فضاپیمای کاسینی-هویگنس بزرگترین، پیچیدهترین و موفقترین مأموریت بینسیارهای تاریخ تا زمان خود بود که از ۱۵ اکتبر ۱۹۹۷ تا ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۷ به مدت بیست سال فعالیت کرد. این فضاپیما با همکاری ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی ایتالیا (ASI) ساخته شد و هزینه کل آن حدود ۳٫۲۶ میلیارد دلار بود. فضاپیمای کاسینی با وزن ۵۷۱۰ کیلوگرم هنگام پرتاب (شامل ۳۱۳۲ کیلوگرم پیشرانه) بزرگترین فضاپیمایی بود که تا آن زمان به سوی سیارات بیرونی فرستاده شده بود. نام آن به افتخار ستارهشناس ایتالیایی-فرانسوی قرن هفدهم، جووانی دومنیکو کاسینی، و کاوشگر هویگنس نیز به نام کریستیان هویگنس، کاشف تیتان، انتخاب شد.
فضاپیمای کاسینی در طول مأموریت خود ۲۹۳ بار به دور زحل چرخید، ۱۶۲ پرواز نزدیک از کنار قمرهای آن انجام داد، بیش از ۶۳۵ گیگابایت داده علمی فرستاد و ۴۵۳٬۰۰۰ عکس گرفت که هنوز هم دانشمندان در حال تحلیل آنها هستند.
آشنایی با فضاپیمای کاسینی
فضاپیمای کاسینی یک مأموریت مشترک ناسا، آژانس فضایی اروپا و آژانس فضایی ایتالیا بود که برای بررسی دقیق سیاره زحل و قمرهای آن طراحی شد. این فضاپیما در سال ۱۹۹۷ پرتاب شد و پس از طی مسافتی طولانی، در سال ۲۰۰۴ وارد مدار زحل شد. کاسینی مجهز به دوربینهای طیفی، رادار، مغناطیسسنج و ابزارهای سنجش ذرات بود و توانست ساختار حلقههای زحل، جو متغیر این سیاره و میدان مغناطیسی آن را با دقت بالا مطالعه کند.
یکی از مهمترین کشفیات کاسینی مربوط به قمرهای زحل، بهویژه انسلادوس و تیتان بود. کاسینی وجود فورانهای آب در انسلادوس و نشانههایی از اقیانوس زیرسطحی را تأیید کرد که احتمال حیات میکروبی را مطرح میکند. همچنین با فرودگر «هايجنز» سطح تیتان مورد بررسی قرار گرفت و ساختار جو، دریاچههای متانی و فعالیتهای ژئولوژیکی آن شناسایی شد. مأموریت کاسینی در سال ۲۰۱۷ با ورود کنترلشده به جو زحل پایان یافت، اما دادههایی که جمعآوری کرد هنوز یکی از ارزشمندترین منابع علمی برای شناخت منظومه زحل است.
معرفی مأموریت کاسینی–هویگنس
مأموریت کاسینی-هویگنس در ۱۵ اکتبر ۱۹۹۷ با موشک تایتان IVB/سنتاور از ایستگاه نیروی هوایی کیپ کاناورال پرتاب شد. فضاپیما پس از دو کمک گرانشی از زهره (آوریل ۱۹۹۸ و ژوئن ۱۹۹۹)، یک کمک گرانشی از زمین (اوت ۱۹۹۹) و یک کمک گرانشی از مشتری (دسامبر ۲۰۰۰)، سرانجام در اول ژوئیه ۲۰۰۴ به مدار زحل رسید. در مسیر، کاسینی از فاصله ۱۱۷ میلیون کیلومتری سیارک ۲۶۸۵ ماسورسکی عبور کرد و اولین تصاویر رنگی دقیق از آن گرفت.
کاوشگر هویگنس در ۲۵ دسامبر ۲۰۰۴ از کاسینی جدا شد و در ۱۴ ژانویه ۲۰۰۵ با موفقیت روی سطح تیتان فرود آمد و اولین فرود در سیاره بیرونی را ثبت کرد. کاسینی تا سپتامبر ۲۰۱۷ به فعالیت ادامه داد و در نهایت با ورود کنترلشده به جو زحل و سوختن کامل، مأموریت «گرند فیناله» خود را به پایان رساند.
اهداف علمی اصلی مأموریت
اهداف اصلی مأموریت کاسینی شامل مطالعه ساختار و رفتار حلقههای زحل، بررسی جو و میدان مغناطیسی زحل، نقشهبرداری دقیق از قمرهای یخی و تیتان، جستجوی نشانههای فعالیت زمینساختی و احتمال وجود آب مایع زیرسطحی، و بررسی امکان وجود شرایط پیشزیستی در تیتان و انسلادوس بود. این مأموریت همچنین قرار بود دینامیک حلقهها و قمرهای کوچک را اندازهگیری کرد و تعامل بین باد خورشیدی و مگنتوسفر زحل را بررسی نمود. در مجموع، بیش از ۳۹ هدف علمی دقیق تعریف شده بود که تقریباً همه آنها با موفقیت انجام شد.
ابزارهای اندازهگیری و سنجش کاسینی
فضاپیمای کاسینی مجهز به ۱۲ ابزار علمی اصلی بود که روی خود فضاپیما نصب شده بودند و کاوشگر هویگنس ۶ ابزار دیگر داشت. مهمترین ابزارها عبارت بودند از:
- دوربینهای ISS (Imaging Science Subsystem) با دو دوربین عریض و باریک با فیلترهای مختلف
- طیفسنج مرئی و مادون قرمز VIMS
- طیفسنج فرابنفش UVIS
- رادار تصویربردار RADAR برای نفوذ در جو تیتان
- مغناطیسسنج MAG
- تحلیلگر ذرات کیهانی CAPS و INCA
- طیفسنج جرمی یون و خنثی INMS
- تحلیلگر گرد و غبار کیهانی CDA
- ابزار رادیویی RSS برای آزمایشهای نسبیت عام
ورود فضاپیمای کاسینی به مدار زحل
ورود کاسینی به مدار زحل در اول ژوئیه ۲۰۰۴ با یک مانور ترمزی ۹۶ دقیقهای انجام شد که بزرگترین مانور ترمزی در تاریخ مأموریتهای بینسیارهای تا آن زمان بود. موتور اصلی برای ۹۶ دقیقه روشن شد و سرعت فضاپیما را ۶۲۲ متر بر ثانیه کاهش داد تا در مدار اولیه ۲۰ روزه قرار گیرد. این مانور از میان شکاف بین حلقههای F و G انجام شد و اولین تصاویر نزدیک از حلقهها گرفته شد.
فضاپیمای کاسینی نزدیک به ۱۳ سال حلقههای زحل را با دقت بیسابقهای مطالعه کرد. کشف کرد که حلقهها بسیار پویا هستند و موجهای عمودی، ساختارهای مارپیچی و حتی قمرهای کوچک در حال شکلگیری در درون آنها وجود دارد. مشخص شد که ذرات حلقهها عمدتاً یخ آب با خلوص ۹۵ درصد هستند و باران حلقه (ring rain) به جو زحل میریزد. کاسینی جرم حلقهها را دقیق اندازهگیری کرد و نشان داد که حلقهها حدود ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون سال عمر دارند.
بررسی جو و ساختار سیاره زحل
کاسینی برای اولین بار ساختار سهبعدی جو زحل را نقشهبرداری کرد. ششضلعی قطبی شمال، طوفان بزرگ قطبی جنوب و طوفان عظیم سال ۲۰۱۰-۲۰۱۱ را به طور کامل ثبت کرد. مشخص شد که بادهای زحل تا سرعت ۱۸۰۰ کیلومتر بر ساعت میرسد و لایههای عمیق جو شامل آمونیاک و سولفید هیدروژن است. همچنین برای اولین بار ترکیب ایزوتوپی هلیوم و کربن در جو اندازهگیری شد.
پرواز نزدیک از کنار قمر تیتان
کاسینی ۱۲۷ پرواز نزدیک از کنار تیتان انجام داد که نزدیکترین آنها تنها ۹۵۰ کیلومتر بود. این پروازها امکان نقشهبرداری ۶۰ درصدی سطح تیتان با رادار را فراهم کرد و دریاچهها، رودخانهها، کوهها و تپههای شنی متان را نشان داد. مشخص شد تیتان تنها جرم در منظومه شمسی به جز زمین است که مایع پایدار روی سطح دارد، البته متان و اتان به جای آب.
مأموریت کاوشگر هویگنس
کاوشگر هویگنس در ۱۴ ژانویه ۲۰۰۵ با چتر در جو تیتان فرود آمد و ۷۲ دقیقه داده فرستاد و سپس دو ساعت و نیم دیگر از سطح سیگنال فرستاد. تصاویر نشان داد که سطح تیتان شبیه زمین است با رودخانههای خشک، دریاچههای متان و زمینهای شنی. دما منفی ۱۷۹ درجه سانتیگراد و فشار ۱٫۵ برابر زمین بود. هویگنس اولین و تاکنون تنها فرود موفق در سیاره بیرونی را ثبت کرد.
آیا مأموریت کاسینی همان مأموریت دراگونفلای است؟ (مقایسه)
مأموریت کاسینی و دراگونفلای (Dragonfly) دو پروژه کاملاً متفاوت هستند و هیچکدام جایگزین دیگری نیستند. کاسینی یک مدارگرد بزرگ بود که از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۷ در مدار زحل قرار داشت و کل منظومه زحل شامل حلقهها و قمرهای مهم آن مثل تیتان و انسلادوس را مطالعه کرد. هدف اصلی کاسینی بررسی کلی سیستم زحل بود و ابزارهای آن برای تصویربرداری، طیفسنجی، تحلیل میدان مغناطیسی و مطالعه ساختار حلقهها طراحی شده بود.
در مقابل، دراگونفلای یک پهپاد هستهای است که مأموریت آن فقط روی قمر تیتان متمرکز است و قرار است بهجای گردش در مدار، روی سطح تیتان فرود بیاید و مانند یک کوادکوپتر بین نقاط مختلف این قمر پرواز کند. هدف دراگونفلای بررسی ترکیبات شیمیایی پیچیده، شرایط زیستپذیری و فرآیندهای سطحی تیتان است؛ موضوعاتی که کاسینی بهدلیل ماهیت مداری خود نمیتوانست آنها را از نزدیک بررسی کند. بنابراین، دراگونفلای ادامه مستقیم کاسینی نیست، بلکه یک مأموریت کاملاً جدید و متمرکز بر سطح تیتان محسوب میشود.
کشف دریاچههای متان تیتان
کاسینی با رادار و VIMS دریاچهها و دریاهای متان و اتان در قطب شمال و جنوب تیتان را کشف کرد. بزرگترین آنها Kraken Mare با مساحت ۴۰۰٬۰۰۰ کیلومتر مربع است که بزرگتر از دریای خزر است. مشخص شد که این دریاچهها چرخه متان مشابه چرخه آب زمین دارند و باران متان میبارد.
فضاپیمای کاسینی در سال ۲۰۰۵ فوارههای عظیم یخ و بخار از قطب جنوب انسلادوس کشف کرد که تا ۵۰۰ کیلومتر ارتفاع میرسید. در چندین پرواز نزدیک، از میان این فوارهها عبور کرد و با تحلیلگر CDA و INMS مشخص شد که شامل آب نمک، سیلیکات، متان و مولکولهای آلی پیچیده است. این کشف انسلادوس را به یکی از امیدوارکنندهترین مکانها برای جستجوی حیات در منظومه شمسی تبدیل کرد.
کاسینی بیش از ۶۰ قمر زحل را مطالعه کرد و هفت قمر جدید کشف کرد. مشخص شد که قمرهای کوچک در شکافهای حلقهها قرار دارند و به عنوان چوپان حلقه عمل میکنند. قمر دافنیس موجهای عمودی در حلقه A ایجاد میکند و پان و اطلس شکل بشقابپرنده دارند. کاسینی با ۳۱۳۲ کیلوگرم پیشرانه دوپایه (MMH/N2O4) پرتاب شد و در طول مأموریت بیش از ۲۰۰ مانور مداری انجام داد. کنترل وضعیت با چهار چرخ واکنش و سوخت هیدرازین تکپایه انجام میشد. در پایان مأموریت، سوخت تقریباً تمام شده بود که دلیل ورود کنترلشده به جو زحل بود.
مهمترین یافتههای علمی
کاسینی بیش از ۳۹۴۸ مقاله علمی تا سال ۲۰۲۵ تولید کرد. مهمترین یافتهها عبارت بودند از: کشف اقیانوس زیرسطحی انسلادوس با احتمال حیات، چرخه متان تیتان، جرم دقیق حلقهها، ششضلعی قطبی زحل، طوفان بزرگ ۲۰۱۰، قمرهای جدید، باران حلقه، ساختار داخلی زحل از طریق اندازهگیری میدان گرانشی، و اثبات نظریه تشکیل حلقهها از نابودی یک قمر یخی در گذشته دور.
