Nakon što je bez poteškoća u proljeće 2000. god. napustila asteroidni pojas, letjelica

Cassini sa sondom Huygens 30. će prosinca zakrenuti oko Jupitera. Nakon sedam godina puta, dogodit će se prvo spuštanje svemirske sonde na satelit nekog planeta.
Suvremenici smo jednog velikog pothvata u svemiru: prema dalekom Saturnovu sustavu leti Cassini, jedna od najvećih, najtežih i tehnički najsloženijih svemirskih letjelica. Na putu je već tri godine, a dolazak na cilj valja počekati još četiri godine.
Zašto Cassini leti prema Saturnu, i zašto je putovanje tako dugotrajno? Prilikom istraživanja planeta dobro se promišlja cilj, sredstvo i način izvršenja. Jupiter i njegov okoliš već ispituje svemirska letjelica Galileo koja djeluje veoma uspješno, čak iznad očekivanja. Saturn je, gledano od Zemlje, iza Jupitera, a praćen je najbrojnijom satelitskom porodicom. Njegova atmosfera mnogo je slabije poznata od Jupiterove, a njegovi su prstenovi meta od posebnog interesa, kao i najveći mu pratilac Titan. Titan je jedini satelit u Sunčevu sustavu s gustom atmosferom koja je primjetno slična Zemljinoj jer je pretežno sastavljena od dušika, a sadrži i mnoge organske molekule. Cassini će ispitivati Saturnovu atmosferu, njegov prsten, okolno magnetsko polje i radijaciju (magnetosferu), njegove najveće ledene satelite, te atmosferu i površinu Titana. Pri dolasku će se od letjelice odvojiti meteorološka sonda Huygens, proći će kroz Titanovu atmosferu i spustiti se na površinu.
Ima i drugih važnih motiva za ekspediciju, a to su razvoj tehnologije svemirskih letova, međunarodna suradnja i obrazovanje javnosti.

Odabir letjelice i putanje

Letjelica je dobila ime po astronomu Giovanniju Domenicu Cassiniju, članu porodice koja je dala više istaknutih astronoma. Otkrio je pukotinu u Saturnovu prstenu i četiri Saturnova satelita. Sonda je pak nazvana po Christianu Huygensu, znanstveniku koji je ustanovio postojanje Saturnova prstena te otkrio Titan.
Veličina i složenost letjelice, putanja do Saturna (dva puta udaljenijeg nego Jupiter) i raketni pogon jako su dobro promišljeni. Letjelica Cassini je zajedno s Huygensom dugačka 6,8 m a široka 4 m. S početnim gorivom ima masu od 5,6 tona. Na orbiter Cassini otpada 2150 kg, sondu Huygens 350 kg, a ostatak od preko 3 tone predstavlja mlazno gorivo. Brod i pripadne instrumente trebalo je uklopiti u granicama moguće mase koju podiže i izbacuje najsnažniji suvremeni raketni sustav Titan IV/Centaur. Izabrana je putanja na kojoj će letjelica provesti 7 godina, iako je putovanje moguće skratiti na 4 godine, ali s raketnim sustavom kakav bi tek trebalo izgraditi. Što je najvažnije, odabrana putanja usklađena je s povoljnom konfiguracijom planetâ među kojima se letjelica kreće i čije gravitacijsko polje koristi putem "učinka praćke" (vidi Galileo u sustavu Jupitera, I. dio, DZ 36). Pri zakretu letjelice oko planeta letjelici se dodaje energija i povećava staza. S četiri takva zakreta - dva puta oko Venere, jednom oko Zemlje i jednom oko Jupitera - ušteđeno je stotinjak tona goriva! Naravno, zbog složene putanje i let se odužuje. No bez učinka praćke, najsnažniji raketni sustav ne bi letjelicu mogao odaslati do Saturna. Upotrijebljena raketa ima masu od 940 t, od čega 840 t otpada na gorivo. Ista je raketa izbacivala i Voyagere, koji su Saturn ispitivali god. 1980. i 1981., no oni su imali masu od samo 800 kg.
Letjelica Cassini lansirana je 15. listopada 1997.; period pogodan za lansiranje trajao je od 6. listopada do 4. studenog. Pogon motora kojim je letjelica stavljena u parkirnu stazu oko Zemlje trajao je 12 minuta, nakon čega je letjelica 15 minuta letjela u toj prvoj stazi. Zatim je 8 minuta djelovao raketni pogon posljednjeg stupnja odnosno Centaura, koji se nakon toga odvojio od letjelice, a ona je poletjela u smjeru Venere. Prije samog odvajanja, Centaur je pomogao da se Cassini tako orijentira da mu se glavna, velika antena usmjeri točno u Sunce i služi kao toplinska zaštita čitavoj letjelici. Kako Cassini na svojem putu prolazi kroz različite toplinske režime, kad se približi Suncu jako se zagrije; na položaju Saturna primat će stotinu puta manje Sunčeva zračenja nego u Zemljinoj blizini. Odmah nakon zaleta prema Veneri, sa svemirskim brodom uspostavljena je veza putem Mreže dalekog svemira, koja koristi usluge velikih svjetskih radioteleskopa. Veličini putanje prilagođen je komunikacijski i navigacijski sustav. Navigacijskom je sustavu zadaća da omogući točno održavanje kursa, postavljanje letjelice u stazu oko Saturna, te orijentaciju za vrijeme djelovanja znanstvenih uređaja. Za male promjene kursa i orijentaciju letjelice koriste se mlaznice na letjelici, a za veće promjene staze, učinak praćke na Saturnu i njegovu najvećem satelitu Titanu.
Uređaji na Cassiniju uvelike će djelovati autonomno. One četiri godine koje će Cassini obilaziti oko Saturna, od Zemlje će biti na udaljenosti deseterostruko većoj od one na kojoj se Zemlja okreće oko Sunca. Tu će udaljenost radioval prelaziti za više od jednog sata, pa operater neće s instrumentima upravljati u realnom vremenu; kašnjenje reakcije iznosi tri sata! S uređajima će se moći izmjenjivati informacije tek nekoliko puta na dan.
Do Saturna će Cassini prijeći 3,2 milijarde kilometara, a u četiri godine aktivnog boravka u putanjama oko Saturna i njegovih satelita još 1,7 milijardi kilometara. Za ovu ekspediciju svi uređaji moraju odgovoriti zahtjevima velike udaljenosti Saturna od Zemlje i Sunca, zahtjevima trajanja ekspedicije od barem jedanaest godina, složenosti i obujmu znanstvenih operacija. Zbog male snage Sunčeva zračenja, kao izvori električne struje ne koriste se fotoćelije, jer bi paneli s ćelijama morali biti nepraktično veliki. Struja nastaje u termoelektričnom generatoru koji toplinu dobiva raspadom radioaktivnog elementa plutonija. Snaga generatora će nakon 11 godina rada iznositi 630 W. Radi autonomnog djelovanja sonde Huygens u spustu na Titan, sonda je snabdjevena akumulatorom od 1800 Wh.
Danas je Cassini na putu prema Jupiteru, kamo bi trebao stići koncem godine. Pokraj Zemlje letjelica je prošla brzinom od 19 km/s, a kada dostigne Saturn brzina će joj pasti na 5,2 km/s. Sredinom prosinca 1999. godine letjelica je ušla u asteroidni pojas, a u sigurnom letu i bez posebnih uzbuđenja napustila ga je u travnju. Pritom je opazila samo jedan asteroid, 2685 Masursky, o kojemu je 23. siječnja ove godine astronomima dojavila zanimljive podatke.

Saturnova atmosfera i prstenovi

Saturnova je atmosfera na nižoj temperaturi od Jupiterove i oblaci se formiraju dublje u atmosferi. Zato se s našeg dalekog položaja slabo uočavaju. Podvrgnuta je snažnim gibanjima, pa u području ekvatora pušu vjetrovi u istom smjeru u kojem se planet obrće, brzinom od 500 m/s. Jedan od ciljeva istraživanja je izučavanje karaktera gibanja atmosfere. Na Cassiniju se nalaze optički uređaji za snimanje panorame, za bilježenje infracrvenog zračenja atmosfere kojim se ustanovljuje kretanje temperature po dubini, za snimanje spektara i za određivanje kemijskog sastava atmosfere. Tu su i uređaji za prijam radiovalova i mikrovalova, te za detekciju u ioniziranom plinu (plazmatskih valova), električnih polja, magnetskog polja, kozmičke prašine, atoma i molekula.
Viši dijelovi atmosfere su pod utjecajem zbivanja u neposrednoj Saturnovoj okolini, a osobit utjecaj na atmosferu ima znameniti prsten. Na polumjer Saturna od 60 000 km nadovezuje se još 74 000 km vidljivog dijela prstena. Prsten odbija Sunčevo zračenje i kao reflektor osvjetljava pojedine dijelove Saturna. Na njega djeluju okolna električna i magnetska polja. Razdijeljen je u više dijelova, a jasno ih se raspoznaje sedam; označeni su slovima od A do G. Ispitivanje Saturna i prstenova obavljat će se iz letjelice kojoj će se mijenjati nagib putanje u odnosu na planetski ekvator i polove i koristit će se tzv. okultacije kada visoka atmosfera, prstenovi, planet i Titan letjelici zaklone Sunce, zvijezde i Zemlju. Oblik prstenova viđenih sa Zemlje mijenja se u intervalu od 15 godina, pa se oni u tim razmacima postave sječimice i izgube iz vida. Zanimljivo je da je za vrijeme takvih događaja otkriveno najviše Saturnovih satelita (13), jer ih nije zakrivalo blještanje prstenova. Sljedeće takve pojave zbit će se 2009. i 2025., no tada će Saturn biti u nepovoljnom položaju za promatranje sa Zemlje, skriven na nebu u Sunčevoj blizini, pa će promatrači sa Zemlje u događaju sudjelovati tek 2038. godine. Prilikom posljednjeg "nestanka" prstenova (1995.) bilo je dojava o četiri nova satelita, no kasnije se ispostavilo da su dva od njih već poznata, a druga dva bila su slučajne nakupine stijena iz prstenova. Cassini će prstenove snimati iz mnogo uglova te provjeriti jesu li u njima skriveni još neki sateliti.
Veoma su zanimljivi i Saturnovi polarni krajevi jer se u njima javlja polarna svjetlost. Sam Saturn zrači snažne kilometarske radiovalove.

Saturnova magnetosfera

Saturnova magnetosfera pruža se na suprotnu stranu od Sunca, dalje od posljednjeg satelita. U njezinu je području smještena cijela Titanova staza. Magnetosfera nastaje međudjelovanjem magnetskog polja planeta sa Sunčevim vjetrom i uz pomoć isparenja sa vlastitih satelita. Među njima je najjači izvor plinova Titan, čiji atomi ulaze u pojedine dijelove magnetosfere. Ova je magnetosfera manja od Jupiterove i ima manju gustoću središnjih dijelova jer doprinos Titanovih plinova nije jednako bogat kao doprinos plinova Jupiterovoj magnetosferi sa satelita Io.
Jezgre i elektroni atoma vodika i helija stižu u Sunčevu vjetru brzinom većom od brzine zvuka te oko Saturnove visoke atmosfere oblikuju udarni val. U Sunčevu vjetru ugrađeno je i Sunčevo magnetsko polje, čija granica doseže do magnetopauze. Područje unutar magnetopauze naziva se magnetosferom. Zbog naglog zaustavljanja, plin pristigao sa Sunca zagrijava se i potom još ubrzan ugrađuje u magnetosferu. Zato se u njoj nalaze energetska čestična zračenja, čestična radijacija, koja može biti pogubna i za astronaute i za fine elektroničke aparature. Uz radijacijske pojaseve javlja se i tok struje u obliku prstena. Toj prstenastoj struji najviše doprinosi plin ponekog satelita, u ovom slučaju Titana. Pri čestim pojačanjima Sunčeva vjetra, iz dalekih dijelova magnetosfere pojure elektrizirane čestice prema planetu izazivajući pojavu polarne svjetlosti. Poznavanje različitih i složenih procesa u magnetosferskoj plazmi jedan je od osnovnih zadataka Cassinija, nužan u rasvjetljavanju nastanka, razvoja i promjena planetske okoline.
Mnogo još ima nepoznatih pojedinosti međudjelovanja satelita i Sunčeva vjetra s magnetskim poljem planeta, pa će upoznavanje Saturnova slučaja pomoći i boljem upoznavanju Zemljine magnetosfere, upoznavanje mehanizama polarne svjetlosti i struja u visokoj atmosferi, te promjenljivosti geomagnetskog polja. Magnetsko i električno polje predstavlja okolinu u kojoj se odvijaju biološki procesi i o kojoj ovisi i čovjek.

Saturnovi ledeni sateliti

Saturn ima 18 satelita, od kojih osam velikih, s promjerom od 400 i više kilometara. Osim Hiperiona i Febe, vrijeme vrtnje svih drugih satelita izjednačeno je s vremenom obilaska, pa su uvijek istom stranom upereni u Saturn; to je tzv. sinkrona vrtnja. Najveći je Titan (promjera 5150 km), drugi u Sunčevom sustavu poslije Jupiterova satelita Ganimeda. Svi su sateliti - osim Titana, čija je građa ustvari slična građi planeta - smrznute nakupine stjenovita materijala s mnogo vode, kako se zaključuje na temelju njihove male prosječne gustoće. Ona se kreće od 1,0 do 1,4 (u jedinicama gustoće vode). Najveću gustoću ima Diona, pa za njom Rea. Objema se polutke razlikuju na čeonoj i stražnjoj strani putanje. Čeona polutka pokazuje brojne kratere i jednolike je svjetline. Polutka začelja išarana je svijetlim trakama na tamnoj pozadini i pokazuje malo kratera. Pretpostavivši da je do sinkronizacije vrtnje s obilaskom došlo ubrzo nakon nastanka tijela, u ranoj razvojnoj eri kada je vulkanizam bio veoma raširen, površina je išarana vulkanskim erupcijama, a naknadno su udari malih tijela tu površinu naselili brojnim kraterima i tako je ujednačili, ali samo na čeonoj polovici koja je udare pretežno i trpjela. Rea je kraterima toliko izbrazdana da za nove više nema mjesta. Iako se krateri jasno vide, reljef je s vremenom zaravnjen zbog slabe nosivosti kore, pa nema velikih visinskih razlika. Neveliki satelit Encelad giba se u rijetkom Saturnovu prstenu E i vjerojatno su čestice prstena raspršene s njegove površine. Površina Encelada je veoma svijetla, i praktički odbija svu svjetlost koju prima. Pretpostavlja se da posjeduje izvor topline koja povremeno smanjuje čvrstoću kore, u njoj se javljaju gejziri, čija tekućina se smrzava i prekriva površinu mijenjajući joj izgled.

Spust na Titan

Titan je svemirsko tijelo manje od Marsa i veće od Merkura. Ima gustu atmosferu od dušika, s malo metana i argona. Zrak je na njemu pet puta veće gustoće nego onaj koji udišemo, tlak je tek nešto veći nego na Zemlji. Na njegovoj bismo se temperaturi sasvim sigurno zamrznuli, jer iznosi -180 °C. Fizički uvjeti na njemu dozvoljavaju da organske molekule, metan i druge, oblikuju oblake i kišu, da se ukapljuju i tvore jezera ili oceane. Raznovrsne organske molekule, stvorene Sunčevom svjetlošću pri vrhu atmosfere, propadaju kroz atmosferu i sliježu se na tlo. Do tla pristiže veoma malo vidljive svjetlosti, ne vidi se ni Sunce niti matični planet. Iznad guste atmosfere lebdi sloj sumaglice.
Do kemijskih i geoloških pretvorbi može pri tlu doći jedino kad se ono zagrije udarom meteorita ili vulkanskim erupcijama. Ako ne danas, vulkanske su erupcije oblikovale površinu prije nekoliko milijardi godina, ali ima mišljenja da su i nedavno postojali periodi u kojima su meteorološki uvjeti bili pogodniji za razvoj života. I danas je materijal tla u stalnoj interakciji s atmosferskim sastojcima i eventualnim oborinama. Tko zna kakve se sve organske molekule ovdje formiraju!
Ispitivanje Titana jedna je od najvažnijih znanstvenih zadaća misije letjelice Cassini. Treba ispitati gornju atmosferu i ionosferu, ustanoviti sastav atmosfere, razdiobu njezinih manjinskih sastojaka, posebno organskih, te izotopni sastav plemenitih plinova koji je važan za razumijevanje nastanka i razvoja planeta. Treba ustanoviti izvore kemijske energije, istražiti svojstva čestica od kojih su izgrađeni oblaci, mjeriti vjetar i temperaturu te ustanoviti globalnu atmosfersku cirkulaciju i svojstva tla te procijeniti građu unutrašnjosti.
Posebna je tema interakcija atmosfere s tlom, ovisno o geološkim svojstvima i sezonskim promjenama.
A što je sa životom? Proces nastanka života još uvijek ne razumijemo. Jedan od ciljeva ove misije je upoznavanje širokog razmaha uvjeta u kojima se javljaju i opstaju organske molekule, koje jesu osnova života. Kemijski ciklusi koji se danas odvijaju na Titanu mogu ponavljati iste one korake koji su se pri nastanku Zemlje odvijali na njoj ili u njezinoj neposrednoj planetskoj okolini. Život je imao važnu ulogu u razvoju Zemlje. Uz Mars i Jupiterovu Europu, Titan je treće tijelo planetskog sustava u čijim njedrima očekujemo elementarne dijelove od kojih su sagrađeni živi organizmi. Treba se pripremiti na velika iznenađenja.
Poseban trenutak u misiji letjelice Cassini bit će spust sonde na Titanovo tlo. Nakon sedam godina hibernacije (neaktivnosti) - tri tjedna prije spusta na osunčanu, dnevnu stranu satelita - obavit će se provjera svih njezinih dijelova i uređaja. Pri odvajanju od orbitera sonda će se zavrtjeti da bi se osigurao njezin stalan položaj u prostoru. Na orbiteru su smješteni uređaji koji će pratiti stazu sonde i prihvaćati njezine emisije. Sonda će se konačno "probuditi" 15 minuta prije ulaska u atmosferu. Ona se sastoji od toplinskog štita, prednjeg štita, stražnjeg poklopca, odjeljka za padobrane i modula sa znanstvenim instrumentima. Brzinom od 61 km/s ući će u atmosferu, pa će se za tri minute trenjem usporiti na 400 m/s ali i zagrijati na 12 000 stupnjeva, što je dva puta više od Sunčeve temperature. Konstrukcija sonde i mjerni uređaji izvedeni su tako da izdrže usporenje 16 puta veće od ubrzanja slobodnog pada. Pri silasku se koriste tri padobrana. Glavna istraživačka faza planirana je u trajanju od 153 minute, gdje posljednje 3 minute znače djelovanje na tlu. Zalihe energije predviđene su i za eventualno produženje od pola sata!
Sonda je fizikalni i kemijski znanstveni laboratorij. U svrhu analize, pečenjem će se rastavljati složeni spojevi, a koristit će se i plinski kromatograf; mjerit će se masa atoma i molekula. Za vrijeme spusta bit će vremena za više analiza. U slučaju uspješnog prizemljenja, isti će uređaji ispitati sastav i građu tla tako što će u zagrijane otvore uvlačiti raspršene čestice tla. Poseban je komplet uređaja namijenjen trominutnom ispitivanju površine, bez obzira je li ona čvrsta ili tekuća. Na visini od 100 m aktivirat će se akustička sonda za mjerenje visine, brzine spusta, hrapavosti površine, valova na njoj, te brzine prostiranja zvuka. Usto će se mjeriti gustoća, tlak i temperatura zraka, brzina vjetra, električna svojstva atmosfere i tla. Ugrađeni su i uređaji za mjerenje jakosti svjetlosti, za snimanje horizonta i mjesta spusta, a u posljednji trenutak prije doticanja tla upalit će se svjetiljka koja će tlo dodatno obasjati da bi se olakšao rad optičkih uređaja.