כוכב הטבעות מחכה לקסיני: ביקור אצל ענק רחוק ואקזוטי

בעת שחקר ג’ובני דומניקו קסיני (Giovanni Domenico Cassini) האסטרונום בן המאה השבע-עשרה את כוכב הלכת שבתאי, ודאי לא שיער לעצמו שכעבור כמה מאות שנים תעשה חללית מחקר הקרויה על שמו את דרכה הארוכה אל כוכב הלכת יפה המראה. כל מה שרציתם לדעת על המשימה

יורם אורעד, גלילאו

שבתאי הוא השני בגודלו מבין כוכבי הלכת במערכת השמש (הראשון הוא כידוע צדק ) – קוטרו באזור קו המשווה שלו הוא 120,536 ק”מ (קוטרו של כדור הארץ, לשם השוואה, הוא 12,800 ק”מ) – והוא השישי במרחקו מהשמש (1,429,400,000 ק”מ, כלומר 9.54 יחידות אסטרונומיות); מאסתו גדולה בערך פי 95 מזו של כדור הארץ.

זהו כוכב הלכת הפחוס ביותר במערכת השמש . פחיסותו כה גדולה, עד שהיא מורגשת אפילו בצפייה דרך טלסקופ קטן מכדור הארץ. קוטרו הקוטבי (קוטר כוכב הלכת, כאשר הוא נמדד מקוטב לקוטב) קטן בכעשרה אחוז מקוטרו המשווני (הקוטר הנמדד דרך קו המשווה שלו) וליתר דיוק 108,728 קילומטרים לעומת 120,536 קילומטרים בהתאמה.

שבתאי היה ידוע כבר מן התקופה הפרהיסטורית, וגליליאו גליליי היה הראשון שצפה בו באמצעות טלסקופ. עד כה זכה כוכב הלכת לביקורן של שלוש חלליות – פיוניר 11 בשנת 1979, וויאג’ר 1 בשנת 1980, ולאחר מכן וויאג’ר 2 בשנת 1981. עבור כל אחת מן החלליות הללו היה שבתאי רק אחד מתוך מספר יעדים. קסיני היא החללית הראשונה שמטרתה היחידה היא שבתאי וירחיו.

שבתאי הוא כוכב לכת מרתק. זהו כוכב הלכת היחיד במערכת השמש שצפיפותו קטנה מזו של מים, ולפיכך אילו יכולנו להניחו על פני אוקיינוס דמיוני הוא היה צף על פניו. שבתאי גם מוקף במגנטוספרה אדירת ממדים (המגנטוספרה היא האזור סביב כוכב לכת שבו עוצמת השדה המגנטי עולה על זו של השדה המגנטי שבין כוכבי הלכת). על פני כוכב הלכת מנשבות רוחות עזות ביותר, שמהירותן באזור קו המשווה שלו מגיעה לסביבות 2000 קילומטרים בשעה. אחד מן האזורים המעניינים ביותר בסביבתו הוא ירחו טיטן, הירח היחיד בכל מערכת השמש שלו אטמוספרה ראויה לשמה. מתוך 31 ירחיו של שבתאי זהו הירח הגדול ביותר.

אולם האטראקציה העיקרית של שבתאי היא טבעותיו. הן עשויות מיליארדים של פיסות חומר, שמרביתן פיסות קרח שגודלן נע בין זה של גרגר סוכר לזה של בית קטן. מספרן של הטבעות מגיע לאלפים ועל פי ההשערה מקורן הוא באסטרואידים, ירחים ושביטים שהתפרקו לרסיסים בטרם הגיעו לסביבתו של כוכב הלכת.

ביחס לחלליות בלתי מאוישות בנות ימינו, קסיני היא חללית גדולת ממדים. בוני החלליות של תקופתנו נוטים לעשותן קטנות יותר ויותר, דבר החוסך באנרגיה רבה (הדרושה לשיגורן ולתפעולן השוטף) ולכן גם בכסף רב. לעומתן, קסיני היא ענקית בממדיה. מאסתה 5650 קילוגרם וגודלה כשל אוטובוס. החללית מורכבת משני רכיבים עיקריים.

רכיב אחד הוא החללית עצמה – קסיני, הקרויה על שמו של האסטרונום האיטלקי בן המאה השבע עשרה ג’ובני דומניקו קסיני (Giovanni Domenico Cassini). היא עתידה לשוטט במשך ארבע שנים סביב לשבתאי ולחקור אותו ואת ירחיו. הרכיב השני הוא הגשושית הוֹיְגנס. היא קרויה על שמו של האסטרונום ההולנדי כריסטיאן הויגנס (Christiaan Huygens), גם הוא בן המאה השבע עשרה. הויגנס עתידה לצלול אל תוך אטמוספירת הירח טיטן, לנחות על פניו ולחקור אותו.

שיגור שנוי במחלוקת

את שיגורה של קסיני ליוותה התנגדות ציבורית עזה, שהגיעה עד כדי הפגנות מול הבית הלבן ומול בסיס השיגור שלה. הסיבה היתה הדלק הגרעיני, פלוטוניום, שהיא נושאת על סיפונה. הפלוטוניום אחראי להפעלת מערכותיה. כמו דלקים גרעיניים אחרים, הוא פולט קרינה רדיואקטיבית מזיקה; ההתנגדות נבעה מן החשש שמא תתרחש תקלה בשיגור, למשל התפוצצות בעת ההמראה, אסון שהיה מותיר נשורת רבה באזור הנפילה. יחד עם זה, השימוש בדלק גרעיני לתפעולה של החללית הוא חיוני מפאת ריחוקו של שבתאי מן השמש: כידוע, קיים יחס ריבועי הפוך בין המרחק של עצם ממקור אור דוגמת מנורה או השמש לבין עוצמת האור הפוגע בעצם.

במקרה של שבתאי, הרחוק פי עשרה מהשמש מכדור הארץ, עוצמת ההארה על פניו קטנה בערך פי 100 מאשר על אצלנו. הדבר הופך לבלתי מעשי שימוש בתאי שמש להפקת אנרגיה חשמלית בקרבתו של כוכב הלכת. אילו החליטו לספק לחללית אנרגיה באמצעות תאי שמש היה על שטחם של אלה להיות כשטח שני מגרשי טניס.

השיגור, מכל מקום, הסתיים בהצלחה וללא תקלה. בחמישה עשר באוקטובר 1997, המריאה קסיני מבסיס החלל בפלורידה על גבו של רכב השיגור טיטן 4b קנטאור בדרכו הארוכה לשבתאי.

הדרך פתלתולה היא ורבה

מאסתה הגדולה של קסיני מצריכה אנרגיה עצומה כדי להשיג את המהירות הדרושה לשם הבאתה ליעדה – שבתאי. שום אמצעי הנעה רקטי לא יכול היה לספק אנרגיה זו בשיגור ישיר אל עבר כוכב הלכת. לכן, כדי לספק את האנרגיה הנחוצה, השתמשו מתכנניה בטכנולוגיה הידועה כסיוע כבידתי (gravity assist). טכנולוגיה זו עושה שימוש בכוח הכבידה של כוכבי לכת להאצת מהירות החללית, וכבר נעשה בה שימוש בוויאג’ר 1 ווויאג’ר 2. יחד עם זאת, המחיר של שימוש בטכנולוגיה זו הוא דרך ארוכה ומפותלת שעל החללית לעשות במרחבי מערכת השמש.

עבור קסיני נעשה שימוש בכבידתם של שלושה כוכבי לכת להאצת מהירותה – נוגה, כדור הארץ וצדק. השימוש בכבידתם איפשר לחללית להגיע למהירות הדרושה.

החללית שוגרה בכיוון הפוך ליעדה. במקום לשלוח אותה בכיוון הפוך מזה של השמש, כיוון בו נמצא מסלולו של שבתאי, היא שוגרה דווקא לכיוון השמש, לעבר כוכב הלכת נוגה, הקרוב לשמש יותר מאשר כדור הארץ. החללית התקרבה אל נוגה ועברה בסמוך לפלנטה זו. עקב מהירותה של החללית היא לא נכנסה למסלול סביב נוגה, אלא רק הוסטה ממסלולה על ידי הכבידה של פלנטה זו ומהירותה גדלה.

בכבידה של נוגה נעשה שימוש פעמיים: ב- 26 באפריל 1998 וב-24 בינואר 1999. לאחר מכן, ב-18 באוגוסט 1999, עברה קסיני ליד כדור הארץ והסתייעה בכבידתו להאצת מהירותה. הבא בתור (והאחרון) להאיץ את החללית היה כוכב הלכת הענק צדק, הגדול והמאסיבי שבין כוכבי הלכת של מערכת השמש. הדבר התרחש ב-30 בדצמבר 2000.

בסיום מסעה, כאשר תגיע לקרבת שבתאי ביולי 2004, יופעל מנועה העיקרי של קסיני למשך תשעים ושבע דקות כדי להאיט את תנועתה. פעולה זו תגרום לה להיכנס למסלול סביב שבתאי, שבו תהיה שבויה לנצח, כשהיא מקיפה ללא הרף את כוכב הלכת.

מבקרים בדרך את פבה

מסע החקר המרגש של קסיני יתחיל למעשה ב-1 ביולי. באותו יום יופעל מנועה המרכזי של החללית כדי להאט אותה ולהכניסה למסלול סביב שבתאי, אולם יקדם לאירוע זה אירוע מרתק אחר – המעבר ליד הירח המרוחק ביותר של כוכב הלכת – פבה (Phoebe), דבר שיתרחש שבועות ספורים לפני הכניסה למסלול סביב שבתאי. פבה הוא אחד מירחיו המוזרים של שבתאי. אחת ממוזרויותיו היא כיוון סיבובו סביב כוכב הלכת, כיוון המנוגד לזה של רוב ירחי כוכב הלכת.

מוזרות נוספת היא היותו אחד משני הירחים הגדולים היחידים של שבתאי שאינם סובבים אותו במישור קו המשווה שלו; ליתר דיוק, מישור ההקפה שלו נוטה בזווית של 30 מעלות ביחס לקו המשווה של שבתאי. עוד מוזרות שלו היא שיעור החזרת האור (אַלבֶּדוֹ) הנמוך מאד שלו, דבר ההופך אותו לגוף אפל מאוד, בניגוד לרוב ירחי שבתאי.

פבה הוא ירח קטן שהתגלה בשנת 1898 על ידי אסטרונום אמריקני בשם ויליאם פיקרינג (Pickering) . קוטרו הוא כמאתיים ועשרים קילומטרים (כאחד חלקי חמש עשרה מקוטר הירח שלנו) ומרחקו הממוצע משבתאי כשלושה עשר מיליון קילומטרים. הוא סובב סביב צירו אחת לתשע שעות. זמן הקפתו את שבתאי עומד על שמונה עשר חודש.

פבה כבר זכה לביקור בעבר. היה זה בזמן מסעה המיתולוגי של החללית וויאג’ר 2 בשנות השמונים. וויאג’ר 2 חלפה במרחק של 2.2 מיליון קילומטרים ממנו וצילמה אותו ממרחק זה. קסיני, לעומת זאת, תצלם אותו ממרחק 2000 קילומטרים בלבד! קסיני תשתמש גם במצלמות משוכללות בהרבה מאלה של וויאג’ר 2.

קסיני מתעתדת לחקור את מבנהו הפנימי של פבה, את הרכבו, את הגיאולוגיה שלו, את מבנה פני השטח שלו וכן לנסות להסביר את סיבת מסלולו המוזר סביב שבתאי. המעבר ליד פבה עתיד להתרחש ב-11 ביוני 2004.

הטיול סביב שבתאי

באחד ביולי 2004, בעוד קסיני חולפת קרוב לשבתאי, יופעל המנוע המרכזי שלה. המנוע יפעל בניגוד לכיוון התנועה של קסיני כך שמהירותה תלך ותפחת בהדרגה. מטרתו של מהלך זה הוא לגרום לחללית להילכד בשדה הגרביטציה של כוכב הלכת ולהיכנס למסלול תמידי סביבו. באותו יום תתחיל קסיני בסיור חקר סביב שבתאי, שיימשך ארבע שנים. במהלך סיור זה היא תחקור את כוכב הלכת עצמו, את טבעותיו, את השדה המגנטי העוטף אותו ואת ירחיו. מקום מיוחד בסיור המחקר הזה יועד לירחו הגדול ביותר והמוזר ביותר – טיטן.

במהלך משימת החקר שלה סביב כוכב הלכת תשלים קסיני 74 הקפות סביבו ותעבור פעמים רבות מאוד בסמוך לירחיו, ומתוכם 44 פעם בסמוך לטיטן. קסיני תתקדם אל עבר שבתאי מתחת למישור הטבעות שלו (כלומר בין מישור קו המשווה לבין הקוטב הדרומי של שבתאי) ותעלה מעל למישור זה דרך הרווח שבין הטבעות F ו-G. מנועה המרכזי יופעל זמן קצר לאחר שהחללית תעלה מעל טבעותיו: פעולה זו תציב את קסיני במסלול אליפטי ביותר סביב כוכב הלכת.

במהלך הפעולה היא תתקרב עד למרחק של 18,000 קילומטרים מפני שבתאי, המרחק הקטן ביותר שתשיג במהלך כל מסעה. מסעה מעל לטבעות יימשך שעה וארבעים וארבע דקות לפני שתחזור שוב אל מתחת לטבעותיו. יכולת תפקודם של מכשיריה המדעיים של החללית בזמן הכניסה למסלול, כאשר מנועה המרכזי פועל, היא מוגבלת. למרבה האירוניה, דווקא זמן זה, עקב הקירבה המדהימה של החללית אל כוכב הלכת, הוא אידיאלי לקבלת נתונים עליו.

יורדים אל מסתרי טיטן

אחד האירועים המשמעותיים והמרגשים ביותר במהלך סיור המחקר של קסיני במערכת שבתאי יהיה בוודאי נחיתתה של הגשושית הוֹיגנס שבבטנה של קסיני אל פני גדול ירחי שבתאי – טיטן. במהלך נחיתתה בתוך האטמוספרה של הירח ולאחר נחיתתה על פני אדמתו, תחקור הגשושית את הירח הגדול, שהוא השני בגודלו במערכת השמש (הראשון הוא גנימד, אחד מירחיו של צדק).

טיטן מקיף את שבתאי במרחק של 1,221,830 קילומטרים וקוטרו 5150 קילומטרים (גדול מזה של הירח שלנו). הוא התגלה על ידי האסטרונום הויגנס בשנת 1655. הוא מוקף באטמוספרה עבה שמגיעה לגובה של 600 קילומטרים מעל פני השטח שלו. האטמוספרה אטוּמה ואינה מאפשרת לצפות בפני השטח של הירח. היא מורכבת בעיקר מחנקן אך יש בה גם אחוזים בודדים של אַרגון ואחוזים בודדים של מֶתן. הלחץ האטמוספרי על פני טיטן הוא כ-1.5 בָּר, לאמור – גדול פי 1.5 מזה שעל פני כדור הארץ.

הגשושית הויגנס עתידה להתנתק מקסיני בעשרים וחמישה בדצמבר 2004, על ציודה הכולל שישה מכשירים מדעיים שמטרתם ללמוד את הרכבה של אטמוספירת טיטן, את הדינמיקה שלה ולצלם תמונות של טיטן. לאחר התנתקותה מקסיני, היא תעשה את דרכה לאט ובזהירות לעבר הירח. כדי לייצב את עצמה תסתובב הגשושית סביב צירה במהירות של 7 סיבובים לשנייה. בארבעה עשר בינואר 2005 היא עתידה להבקיע את מעטה האטמוספירה הסמיך המקיף את טיטן ולנחות על פניו.

כשתיתקל הויגנס באטמוספית טיטן מהירותה תקטן בקצב גבוה: במשך פחות משתי דקות היא תואט ממהירות של כשישה קילומטרים לשנייה למהירות של כארבע מאות מטרים לשנייה, שהם כאחד וחצי מאך. דבר זה יתרחש בין הגבהים 350 ל-220 קילומטרים מעל פני הירח. רק אז תתחיל הגשושית לפרוש את המצנחים בהם היא מצוידת, שתפקידם להאט עוד יותר את מהירותה.

על פי המתוכנן תצלם הויגנס למעלה מאלף תמונות בזמן ירידתה אל אדמת טיטן ובאותה עת ידגמו מכשיריה האחרים את הרכב האטמוספרה שלו.

הנתונים שייקלטו על ידי הויגנס ישודרו אל עבר החללית קסיני, שתחלוף באותה עת מעל הירח הגדול. אלה ייקלטו על ידי האנטנה של קסיני שתהיה מכוונת לעבר טיטן. זמן קצר לאחר קבלת הנתונים תכוון קסיני את האנטנה שלה אל כדור הארץ ותתחיל בשידור הנתונים אלינו.

מגוון מטרות חקר

לקסיני מצפות מטרות רבות ומגוונות, שבהן חקר שבתאי עצמו, חקר טבעותיו וחקר ירחיו, כולל טיטן, גולת הכותרת של חקר ירחי כוכב הלכת.

בין השאר מצפים כי קסיני תסייע בפתרונן של שאלות כגון מה מקורם וטבעם של הברקים שבאטמוספרת שבתאי, האם פני הירח טיטן מוצקים הם או נוזליים ומהו המבנה הפנימי שלו.

כשש וחצי שנים של מסע כבר חלפו על קסיני בדרכה אל שבתאי. במהלך תקופה זו גמאה כבר מרחק של מיליארדי קילומטרים. עד כה התנהל מסעה ללא רבב. לא נותר אלא לקוות שהמסע, הקרוב לסופו, ימשיך להתנהל באופן מושלם וכן שמערכותיה המשוכללות יתפקדו גם הן באופן מושלם, במיוחד בהיכנסה אל המערכת המורכבת של שבתאי על טבעותיו וירחיו ובמשך כל התקופה בה תחקור אותה קסיני.

בהצלחה קסיני. להתראות שבתאי.