Cassini-Huygens

Cassini-Huygens var en ubemannet romferd og et samarbeidsprosjekt mellom NASA, ESA og den italienske romfartsorganisasjonen Agenzia Spaziale Italiana med formål å studere Saturn og dens måner. Romsonden besto av to hovedelementer: kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Det ble skutt opp 15. oktober 1997 og gikk inn i kretsløp rundt Saturn 1. juli 2004. Det var det første romfartøy som går i bane rundt Saturn, og det fjerde som noensinne besøkte planeten. Cassini gikk i oppløsning 15. september 2017 etter at drivstoffet var oppbrukt.

Oversikt 

Cassinis hovedformål var å:
 undersøke den tredimensjonale strukturen og den dynamiske utvikling av Saturns ringer.
 undersøke sammensetningen av månenes overflate og deres geologiske historie.
 undersøke naturen og opprinnelsen til det mørke stoffet på månen Iapetus' fremadrettede halvkule.
 måle den tredimensjonale strukturen og dynamiske utviklingen til Saturns magnetosfære.
 studere den dynamiske utviklingen av Saturns skyer i atmosfæren.
 studere variasjonen av Titans skyer og tåker.
 undersøke Titans overflate på lokalt nivå.

Romfartøyet Cassini-Huygens ble skutt opp den 15. oktober 1997 fra John F. Kennedy Space Center ved hjelp av en U.S. Air Force Titan IVB/Centaur bærerakett. Bæreraketten var satt sammen av en totrinns Titan IV startrakett, to fastspente rakettmotorer, det øvre Centaur-trinnet, og et nyttelastdeksel som omsluttet både Cassini-Huygens og Centaur-trinnet.

Romfartøyet besto av kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Cassini som var oppkalt etter den italienske astronomen og ingeniøren Giovanni Cassini (1625–1712) som var pioner i utforskningen av Saturn og dens måner, gikk i kretsløp omkring Saturn og dens måner, og gjorde det i fire år. Huygens gikk inn i atmosfæren til månen Titan og landet på dens overflate. Cassini-Huygens var et internasjonalt samarbeid mellom tre romfartsorganisasjoner. Sytten land bidro til byggingen av fartøyet. Cassini-modulen ble bygget av, og ble operert av NASAs Jet Propulsion Laboratory. Sonden Huygens ble bygget av European Space Agency. Den italienske romfartsorganisasjonen Agenzia Spaziale Italiana leverte Cassinis radar- og kommunikasjonsantenne.

Totalkostnaden for Cassini-Huygens-ekspedisjonen var på omkring 3,26 milliarder US dollar, inkludert 1,4 mrd. til utvikling av Cassini-delen (før oppskytning), 704 mill. for drift, 54 mill. for kommunikasjon og 422 mill. for bæreraketten. USA bidro med 2,6 mrd. US dollar, ESA med 500 millioner og den Italienske Romfartsorganisasjonen med 160 millioner.

Cassini-Huygens var oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens, som oppdaget Saturns første måne i 1655, og Giovanni Domenico Cassini fra Genova (idag Italia) som oppdaget fire av Saturns måner mellom 1671 og 1684.

Design av romfartøyet 

Romfartøyet var opprinnelig planlagt som Mariner Mark II, en serie RTG-drevne romsonder med gyrostabilisator på tre akser, som var ment for romferder utenfor Mars' bane. Imidlertid førte forskjellige budskjettnedskjæringer og omberamminger av prosjektet til et mer spesialisert design, og implementasjonen av Mariner Mark II-seriene ble lagt på is inntil videre.

Cassini-Huygens var et av de største, tyngste og mest komplekse interplanetariske romfartøy som inntil da var blitt bygd. Bare kretsløpmodulen i seg selv hadde en masse på 2150 kg. I tillegg kom landingsfartøyet Huygens, tilpasningsstykke til utskytningsfartøyet, og 3132 kg brennstoff, som brakte totalmassen opp i 5600 kg. Bare Fobos-sondene som ble sendt til Mars av Sovjetunionen var tyngre. Cassini var mer enn 6,8 m høy, og over 4 meter bred. Fartøyet var komplekst både på grunn av innflygningsbanen til Saturn, og de mange forskjellige vitenskapelige undersøkelsene som ble gjort ved Saturn. Det hadde 1630 elektriske kretser, 22 000 kabeltilkoblinger, og over 14 kilometer kabel.

I sin bane rundt Saturn befant Cassini seg mellom 8,2 og 10,2 astronomiske enheter (AU) fra Jorden. På grunn av denne avstanden tok det mellom 68 og 84 minutter for ett signal å reise fra fartøyet til Jorden, og akkurat det samme den andre veien. I praksis betyr dette at kontrollørene på bakken ikke kunne styre fartøyet i sanntid, hverken for instruksjoner dag for dag eller for å reagere på eventuelle uforutsette hendelser. På den tiden kontrollørene brukte på å bli klar over et problem og til løsningen kom frem, gikk det nesten tre timer.

Cassini hadde følgende instrumenter ombord: en radar, et kamera med CCD-brikke, et spektrometer for synlig lys og infrarød, et infrarødt komposittspektrometer, en ultrafiolett bilde-spektrograf, et instrument for avbildning av magnetosfæren, et magnetometer, og et massesepektrometer for ioner og nøytral materie. Telemetrien fra antennen og andre spesialsendere (en S-bånd-sender og et tofrekvenssystem på Ka-båndet) ble brukt for å observere atmosfærene på Titan og Saturn, og å måle tyngdefeltene til planeten og månene dens.

Plutonium som kontroversiell kraftkilde 

Grunnet Saturns avstand fra solen var ikke solceller en egnet energikilde for romfartøyet. For å kunne produsere nok strøm til å drive det, måtte man ha hatt såpass store enheter at fartøyet rett og slett ikke ville ha kunnet bære det. Istedenfor ble fartøyet drevet av tre termoelektriske radioisotopgeneratorer (RTG), som brukte varmen fra den naturlige nedbrytingen av plutonium-238 (i form av plutoniumdioksid) for å generere elektrisitet. Disse RTGene var av samme design som de som drev Galileo-sonden, og som drev Ulysses-fartøyet og New Horizons-sonden som ble skutt opp i januar 2006. RTG'ene var konstruert for å ha lang operasjonell levetid. Når den elleve år lange Cassini-ferden var over, ville de ennå være kapable til å produsere 628 Watt elektrisitet.

Cassinis bruk av plutonium var 32,8 kg og inntil da det meste som var skutt ut i rommet på én gang. Bruken fikk massiv kritikk fra miljøgrupper, fysikere og en del tidligere ansatte ved NASA. NASA laget flere tester vedrørende oppdragets risiko, som alle viste at det var trygt innen akseptable rammer. Den utregnede sjansen for radioaktiv lekkasje i løpet av de første tre og et halvt minuttene etter utskytning var 1 til 1400, og sjansen for lekkasje senere under rakettens tur mot himmelen var 1 til 476. Videre var sannsynligheten for at fartøyet falt til bakken senere i oppdraget mindre enn én til en million. I et verst tenkelig scenario ville høyst 120 mennesker dø av kreft forårsaket av Cassini, og det over en periode på 50 år. Utregningene ble spottet av kritikerne som støttet seg på fysikkprofessoren Michio Kakus utregninger, som anslo at om plutoniumsbeholderne overlevde veien inn i atmosfæren og krasjet i et tettere bebygget område ville 200 000 kunne komme til å dø.

For å skaffe den nødvendige fremdriften for reisen til Saturn, inneholdt Cassinis bane flere gravitasjonsmanøvre: To rundt planeten Venus, en rundt Jorden og til slutt en forbi Jupiter. Passeringen av Jorden som ble gjennomført med godt resultat den 18. august 1999 var det siste punktet på fartøyets reise hvor det var en potensiell fare for mennesker. Hadde den feilet, kunne innholdet i RTGene blitt sluppet ut over jordens atmosfære. Et lite antall aktivister fortsatte å demonstrere etter manøveren. Mot-demonstranter fra National Space Society bar faner med påskriften CASSINI IS GO. Den 11. juni 2004 entret fartøyet planetsystemet rundt Saturn.

Huygens-sonden 
Huygens-sonden, som var gitt av Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) og oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens fra 1700-tallet, vil granske skyer, atmosfæren og overflaten på Saturns måne Titan. Den var laget for at den skal kunne gå inn i Titans atmosfære og slippe et fullstendig utstyrt robot-laboratorium ned på overflaten i fallskjerm. Huygenssonden besto av to deler; sonden i seg selv, som gikk ned på Titan og the probe support equipment (PSE), som var igjen i romfartøyet som gikk i bane rundt månen. PSE-en inneholdt utstyr for å lokalisere sonden, for å motta data i løpet av nedfarten, og for å behandle dataene og videresende dem til satellitten, som deretter vil sende den videre til Jorda.

Sonden lå i dvale gjennom den 6,7 år lange reisen gjennom rommet, bortsett fra rutinesjekker to ganger i året. Disse sjekkene simulerte nedstigningssekvensen så godt det lot seg gjøre, og resultatene ble sendt til Jorda, der de ble undersøkt av eksperter på landingssystemene og instrumentene ombord.

Instrumentering 
Huygens-sonden hadde seks avanserte instrumenter ombord som skulle forsikre at dataene fra Titan ble overført til Cassini og til Jorda, etter at sonden steg ned i Titans atmosfære. Disse seks var:

Doppler vind-eksperiment (DWE) 

Dette eksperimentet brukte en ultra-stabil oscillator for å forbedre kommunikasjonen med sonden ved å gi den en svært stabil bærefrekvens. Sondens forflytning forårsaket av vinder i Titans atmosfære ville gi en målbar Doppler-forskyvning i bæresignalet. Sondens svingebevegelse under fallskjermen, som skyldes atmosfæriske forhold, kunne også fanges opp.

Nedstigningskamera/spektralradiometer (DISR) 

Dette instrumentet laget en rekke bilde- og spektralanalyser ved å bruke flere sensorer og observasjonsvinkler. Ved å måle oppadgående og nedadgående strømmer av stråling, ville en eventuell ubalanse i atmosfærens strålingsbalanse kunne måles. Solsensorer vil måle forskjeller i lysintensiteten fra solen som skyldes aerosoler i atmosfæren. Dette gjorde det mulig å beregne størrelsen og mengden av de svevende partiklene. To kameraer (ett synlig, ett infrarødt) kunne observere overflaten i de siste stadiene av nedstigningen. Sonden snurret sakte rundt og bygde opp en mosaikk av bilder rundt landingsstedet. Et kamera var stilt vannrett for å få bilder av horisonten og undersiden av skydekket. For å gjøre spektralanalyser av overflater ble en lampe skrus på kort tid før landing. Dette ble gjort ettersom dagslyset på overflaten er svært svakt.

Gasskromatograf Massespektrometer (GCMS) 

Dette instrumentet var et allsidig kjemisk analyseinstrument som var laget for å identifisere og måle kjemikalier i Titans atmosfære. Det var utstyrt med en prøvetaker som ble fylt høyt i atmosfæren for analyse. Massespektrometeret bestemte molvekten av hver gass, og en kraftigere separasjon av de molekylære og isotopiske stoffene ble oppnådd ved hjelp av gasskromatografen. Under nedstigningen analyserte GCMS-en også pyrolyseprodukter (gassprøver endret ved oppvarming) som ble sendt fra en aerosolfanger. Til slutt målte GCMS-en sammensetningen av Titans overflate. Denne undersøkelsen ble gjort mulig ved å varme opp GCMS-instrumentet rett før landing slik at overflatemateriale som virvles opp fordampet.

Viktige hendelser og oppdagelser

Tidslinje 
En kronologisk oversikt over ferden finnes under Cassini-Huygens tidslinje. Det følgende er en oversikt over viktige hendelser og oppdagelser.

Passering av Jupiter 

Cassini gjorde sin nærmeste passering av Jupiter 30. desember 2000, og gjorde mange vitenskapelige målinger. Omtrent 26 tusen bilder ble tatt av Jupiter i løpet av den en måneds lange passeringen. Det mest detaljerte globale fargebilde av Jupiter noen gang ble produsert (se bilde til høyre), med synlige detaljer ned til omtrent 60 km i størrelse.

Et av hovedfunnene ved passeringen annonsert  6. mars 2003, var egenskaper ved Jupiters atomsfæriske sirkulasjon. Mørke "belter" alternerer med lyse "soner" i atomsfæren. Forskere hadde lenge antatt, at sonene med skyer, til å være områder med oppstigende luft. Dette kom av at mange skyer på jorda formes ved slik oppstiging. Analyser av Cassinins bilder, fortalte en ny historie. Individuelle stormceller med oppstigende lyse eller hvite skyer, som ikke kan bli sett fra jorda, dukker opp uten unntak i de mørke beltene. Anthony Del Genio hos NASA, Goddard Institute for Space Studies, sier: "We have a clear picture emerging that the belts must be the areas of net-rising atmospheric motion on Jupiter, with the implication that the net motion in the zones has to be sinking."

Test av Einsteins generelle relativitetsteori 
10. oktober 2003 offentliggjorde Cassini-teamet resultatet av en test av Einsteins generelle relativitetsteori, ved å bruke radiosignaler fra Cassini-sonden. Forskerne observerte en frekvensforskyvning i radiobølgene til og fra romfartøyet når signalene passerte nær Solen. Ifølge den generelle relativitetsteori vil et massivt legeme som Solen forårsake at tid og rom avbøyes. Dette fører til at radiobølger (eller lys) som passerer nær Solen må tilbakelegge en lengre distanse på grunn av avbøyningen. Den ekstra distansen forårsaker at signalene når Jorden senere enn de ellers ville gjort. Hvor stor denne forsinkelsen er, gir en nøyaktig test på det Einsteins teori forutsier. Selv om avvik fra den generelle relativitetsteori forventes i noen kosmologiske modeller, ble ingen avvik funnet i dette eksperimentet. Tidligere tester har vært i overensstemmelse med de teoretiske beregningene med et avvik på én tusendel. Cassini-eksperimentet forbedret dette til 20 milliondeler, og dataene støtter fortsatt Einsteins teori.

I kretsløp rundt Saturn 

1. juli 2004 fløy Cassini-Huygens igjennom Saturns ringer og gikk i bane rundt planeten, etter en syv år lang ferd. Det er det første romfartøyet noensinne som har gått i bane rundt Saturn.

Oppdagelsen av nye måner 
16. august 2004 kunngjorde NASA Cassinis oppdagelse av to nye måner i bane omkring Saturn. De to månene har foreløpig fått navnene S/2004 S1 og S/2004 S2. Månene kretser rundt Saturn i en avstand av henholdsvis 194 000 og 211 000 km fra Saturn, og med diametere på henholdsvis 3 og 4 km, er dette de to minste av de til nå 33 kjente månene til Saturn. Det var den franske professoren Sebastien Charnoz som først oppdaget månene.

På bilder tatt av Cassini 30. mai 2007 ble det så oppdaget en ny måne, som fikk det foreløpige navnet S/2007 S4. Den nye månen går i bane mellom Methone og Pallene. Dette var den femte nye månen som ble avdekket av bilder tatt av Cassini. Når Cassini-Huygens ble skutt opp i 1997, var bare det bare 18 kjente måner rundt Saturn, 42 nye ble oppdaget i perioden 1997-2007.

Huygens lander på Titan 

I desember 2004, på slutten av Cassini sin tredje runde rundt Saturn, ble Huygens-sonden sluppet løs på et 22-dagers cruise mot overflaten av Titan.

14. januar 2005 landet Huygens-sonden trygt på overflaten av Titan, og sendte suksessfullt tilbake bilder og data både fra ferden mot overflaten, og på selve overflaten.

Opphør 
Den 15. september 2017 var drivstoffet oppbrukt, og Cassini ble oppløst i Saturns atmosfære.

Bane 

Den grafiske fremstillingen ovenfor er utarbeidet av JPL's HORIZONS System, og viser fartøyets hastighet i forhold til solen fra 15. oktober 1997 16:00:01 UT (1997-Oct-15 16:01:04.184 TT) til 8. august 2008 16:00:00 UT (2008-Aug-08 16:01:04.184 TT) i SCET.

Referanser

Eksterne lenker 

 Cassinioppragets hjemmeside  av Jet Propulsion Laboratory
 Cassini bildeside 
 Cassini informasjon av National Space Science Data Center (NSSDC).
 ESA Huygens hjemmeside om selve sonden.
 Cassini's Tour de Saturn del A, B, C, D, E, F – beskrivelse av den fire år lange turen til Saturn av  Bruce Moomaw
 Countdown to Cancel the Cassini Space Probe – artikkel om den kontroversielle plutoniumsmotoren.

 
ESA
NASA
Jupiter-sonder
Saturn-sonder
Titan
Romutforskning i 1997
Romutforskning i 1998
Romutforskning i 1999
Romutforskning i 2000
Romutforskning i 2001
Romutforskning i 2002
Romutforskning i 2003
Romutforskning i 2004
Romutforskning i 2005
Romutforskning i 2006
Romutforskning i 2007
Romutforskning i 2008
Romutforskning i 2009
Romutforskning i 2010
Romutforskning i 2011
Romutforskning i 2012
Romutforskning i 2013
Romutforskning i 2014
Romutforskning i 2015
Romutforskning i 2016
Romutforskning i 2017
1997 i USA
Artikler i astronomiprosjektet