Таємниця кілець шостої планети. Історія вивчення Сатурна

Сатурн часто називають найкрасивішою планетою Сонячної системи. І щоб зрозуміти, чому, досить побачити будь-яку його фотографію або подивитися на нього навіть у відносно невеликий телескоп. Знамениті кільця надають йому особливого шарму, якого не має жодне інше тіло Сонячної системи.

Сьогодні поговоримо про те, як людство вивчало шосту планету від Сонця, і як космічні апарати зуміли розкрити таємницю її знаменитих кілець.

Планета на краю світобудови

Сатурн добре видно на небі неозброєним оком, тож про його існування було відомо з незапам’ятних часів. Протягом багатьох століть його вважали планетою на краю світобудови, за якою починалася сфера нерухомих зір.

Першою людиною, яка поглянула на Сатурн у телескоп, став Галілео Галілей. Побачене вельми збентежило італійського астронома. Виявилося, що у планети є “вуха” — дві дивні плями по обидва боки її диска. Не знайшовши кращого пояснення, Галілей припустив, що у Сатурна є два дуже великих супутники. А коли через два роки італійський астроном знову подивився на планету, на нього чекало справжнє потрясіння: побачені ним “супутники” кудись зникли. До кінця свого життя Галілей так і не знайшов розгадку цієї пропажі.

Таємницю зниклих компаньйонів Сатурна розкрили лише 1655 року, коли Крістіан Гюйгенс здійснив спостереження планети потужнішим телескопом. Виявилося, що та оточена кільцями. На жаль, телескоп Галілея був занадто слабкий, аби дослідник міг зрозуміти, що роздивляється саме на кільця. До того ж не варто забувати, що вчені тієї епохи в принципі не знали, що у планет можуть бути такі “прикраси”. Що стосується їхнього подальшого “зникнення”, воно пояснюється тим, що час від часу Сатурн повертається до Землі таким чином, що його кільця стають видні з ребра. У такі періоди їх дуже складно розгледіти навіть у потужний телескоп, не кажучи вже про примітивні інструменти початку XVII століття.

Крім кілець, Гюйгенс виявив, що у планети є супутник. Його назвали Титаном. Зараз ми знаємо, що це другий за розмірами супутник планети Сонячної системи. Титан менший за Ганімед, але більший за Меркурій.

У міру появи потужніших телескопів з’явилися нові відкриття. Стало зрозуміло, що Сатурн нагадує Юпітер і теж є газовим гігантом. З’ясувалося, що в кільцях Сатурна є кілька проміжків. Також було поступово знайдено низку нових супутників планети.

Одне з найприкметніших відкриттів відбулося 1899 року, коли астрономи натрапили на супутник Фебу. Воно важливе з кількох причин. Феба стала першим в історії супутником, виявленим за допомогою фотографії. Крім того, вона була першим відкритим нерегулярним супутником планети. Річ у тім, що Феба рухається ретроградною орбітою. Це свідчить, що вона не сформувалася разом із Сатурном, а була захоплена його гравітацією. До її виявлення в астрономів не було доказів, що такий сценарій можливий.

Наступне важливе відкриття відбулося 1944 року, коли з’ясувалося, що Титан має щільну атмосферу. Це унікальна особливість не тільки для супутників Сатурна, а й у принципі для всіх супутників планет Сонячної системи.

Перша спроба

У наші дні вже мало хто пам’ятає, що першим космічним апаратом, який відвідав Сатурн, був зонд Pioneer 11. Це пов’язано з тим, що всі його досягнення незабаром перевершили набагато досконаліші апарати Voyager. Проте першопрохідником виявився саме Pioneer 11.

Варто сказати, що спочатку апарат взагалі не планували відправляти до Сатурна. Зонд мав обмежитися лише вивченням Юпітера. Але вже після його запуску в NASA вирішили змінити план польоту і використати гравітаційний маневр, щоб від Юпітера направити Pioneer 11 до Сатурна.

Таким чином аерокосмічна адміністрація збиралася вбити одразу двох зайців. По-перше, Pioneer 11 давав змогу відпрацювати процедуру виконання гравітаційного маневру. По-друге, апарат мав пролетіти крізь площину кілець Сатурна і перевірити їхню “прохідність” (через побоювання, що вона може виявитися заповненою частинками, які становлять загрозу космічній техніці). Якби Pioneer 11 не пережив зустріч із Сатурном, NASA змінило б траєкторію польоту Voyager.

Але все обійшлося. Pioneer 11 успішно пройшов через площину кілець Сатурна, довівши її безпеку. Апарат міг загинути з іншої причини: він мало не зіткнувся з раніше невідомим супутником планети, який пізніше назвали Епіметей. Pioneer 11 також зробив низку знімків, але через низьку роздільну здатність вони не допомогли здійснити жодних істотних відкриттів.

Візит Voyager

Через два роки після візиту Pioneer 11 до Сатурна прибула важка артилерія у вигляді пари зондів Voyager. Вони мали потужніші джерела живлення і досконаліші наукові інструменти, тож гучні відкриття не змусили на себе довго чекати.

Знімки Voyager показали, що кільця шостої планети влаштовані набагато складніше, ніж вважалося раніше, і насправді складаються із сотень невеликих кілець. Було відкрито і так звані супутники-пастухи — маленькі місяці, гравітація яких впливає на кільця й утримує воєдино їхні частинки.

Зонди провели детальну зйомку всіх основних супутників Сатурна, а також відкрили кілька раніше невідомих місяців. Виявилося, що завдяки великому кратеру Мімас нагадує Зірку Смерті із “Зоряних воєн”, тоді як півкулі Япета мають радикально різне забарвлення. Також з’ясувалося, що супутники Епіметей і Янус час від часу обмінюються своїми орбітами. Це унікальний випадок для Сонячної системи. Найімовірніше, в далекому минулому вони були єдиним тілом, яке згодом розкололося на два великих уламки.

Вчені покладали дуже великі надії на знімки Титана. До того моменту вже було відомо, що його атмосфера надто холодна, щоб на супутнику могли існувати звичні нам форми життя. Проте всіх дуже цікавило, що ж знаходиться на поверхні. Однак, коли астрономи отримали довгоочікувані знімки Титана, то пережили велике розчарування. Стало очевидно, що через вуглеводневий серпанок його атмосфера повністю непрозора у видимому спектрі, тож парі апаратів так і не вдалося дізнатися, що ж саме ховається внизу.

Утім, дані Voyager вказали на вельми інтригуючу можливість. Виявляється, температура на поверхні Титана близька до потрійної точки, за якої речовина може одночасно існувати в рідкому, твердому і газоподібному стані. Ось тільки якщо на Землі такою речовиною є вода, то на Титані її роль може виконувати метан.

Візити космічних посланців також дали змогу уточнити розміри і масу планети. За трохи меншого, ніж у Юпітера, діаметра в 116 000 км, маса Сатурна лише в 95 разів перевершує масу Землі. Через це він є найменш щільною планетою Сонячної системи. Середня щільність Сатурна становить лише 0,68 г/см³, що менше за щільність води.

Місія Voyager дала багато відповідей, але водночас поставила і низку нових запитань. Як саме сформувалися кільця Сатурна і який їхній вік? Чому багато супутників планети такі дивні? І, нарешті, що ж ховається на поверхні Титана? Чи справді там течуть метанові річки або це лише красива фантазія?

Отримати відповіді на всі ці запитання можна було лише одним способом. Для цього потрібно було відправити до Сатурна нову місію, яка вийшла б на постійну орбіту навколо планети, маючи досить потужні інструменти, щоб пробитися крізь вуглеводневий серпанок Титана і дізнатися, що ж ховається внизу.

Тріумф Cassini

Розробка нової місії до Сатурна почалася ще у першій половині 1980-х. Вона отримала назву Cassini. Зважаючи на технічну складність і масштаб поставлених завдань, від самого початку це був міжнародний проєкт, у якому брали участь NASA і ESA. Американська сторона відповідала за будівництво орбітального апарата, тоді як європейці взяли на себе створення зонда, який мав здійснити посадку на Титан. Його назвали Huygens.

Cassini виявився досить проблемним проєктом. Створення апарата затьмарилося перевитратою коштів, через що його кілька разів ледь не позбавили фінансування, суперечками між NASA і ESA, а також протестами екоактивістів, яким дуже не сподобалося, що на його борту було розміщено ядерне джерело живлення. Проте в листопаді 1997-го Cassini все ж покинув Землю. Далі апарат виконав серію гравітаційних маневрів, які направили його до Сатурна. Cassini досяг його 2004 року.

Хоча створення Cassini і супроводжувалося протиріччями, апарат практично бездоганно виконав свою наукову програму, ставши зразком для наслідування конструкторів майбутніх космічних місій. Одне з перших важливих відкриттів було зроблено, коли Cassini ще тільки виходив на орбіту навколо Сатурна. Апарат здійснив близький проліт Феби і встановив, що вона являє собою не захоплений гравітацією Сатурна астероїд, а об’єкт, який спочатку сформувався в поясі Койпера.

Наприкінці 2004 року від Cassini відокремився зонд Huygens. Він виконав історичну посадку на Титан 14 січня 2005 року. Передані зондом знімки продемонстрували складний рельєф із ділянками, що нагадують русла річок і берегову лінію. На фотографіях з поверхні можна було побачити округлі камені зі слідами впливу рідини. Крім того, Huygens зробив перший в історії запис звуків атмосфери Титана.

У наступні роки Cassini виконав безліч близьких прольотів Титана. Завдяки наявності радара та інфрачервоної камери йому вдалося картографувати більшу частину поверхні супутника. Дані Cassini підтвердили найсміливіші припущення вчених. На Титані дійсно є рідина у вигляді суміші метану й етану. На супутнику йдуть дощі і можуть текти річки, а навколо північного полюса сконцентрована ціла низка вуглеводневих озер, найбільше з яких за площею можна порівняти з Каспійським морем. Також дані Cassini вказали на те, що в надрах Титана може ховатися океан, що складається з води, аміаку і різних солей.

Другою великою сенсацією став Енцелад. До Cassini цей 500-кілометровий супутник не привертав особливої уваги вчених. Але вже після першого візиту апарата все змінилося. Виявилося, що Енцелад є одним із найбільш геологічно активних тіл Сонячної системи. Його південний полюс густо всіяний гейзерами, які постійно викидають у космос воду. Вони настільки активні, що сформували навколо Сатурна ціле кільце.

Вода, що викидається гейзерами, надходить із прихованого в надрах Енцелада океану, чия глибина оцінюється в 10 км. За час своєї місії Cassini кілька разів пролітав через викиди, аналізуючи їхній хімічний склад. Йому вдалося виявити солі, органічні сполуки та речовини, які вказують, що в океані Енцелада тривають активні гідротермальні процеси. Через це зараз зазначений супутник вважається одним із найперспективніших місць у Сонячній системі для пошуку позаземного життя.

Знайшлася відповідь і на загадку двох півкуль Япета. Виявилося, що вся проблема в пилюці, що вибивається з поверхні інших супутників Сатурна. Вона осідає на одній з півкуль Япета, через що та нагрівається сильніше за чисті ділянки. У результаті лід із неї випаровується і конденсується там, де температура поверхні нижча.

Чимало сюрпризів подарував і Сатурн. Cassini сфотографував украй незвичайний вихор шестикутної форми на північному полюсі планети. Його назвали гексагоном. Діаметр вихору становить 25 000 км, що приблизно вдвічі більше за діаметр Землі. Періодично гексагон змінює свій колір. Коли в північну півкулю Сатурна прийшло літо, він змінив забарвлення з темно-синього на золотисте. Вчені пов’язують це із тим, що збільшення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання запустило фотохімічні реакції в атмосфері, які й змінили колір шторму.

Звичайно ж, Cassini не залишив без уваги кільця Сатурна. За роки своєї місії він зробив безліч вражаючих знімків, які показали, що ті влаштовані ще складніше, ніж уважалося раніше. Під дією гравітації супутників у них регулярно формуються вельми химерні структури — завихрення, хвилі, злами, петлі тощо.

Саме Cassini знайшов відповідь на запитання, яке давно цікавило астрономів: якого віку кільця Сатурна? Довгі роки в науковому середовищі існували дві основні гіпотези. Згідно з першою, кільця є ровесниками самої планети і сформувалися одночасно з нею. Альтернативне пояснення полягало в тому, що кільця значно молодші за Сатурн і виникли внаслідок руйнування одного з його крижаних супутників.

До візиту Cassini більшість астрономів схилялися до першої гіпотези. Але Cassini спростував її. Апарату вдалося вперше визначити масу кілець, а також виявити крижаний дощ, що випадає на Сатурн і складається з їхньої речовини.

Розрахувавши швидкість втрати речовини, астрономи зуміли визначити приблизний вік кілець Сатурна. Виявилося, що він не перевищує 400 млн років. Тобто, кільця Сатурна цілком можуть бути ровесниками динозаврів. Що стосується часу існування, який їм залишився, то він оцінюється в кілька сотень мільйонів років.

Місія Cassini завершилася 2017 року. Щоб уникнути, нехай і вельми невеликої, імовірності його зіткнення з одним із супутників Сатурна і занесення на поверхню земних мікробів, NASA ухвалило рішення направити станцію в атмосферу газового гіганта. Це сталося 15 вересня 2017 року.

Попри те, що відтоді минуло вже шість років, якоюсь мірою місія Cassini все ще триває. Протягом вивчення Сатурна апарат передав на Землю такий значний обсяг даних, що їхній аналіз відбуватиметься ще багато-багато років.

Дрон для Титана

Наразі в системі Сатурна немає жодного функціонуючого космічного апарата. Ситуація має змінитися в середині 2030-х, коли до нього прибуде місія Dragonfly. Її метою є висадка на Титан літального апарата.

Створенням Dragonfly займаються Лабораторія прикладної фізики університету Джона Гопкінса. Конструктивно він являє собою 450-кілограмовий октокоптер, оснащений чотирма подвійними гвинтами, які дадуть йому змогу переміщатися в атмосфері Титана зі швидкістю близько 36 км/год і підійматися на висоту до 8 км. Енергопостачання дрона здійснюватиметься шляхом радіоізотопного джерела живлення. Таким чином воно не залежатиме від місцевої погоди (середня температура на поверхні супутника становить 180°C).

Основне завдання апарата полягатиме в пошуку складних органічних молекул і оцінці загальної придатності Титана для життя. Дрон зможе збирати зразки з титаніанської поверхні і проводити їхній хімічний аналіз. Також Dragonfly вивчатиме рельєф супутника, його атмосферу і вуглеводневі резервуари.

Наразі запуск Dragonfly заплановано на 2027 рік, прибуття до Титана — у 2034-му. Як місце посадки дрона обрано регіон Шангрі-Ла, розташований у районі екватора Титана. Він являє собою велику рівнину, вкриту досить високими дюнами. Вважається, що вони складаються з крупинок складних вуглеводнів, що осіли з атмосфери супутника.

На сьогодні Dragonfly є єдиною офіційно затвердженою місією, яка вирушить до Сатурна найближчими роками. Але існує ще безліч проєктів, які з часом можуть отримати зелене світло. Метою більшості з них є астробіологічні дослідження Енцелада. Наявність на супутнику гейзерів відкриває досить привабливу можливість дослідження їхніх викидів на предмет пошуку слідів життя без необхідності посадки на саму поверхню і подальшого буріння льоду, щоб дістатися океану.

Звичайно, Cassini вже вивчав викиди гейзерів Енцелада. Але варто розуміти, що його конструктори не передбачали таку можливість, і інструментарій апарата не був заточений на астробіологічні дослідження. Спеціалізована ж місія зможе провести детальний аналіз води з океану Енцелада і дати відповідь на запитання щодо його придатності до життя.

Також у надрах NASA існує проєкт щодо відправлення на Сатурн зонда, який здійснить спуск у його атмосферу і проведе низку спеціалізованих досліджень. Наразі він є одним із претендентів на отримання фінансування в межах нового відбору за програмою New Frontiers. У разі схвалення проєкту атмосферного зонда його можуть запустити в середині наступного десятиліття, і він досягне Сатурна десь на початку 2040-х років.