факты, позволяющие предположить, что на одном из спутников Сатурна могли существовать простейшие формы жизни.
«Мы заметили признаки того, что жидкий метан промывает долины, подобные речным, – говорит Лари Содерблом из Геологической службы США. – Титан, возможно, похож на африканские пустыни, только дождь здесь бывает раз в сто или даже тысячу лет. Но это, должно быть, настоящий потоп». На полюсах, возможно, дождь идет чаще. В июле этого года, пролетая над северным полюсом Титана, «Кассини» сфотографировал местность, испещренную метановыми озерами. Метан образуется под корой Титана, в глубоких теплых резервуарах с водой и органическими веществами. А может, он уже содержится там в замороженном виде. Оказавшись в атмосфере, газ частично выпадает на поверхность в виде дождя, частично под влиянием ультрафиолетового света и других видов излучения трансформируется в более сложные органические соединения, выпадающие в виде токсичного мокрого «снега». «Титан – наилучшая фабрика по производству органических соединений, – говорит Хантер Уэйт из Юго-Западного исследовательского института. – Большую часть спутника покрывает слой замерзших углеводородов, сходных с бензином. Если бы на Титане можно было вырыть шахту, нам больше не пришлось бы волноваться о том, что на Земле кончатся запасы нефти». На протяжении миллионов лет ветры Титана трудились над этим обширным морем углеводородного песка, сметая его в своеобразные дюны (их высота – свыше ста метров), которые тянутся параллельными рядами на сотни километров. «Это близнецы барханов Аравийской пустыни», – говорит Ральф Лоренц, специалист по Титану из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Атмосфера Титана, подобно нашей, состоит в основном из азота – ключевого компонента для существования жизни. Не менее важны и сложные углеродные соединения, подобные тем, что содержатся в туманной атмосфере Титана. По ряду показателей Титан – вполне подходящее место для зарождения жизни. И все же для этого он слишком холодный. Однако самое поразительное открытие «Кассини» заключается в другом. Совершенно случайно ученые наткнулись на факты, позволяющие предположить, что на другом спутнике Сатурна могли существовать простейшие формы жизни! Покрытый льдом Энцелад, яркий, словно лампа маяка, отражает больше света, чем любое другое космическое тело Солнечной системы. На его фотографиях, сделанных «Вояджером» четверть века назад, на девственно гладкой поверхности видно лишь несколько больших кратеров. Это заставило ученых предположить, что космические шрамы Энцелада затягиваются благодаря каким-то геологическим процессам. Однако казалось маловероятным, что спутник диаметром всего пятьсот километров может вырабатывать достаточно тепла, чтобы поддерживать внутреннюю геологическую активность. Другой загадкой было то, что Энцелад, казалось, снабжал частичками разреженное кольцо Е, самый плотный участок которого расположен рядом с ним. Чтобы приоткрыть завесы этих тайн, «Кассини» приблизился к Энцеладу. При первых двух сближениях в начале 2005 года он обнаружил странные возмущения в магнитном поле Сатурна. 14 июля 2005 года «Кассини» оказался на расстоянии 170 километров от южного полюса Энцелада – именно здесь эти возмущения были сильнее всего. Многочисленные приборы зонда исследовали загадочный спутник, фиксируя температуру поверхности, следы химических веществ и параметры магнитных полей. Собранные данные говорили о том, что в районе южного полюса происходят выбросы мелких частиц неизвестного вещества. Четыре месяца спустя «Кассини» сфотографировал Энцелад на фоне Солнца. Так ученые узнали, что у спутника есть аналоги гейзеров, которые выплескивают в космическое пространство водяной пар и частицы льда. Температура у южного полюса оказалась на 70 градусов выше, чем ожидалось, – этого достаточно, чтобы растопить лед непосредственно под поверхностью и питать «гейзеры», вырывающиеся из длинных расселин в ледяной поверхности (их назвали «тигриными полосками»). В недавно выпавшем снеге, лежащем вокруг расселин, «Кассини» обнаружил простые углеродные соединения. Одна загадка была решена. Утолщение кольца Е рядом с Энцеладом вызвано тем, что в него попадают частицы льда из «гейзеров». Однако появился новый ребус: откуда берется тепло? Возможно, внутри Энцелада спрятаны залежи радиоактивных элементов или же все дело в мощной гравитации Сатурна, которая сдавливает и разжимает спутник. Встал и другой, более важный вопрос: существует ли на этом скромном спутнике жизнь? Для зарождения жизни в нашем понимании необходимо наличие воды (в жидком состоянии), тепла и органических молекул, говорит Боб Браун из Университета Аризоны: «Все три компонента, по нашим данным, на Энцеладе присутствуют. Коктейль готов». Возможно, всего в нескольких метрах под поверхностью льда, в полостях, заполненных теплой водой, прячутся живые организмы, питающиеся растворенными органическими соединениями и размножающиеся с помощью какой-то инопланетной версии ДНК. «Мы ищем места, где можно было бы обнаружить букашек», – говорит Браун. Планируется, что «Кассини» подлетит к Энцеладу еще раз. Но ученые уже задумываются о запуске новых космических зондов, которые могли бы искать жизнь на Энцеладе и предвестников ее появления – на Титане. Некоторые ученые надеются создать робот, который приземлился бы на южном полюсе Энцелада и сбросил в одну из расселин зонд, способный обнаружить признаки жизни. Другие предлагают построить спутник, который с орбиты Титана будет запускать в его атмосферу похожие на дирижабли аппараты, с помощью которых можно было бы неспешно исследовать его холмы и равнины. Джонатан Лунайн из Университета Аризоны, сотрудник научной команды «Кассини-Гюйгенс», занимающийся также исследованием планет других звездных систем, не скрывает удовлетворения. «Изучив эти космические тела, – говорит он, – мы впишем новые страницы в повесть о зарождении жизни во Вселенной».