U zagrljaju Saturna

-
GRUPNI PORTRET: Saturn i Zemlja viđeni okom "Kasinija"
Kosmička sonda “Kasini” predstavlja zajednički projekat američke (NASA), evropske (ESA) i italijanske (ASI) agencije za istraživanje kosmosa. U konstrukciju sonde veličine gradskog autobusa uloženo više od dve i po milijarde dolara. Velika avantura započela je davne 1997. godine lanisranjem sa kosmodroma na Floridi uz burno negodovanje brojnih "zelenih" partija i organizacija usled realne opasnosti da katastrofa tokom lansiranja dovede do rasipanja toksičnog plutonijuma iz letelice u atmosferu.

Kako bi se smanjila masa raketnog goriva a povećala količina korisnog tereta (pre svega naučnih instrumenata), “Kasini” je morao da putuje veoma lagano, koristeći gravitaciono polje Venere (dva puta), Zemlje i Jupitera kao “praćku” za sticanje dodatne brzine. Ovaj kosmički karambol izveden je besprekorno i letelica se u julu 2004. godine konačno našla u orbiti Saturna. Nakon 13 godina i 8 milijardi pređenih kilometara misija izučavanja Saturna, njegovih magičnih prstenova i satelita okončana je spektakularnim poniranjem sonde u atmosferu Saturna.

"Kasini" tokom montaže
Zahvaljujući podacima koje je “Kasini” prikupio do sada napisano je preko 4,000 naučnih radova, svaki sa manjim ili većim naučnim doprinosom. Oni najvažniji radovi tek se očekuju jer je do sada proučen samo mali deo od ukupno 635 gigabajta podataka koliko je “Kasini” prikupio i otpremio na Zemlju. Letelica je otkrila šest novih satelita, izvršila preko dva miliona komandi poslatih sa Zemlje, napravila skoro 300 orbita oko planete, snimila pola miliona fotografija i 160 puta proletela pored Titana, Enceladusa i drugih Saturnovih satelta. Pokušaj da se sve to sumira u jednom kratkom novinskom tekstu verovatno je unapred osuđen na neuspeh, pa opet - da pokušamo.

Saturn je fascinantna planeta čijom atmosferom dominiraju vetrovi neuporedivo jači od onih na Zemlji. Tokom 2010. i 2011. godine “Kasini” je izučavao jednu od najvećih oluja u Sunčevom sistemu koja je u jednom trenutku obuhvatila čitav obim planete. U oblasti severnog pola “Kasini” je otkrio atmosfersko strujanje bizarnog šestougaonog oblika sa ogromnim uraganom u centru, nešto što do sada nije opaženo ni na jednoj drugoj planeti. “Kasini” je, takođe, prvi istražio prostor između Saturna i njegovih prstenova i pokazao da je on uglavnom prazan, nasuprot onome što se do sada pretpostavljalo. Takođe, veličanstveni Saturnovi prstenovi sada se smatraju mnogo mlađim nego pre. Ako se njihova pretpostavljena starost od oko 100 miliona godina uporedi sa milijardama godina postojanja Sunčevog sistema, ispada da živimo u vrlo privilegovanom dobu. I Saturnovi prstenovi viđeni okom “Kasinija” neuporedivo su dinamičniji nego što se do sada mislilo. Sonda je u njima detektovala dinamične “propelerske” strukture, nove Saturnove mesece u stanju nastajanja i neočekivane neravnine nalik na grebene kanala gramofonske ploče.

Tu je, zatim, Titan, najveći Saturnov satelit koji, za razliku od svih ostalih satelita u Sunčevom sistemu, ima gustu azotnu atmosferu karakteristične narandžaste boje koja je skoro potpuno neprozirna za oko kamere. Zahvaljujući moćnom “Kasinijevom” radaru i sondi “Hajgens” koja se odvojila od matične letelice i meko spustila na površinu Titana danas znamo da je Titan, i pored svoje ekstremno niske temperature (-180C), svet promenljive klime sa vetrovima, oblacima, kišama, rekama i jezerima, uz jednu drastičnu razliku u odnosu na Zemlju: umesto vode Titan ima tečne ugljovodonike, njegova jezera puna su metana i drugih tečnih gasova. Misija, naravno, nije mogla da odgonetne da li na Titanu ima živih organizama. Na tako niskim temperaturama šanse su male, ali i dalje postoje. Možda je u nedostatku tečne vode tamo nastao jednostavan mikrobiološki svet čiji se metabolizam zasniva na ugljovodonicima a ne na vodi? Majušni “Hajgens” trenutno predstavlja najudaljeniji objekat načinjen ljudskom rukom koji se nalazi na površini nekog drugog nebeskog tela.

OKEAN ISPOD LEDENE KORE: Enceladus
Ipak, naviše pažnje privukao je Enceladus, znatno manji Saturnov satelit koji smo jedva poznavali do sada, ponajviše zahvaljujući fotografijama koje je napravio “Vojadžer 2” pre mnogo decenija. Enceladus izgleda kao uglancana kugla napravljena od leda, toliko sjajna da po procentu reflektovane sunčeve svetlosti prevazilazi sva ostala tela u Sunčevom sistemu. Njegova glatka površina, takoreći bez tragova udaraca meteorita, sugeriše da je satelit geološki aktivan i da se nekim nepoznatim mehanizmom njegova površina neprekidno obnavlja. Tek su fotografije sa “Kasinija” rasvetlile ovu misteriju.

“Kasini” je u više navrata fotografisao snažne vodene gejzire koji izviru iz tzv. “tigrovih pruga”, dubokih procepa u ledenoj kori u oblasti južnog pola Enceladusa. Ledeni kristali izbačeni kilometrima u vis lagano padaju nazad na površinu satelita podmlađujući i glačajući njegovu površinu. “Kasini” je ne samo snimio ovu vodenu zavesu već je i proleteo kroz nju detektujući kristale leda, organske molekule i čestice prašine. Prihvaćeno je stanovište da se nekoliko kilometara ispod čvrste i beživotne ledene kore Enceladusa nalazi pravi okean tečne vode čija dubina varira između 5 i 10 kilometara.

TIGROVE PRUGE: Ledeni gejziri na Enceladusu
Koji izvor enerije tu količinu vode drži u tečnom stanju i dalje nije do kraja objašnjeno. Jednim delom ova toplota generiše se radioaktivnim raspadom materije ali je taj doprinos relativno mali. Drugi deo verovatno potiče od plimske interakcije Enceladusa i Saturna koja energiju rotacije satelta lagano pretvara u toplotu. Koji god toplotni izvor da je u pitanju, on u dubinama okena verovatno stvara hidro-termalne stubove, nalik onima koje nalazimo na dnu okeana na Zemlji. Takva mesta na našoj planeti bujaju od života i taj životni lanac potpuno je nezavisan od Sunčeve svetlosti i ostatka Zemljine biosfere. Ako je tako nešto moguće u mraku naših okeana, zašto bi bilo nemoguće u jednako mračnim okeanima Enceladusa? Do juče nismo imali nijedan argument u prilog postojanja života na Enceladusu a danas nemamo nijedan argument protiv.

“Kasini” je, kako kaže direktor projekta Erl Mejz, postao žrtva sopstvenih otkrića. Zahvaljujući njemu danas znamo da je Enceladus potencijalni ekosistem i niko nema pravo da ga ugrožava, čak i ako je verovatnoća za to veoma mala. Nisu u pitanju samo mikroorganizmi koje “Kasini” možda još uvek ima na sebi već i velika količina visoko toksičnog i još uvek radioaktivnog plutonijuma. Osim toga, obazrivost diktira i međunarodni ugovor koji su prihvatile sve kosmičke sile a koji zahteva da se spreči kontaminacija potencijalno nastanjivih svetova. Upravo zbog toga NASA ima “Kancelariju za planetarnu zaštitu” čiji je zadatak da “sačuva našu sposobnost da izučavamo druge svetove u njihovom prirodnom stanju, da izbegnemo njihovu kontaminaciju koja bi nas onemogućila da otkrijemo život izvan Zemlje i, u slučaju da on postoji, sačuvamo našu biosferu od štetnih uticaja”.

Metansko more na Titanu
Baš kao i sonda “Galileo” koja je godinama izučavala Jupiter i njegove satelite, uključujući i satelit Evropa koji takođe poseduje okean vode ispod ledene kore, i “Kasini” je morao da bude uništen na kontrolisani način, sagorevanjem u atmosferi planete koja je pune dve decenije bila više nego gostoljubivi domaćin. Time je završena još jedna velika avantura čovečanstva za koju je teško pronaći adekvatno poređenje (ako izuzmemo fascinantan rast srpskog BDP-a). Mnogi od inženjera i naučnika uključenih u projekat su uz “Kasini” dočekali (a neki i ispratili) svoje najbolje profesionalne godine. Poslednji besprekorni manevar “Kasinija” bio je pun pomešanih emocija iskazanih uzdržanim aplauzom, ponekim zagrljajem ili suzom.

Malo je bilo onih koji su poslednje minute druženja sa “Kasinijem” dočekali u vedrom duhu. Jedan od njih bio je Džon Kasani, šef tima koji je sondu opremio radarom koji je na Titanu otkrio metanska mora i štošta još. Na pitanje kako se oseća sad, na kraju svih krajeva, rekao je uz osmeh: “Odlično! Letelica je otišla onako kako bih ja voleo da odem sa ovog sveta kad dođe trenutak za to: brzo, baveći se naukom sve do poslednjeg sekunda. Za mene je ‘Kasini’ samo gomila lima i silicijuma. Sve su to samo delovi koji ne vrede ništa bez ljudi koji će im udahnuti neku kreativnu svrhu”.

Uspeh “Kasinija” raspalio je maštu istraživača. Mnogi predlažu da se istraživanje Saturna nastavi što pre a neki od njih su krajnje avangardni, poput podmornice za istraživanje mora na Titanu i bio-laboratorije za detektovanje života na Enceladusu. Ipak, male su šanse da ćemo se Saturnu uskoro vratiti, pre svega zbog ogromnih troškova.

Naredna velika avantura počinje za godinu dana, lansiranjem opservatorije “Džejms Veb”. Ovaj kolosalni kosmički teleskop, nekoliko puta veći od “Habla” čija su nas otkrića bezbroj puta do sada ostavljala do daha, zapravo je “vremenska mašina” koja će nam omogućiti da vidimo kako je kosmos izgledao u ranom detinjstvu, pre više od 13 milijardi godina. Niko ne zna šta šta ćemo ugledati kada njegovo ogledalo okrenemo ka najmračnijem kutku zvezdanog neba. Neka “Džejms Veb” bude uspešan i efikasan kao što su to bili “Kasini” ili “Habl”, biće sasvim dovoljno.


Kraj koji se nije mogao izbeći

Zašto je “Kasini” morao da bude uništen, i pored toga što je najveći broj uređaja i instrumenata na njemu i posle dvadeset godina bio u odličnom stanju? Da bi misija mogla da se nastavi neophodno je da kontrola leta i dalje bude u stanju da upravlja kretanjem letelice. Drugim rečima, neophodno je da letelica ima kontrolisanu putanju i orijentaciju u prostoru.

Održavanje ispravne orijentacije podrazumeva sposobnost letelice da okrene svoju antenu prema Zemlji ili da usmeri svoje kamere ka izabranom objektu. Ovo može da se postigne korišćenjem običnog elektromotora. Ako se rotor takvog motora okreće u jednu stranu, čitava letelica lagano se okreće u surptonom smeru, u skladu sa Njutnovim zakonom akcije i reakcije. Dodajte na to još dva takva motora za kontrolu obratanja letelice u odnosu na dve preostale prostorne ose i stavite još jedan u rezervu, za slučaj da neki od prva tri otkaže, i problem je rešen.

KRAJ: "Kasini" ulazi u Saturnovu atmosferu
Za funkcionisanje ovih motora potrebna je struja, ali nje na kosmičkim letelica obično ima dovoljno. Sve do Jupiterove orbite letelice obično koriste solarne panele za konverziju Sunčeve setlosti u elektricitet. Iza Jupiterove orbite tama postaje sve gušća i fotoćelije više nisu u stanju da generišu potrebne količine energije. Zato letelice za duboki kosmos koriste tzv. radio-izotopske termo-električne generatore (RTG) koji proizvode struju korišćenjem toplote koja se oslobađa radio-aktivnim raspadom. Kao pogonsko gorivo obično se koristi plutonijum-238 koji se proizvodi isključivo u atomskim reaktorima. Ovaj izotop plutonijma predstavlja strateški materijal kojim raspolažu isključivo velike sile a ukupne planetarne rezerve mere se kilogramima.

Plutonijum je visoko efikasan izvor energije – pod dejstvom toplote koju sam proizvodi radioaktivnim raspadom, komad plutonijuma-238 može da bude u stanju crvenog usijanja na sobnoj temperaturi. Da bi njegova toplotna moć opala na polovinu potrebno je da prođe više od osamdeset godina. Uz to, radio-izotopski generatori imaju veoma prostu konstrukciju bez pokretnih delova što letelici obezbeđuje mnogo decenija pouzdanog snabdevanja električnom energijom. Zato smo, na primer, i dalje u stranju da komuniciramo sa “Vojadžerom” koji se posle 40 godina leta nalazi izvan granica Sunčevog sistema.

Međutim, orijentacija predstavlja samo polovinu kontrole položaja letelice. Održavanje ispravne trajektorije neuporedivo je komplikovanije i za to su potrebni raketni motori. Motori na “Kasiniju” imaju klasični hemijski pogon i potreban potisak ostvaruju sagorevanjem i izbacivanjem produkata sagorevanja kroz mlaznik motora. Letelica usled toga dobija ubrzanje u suprotnu stranu i to ubrzanje postoji samo dok je motor uključen. S obzirom da se gorivo nepovratno troši i da su njegove rezerve na letelici ograničene, svaka kosmička letelica može da izvede samo određen broj promena putanje. Onoga trenutka kada letelica potroši svoje rezerve goriva, prestaje i mogućnost kontrole njene trajektorije.

HEKSAGON: Oluja na Saturnovom severnom polu
Upravo to se desilo i sa “Kasinijem”. U trenutku lansiranja sonda je imala oko tri tone goriva (poređenja radi, celokupan korisni teret imao je svega dve i po tone). Nakon dve decenije suptilnih korekcija putanje, “Kasinijev” rezervoar spao je na poslednjih 30 kilograma. Kontrola leta odlučila je da poslednje kapi goriva upotrebi za promenu kursa letelice i uputi je u Saturnovu atmosferu gde je letelica i uništena 15. septembra.

Da li je bilo moguće sačuvati “Kasini” još neko vreme? Svakako da jeste. Preostalo gorivo moglo je letelicu da postavi u relativno stabilnu putanju oko Saturna koja bi omogućila bar još jednu deceniju posmatranja, ako ne i više. Ali na duge staze, putanja svakog nebeskog tela pa i  “Kasinija” postaje nepredvidiva. Gravitacioni uticaji okolnih nebeskih tela, prolazećih kometa ili asteroida mogu da izvedu “Kasini” iz stabilne putanje i dovedu do njene kolizije sa Titanom i Enceladusom na kojima možda postoji život. Takav sudar mogao bi da ima katastrofalne posledice s obzirom da “Kasini” nije bio sistematski sterilisan pre polaska na put.

Možda je ova briga preterana, ali neki zemaljski organizmi s lakoćom opstaju u uslovima ekstremne hladnoće ili radijacije kakve nalazimo samo u kosmosu. Šampioni izdržljivosti svakako su vodeni medvedi, mikroskopski ogranizmi koji su u stanju da opstanu više od deset dana u kosmičkom vakuumu. Eksperimenti na Međunarodnoj kosmičkoj stanici pokazali su da bakterije skrivene u steni zakačenoj na spoljašnji zid stanice mogu da budu oživljene i posle dve godine kosmičke hibernacije. Susret živih bića sa Zemlje i onih na Enceladusu može da bude fatalan po ove druge. Uostalom, pitajte Indijance kakvu su sudbinu doživeli nakon Kolumbovog iskrcavanja.

Kasini i Hajgens

Misija koja je upravo okončana svojim punim nazivom ("Kasini-Hajgens") odaje počast dvojici velikana astronomije i nauke u celini: Žanu Dominiku Kasniju i Kristijanu Hajgensu.

DELIKATNA LEPOTA: Saturnovi prstenovi
Kasini je rođen u Italiji, 1625. godine. Za astronomiju se zainteresovao tek kada je prerastao svoju ranu fasicinaciju astrologijom. Prvi znanja stekao je od jezuitskih sveštenika i jednog bogatog astronoma-amatera koji mu je pružio priliku da koristi kvalitetne teleskope. Bio je talentovani posmatrač Sunca i planeta tako da je ubrzo dobio profesorsko mesto na Univerzitetu u Bolonji. Odatle je na poziv Luja XIV, 1669. godine prešao u tek formiranu Francusku akademiju nauka. Dve godine kasnije primio je francusko državljanstvo i postao direktor Pariske opservatorije.

Kasini je otkrio četiri Saturnova satelita: Japetus (1671), Reu (1672), Tetis i Dion (1684). Ipak, najpoznatiji je po tome što je 1675. godine otkrio tanak procep u Saturnovim prstenovima koji i danas nosi njegovo ime. Kasinijevom zaslugom, francuski astronomi i Pariska opservatorija obezbedili su prestiž koji je trajao još dugo nakon njegove smrti 1712. godine.

Hiperion
Kristijan Hajgens rođen je 1629. godine u bogatoj holandskoj porodici tradicionalno vezanoj za politiku i dplomatiju. Hajgensov talenat za crtanje i geometriju prvi je zapazio Rene Dekart koji je odlučujuće doprineo da Hajgens studira matematiku. Nakon studija, Hajgens je otvorio malu radionicu za izradu astronomskih teleskopa. Nakon što je formulisao sopstvenu teoriju ovih sprava i otkrio zakon prelamanja svetlosti, Hajgens je osmislio i sopstvene tehnike izrade i poliranja teleskopskih sočiva. Jedan svoj teleskop, mnogo jači od onog koji je svojevremeno koristio Galilej, Hajgens je 1655. godine uperio u Saturn i na sopstveno iznenađenje otkrio da Saturn ima jednog velikog pratioca - Titan. Četiri godine kasnije, Hajgens će utvrditi i pravi oblik Saturnovih prstenova. Osim za astronomiju Hajgens je bio zainteresovan i za merenje vremena. Prvi je utvrdio da se mehaničko klatno može iskoristiti kao sredstvo za pouzdano definisanje ritma časovnika.

Hajgensove pozne godine obeležiće sukob sa Isakom Njutnom, najvećim genijem tog doba. Hajgens je bio neizmerno tašt pa je kao samozvani "genije bez konkurencije" odbio Njutnov predlog da zajednički formulišu bolji matematički model časovnika sa klatnom. Hajgens se žestoko protivio Njutnovoj čestičnoj teoriji svetlosti iako nije mogao da mu parira matematičkim znanjem. U to vreme Njutn je već razvio diferencijalni račun koji Hajgens nije želeo da koristi iz čistog kaprica ali je zato, svestan svog hendikepa, podstakao Gotfrida Lajbinca da napravi nešto slično. Sporenja oko toga ko je izmislio diferencijalni račun, Njutn ili Lajbnic, traju do današnjih dana.

Hajgens je umro 1695. godine. Iako se njegovi tadašnji naučni rezultati mogu uporediti jedino s Njutnovima, Hajgens je priznanje naučne zajednice stekao tek naknadno, mnogo posle svoje smrti. Taština, ignorancija, hermetičnost i navika da radi u potpunoj osami onemogućili su ga da zasluženu slavu stekne još za života.

Saturn kao stari znanac

Saturn je šesta po redu i druga po veličini planeta u Sunčevom sistemu. S obzirom da je lako vidljiv golim okom, Saturn je posmatran i izučavan još od antičkih vremena (u rimskoj mitologiji Saturn je bog zemljoradnje). Teleskopom ga je prvi posmatrao Galileo Galilej 1610. godine ali nije ispravno protumačio ono što je video. U to vreme Galilej je Saturnov prsten mogao da vidi jedino "iz profila", kao tanku crtu preko planetarnog diska, a ne kao elipsu ili krug. Zato je pogrešno pretpostavio da Saturn ima dva satelita, po jedan sa svake strane, a misterija je ostala nerazrešena sve dok Kristijan Hajgens nije tačno opisao Saturnovu geometriju. Danas znamo da je Saturnov spektakularni prsten sastavljen iz nekoliko koncentričnih delova i da ima prečnik od preko četvrt miliona kilometra. Prsten uglavnom čine gromade leda i stene veličine od nekoliko centimetra do više stotina metara. Debljina prstena je ekstremno mala, manja od jednog kilometra: kada bi se materijal čitavog Saturnovog prstena sabio u sferu, ona ne bi imala ni 100 kilometara u prečniku.

Poput Jupitera, i Saturn je gasoviti džin. Ima deset puta veći prečnik od Zemlje i sastavljen je od mešavine vodonika, helijuma i tragova drugih materija. Saturn je telo sa najmanjom gustinom u Sunčevom sistemu: ako biste uspeli da ga strpate u kadu, on bi u njoj plutao kao gumena patkica. Zbog velike brzine rotacije i slabe konzistencije, Saturn je vidljivo spljošten na polovima i po obliku više podseća na tikvu nego na loptu.

Pored Saturna do sada su proletele tri kosmičke sonde: Pionir 11 (1979), Vojadžer 1 (1980) i Vojadžer 2 (1981), pri čemu se nijedna nije zadržala u blizini planete više od dan-dva. Iako su ove tri kratke posete višestruko uvećale naše znanje o Saturnu, istinski prodor u razumevanju ove planete napravio je tek “Kasini” nekoliko decenija kasnije.

Vreme #1394

Enceladus i Titan