פיוניר 11 לצדק ושבתאי

החללית שוגרה לנתיב טיסה עם אופציות פתוחות. זהו נתיב המתנה ברצועת האסטרואידים שבו מחכה החללית לאות מכדור הארץ המכוון אותה לנתיב הסופי.

מבוא
בפרק הקודם עסקנו בחללית פיוניר 10, החללית הראשונה ששוגרה לעבר כוכב הלכת צדק. הפעם נעסוק בחללית התאומה שלה, שגם היתה הראשונה לבקר בשבתאי.

החללית פיוניר 11 שוגרה ב־5 באפריל 1973. לקראת שיגורה הוכנסו כמה שינויים בתכנית העבודה שלה. המרחק שיהיה עליה לעבור בסמוך לצדק תלוי בהצלחתה של פיוניר 10. אם פיוניר 10 לא תיפגע מחגורות הקרינה החזקות של צדק, מרחק המעבר שלה מהכוכב יהיה קטן יותר. המרחק יהיה 35,000 ק”מ. אם פיוניר 10 תושמד מהקרינה, מרחק המעבר של פיוניר 11 יהיה גדול יותר.

החללית שוגרה לנתיב טיסה עם אופציות פתוחות. זהו נתיב המתנה ברצועת האסטרואידים שבו מחכה החללית לאות מכדור הארץ המכוון אותה לנתיב הסופי. האפשרויות הן:

1. טיסת מעבר מעל קו המשווה של צדק – מרחק מעבר קטן או גדול.

2. טיסת מעבר מעל לקוטב הדרומי של צדק כדי לאפשר תצלומי קרקע של צדק. ההנחה הייתה שבקטבים האטמוספירה היא שקופה.

3. טיסת מעבר המאפשרת מעבר ליד שבתאי ויציאה ממערכת השמש. במקום לצאת מערכת השמש כמו פיוניר 10, החללית פונה לשבתאי לאחר השלמת מדידתו של צדק. זמן הטיסה הוא שבע שנים. לאחר המעבר ליד צדק מהירות החללית גדלה ל־173,000 קמ”ש והיא הגיעה לשבתאי ב־1980.

הועלתה אפשרות לקרב את פיוניר 11 לאחד משני הירחים הגדולים של צדק. החלטה סופית תתקבל רק ארבעה חודשים לאחר המעבר של פיוניר 10. לפיוניר 11 מכשיר מחקר נוסף. מגנטומטר למדידת השדות המגנטיים בסביבתו של צדק ובמקום מנוע גרעיני אחד יש לה שניים. גם על החללית מוטבע ציור דומה לזה שהיה על פיוניר 10. רק האינפורמציה הרשומה עליו שונה.
לאחר בחינה מדוקדקת של ממצאי פיוניר 10 הוחלט שפיוניר 11 תבצע את המעבר ליד צדק במרחק הקטן, הקצר, וממנו תמשיך לעבר שבתאי. הסכנה האורבת לחללית בטיסת המעבר ליד שבתאי היא התנגשות בטבעת החיצונית שלו. המעבר הצפוי ליד שבתאי הוא בספטמבר 1979. בנתיב שנבחר בעבור פיוניר 11 המעבר מתחיל בקרבת הקוטב הדרומי של צדק ונמשך במהירות כלפי מעלה בעזרת כוח המשיכה שלו. החללית חוצה את אזור קו המשווה בזווית של 53 מעלות לעבר הקוטב הצפוני. המהירות שתושג היא 173,000 קמ”ש. זווית ההתקרבות שלה מעבירה אותה במהירות דרך אזור הקרינה כך שהשפעתה של זו על החללית תקטן. פיוניר 11 מופיעה בצִדו השמאלי של צדק ומתגלית בצִדו הימני.
טווח המדידות של פיוניר 11 לאחר המפגש עם צדק הוא 160 מיליון ק”מ מעל מישור המלקה. על החללית לשמש אבן בוחן לקביעת המסות של צדק וירחיו.
מהלך הטיסה של פיוניר 11
את טיסתה של החללית ניתן לחלק לחמישה שלבים.
1. הטיסה מכדור הארץ לרצועת האסטרואידים.
2. הטיסה ברצועת האסטרואידים.
3. הטיסה מרצועת האסטרואידים לצדק.
4. הטיסה מצדק לשבתאי.
5. מעבר ליד שבתאי.

שלב ראשון, מ־5 באפריל עד 18 באוגוסט 1973
6 באפריל- תקלה התגלתה ביחידת הכוח הגרעינית של החללית והיא תוקנה מאוחר יותר עם ביצועו של התיקון הראשון בנתיב הטיסה.

שלב שני, מ־18 באוגוסט 1973 עד 18 במארס 1974
ממעברן של שתי החלליות הסתבר שהחששות הכבדים מפני פגיעה של חלקיקים מהירי תנועה התבדו בחלקם הגדול. במרכזה של הרצועה מצויים חלקיקים זעירים המקיפים את השמש במהירות 64,200 קמ”ש, מהירות שדי בה כדי להקנות לחלקיק בעל מסה של אלפית גרם יכולת לחדור ס”מ אחד בלוח אלומיניום. חלקיקים כאלה עלולים לחדור לחלליות ולהסב להן נזקים חמורים. התברר שרוב החלקיקים שמכשירי החללית צפו בהם היו קטנים יותר ומספרם הכולל היה קטן מהצפוי. עד אמצע פברואר 1974 פיוניר 11 הוכתה משמונה מיקרומטאורידים.

שלב שלישי, מ־18 במארס עד 3 בדצמבר 1974
1 באפריל – נעשה תיקון בנתיב הטיסה.
9 בחודש ספטמבר – על־פי בקשתו של ד”ר ואן אלן הועלתה מהירות סיבובה של החללית סביב עצמה כדי להשיג אינפורמציה רבה וטובה יותר בזמן המעבר ליד צדק.
2 בנובמבר – פיוניר 11 החלה לשדר תצלומים.
30 בנובמבר – צילום ראשון של גנימד וקליסטו בפוטומטר האולטרה סגול כדי לגלות עקבות של מימן והליום.
מ־1 עד 14 בדצמבר – תצלומים של צדק ושני תצלומים של גנימד וקליסטו כדי לגלות בהם עקבות של מימן והליום. קיוו שקליסטו ישמש בעתיד אתר נחיתה לחקירה של צדק.
מ־2 עד 8 בדצמבר תצלומים של הקוטב הדרומי של צדק. המשך החיפוש של עקבות מימן והליום בגנימד ובקליסטו, מדידת החום השורר על פני ירחים אלה ומאוחר יותר מדידות החום של איו ושל אמלתאה. החל מהיום הפוטופולרימטרים עוסקים גם במדידת הגזים שמעל מעטה העננים של צדק. מדידות דומות נעשות גם לגבי ירחים, אלא שאופן ביצועם הוא בזוויות שלא התאפשרה על־ידי פיוניר 10.
3 בדצמבר – טיסת המעבר. פיוניר 11 מבצעת מעין טיסה של חולץ פקקים מעל הכוכב. טיסה זו מצמצמת את משך חשיפתה של החללית לקרינות הגבוהות הקיימות בקו המשווה לחצי שעה, ונוטל את החללית לבצע הקפה נוספת מסביב לצדק ומשם טיסה ישירה לעבר שבתאי. נתיב זה תוכנן כך שהתצלומים יהיו המשך לאלה של פיוניר 10 ולא חופפים להם וגם תצלומים שאי־אפשר לבצע מכדור הארץ ומבט עמוק יותר בשכבות האטמוספירה בקוטב הדרומי אם האטמוספירה כאן שקופה.
צולמו 11 תצלומים של הקוטב הדרומי ואחד של איו. ארבע שעות ו־21 דקות לפני המעבר צולם צדק באינפרה אדום במשך 23 שעות. שעה ו־39 דקות לאחר המעבר צולם צדק במשך שעתיים ומחצה, גם כן באינפרה אדום. פיוניר 11 חלפה במרחק 42,700 ק”מ מפני הכוכב במהירות 171,200 קמ”ש.
4 בדצמבר – בסוף היום, צולמו 22 תצלומים של צדק כשהוא מתרחק.

ממצאי פיוניר 11 ממדידות צדק
באותן 48 שעות שפיוניר חלפה בקרבת צדק היא צילמה אותו 22 פעמים מכול זווית אפשרית. התברר שהשדה המגנטי שלו גדול פי שניים מזה של כדור הארץ וכי טמפרטורת השטח שלו גדולה פי 40 מזו של השמש. הכתם האדום הוא מערבולת הוריקן שנלכדה בין רצועות אטמוספריות הנעות בכיוונים מנוגדים בכיוון ימין שמאל מעליו ובכיוון שמאל ימין מתחתיו. הוא נע בניגוד לכיוון השעון. בדרכה לשבתאי החללית צילמה את הקוטב הדרומי של צדק. התברר שבקווי רוחב הגבוהים הרצועות האטמוספריות נשברות לכתמים אשר להן תצורות של מחטים הנעות בליווי סערות הדומות להוריקן. סערות אלה מתרחשות בגבול הסערות הנגדיות היכן שמהירות הרוחות מגיעה ל־480 קמ”ש. התברר שהירח קליסטו מכוסה בקרח בקטבים. צולם גם הירח אמלתאה.

שלב רביעי, מ־5 בדצמבר 1974 עד 5 בספטמבר 1979
בדרכה לשבתאי מדדה פיוניר 11 את השדה המגנטי הבין־כוכבי, את המבנה ואת שטף רוח השמש, את ריכוזי הפגיעה של הקרינה הקוסמית ואת כיווניה, ואת התכונות של האבק הבין־כוכבי. היא חקרה את היחסים המורכבים בין רוח השמש, השדה המגנטי הבין־כוכבי והקרינה הקוסמית ומצאה את גבולה של האטמוספירה הסולרית הדקה ואת השפעת המטאורידים.

שלב חמישי, הטיסה לשבתאי
מאחר שפיוניר 11 עמדה בהצלחה בטיסת המעבר ליד צדק היא כוונה לעבר שבתאי. היה עליה להגיע אליו בספטמבר 1979. פיוניר 11 תעבור במרחק של 2,960 ק”מ מפסגת העננים שלו. היא תטוס בין הטבעת הפנימית של שבתאי לבין העננים שלו ובאמצעות כוח המשיכה שלו תטוס לעבר טיטן הירח הגדול שלו. כדי למנוע התנגשות בין החללית לירח ומניעת זיהומו בחיידקים ארציים (אם אלה צמודים אליה גם לאחר חיטויה בטרם שיגור). מרחק המעבר מהירח 19,200 ק”מ. בתום התכנית תטוס החללית לקראת יציאה ממערכת השמש. היא תמשיך לשדר נתונים לפחות עד שתגיע למסלול של אורנוס ב־1985.

בראשית 1978 הוחלט לשנות את תוואי הטיסה. זאת מתוך מגמה לנצל את החללית כגששת לחלליות ה־Voyager. החללית תחל את המפגש עם שבתאי ממרחק של 28,800 ק”מ מהקצה החיצון של הטבעת החיצונה ותעבור דרך הטבעות עד לקרבה של 24,000 ק”מ משבתאי.

ב־20 בנובמבר 1975- נערכו תצפיות ראשונות לעבר שבתאי. על־פי הוראה, הופעל הפוטופלרימטר לכמה שעות והוא סקר את שבתאי. זוהי תצפית פתיחה לקראת התצפיות שתערכנה ביולי 1976, זמן זה הוא הזדמנות טובה במיוחד לתצפית בגלל מצבו של כוכב הלכת. כמו היחסים בין הצד המואר לצד החשוך, אשר אי־אפשר לבדוק אותם בתצפיות מכדור הארץ, פיוניר 11 נמצאת עתה במרחק של 1280 ק”מ משבתאי.
מהירותה של החללית הועלתה ב־108 ק”מ ובכך התאפשרו שתי אופציות לביצוע טיסת המעבר. בדרך הראשונה החללית תחלוף בין שבתאי לטבעות שלו ובדרך השנייה החללית תחלוף מחוץ למערכת שבתאי – טבעותיו.

החללית תעבור מתחת לטבעות כלפי מעלה, כך שתוכל לסקור אותם מהקצה התחתון לקצה העליוןן. תמרון זה נערכת בשיטת ה־open ended . הוא בוצע כאן לראשונה. לחללית אנטנה מקובעת אשר לה קשר רציף עם כדור הארץ. כדי לבצע את התמרון צריך היה להסיט את החללית כך שמרחק האנטנה מקו הקישור עם כדור הארץ יהיה 25 מעלות. במשך כמה שעות לא היה שום קשר עם כדור הארץ. חסרונה של השיטה הוא איבוד אינפורמציה טלמטרית פוטנציאלית. למרכז הבקרה על־שם איימס (Ames) לא יכולה להיות שום דרך לתיקון התקלה. כל פתרון הוא לא יותר מאשר ניחוש.
28 באוגוסט 1979- החללית החלה לצלם את שבתאי ממרחק של שישה מיליון ק”מ והיא שימשה סיור מקדים לחלליות Voyager.
1 בספטמבר – החללית חצתה פעמיים את הטבעות של שבתאי והגיעה למרחק של 21,000 ק”מ מעל העננים של שבתאי. בניגוד לתחזיות שתתרסק במעברה דרך הטבעות היא נתקלה רק בשני חלקיקים שעוביים רק מחצית משערת אדם. חלקיקים אלה גרמו לזעזועים קלים בחללית והם נרשמו במכשירים שלה.
2 בספטמבר – במסעה זה הגיעה פיוניר 11 לצִדו השני של שבתאי ומכאן המשיכה בדרכה לקראת צילומו של טיטן ממרחק של 356,000 ק”מ.

ממצאים
אטמוספירה
שבתאי הוא עולם קר ושומם אשר לו גלעין סלעי וקטן המכוסה באטמוספירה שפניה דמויי שיש ושקופים. האטמוספירה מכילה בעיקר מימן והליום ועקבות של מתאן ואמוניה המעניקות לשכבות העננים הגבוהות את הגוון הצהוב. לאטמוספירה גם גוון כחול ירוק. הרצועות הנראות בתצלומים מכסות את שבתאי והן בהירות וכהות לסירוגין. חצי הכדור הצפוני מחולק לפחות ל־10 רצועות צבע דקות. דרומית להן, באזור קו המשווה הוא הבהיר ביותר. לשבתאי הרבה יותר רצועות של זרמים ממה שציפו.

שדה מגנטי
לשבתאי שדה מגנטי גדול פי 700 מזה של כדור הארץ, אך חלש פי חמישה ממה שציפו. מאחר ששבתאי לוכד חלקיקים מהשמש כמו כדור הארץ וצדק, הוא מוקף ברצועות קרינה כמו שני כוכבי לכת אלה. בניגוד להם קווי השדה המגנטי מסודרים בצורה מושלמת בכיוון צפון-דרום. הקרינה נפסקה כאשר החללית הייתה מתחת לטבעות.

הטבעות
פיוניר 11 גילתה שלשבתאי שש טבעות ולא ארבע. הטבעות הן שקופות וביניהן נראים יותר שברים מאשר ניתן לראות באמצעות טלסקופים מכדור הארץ. טבעת F נמצאת כנראה במרחק 3,520 ק”מ מטבעת D. מרחקה משבתאי 96,000 ק”מ. הטמפרטורה על הטבעות היא 202 מעלות מתחת לאפס. הטבעות מטילות צל כבד בסמוך למרכזו של שבתאי. צל זה הוא כה אפל עד כי הוא יוצר כמעט לילה נצחי באזור זה. כאשר פיוניר 11 הייתה קרובה לטבעות היא גילתה הפצצה של חלקיקים טעונים. ההפצצה הופסקה ל־12 שניות ולאחר מכן היא חודשה. הטבעות מסוגלות לשמש הגנה למכשירים ולאסטרונאוטים מפני קרינות שונות. טווח ההגנה שלהן הוא 137,600 ק”מ.

ירחים
טיטן
קוטרו 5,790 ק”מ. כנראה בעל נוף דומה לזה של הירח. הטמפרטורה על פניו נמוכה והאטמוספירה שלו אביכה. צבעה החום אדמומי נוצר כנראה משכבת ערפל הסופגת את חום השמש ושומרת אותו. באטמוספירה שפע של פחמן ואמוניה. הטמפרטורה בפסגת העננים היא 200 מעלות מתחת לאפס.
יפטוס
לירח צד בהיר המכוסה כנראה בקרום קרח.
מימס
גם ירח זה מכוסה בקרח.
ירח נוסף
פיוניר 11 גילתה ירח נוסף. זהו הירח ה־11 והוא קיבל את השם Pioneer Rock. סימנו של ירח זה 197 S -1 מכיוון שזה הירח הראשון של שבתאי שהתגלה באותה השנה. קוטרו 600 ק”מ והוא במרחק 90,000 ממנו.