Cassini/Huygens - Rejsen til Saturn

Dansk Rumfart nr. 61 – oktober 2004

Cassini/Huygens - Rejsen til Saturn

Fig 1. Saturn taget fra Cassini/Huygens den 16. maj 2004 med Cassini/Huygens nærfeltskamera. Cassini er 24.3 millioner km fra Satrun og på dette tidspunkt resterer 36 dage inden ankomsten til Saturn. Cassini har to kameraer: et vidvinkel- og et nærfeltskamera. Billedet er taget med nærfeltskameraet under anvendelse af tre filtre (rød, grøn og blå), og er taget under en indfaldsvinklen på 13° under ækvator. Enceladus, en af Saturns 31 kendte måner, ses i nærheden af den sydlige pol i bunden af billedet. Foto: ESA/NASA.

Saturn er en af de 5 klassiske planeter, der har været kendt siden antikken. Således findes der nogle hieroglyffer “Horus himlens tyr”, der betyder planeten Saturn på oldægyptisk. Indtil William Herschels opdagelse af planeten Uranus i 1781 var Saturn endvidere den yderste af de kendte planeter. Saturn er samtidig den næststørste planet med en diameter på 120.000 kilometer ved ækvator. Men den er nok mest kendt som planeten med ringene. Saturns ringe blev observeret allerede af Galileo i 1600-tallet; men der gik en del år før det blev klart, at det drejede sig om ringe. Indtil det i 1977 blev opdaget, at også Uranus har ringe, blev Saturns ringe anset for noget yderst eksotisk. I 1979 blev det opdaget, at den største planet i solsystemet, Jupiter, også har et ringsystem. Saturns ringe gør sig dog endnu bemærket ved at være usædvanligt omfangsringe.

Allerede i 1600-tallet blev der opdaget 5 måner omkring Saturn, hvoraf den vigtigste var Titan, der endvidere har vist sig at være den eneste måne i systemet med en tæt atmosfære. Samtidig er Titan den næststørste måne i solsystemet kun overgået af Jupitermånen Ganymedes. Titan tilhører dermed gruppen af de 7 kæmpemåner i solsystemet.

Historisk baggrund
Saturn har haft besøg af 3 rumsonder: Pioneer 11 passerede som den første rumsonde Saturn den 1. september 1979. Voyager 1 passerede Saturn den 12. november 1980 og Voyager 2 passerede Saturn den 25. august 1981. Kameraerne var væsentlig bedre på Voyager-sonderne, hvorfor det meste af vores viden om Saturn stammer fra disse to rumsonders korte passage af Saturn-systemet. Voyager 2 fløj videre imod Uranus, mens Voyager 1 fløj tæt forbi Titan for at tage nærbilleder at månen; men Titan viste sig at være dækket af et tykt skydække.

Fig 2. Opsendelsen af Cassini/Huygens skete den 15. oktober 1997 kl. 09.43 (dansk normal tid) med en Titan IV-raket fra Cape Canaveral, Florida. Foto: NASA

I begyndelsen af 1970-ernes foretog NASA en række bemandede missioner til Månen og senere til rumstationen Skylab. På det tidspunkt blev der imidlertid skåret kraftigt i bevillingerne og ikke mindst i de bemandede rummissioner. Mens mange af de store planer om ikke mindst bemandede rejser til Mars blev sløjfet, fik mange af planerne om ubemandede lov at fortsætte. Et eksempel på en sådan mission var den just afsluttede Jupitermission Galileo. Et andet eksempel er Cassini/Huygens-missionen, der også kan føres helt tilbage til 1970-erne. Oprindeligt var det planen at opsende Cassini i januar 1987, men der indløb mange forsinkelser undervejs ikke mindst i forbindelse med rumfærgen Challengers forlis i 1986.

Cassini har hele vejen været et samarbejde mellem NASA og ESA, hvor ESA lavede en lille sonde kaldet Huygens, der skulle lande på månen Titan. NASA skulle så stå for resten af missionen. Så endelig den 15. oktober 1997 blev Cassini/Huygens sendt afsted med en Titan IVB-raket, hvor Centaur var øverste trin. Det var med mere end 10 års forsinkelse.

Cassinni/Huygens skulle gennem en række gravity-assist-manøvrer for at få fart nok på til at nå Saturn. Den første skete den 26. april 1998, hvor sonden passerede planeten Venus. Den 24. juni 1999 passerede sonden Venus endnu en gang. Den 18. august passerede sonden Jorden og den 30. december 2000 passerede Cassini/Hyugens planeten Jupiter.

Fig 3. Cassini/Huygens affyrer sin raket under indtræden I kredsløb om Saturn. Illustration: NASA.

Ankomst til Saturn
Den 1. juli 2004 ankom Cassini/Huygens til Saturn og gik i bane om den. Den 26. oktober 2004 og 13. december 2004 passerer sonden månen Titan. Igen 25. december 2004 vil Cassini passere Titan og sonden Huygens vil blive frigjort for at lande på Titan. Oprindeligt var det planen at Huygens skulle være frigjort ved en tidligere passage, men undervejs fra Jupiter til Saturn blev det opdaget, at kommunikationssystemet mellem Cassini og Huygens ikke tog tilstrækkeligt hensyn til doppler-effekten. Det vil sige, at den relative hastighed mellem Cassini og Huygens ville ændre sig hurtigere end systemet kunne klare. Derfor blev planerne for Cassini/Huygens ankomst lagt om, således at Cassini passerer Titan i langt større afstand ved passagen den 25. december 2004 end oprindeligt planlagt.

Cassini-sonden uden Huygens vil igen passere Titan i februar 2005 og herfra vil den starte på de oprindelige planer for Cassinis studier af Saturn-systemet omfattende mere end 70 omkredsninger om Saturn og 43 passager af Titan foruden passager af en del af de øvrige Saturn-måner, heraf 7 passager indenfor 1000 kilometer af nogle af disse måner. Hvis rumsonden forsat fungerer efter at disse planer er gennemført engang i 2008 er der vel mulighed for at forlænge missionen som det skete med Galileo ved Jupiter.

Fig 4. Cassini-sonden udstillet inden afgangen til ære for pressen. Sonden var opstillet på Kennedy Space Center i august 1997. Hovedantennen er parabolen med en diameter på 4 meter, som ses øverst i billedet. Foto: NASA/KSC.

Cassini/Huygens sonden
Cassini er den tungeste interplanetariske rumsonde, der nogensinde er opsendt af NASA. Kun de sovjetiske/russiske Marssonder Mars96, Phobos 1 og Phobos 2 var tungere, og så var det kun Phobos 2, der nåede Mars. Cassini bliver nok også den sidste af de relativt kostbare rumsonder, der blev planlagt i 1970'erne med et budget omkring 10 gange så stort som rumsonderne planlagt i 1990'erne eller senere. Cassini er så til gengæld udrustet med 27 forskellige instrumenter omfattende kameraer i det infrarøde, det synlige og det ultraviolette område. Derudover er der udstyr til at måle magnetfelt, støv og koncentrationen af ioner. Et særlig interessant instrument er en aperturradar, som skal bruges til at kortlægge Titans overflade gennem skydækket. Et sådant instrument er tidligere blevet anvendt med stor succes på flere missioner til planeten Venus.

Landingsdelen Huygens er ESAs bidrag. Også danske firmaer har været involveret i udviklingen af denne landingssonde, som iøvrigt bliver ESAs første landing på et fremmed himmellegeme. Cassini-sonden får sin energi fra en RTG, som er en radioaktiv kilde basseret på Plutonium-238 - ikke at forveksle med Plutonium-239, som man kan lave bomber af. Cassini-sonden kan derfor forventes at fungere i mange år. Huygens-sonden er udrustet med batterier og vil derfor kun virke i få timer; men det er håbet, at den vil overleve anslaget mod overfladen og fungere nogle minutter på overfladen af Titan.

Huygens er udrustet med 6 forskellige instrumenter, primært til at måle sammen-sætningen af atmosfæren og meteorologisk forhold såsom vind, støvindhold med mere. Et andet vigtigt instrument skal tage billeder på vejen ned og med lidt held også give billeder fra selve overfladen på Titan. Sonden har også udstyr til at undersøge sammensætningen af overfladen, herunder at måle dybden på søen, hvis sonden skulle lande i en metansø.

Fig 5. Kunstners opfattelse af Huygens indtrængen i Titans atmosfære. Illustration: ESA/NASA.

En rummission med Saturn som mål må naturligvis også foretage omfattende studier af Saturns mere end 1000 ringe. Cassini vil da også få mulighed for at tage mange detaljerede billeder af ringene i forskellige bølgelængder og fra forskellige vinkler. Fra Jorden kan man kun tage billeder af ringene så at sige med Solen i ryggen; men Cassini vil også have muligheden for at tage billeder udefra i forhold til Solen. Dette betyder faktisk en forskel, idet man derved kan sammenligne hvor meget lys der kastes direkte tilbage imod sin oprindelige retning med hvor meget der blot spredes. Dette er blot et forhold ved ringene som Cassini kan gøre os meget klogere på. Langvarige studier af de dynamiske forhold omkring ringene vil også være af interesse.

Perspektiver ved missionen
Cassini/Huygens vil sandsynligvis betyde nærmest en eksplosion i vores viden om Saturn og dens måner. Perspektiverne kan være svære at overskue på nuværende tidspunkt, fordi der sandsynligvis vil dukke en række overraskende opdagelser op; men på nogle områder synes studiet at Saturn og ikke mindst saturnmånen Titan allerede nu at have vidtrækkende perspektiver. Overfladen på Titan formodes på en række måder at minde om forholdene på Jordens dengang livet opstod på Jorden. Et vigtigt perspektiv er derfor, at missionen vil kaste lys over livets opståen i solsystemet.

Fig 6. Dione, en af Saturns måner, har en iset og kraterfyldt overflade. Mere end det kan dog uddrages af disse to billeder, som er to forskelligt processerede versioner af samme billede. I billedet til venstre, der er en let forstærket udgave af det oprindelige, viser Dione i tiltagende med store synlige kratere. I modsætning til billedet til højre, som viser hvordan Dione reflekterer lyset fra Saturn. Billedet er taget med Cassini/Huygens nærfeltskamera den 2. juli 2004 i en afstand af 1,4 millioner km fra Dione. Billedets opløsning er 8 kilometer pr. pixel. Diones diameter er 1.118 kilometer, og er forstørret med en faktor to for at fremhæve visibiliteten. Foto: ESA/NASA.

Et andet forhold kunne være studiet af klimaet på Titan. Ved studiet af Jordens klima mangler man en anden Jord til at teste principperne for modelbygningen. Oplagte andre eksempler kunne være Mars og Venus; men de lider begge under den fejl, at der ikke findes væske i større mængde på deres overflader. På Jorden er 3/4 af overfladen dækket af væske i form af vand. Radarmålinger fra Jorden antyder, at Titan ikke har et globalt ocean; men der er betydelig sandsynlighed for at finde større forekomster af væske i form af metansøer på overfladen.

Et tredje perspektiv er teknologiudvikling, idet Huygens-sonden medfører flere danskproducerede dele. Et eksempel er et avanceret vækkeur, der skal starte sondens aktiviteter ved ankomsten til Saturn. Fremstillingen af dette vækkeur har været med til at hæve det teknologiske niveau for dansk industri og nu flere årtier senere tjener uret som reklame for dansk industri.