Vuosikymmen Saturnuksen luona

Ti, 07/01/2014 - 12:38 Jari Mäkinen
Cassini saapuu Saturnukseen

Nasan avaruusluotain Cassini ja sen kylkeen kiinnitetty eurooppalainen Huygens -laskeutuja saapuivat perille Saturnuksen luokse heinäkuun 1. päivänä vuonna 2004. Cassinin päämoottori ärähti käymään klo 05:48 aamulla Suomen aikaa ja kaksikko asettuivat kiertämään rengasplaneettaa.

Takana oli seitsemän vuotta kestänyt lento ja edessä nelivuotinen tournee Saturnuksen ympärillä. Neljä vuotta meni tosin nopeasti ja nyt takana on jo kymmenen vuotta huimaa tutkimusmatkaa. Cassini on edelleen toiminnassa, eikä lennolle näy vielä loppua.

Viimeinen jättiläinen

Vierailin kesällä 1996 Jet Propulsion Laboratoryssä, Nasan planeettalennoista vastaavassa keskuksessa. Tuolloin huomio oli kuitenkin Marsissa, sillä Mars Pathfinder oli juuri laskeutunut punaiselle planeetalle ja lähettänyt sieltä ensimmäisiä kuvia sitten 70-luvun Vikingien. Mars Pathfinder oli silloisen Nasan johtajan Daniel Goldinin uuden politiikan ensimmäinen edustaja: se oli nopeammin tehty, pienempi ja aikaisempia huomattavasti edullisempi luotain. Pathfinder viitoitti tietä tulevaisuuteen ja julisti vanhan ajan loppua: aikaisemmin suuri osa luotaimista oli mutkikkaita ja kalliita, ne lensivät pitkään avaruudessa ja niihin oli kasattu mukaan mahdollisiman monta erilaista tutkimuslaitetta - ne olivat monitieteellisiä observatorioita, joiden suunnitteluun, rakentamiseen ja testaamiseen jo ennen avaruuteen laukaisua kului helposti vuosikymmen.

Samalla kun Pathfinderin nuoret tutkijat iloitsivat onnistumisestaan, suuren ja kalliin saturnusluotain Cassinin projektipäällikkö Charles Kolhase varautui jo jäämään eläkkeelle. JPL:n erään legendan takana oli pitkä historia monien erilaisten luotaimien parissa 60-luvulta alkaen, mutta kuten aina, oli viimeisin projekti hänen lempilapsensa.

"Tämä on viimeinen suuri avaruusluotain", totesi Kolhase JPL:n puhdastilassa, missä kävimme luotainta katsomassa, "ainakin se on viimeinen sellainen pitkään aikaan. Syynä tähän ei ollut vain uusi politiikka, vaan myös käytännön syyt, sillä kun Saturnukseen kerran mennään, niin sinne kannattaa lähettää kerralla isompi alus, minkä lisäksi pitkään matkaan tarvitaan kookas alus."

Uusi tekniikka on hieman muuttanut tätä näkemystä, mutta Cassinin suunnittelun aikaan ei nykyelektroniikka ollut kuin haavetta vain. Nyt 2010-luvun puolivälissä on edelleen todennäköistä, ettei Cassinin tapaisia luotaimia ole tulossa vähään aikaan edelleenkään – nyt tosin suurin syy on budjettien pienuudet.

Cassinin juuret ovat 80-luvun puolivälissä, jolloin kolmen luotaimen Saturnuksen ohilennot olivat vielä tuoreessa muistissa. Pioneer 11 sekä Voyagerit 1 ja 2 suhahtivat planeetan ohitse vajaan vuoden välein vuosien 1979 ja 1981 välissä, minkä seurauksena tutkijoilla oli suuri into lähteä tutkimaan Saturnusta paremmin. Se oli myös seuraava looginen etappi, sillä Jupiterin lähteväksi oli jo tekeillä Galileo, Venusta tutkimaan oli tekeillä tehokas tutkaluotain ja Marsia varten oli omat suunnitelmansa.

"Cassinin tarina alkoi vuonna 1986 Grazissa, Itävallassa, pidetyssä kokouksessa. Meitä oli amerikkalaisia ja eurooppalaisia, ja päätimme ehdottaa amerikkalaiseurooppalaiseksi yhteisluotaimeksi projektia nimeltä 'Saturnuksen kiertolainen ja Titanin sondaaja', eli aika pitkälti kyse oli toteutuneesta luotaimesta. Hyvin nopeasti pääsimme työnjakoon, jossa Nasa tekisi emoaluksen ja eurooppalaiset Titanin laskeutujan."

Kyse on tosiaankin nykyisiin luotaimiin verrattuna suuresta aluksesta: laukaisun aikaan kokonaisuus painoi lähes kuusi tonnia, mistä laskeutujan massa oli 320 kiloa ja itse Cassinin massa oli noin 5,3 tonnia. Cassinin lähtöpainosta 3,1 tonnia oli polttoainetta, jota tarvittiin Saturnuksen kiertoradalle asettumiseen ja ratamuutoksiin niin planeettojenvälisen lennon aikana kuin Saturnuksen ympärilläkin. Puhdastilassa seisoessaan kullanväriseen lämpösuojaan kääritty alus kohosi kannattimensa päällä noin kymmenen metrin korkeuteen ja sen huipulla hohtava valkoinen antenni oli neljä metriä halkaisijaltaan.

"Siinä on 12 kilometriä johtoa ja 20 000 sähköliitosta", totesi Kolhase ja siirsi sivummalle Italian lipulla varustettua laatikkoa. 3,4 miljardia dollaria maksaneen luotaimen antenni on italialainen.

Mutkikas matka rengasmaailmaan

Kaliforniasta Cassini sai kyydin lentokoneella Kennedyn avaruuskeskukseen, mistä se ammuttiin suuren huudon säestyksellä matkaan 15. lokakuuta 1997. Suuri huuto johtui siitä, että luotaimen sähkönlähteinä on kolme ydinparistoa, ja Cassinin laukaisua vastaan oli järjestetty useita mielenosoituksia. Jopa oikeus pohti laukaisun laillisuutta, mutta antoi luvan luotaimen lähettämiseen. Alun perin 13. päiväksi suunniteltua laukaisua jouduttiin lykkäämään kahdella vuorokaudella kovien tuulien vuoksi, mutta viimein suuri Titan IV/B ja sen ylemmäksi vaiheeksi asennettu Centaur pääsivät toimeen ja lähettivät Cassinin hienosti matkaan.

Ensi alkuun Cassini suunnisti ulkoaurinkokunnan sijaan kohti Venusta, jolta se anasti hieman vauhtia gravitaatiolinkoamisen avulla keväällä 1998. Sen jälkeen se ohitti Venuksen toistamiseen kesällä 1999 ja vielä Maan paria kuukautta myöhemmin, ennen kuin sillä oli tarpeeksi vauhtia nousta ylemmäs aurinkokunnassa. Joulukuun lopussa vuonna 2000 Cassini ohitti vielä Jupiterin, joka tuuppasi sitä osaltaan kohti seuraavaa planeettaa, määränpää Saturnusta.

Perille Saturnukseen Cassini saapui 1.7.2004. Luotain lähestyi Saturnusta sen rengastasojen alapuolelta, käänsi lautasmaisen suurtehoantenninsa eteenpäin kilveksi pölyhiukkasten iskeytymistä vastaan, kun se kulki ensin rengastason läpi klo 05:03 Suomen aikaa F- ja G-renkaiden välisestä aukosta. Noin 25 minuuttia myöhemmin, klo 05:36 Suomen aikaa, luotain käynnisti toisen kahdesta päämoottoristaan ja piti sen käynnissä 96,4 minuuttia päästäkseen Saturnusta kiertävälle radalle.

"Se oli upea tunne", kertoi Cassinin silloinen päätutkija Dennis Matson noin kolmen viikon päästä tapahtumista Pariisissa pidetyssä avaruuskokouksessa.

"Seurasimme tapahtumia Cassinin lähettämän kantoaallon doppler-siirtymän avulla ja kun signaali näytti polton alkaneen, niin en voi kuvatakaan kuinka iloisia olimme. Lennolla on oikeastaan ollut kaksi näin tärkeää hetkeä, laukaisu ja Saturnukseen saapuminen, ja kaikki on sujunut erinomaisesti!"

Cassini lensi siis renkaiden läpi ja oli lähimmillään vain noin 19 000 kilometrin etäisyydellä Saturnuksen pilvien päällä. Saapuminen rengasplaneettaa kiertämään oli erinomainen tilaisuus monien havaintojen tekemiseen: luotain mittasi sähkö- ja magneettikenttää, otti kuvia renkaista ja niiden ympäristöstä, sekä lähetti tietonsa mahdollisimman pian Maahan. Tarkimmat ja parhaimmat kuvat rengassysteemistä tehtiin kun luotain lensi vain muutamia tuhansia kilometrejä niiden yläpuolella.

Aurinko Saturnuksen takana

Renkaat - uusiutuva luonnonvara?

Cassini kuvasi renkaita vain mustavalkokuvina, jotta se ennätti ottamaan useampia kuvia. Näistä näkyvän valon alueella otetuista kuvista ei suoranaisesti löytynyt mitään uutta, vaan ainoastaan ne näyttivät konkreettisesti sen, miten renkaiden oletettiinkin käyttäytyvän, kuinka kuut muovaavat niitä ja miten yksittäisen renkaat sekoittuvat toisiin muodostaen kauniita aaltomaisia kuvioita.

"Olen tutkinut Saturnuksen renkaita 14 vuoden ajan, enkä uskonut enää yllättyväni mistään, mutta nämä kuvat ovat niin tarkkoja ja teräviä, että niiden näkeminen on hurjaa", selitti Cassinin kameran kuvien tutkimusryhmän johtaja Carolyn Porco heti kuvien saapumisen jälkeen.

Renkaiden ultraviolettikuvia tutkinut Coloradon yliopiston Larry Esposito esitti innoissaan Pariisin kokouksessa tuoreita värillisiä kuvia renkaista. Niissä värit edustavat eri ultravioletin taajuuksia, joten värit eivät ole luonnollisia, mutta antavat hyvän kuvan renkaiden olemuksesta. "Kuvat ovat ihmeellisiä, lähes psykedeelisiä, täynnä värejä. Luonnollisestikin laitoimme värit itse näyttääksemme vesijään sijainnin, mutta olimme yllättyneitä kuinka paljon renkaissa on variaatioita jo pelkästään tässä suhteessa."

"Renkaissa on eri ikäisiä ja koostumukseltaan erilaisia kappaleita, ja ne ovat keskittyneet eri osiin rengasta", kertoi Esposito ja selitti tarkemmin: "vesijäätä pääasiallisesti sisältävät kappaleet ovat renkaiden ulko-osissa ja raskaampia aineita sisältävät sisempänä. Samoin kappaleet, joista renkaat muodostuvat, muuttuvat etäisyyden mukaan pienemmiksi, eli suuremmat kappaleet ovat sisempänä." Uusien havaintojen mukaan renkaat muodostuvat pääosin hyvin hienojakoisesta aineesta, kuin puuterimaisesta lumesta, suurempirakeisiin kappaleisiin, jotka vastaavat paakkuuntunutta riisipuuroa. Lisäksi mukana on siellä täällä muutamia suurempia kappaleita.

Esposito arvelee, että renkaat ovat keskimäärin varsin nuorta ainetta, koska ne ovat jatkuvassa syntymän ja tuhoutumisen kierteessä. "Suuremmat kappaleet törmäilevät toisiinsa ja murskaantuvat pienemmiksi. Pienemmät kappaleet nousevat renkaissa kauemmaksi planeetasta, joten renkaat pyrkivät laajenemaan, mutta samalla magneettikenttä kaitsii laajenemista. Kyse on jauhautumisesta sekä magneettikentän ja renkaiden välisestä taistelusta."

Vaikka lähiohituksen aikana renkaista saatiin paljon kauniita ja yksityiskohtaisia kuvia, on enemmän tietoa luvassa vasta myöhemmin. "Tulemme seuraamaan erityisen tarkasti F-rengasta ja mitä kaikkea siinä tapahtuu", kertoo Esposito ja huomauttaa, että kiinnostavimmat havainnot olivat vasta tulossa. "Tähdenpeitot ovat erittäin hyviä tapoja renkaiden tutkimiseen ja niitä on tulossa paljon." Niin on tullutkin: renkaat ovat paljastuneet aktiivisiksi ja dynaamisiksi rakenteiksi, jotka käyttäytyvät vähän kuin muodostumassa oleva planeettakunta.

Renkaiden olemuksen lisäksi Cassini on kuvannut tarkasti Saturnuksen pohjoisnavalla olevaa outoa kulmikasta myrskykeskusta ja löytänyt hurrikaaneja molemmista napa-alueista. Saturnuksessa oli myös kummallinen suuri myrskyalue vuosina 2010-2011, ja Cassini pääsi tutkimaan sitä aitiopaikalta.

Yllättävä kuukatras

Renkaiden lisäksi toinen Saturnuksen herkku on Titan, planeetan kokoinen kuu, jota peittoaa kaasukehä. Cassinin mukana Saturnukseen ratsastanut eurooppalainen Huygens laskeutui Titaniin 14. tammikuuta 2005, ja paljasti todella omalaatuisen maailman – jo pelkkä laskeutuminen Titaniin olisi jo sinällään ollut lennon väärti!

Sen jälkeen Cassini on luonnollisesti tutkinut Titania runsaasti: se on Maan kaltainen, jatkuvasti muuttuva maailma, missä on jokia, sadetta, järviä ja meriä. Siitä voisi kirjoittaa niin paljon, että se kannattaa jättää toiseen kertaan...

Myös muut kuut ovat yllättäneet. Etenkin aktiivinen, jäisiä kaasusuihkuja avaruuteen puhaltava Enceladus ja kaksinaamainen mustavalkoinen Iapetus osoittautuivat lähes kokonaan odotettua omituisemmiksi.

Alkuperäiseen, nelivuotiseksi suunniteltuun kiertokäyntiin Saturnuksen ympärillä kuului 76 eri kiertorataa ja 45 Titan-kuun ohilentoa. Nyt kuiden ohilentoja on tehty kaikkiaan 132 ja kiertorataa on muutettu jopa 291 kertaa.

Jo ennen laukaisua oltiin varsin luottavaisia siihen, että Cassini jatkaa työtään neljän vuoden jälkeenkin. "Silloinhan se on kuin vanha auto, joka tarvitsee vain vähän bensaa toimiakseen", vertasi Kolhase luotaimen kustannuksia tuolloin. Tuskin kukaan kuitenkaan uskalsi edes toivoa sitä, että Cassini olisi näin hyvässä kunnossa vielä 10 vuoden jälkeen.

Lentoa jatkettiin virallisesti kesällä 2008 ja uudelleen vuonna 2010. Nyt suunnitelmissa on tehdä luotaimella yhä uskaliaampia renkaiden ohilentoja ja ohjata luotain syöksymään Saturnukseen vuonna 2017. Silloin sen polttoaine alkaa viimeistään olla jo niin lopussa, että loppu olisi lähellä joka tapauksessa.

Nasan mukaan kymmenen Saturnuksessa vietetyn vuoden aikana Cassini on kerännyt 514 gigabittiä tietoa, ottanut 332000 kuvaa ja löytänyt seitsemän uutta kuuta. Tutkijat 26 eri maasta ovat julkaisseet yli 3000 tieteellistä julkaisua Cassinin tulosten pohjalta ja lisää tulee koko ajan.

Cassini ja Huygens

Cassini- ja Huygens-alukset on nimetty kahden Saturnusta tutkineen tähtitieteilijän mukaan.

1600 -luvulle saakka Saturnus oli vain valopiste taivaalla ja samalla tunnetun aurinkokunnan uloin planeetta. Kun Galileo Galilei suuntasi noin vuonna 1610 kaukoputkensa taivaalle, hän havaitsi heti Saturnuksen erilaisuuden muihin planeettoihin verrattuna. Saturnuksella oli ikään kuin korvat - olivatko ne oikeat ulokkeet vai kaksi kuuta, sitä ei Galilei pystynyt havaitsemaan. Sen sijaan hollantilainen Christiaan Huygens keksi vuonna 1655, että nimenomaan suuret renkaat tekevät Saturnuksesta pienellä kaukoputkella katsottaessa hieman erikoisen näköisen. Planeetalla on ympärillään renkaat , jotka näkyvät kahtena kuuna tai korvina planeetan molemmilla puolilla.  Renkaiden olemuksen keksimisen lisäksi Huygens löysi Saturnuksen suurimman kuun, Titanin.

Pariisin tähtitornin johtaja Jean-Dominique Cassini pani 1600-luvun loppupuolella paremmaksi. Suuremmilla havaintolaitteillaan hän huomasi vuonna 1675 renkaiden koostuvan ainakin kahdesta osasta ja hän löysi lisäksi useita Saturnuksen kuita.

Rengasplaneetta Saturnus

Saturnus on tyypillinen uloimman aurinkokunnan kaasuplaneetta. Siksi sillä ei ole lainkaan kunnollista pintaa, vaan Saturnusta katsoessa näemme planeetan ilmakehän pilvikerroksen. Tuo pilviverho on Jupiterista poiketen varsin vaisu, sillä siinä ei näy edes luotainkuvissa muuta kuin heikkoja vöitä ja raitoja, sekä jokunen pieni pilkkumainen pyörremyrsky. Tuuli puhaltaa Saturnuksen päiväntasaajalla jopa 500 metrin sekuntinopeudella.

Kaasuplaneettojen tapaan Saturnus on varsin harva, sillä vaikka sen sisälle mahtuisi yli 700 maapalloa, on sen massa kuitenkin vain 95 Maan massaa. Lämpötila Saturnuksen ilmakehässä on matalimmillaan -179°C.

Renkaat ovat luonnollisesti huomiota herättävin Saturnuksen osa, vaikka ne painavat vain noin kymmenesmiljoonasosan koko planeetan massasta; jos kaikki renkaissa oleva aine kerättäisiin yhteen kasaan, saisimme kokoon 500 km läpimitaltaan olevan jääpallon. Tämä ei ole paljon, sillä itse Saturnuksen läpimitta on 109 400 km ja renkaat itsessäänkin ovat 70000 km leveät. Paksuutta renkailla on kuitenkin vain noin parisataa metriä, minkä vuoksi niitä ei voi havaita lainkaan silloin, kun ne osoittavat suoraan Maahan. Renkaat koostuvat lukemattomista pienistä jääkimpaleista, joiden koko vaihtelee tyypillisesti senttimetrin ja millimetrin välillä, vaikkakin joukossa on myös auton ja jopa parin kilometrin kokoisia suurempia kappaleita.

Titan puolestaan on monessa suhteessa kuin ammoinen maapallo, tai niin ainakin uskotaan. Kooltaanhan tämä kuu on itse asiassa lähes planeettaluokkaa, sillä se on läpimitaltaan 5150 kilometriä. Titanin tunnuspiirre on metaani, vaikka sitä on vain noin 1% kaasukehästä - loput 99% on typpeä. Tuo vähä metaani muuttuu koko ajan auringon säteilyn vuoksi typeksi ja vedyksi, joka karkaa kuitenkin avaruuteen. Typpi puolestaan jää ilmakehään ja muodostaa metaanin kanssa monimutkaisempia yhdisteitä, joista osa valuu kuun pinnalle aivan samaan tapaan, kuin tapahtui ammoin maapallolla. Kylmyyden vuoksi pinnalla ei vain ole vettä kuten oli maapallolla, vaan pinnalla on metaanijärviä tai jopa meriä.