Előfizetés a lapra

Tizenhárom évig a Szaturnusz körül

Cassini, Enceladus, Hold, Mimas, NASA, Phoebe, Szaturnusz, Titán, űrkutatás

2018/01/17

A NASA Cassini szondája 2017. szeptember 15-én ért el élete utolsó, nagyon izgalmas pillanatához, amikor is hullócsillagként elégett a Szaturnusz légkörében. Ebből az alkalomból tekintsük át röviden azt az izgalmas 34 évet, ami az elhatározástól a megvalósításig eltelt, és azok közül az eredmények közül néhányat, amelyek mérföldkőnek tekinthetők!

A NASA-ban 1983 körül ért meg az az elhatározás, hogy a Szaturnusz környezetébe egy nagy szondát kellene indítani, amely tartósan vizsgálni tudná magát a bolygót és érdekes holdjait. Ehhez sokféle műszerre lenne szükség (köztük egy, a Titánra leszálló légköri szondára), amelyek összességükben lehetővé tennék a holdak felszínének, a Szaturnusz és a Titán légkörének, valamint mágneses környezetének a vizsgálatát. (A Titánra leszálló légköri szonda, a Huygens megépítését az ESA vállalta magára. A szonda sikeresen teljesítette feladatát.) Az 5600 kg-os Cassini megépítésére és a pálya megtervezésére 14 év ment rá.

 A Cassini szonda indítása 1997. október 6-án történt egy 25 napos indítási ablak első napján. Ahhoz, hogy a szonda a lehető leghamarabb eljusson a Szaturnuszhoz, az indítórakéta által adott sebességet néhány hintamanőverrel megnövelték, így a Cassini kezdetben a Naprendszer belső része felé indult. Ott a Vénuszt kétszer (300 km-re 1998. április 21-én és 2267 km-re 1999. június 20-án) és a Földet egyszer (500 km-re 1999. augusztus 16-án) közelítette meg. Ezzel ugyan 2 évet veszített, de akkora sebességre tett szert, hogy másfél év alatt odaért a Jupiterhez. A Jupiter mellett 2000. december 30-án 10 millió km távolságban elrepülve újra egy nagy lendületet kapott,  és 2004 -re már a Szaturnusz közelébe ért. Legelsőnek a Szaturnusz legtávolabbi holdját, a 200 km-es Phoebe-t tudta lencsevégre kapni 50 ezer km-es távolságból.

A mintegy 30 ezer km átmérőjű, kör alakú ciklon a Szaturnusz déli pólusán

 A Cassini 2004. július 1-én állt pályára a Szaturnusz körül, miután a Huygens légköri szondát útjára engedte a Titán felé. Pályáját ezután gyakran megváltoztatták annak érdekében, hogy a Szaturnusz számos holdja közül minél többet megközelíthessen. Miután a Titán nagy tömege lehetővé teszi, hogy hintamanőverhez használják fel, a Cassinit működése folyamán 127-szer vezérelték a Titánhoz ebből a célból. Ez hasznos volt a Titán kutatása érdekében is.

 Ezekről a holdakat megközelítő pályákról a bolygót is sikerült jól körbejárni, mindenféle irányból lefotózni, és mágneses terét is más-más időben, mindenféle irányban és távolságban megmérni. Közben a Szaturnusz napkörüli keringése során a déli félgömb nyarától (amikor a megvilágított déli póluson lévő, kör alakú poláris ciklon is látható volt) eljutott az északi félgömb nyaráig (amikor az északi félgömb volt kedvezően megvilágítva, és így vizsgálni lehetett az északi póluson lévő hatszögletű ciklont, a „hexa­gont”), miközben az évszakos változás tanulmányozása is lehetővé vált.

 2016. december 4. és 2017. április 19. között a „gyűrűsúroló” pályák („ring grazing”) kutatási fázis alatt közelebb merészkedtek már a belső, veszélyes zónákhoz. Ekkor 20 darab, 60 fokos pályahajlású, az F gyűrűt érintő pálya következett, amelynek Szaturnusz-közeli részéről jól vizsgálható volt a „hexagon”, a felhőzet, valamint a gyűrűk árnyékának hatása a légkörre. A 20 pálya programját úgy állították be, hogy az F gyűrűhöz közel elhaladó szonda sok fotót készíthessen síkban is és felülről-alulról is a gyűrűről, valamint a kör­nye­ze­té­ben lévő kis holdakról a kölcsönhatás tanulmányozása érdekében.

A hexagont körülzáró futóáramlás körülbelül kétszer akkora átmérőjű, mint a Föld

 2017. augusztus 13. és 2017. szeptember 15. között a „Nagy Befejezés” („Grand Finale”) kutatási fázis alatt a Cassini szonda utolsó 5 pályája az óriásbolygó felsőlégkörének és belső-magnetoszférájának a vizsgálatát szolgálta. Ezek közül az első pálya 1600–1700 km magasságban, a 2., 3., 4. pálya 200 km magasság körül húzódott a felhők teteje felett. 200 km környékén a szonda már fékeződött, és ezért az utolsó pálya már mélyen belemerült a légkörbe, vagyis a Cassini egy valódi légköri szondává minősült át, amelyik így a mélyebb légrétegekről is továbbított, és továbbít adatokat mindaddig, ameddig  – mint a hullócsillagok – el nem ég a Szaturnusz légkörében. Ez az utolsó fázis talán a Földről is megfigyelhető, ezért a NASA az interneten felhívást tett közzé, hogy hogyan készüljenek fel a megfigyelésre.

 Ez volt tehát a Cassini szonda rövid „életrajza”. De milyen mérföldkőnek számító felfedezések, eredmények fűzhetők a szondához?

Poláris ciklonok

Óriási, mintegy 30 ezer km átmérőjű, a földi trópusi ciklonokhoz hasonló szerkezetű, kör alakú örvényt találtak a Szaturnusz déli pólusáról készült Cassini-fotókon – mintegy 50 km magas felhőfallal a ciklon szeme körül. Miután a Pioneer 11 szondának az északi poláris vidékekről készített fotóin egy hasonló méretű, de hatszög alakú képződményt fedeztek fel annak idején, és ennek létét a Voyager-fotók is megerősítették, most a Cassini fontos feladata lett ezt a dinamikus légköri örvényt vizsgálni. A hexagont körülzáró futóáramlást, azon belül pedig a megszámlálhatatlanul sok kis légköri örvényt lehet megfigyelni, amelyek a ciklon szeme felé áramlanak, és energiájukkal táplálják azt.

A Szaturnusz rádiósugárzása

A Szaturnusz mágneses tere nagyon szabályos, mágneses tengelye egybeesik a forgástengellyel.  A bolygó rádiósugárzását  –  mint már korábban a Jupiternél is – a Szaturnusznál is felhasználták a bolygó forgási periódusának a meghatározására. Az óriásbolygók forgási periódusát ugyanis nehéz meghatározni, mert csak a felhőzetüket látjuk, amelyek elmozdulhatnak. A Szaturnusz esetében azonban nyílvánvalóvá vált, hogy sajnos nem használható ez a mágneses módszer sem, mert a bolygó-magnetoszférában a napszéllel való kölcsönhatás következtében változik a részecskegyorsítás helye, ezért ez a mágneses „óra”   – mint a felhőkhöz kötött is – siet vagy késik. Ennek a finom változásnak a kimutatása csak ebben a szabályos mag­ne­to­szfé­rá­ban volt lehetséges, a Jupiternél még nem lehetett észrevenni.

A Prometheus hold által keltett hullám az F gyűrűben

A magnetoszféra és a holdak kölcsönhatása

A zárt mágneses erővonalak felségterületén keringő, vulkanikus holdak anyagából képződött ionok nem a nyitott, hanem a zárt erővonalak körül mozognak. Ha ott felhalmozódnak, mint nagy plazmacsomagok, leszakadhatnak. Minél intenzívebb egy hold vulkánjainak a működése (pl. az Enceladus gejzírjeinek anyagkifúvása), annál gyakrabban szakad le plazmacsomag a zárt erővonalakról. Úgy működik a Szaturnusz magnetoszférája a holdak vulkánjai miatt, mint egy csöpögő csap (Zieger Bertalan soproni geofizikus modellje szerint).

 Az elektromosságot vezető légkörrel rendelkező égitesteken egy, a környezetében elmozduló mágneses tér (pl. saját bolygójának vagy a napszélnek a mágneses tere) indukált áramot kelt. Ilyenek a Titán légkörében folyó ionoszféra-áramok is – a Szaturnusz körbeforgó mágneses terének a hatására. A Cassini működése során egyszer az a nagyon szerencsés eset fordult elő, hogy egy nagy napkitörés után a Szaturnuszhoz megérkező napszélcsomag mágneses tere úgy összenyomta a Szaturnusz magnetoszféráját, hogy a pályáján éppen a lökésfront irányában tartózkodó Titán hirtelen a napszélben találta magát. Ionoszféra-áramainak hirtelen át kellett rendeződniük a napszél mágneses tere által megszabott irányba. A mérésekből sikerült meghatározni az átállási időt. Erre mintegy 8 órát kapott a kutatócsoport, amelyben magyar kollégák is dolgoztak.

 A Szaturnusz-gyűrűben mozgó Atlas, Daphnis és Pan hold

 Egyébként az egész Naprendszerben csak a Titán alkalmas ennek a mérésnek a végrehajtására. Ugyanis a többi reguláris hold bolygója mag­ne­to­szfé­rá­já­nak legbelső részében kering, és sohasem lép ki a napszélbe. A többi hold meg kicsi, és nincs lényeges légköre. A Titán pályája is csak abban a szerencsés esetben lóg ki a Szaturnusz mag­ne­to­szfé­rájából, ha a magnetoszférát egy erős napszél- zavar összenyomja. De hogy akkor éppen a pályáján ott tartózkodjon a Titán, ahhoz óriási szerencse kell.

 A Szaturnuszhoz közeli, közepes méretű holdak olyan közel keringenek a bolygóhoz, hogy a Szaturnusz sugárzási övezetei elérik őket. Amikor egy-egy nagyenergiájú töltött részecske belecsapódik a felszínükbe, az kémiai változást okozhat, és ettől ott a holdfelszín színe vagy a fényvisszaverő képessége megváltozhat. Ennek ellipszis alakú nyomát láthatjuk a Mimas holdról készített fotón.

A Mimas hold „füstkarikája”: a Szaturnusz sugárzási öveinek hatása a hold felszínén

A gyűrű

A Szaturnusz látványos gyűrűrendszere két független gyűrűrendszerből tevődik össze: egy sötét por- és egy fényes jég-gyűrűrendszerből, amelyek egymással is, és a Szaturnusz holdjaival is kölcsönhatnak. A Cassini szonda fotóin ezek a kölcsönhatások követhetők, spektrális méréseiből igazolható az összetétele: a helyenként tiszta por, helyenként tiszta víz, hőmérsékleti méréseiből pedig az adott gyűrűkomponens porsűrűsége is megbecsülhető.

 Azt a Jupiter körül keringő Galileo szonda vizsgálatából már tudjuk, hogy az óriásbolygók porgyűrűinek az anyagát a közelükben mozgó kis holdak porlása adja. A Cassini szonda fotói most ennek az ellenkezőjét is megmutatják: a gyűrűk poranyaga felrakódik a holdakra. Ez sokszor érdekes, diszkosz alakú formát ad a holdaknak, ha a holdak magassága nagyobb, mint a gyűrű vastagsága, s a gyűrűk síkjára merőlegesen áll a holdak forgástengelye. Ilyen esetben abból, hogy a holdak „derekára” meddig rakódik fel a por, majd meg lehet határozni a gyűrűvastagságot a holdak környezetében.

A Titán

Az is egy fontos felfedezés volt, hogy a Titán légkörében a metán ugyanolyan szerepet játszik, mint a Földön a víz. A szonda fotóin követhető a felhők keletkezése, mozgása, a bennük felhalmozódott metán záporesőszerű, 1-2 óra alatti kiürülése, és a nyári napforduló idején a lezáporozó metánesők által megöntözött dűnék elsötétülése. Az északi pólus környékén aztán megpillanthattuk a tavakat is, amelyekben összegyűlt a talaj által el nem nyelt metán. A teljes „éves” körforgás felét sikerült nyomon követni a déli félgömb nyarától az északi félgömbéig.

 A Daphnis hold a Keeler-résben

 A Titán sűrű légkörében a metánt a Nap ultraibolya sugárzása ezer km magasság környékén éri el, és itt szétbontja: a CH4-ből egy hidrogénatomot leszakít, s az megszökik. A maradék CH3-ak hosszú szénláncú szénhidrogénekké kapcsolódnak össze, és mint rózsaszín hó hullanak le a felszínre. A Naprendszer 4,5 milliárd éve alatt a lehullott rózsaszín hó néhány km vastagságban összegyűlhetett már. A lefelé hulló hóból sok szmogréteg képződik a légkörben, s ez adja a Titánnak a rózsaszínes árnyalatot. A Titán felszíne tehát egyrészt kölcsönhatásban van a troposzférával, ahonnan a metánesőt kapja, másrészt a felsőlégkörrel, ahonnan a kémiailag keletkezett szénhidrogénhó hullik.

 Az egyenlítői vidékeken nagykiterjedésű dűnemezők látszanak a Titánról készült fotókon. Ezek sötétebbé válásán lehetett nyomon követni, hogy a korábban felettük látszó felhők hirtelen eltűnése tényleg azt jelezte, hogy záporeső zúdult a felhő alatt lévő dűnemezőre.

A Phoebe 

Ez a befogott hold tulajdonképpen az első üstökösmag, amelyet közelről láthattunk. Mély becsapódásos krátere érezni engedi, hogy a holdtest szerkezete nagyon laza, szivacsszerű, összetömörítetlen. Ezt az anyagot a becsapódások inkább mélyen benyomják, mint hogy kivágnák és szétszórnák.

Az Enceladus

A repedések jelenléte egy jégholdnál, a Jupiter Europájánál már ismerős volt, de az Enceladus rétestésztaként nyúló kérge már nagyon más, az Y alakú repedésekről és a gejzírekről nem is beszélve. Nem volt érthető, hogy honnan veszi a fűtéshez az energiát ez a kicsinek számító, 400 km átmérőjű hold (ma már elfogadott, hogy az árapályfűtéstől, amelyet először magyar kutatók vetettek fel).  A „láva” anyaga a Külső-Naprendszer jégholdjainál a víz, vagy a víz és ammónia keveréke, amely alacsonyabb hőmérsékleten olvad. Itt ismerte fel a tudományos világ a kriovulkanizmus mibenlétét, és hogy ez a  fő vulkáni működés a Külső-Naprendszerben.

 Miután a Szaturnusz távolságában már nagyon gyenge a napsugárzás, az energiaellátáshoz napelemek helyett radioaktív izotópok természetes bomlásakor felszabaduló hőenergiával működő RTG-t (radioizotópos ter­mo­elekt­romos generátort) használtak, mint előtte már sok más űrszonda esetében is. Amerikában a „zöldek”, azt gondolván, hogy az RTG egy atomreaktor, nagy tüntetéseket szerveztek  a Cassini indítása ellen. Sőt azt is követelték, hogy állítsák le az akkor már repülő űrszondát.

 Akik akkor tüntettek, vajon felfogják-e most, hogy mit akartak megakadályozni?

 ILLÉS ERZSÉBET

 

2017/37