Cassini-Huygens

Cassini-Huygens (vienkāršības dēļ saukta arī Cassini) bija sadarbības misija starp NASA, Eiropas Kosmosa aģentūru (EKA) un Itālijas Kosmosa aģentūru (IKA), lai nosūtītu zondi Saturna sistēmas izpētei. Robotizētā starpplanētu zonde sastāvēja no NASA būvētā orbitālā aparāta Cassini un EKA būvētā nolaižamā aparāta Huygens, kas nolaidās uz Saturna lielākā pavadoņa Titāna. Cassini bija ceturtā zonde, kas atradās Saturna tuvumā, un pirmā, kas iegāja planētas orbītā.
Cassini zonde tika palaista 1997. gada 15. oktobrī ar nesējraķeti Titan IV no Kanaveralas zemesraga Gaisa spēku stacijas un kosmosā darbojās gandrīz 20 gadus, no kuriem 13 pavadīja Saturna orbītā pēc ieiešanas tajā 2004. gada 1. jūlijā. Ceļojums uz Saturnu iekļāva arī divus lidojumus garām Venerai (1998. gada aprīlī un 1999. gada jūlijā), lidojumu garām Zemei (1999. gada augustā), garām asteroīdam 2685 Masursky (2000. gada janvārī) un Jupiteram (2000. gada decembrī). Misija beidzās 2017. gada 17. septembrī, kad Cassini zonde tika ievadīta Saturna augšējos atmosfēras slāņos un sadega, lai novērstu Saturna pavadoņu piesārņošanu ar Zemes mikrobiem, kuri varētu būt izdzīvojuši uz zondes korpusa.
Misija bija daudz veiksmīgāka, nekā sākotnēji cerēts. NASA Planetārās zinātnes nodaļas direktors šo misiju nodēvēja par "pirmo reižu misiju", kas ievērojami paplašinājusi cilvēku zināšanas par Saturna sistēmu, tā pavadoņiem un gredzeniem un izpratni par to, kur Saules sistēmā varētu atrast dzīvību. 
Sākotnējās Cassini misijas plānotais laiks bija četri gadi — no 2004. gada jūnija līdz 2008. gada maijam. Misija tika pagarināta par vēl diviem gadiem līdz 2010 gada. septembrim ar nosaukumu Cassini Ekvinokcijas misija (Cassini Equinox Mission), kuras laikā tika novērota Saturna ekvinokcija. Pēc tam misija tika pagarināta vēl uz septiņiem gadiem ar nosaukumu Cassini Saulgriežu misija (Cassini Solstice Mission), kas deva iespēju novērot vasaras saulgriežus planētas ziemeļu puslodē.
Huygens zonde tika atdalīta no Cassini zondes 2004. gada 25. decembrī. Uz Titāna tā ar izpletni nolaidās 2005. gada 14. janvārī un no pavadoņa virsmas pārraidīja datus uz Zemi ar Cassini palīdzību. Tā bija pirmā nosēšanās Saules sistēmās ārējā daļā un pirmā nosēšanās uz citas planētas pavadoņa šajā reģionā.
Misijas beigās Cassini veica Lielo finālu (Grand finale) — vairākus riskantus lidojumus caur spraugām starp Saturnu un tā iekšējiem gredzeniem. Šo lidojumu mērķis bija maksimāli palielināt Cassini misijas iznākumu pirms zondes iznīcināšanas. Lai gan zonde sadega Saturna atmosfērā, tās nosūtīto datu analizēšana turpināsies vēl ilgu laiku.

Vēsture

Cassini-Huygens pirmsākumi meklējami 1982. gadā, kad NASA un Eiropas zinātnes fonds izveidoja darba grupu, lai izvērtētu turpmākas sadarbības iespējas. Starp iespējamajām misijām tika minēta arī Saturna un Titāna, kuras iespējamības izpēti no 1984. līdz 1985. gadam kopīgi veica NASA un EKA. 1988. gadā EKA pieņēma lēmumu apvienoties ar NASA Saturna un Titāna izpētē.
Sadarbība ne tikai uzlaboja attiecības starp Amerikas un Eiropas kosmosa programmām, bet arī palīdzēja misijai izdzīvot ASV Kongresa budžeta samazinājumu. Cassini-Huygens nonāca politiskajās krustugunīs gan 1992. gan 1994. gadā, tomēr NASA izdevās pārliecināt ASV Kongresu, ka misijas apturēšana nebūtu pārdomāta brīdī, kad EKA jau ir izlietojusi līdzekļus misijas attīstībai, un šāda kosmosa izpētes solījumu laušana varētu sarežģīt arī citus ārlietu jautājumus.
Atļauju misijas startam ASV prezidents Bils Klintons deva 1997. gada 3. oktobrī, kas tika ieplānots 13. oktobrī. Pēc prezidenta atļaujas palaišanas vietā sapulcējās aptuveni 800 protestētāju, kas gribēja apturēt Cassini palaišanu, bet Havaju salu Zaļā partija iesūdzēja NASA tiesā. Protestu un prāvas iemesls bija zondē esošais plutonijs-238, kas neveiksmīga starta rezultātā varētu radīt radioaktīvu piesārņojumu virs Floridas vai pat apdraudēt visus planētas iedzīvotājus, ja Zemes gravitācija ievilktu zondi atpakaļ atmosfērā. Tiesas lēmums bija par labu NASA, tāpēc zonde varēja sākt savu ceļu uz Saturnu 15. oktobrī.

Misijas vadība

Cassini-Huygens misijas komandu veidoja cilvēki no 28 valstīm, kas bija atbildīgi par Cassini orbitālās zondes un Huygens nolaižamās zondes projektēšanu, būvēšanu, lidojumu kontrolēšanu un datu savākšanu. Misija tika vadīta no NASA Reaktīvās kustības laboratorijas ASV, kur zonde tika arī salikta. Huygens zonde tika izstrādāta Eiropas Kosmosa pētījumu un tehnoloģiju centrā, bet zondes būvniecība tika uzticēta Francijas kosmosa ražotājam Aérospatiale (2000. gadā tika pievienots Airbus SAS). IKA nodrošināja Cassini ar radiofrekvenču antenām un citiem mēraparātiem, kas bija svarīgi plānotajai misijai.

Zondes izskats un nosaukums

Orbitālā zonde savu nosaukumu ieguva no itāļu astronoma Džovanni Kasīni, kurš atklāja spraugu starp Saturna gredzeniem un četrus tā pavadoņus, savukārt Huygens zonde tika nosaukta nīderlandiešu fiziķa, mehāniķa, matemātiķa un astronoma Kristiāna Heigensa vārdā, kurš atklāja Saturna pavadoni Titānu.
Cassini-Huygens zonde ir viens no lielākajiem, smagākajiem un sarežģītākajiem starpplanētu bezpilota kosmosa kuģiem. To pārspēj tikai abas Fobos programmas zondes. Orbitālās zondes masa bija 2125 kg, bet Huygens zondes kopējā masa bija 349 kg (ieskaitot pie Cassini piestiprināto atbalsta iekārtu). Zondes palaišanas masa bija 5,712 tonnas, no kurām 3,1 tonna bija propelents.
Kosmosa zondes korpusa augstums bija 6,7 m un platums — 4 metri.  Zondes sarežģītību palielināja tās lidojuma trajektorija un galamērķī paredzētās darbības. Tās datori tika projektēti tā, lai izturētu Saules magnētiskās vērtas. Cassini elektronika sastāvēja no apmēram 22 000 vadu savienojumu un vairāk nekā 12 km kabeļu.
Lai pasargātu zondi no ekstremālajiem kosmiskajiem apstākļiem, tās korpuss un instrumenti tika pārklāti ar biezu zeltītu un melnu termisko segu, bet aizsardzībai pret sadursmēm ar maza izmēra objektiem zonde tika pārklāta ar polietilēntereftalātu.
Cassini darbināja 32,7 kg plutonijs-238, materiāla radioaktīvās sabrukšanas izdalīto siltumu pārvēršot elektrībā.
Līdz 2017. gada septembrim zonde riņķoja ar Saturnu apmēram 8,2 līdz 10,2 astronomisko vienību attālumā no Zemes. Radiosakari ceļoja 68–84 minūtes no zondes līdz Zemei un otrādi, tāpēc neparedzētos gadījumos nebija iespējams dod savlaicīgas komandas — pat ja reakcija būtu zibenīga, paietu vismaz 2 stundas starp problēmas rašanās brīdi un inženieru atbildes saņemšanu.

Huygens zonde

Huygens zondes misija bija izpētīt Titāna atmosfēru, mākoņus un virsmu. Zondes diametrs bija 2,7 m un svars ar zinātniskajiem instrumentiem bija 318 kg. Tā tika izstrādāta tā, lai nolaišanās laikā ieejot Titāna atmosfērā, zonde bremzētu ar izpletņiem un droši nosēdinātu robotizēto laboratoriju uz pavadoņa virsmas. Cassini-Huygens lidojuma laikā Huygens zonde tika iedarbināta un pārbaudīta ik pēc 6 mēnešiem.
Zondes sistēma sastāvēja no pašas zondes, kas tika nolaista uz Titāna, un zondes atbalsta iekārtas, kas palika piestiprināta pie orbitālās zondes Cassini. Šī iekārta sekoja zondei, apkopoja datus, kas tika ievākti zondes nolaišanās laikā, apstrādāja tos un nosūtīja orbitālajai zondei Cassini, kas tos pārraidīja uz Zemi. 
Līdz atdalīšanās brīdim tā barojās no Cassini, bet pēc atdalīšanās elektriskā jauda nāca no piecām 23 šūnu litija baterijām, kas tika uzlādētas no Cassini pirms zondes palaišanas. Visas zondes funkcijas pēc tās palaišanas bija automatizētas — zonde spēja raidīt vienvirziena radiosignālu, lai nosūtītu datus pēc palaišanas uz Zemi ar Cassini starpniecību. 
Pēc atdalīšanās no Cassini zonde 22 dienas lidoja caur kosmiski aukstiem reģioniem, apsildei izmantojot 35 sildelementus, lai saglabātu aprīkojumu darba kārtībā. Ieejot Titāna atmosfērā, zondes priekšējam vairogam bija jāiztur temperatūra, kas pārsniedza 1500°C, bet izolācijas slānis aizsargāja instrumentus no pārkaršanas, saglabājot zondes iekšējo temperatūru zem 50°C.

Misijas gaita un atklājumi

Cassini-Huygens tika palaista 1997. gada 15. oktobrī ar nesējraķeti Titan IV-B/Centaur. Zondes kopējais svars bija pārāk liels, lai to nosūtītu tiešā lidojumā uz Saturnu, tāpēc zondei bija divas reizes jāapriņķo ap Sauli, lai gravitācijas manevros ar Veneru un Zemi tā iegūtu pietiekami lielu ātrumu lidojumam uz Saturnu.

Gravitācijas manevri

Cassini veica divus gravitācijas manevrus ar Veneru 1998. gada 2. aprīlī, palidojot tai garām aptuveni 248 km attālumā, un 1999. gada 24. jūnijā, lidojot apmēram 600 km no planētas virsmas. Zonde pietuvojās Zemei 1999. gada 18. augustā, lidojot virs Klusā okeāna dienvidu daļas aptuveni 1171 km augstumā, lai veiktu gravitācijas manevru un uzņemtu kursu uz Jupiteru.
2000. gada 30. decembrī zonde atradās apmēram 9,7 miljonu km attālumā no Jupitera. Šajā brīdī Cassini uzņēma 27 fotogrāfiju sēriju, no kurām ir salikts detalizētākais Jupitera attēls; tajā redzamie mazākie objekti ir aptuveni 60 km diametrā. Sešus mēnešus ilgajā lidojumā gar Jupiteru (no 2000. gada oktobra līdz 2001. gada martam) Cassini uzņēma vairākus tūkstošus Jupitera sistēmas fotoattēlu un veica daudzus zinātniskus pētījumus. Šajā laikā Jupitera orbītā atradās Galileo zonde, tāpēc pētniekiem bija iespēja vienlaicīgi veikt mērījumus ar divām starpplanētu zondēm. Šie pētījumi ļāva izprast Jupitera un Saules vēju mijiedarbību.
Lidojums gar Jupiteru bija zondes pēdējais gravitācijas manevrs ceļā uz Saturnu.

Vispārīgās relativitātes teorijas pārbaude

2003. gada 25. septembra Nature žurnālā tika publicēti misijas komandas veikto Alberta Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas testu rezultāti. Saskaņā ar vispārīgās relativitātes teoriju masīvs objekts izliec laiktelpu, pagarinot radioviļņu, gaismas vai jebkāda cita elektromagnētiskā starojuma viļņu ceļu.
Testi ar zondes raidītajiem radioviļņiem tika veikti 2002. gada vasarā, kad Cassini-Huygens un Zeme atradās Saules pretējās pusēs. Zinātnieki novēroja un izmērīja radioviļņu, kas tika saņemti no zondes un raidīti uz to, frekvences izmaņas, kad viļņi ceļoja gar Sauli. Eksperiments apstiprināja A. Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas formulējumu ar 50 reizes lielāku precizitāti, nekā tas bija iepriekšējos mērījumos.

IelidošanaSaturna sistēmā

2004 gada 11. jūnijā Cassini palidoja garām savam pirmajam Saturna pavadonim Fēbei. Zondes trajektorija tika īpaši pielāgota, lai tā varētu palidot garām šim pavadonim. Fēbe ir lielākais Saturna pavadonis, kas ap planētu riņķo lielā attālumā, turklāt Fēbes orbīta ir pretējā virzienā nekā vairumam citu Saturna pavadoņu. Pētniekus interesēja arī pavadoņa tumšā krāsa, tāpēc zondes vienīgais lidojums garām Fēbei bija svarīgs datu ievākšanai. Dati ļāva izvirzīt hipotēzi, ka Fēbe nāk no Koipera joslas, bet tad nonākusi Saturna gravitācijas zonā un turpinājusi ap to riņķot.
2004. gada 1 jūlijā Cassini-Huygens pēc 7 gadu lidojuma iegāja Saturna orbītā.

Jauni pavadoņi

2004. gadā Cassini-Huygens atklāja trīs jaunus Saturna pavadoņus Metoni, Pallēni un Polideuku. Nākamais jaunatklātais pavadonis bija Dafnis, kas riņķo Kīlera spraugā, 2005. gada maijā,  kam sekoja Antē atklāšana 2007. gadā, kā arī Egeons un S/2009 S1 2009. gadā.
2013. gadā zonde novēroja neparastu veidojumu Saturna A gredzena ārmalā, ko varētu izraisīt kāda tuvumā esoša objekta gravitācija, kas liecina par iespējamu jauna pavadoņa rašanos.

Titāna izpēte

Līdz pat pirmajam Cassini lidojumam garām Titānam 2004. gada 2. jūlijā Titāns bija zināms kā miglaina oranža lode, kas lielāka par Merkuru, bet zondes mērinstrumenti bija gana jaudīgi, lai izlauztos cauri Titāna biezajiem mākoņiem. Cassini kopumā veica 127 lidojumus garām Titānam, šajā laikā novērojot gadalaiku maiņas uz pavadoņa virsmas. Ar zondi izpētītā pavadoņa virsma ir relatīvi līdzena un līdzinās Zemes virsmai, turklāt to klāj ezeri un jūras, kas sastāv no šķidra metāna un etāna. Cassini mērījumi atklāja arī šķidra ūdens un amonjaka okeānu zem sasalušās pavadoņa virsmas, kas ļauj Titānu uzskatīt par vienu no retajiem objektiem ar potenciāli dzīvībai piemērotu vidi. 
Titānam bija būtiska nozīme arī zondes riņķošanā ap Saturnu. Misijas vadība izmantoja Titānu kā Cassini dzinēju — gravitācijas manevri ar pavadoni ļāva taupīt zondes degvielu, kas tika izmantota tikai nelielām kursa korekcijām. Viens gravitācijas manevrs ar Titānu 1000 km augstumā no tā virsmas zondes ātrumu palielināja par 800 m/s, kā sasniegšanai būtu nepieciešama trešā daļa no propelenta, kas zondei bija pirms pacelšanās no Zemes.

Huygens nolaišanās

Huygens zonde no Cassini tika palaista 2004. gada 25. decembrī, bet uz Titāna nosēdās 2005. gada 14. janvārī. Nolaišanās pēc ieiešanas Titāna atmosfērā ilga 2 h 27 min, un zonde turpināja pārraidīt datus vēl 72 minūtes pēc nosēšanās, līdz tai izlādējās baterijas. Nolaišanās laikā zonde pētīja Titāna atmosfēras slāņus, atklājot, ka apakšējo atmosfēras slāņu sastāvā ir ogleklis un slāpeklis, kā arī propilēns, kas iepriekš nav novērots uz kādas citas planētas vai pavadoņa, izņemot Zemi. Citi atklātie elementi norāda uz sarežģītām metāna un slāpekļa reakcijām, kuru rezultātā radušās molekulas, kas veido biezos Titāna atmosfēras mākoņus.
Zondes nosēšanās vieta atgādināja upes gultni, kas izklāta ar 10-15 cm lieliem oļiem no sasaluša ogļūdeņraža un ūdens. Zonde veica virsmas skenēšanu ar radio signāliem, kuras rezultātā atklājās, ka pazemes okeāns zem sasalušās virsmas ir 55-80 km dziļumā.

Lidojumi gar Encelādu

Cassini sāka pētīt Encelādu 2005. gada februārī. Zonde atklāja, ka no pavadoņa virsmas gandrīz nepārtraukti izplūst ledus un gāzes maisījums ar ātrumu 400 m/s. Šīs daļiņas veidoja ledus putekļu mākoni ap Encelādu, no kurām vissīkākās daļiņas nonāca Saturna E gredzenā, bet pārējās kā sniegs krita atpakaļ uz pavadoņa virsmas. Šis atklājums izskaidroja, kāpēc Encelāds ir tik balts — tas atstaro gandrīz visu gaismu. E gredzena daļiņas, kuras nāk no Encelāda, galvenokārt sastāv no ledus, bet starp tām ir arī silīcija dioksīda nanodaļiņas, kādas rodas ūdenim un iežiem mijiedarbojoties 90°C. 2008. gadā Cassini lidojot gar Encelādu paņēma paraugu no izplūstošā maisījuma. Tas sastāvēja no gaistošām gāzēm, ūdens tvaikiem, oglekļa dioksīda un oglekļa monoksīda, kā arī organiskiem materiāliem. Turklāt organisko materiālu blīvums bija 20 reizes lielāks nekā gaidīts. Šie atklājumi ļauj uzskatīt šo pavadoni par vēl vienu potenciāli apdzīvojamu vietu visumā.
Atklājumi uz Encelāda ietekmēja EKA plānoto Jupitera ledus pavadoņu izpētes misiju Juice, ko plānots palaist 2022. gadā, jo trim lielākajiem Jupitera ledus pavadoņiem (Eiropai, Ganimēdam un Kallisto) arī ir pazemes okeāni.

Citi pavadoņi

Lai gan Cassini misija koncentrējās galvenokārt uz Titāna un Encelāda izpēti, zonde sniedza ieskatu arī par daudziem citiem Saturna pavadoņiem. Zonde atrisināja pavadoņa Japeta pusložu krāsu noslēpumu. Japeta gaišā puse vienmēr ir pavērsta pret Jupiteru, bet tumšā puse ir pavērsta pavadoņa orbītas virzienā. Tumšās daļiņas, kas atrodas pavadoņa ceļā, nāk no Fēbes, kas ir daudz tumšāks pavadonis, un nosēžas uz Japeta, kad tas lido tām cauri.
Hiperiona izpētes laikā zondes mērinstrumenti uztvēra strauju negatīvi lādētu daļiņu palielinājumu. Datu analīze liecināja par statisko uzlādi, kas ir pirmais pierādījums statiski uzlādētu ķermeņu esamībai ārējā Saules sistēmā.
Cassini atklāja arī plānu atmosfēru ap Saturna pavadoņiem Dionu un Reju, kas ir 5 triljonus reižu retinātāka nekā Zemes atmosfēra.

Saturna gredzeni

Cassini lielākos atklājumus par Saturna gredzeniem veica pēc sākotnējās misijas beigām. 2009. gada 11. augustā zonde novēroja Saturna gredzenus planētas ekvinokcijas laikā. Saturna ass ir ieslīpa, tāpēc pusi no Saturna gada pret Sauli ir pavērsta gredzenu augšpuse, bet otru gada pusi — gredzenu apakšpuse. Ekvinokcijas laikā gredzeni atrodas perpendikulāri pret sauli. Tā kā Saturna gads ir līdzvērtīgs 30 Zemes gadiem, ekvinokcija novērojama reizi 15 gados. Zondes novērojumi ekvinokcijas laikā liecināja, ka gredzeni sastāv no daudz lielākām daļiņām, nekā sākotnēji tika uzskatīts.
Zondei izdevās novērot un izpētīt arī Saturna gredzenu spieķus — riteņa spieķiem līdzīgus veidojumus, kas pirms tam bija novēroti Voyager misijas laikā. Cassini dari liecināja, ka tie veidojas no sīkām ledus daļiņām, kas statiskā lādiņa rezultātā paceļas virs gredzeniem. Spieķu redzamībai ir sezonāls raksturs, kas ir atkarīgs no Saules staru leņķa.
Cassini Lielā fināla lidojumos gar Saturna gredzeniem iegūtie dati ļauj secināt, ka tie veidojušies pirms 10 līdz 100 miljoniem gadu, laikā, kad pa Zemi staigājuši dinozauri.

Lielais fināls un iznīcināšana

Plānojot Cassini misijas noslēgumu, tika izvērtēti vairāki nākotnes plāni, ņemot vērā zinātnisko vērtību, laiku un finanses. Viena no iespējām bija kontrolēta zondes sadursme ar ledus pavadoni, Saturna gredzenu vai sadegšana planētas atmosfērā; tika piedāvāts variants arī nosūtīt zondi uz Jupiteru, Urānu, Neptūnu vai kādu centauru; novirzīt no uz heliocentrisko orbītu vai atstāt riņķojam stabilā orbītā ap Saturnu, Titānu vai Fēbi. Rezultātā, lai izvairītos no Saturna pavadoņu, kuriem ir potenciāli apdzīvojamas vides, bioloģiskās piesārņošanas, tika izlemts zondi ievadīt Saturna atmosfērā. Misijas izbeigšanu ietekmēja arī degvielas beigšanās, zondes nolietojums un misijas finansējums.
Lielā fināla sākums bija 2017. gada 22. aprīlis. Zondes pēdējā misija sastāvēja no 22 lidojumiem apkārt Saturnam, ienirstot aptuveni 2400 km platajā spraugā starp planētu un tās gredzeniem. Katra šāda lidojuma veikšanai bija nepieciešamas 6,5 dienas. Savā pēdējā lidojumā Cassini devās 2017. gada 15. septembrī. Tā laikā darbojās 8 no 12 zondes mērinstrumentiem, kas ievāca un uzreiz sūtīja datus uz Zemi. Pēdējie zondes sūtītie dati pirms tās sadegšanas Saturna atmosfērā tika uztverti Kanberas Kosmosa komunikācijas kompleksā Austrālijā.
2018. gada septembrī NASA saņēma Emmy balvu par Cassini misijas Lielā fināla interaktīvo programmu, kas tika pārraidīta YouTube.

Cassini-Huygens mantojums

Saturna sistēmas izpētes misija bija ambiciozs mērķis, kas pārsniedza tā sākotnējos plānus. Misijas dati sniedza jaunu ieskatu par visuma un Saules sistēmas rašanās iespējām, un to izpēte ar potenciāli jauniem atklājumiem par Saturnu un tā pavadoņiem turpināsies vēl vairākus gadus.
Cassini-Huygens misijas gaita un rezultāti tiek izmantoti jaunu kosmisko misiju plānošanai. Viena no tādām ir Jupitera pavadoņa Eiropas izpēte, kuras starts paredzēts 2020. gadā.