”Tieteellisesti mullistavia löytöjä tehtiin jatkuvasti”

saturnus Cassinin Kuvaamana Korkeimmasta Ratakulmastaan. Saturnuksen Pohjoisnapaa Ympäröi Kuusikul-*** ***mainen Virtausrakenne.

Saturnus-luotain Cassini-Huygensin jännittävä, 20 vuotta kestänyt avaruuslento päättyi 15.9.2017 Saturnuksen kaasukehään. Kansainvälinen luotainhanke pal- jasti yllättäviä piirteitä Saturnuksen kaasukehästä, renkaista ja jäisistä kuista sekä mullisti tieteellistä kuvaa ulommasta aurinkokunnasta.

Kuvat: Nasa

CASSINI-HUYGENS-HANKE sai alkunsa 1982 eurooppalaisten tutkijoiden ideasta lähettää kansainvälinen luotain kiertämään Saturnusta. Saturnus olikin seuraava luonteva planeettakohde, koska Marsia ja Venusta oli jo luotaimin tutkittu ja myös pinnalta. Jupiteria oli tutkittu Pioneer 10 ja 11 ja Voyager 1 ja 2 -ohilennoilla ja Jupiter-luotain Galileo oli jo lähtökuopissa. Merkurius-planeettaakin oli Mariner 10 luotain kuvannut jo 1970-luvulla.

IDEASTA MASSIIVISEKSI PLANEETTALUOTAIMEKSI

SATURNUS-LUOTAIN sai myönteisen vastaanoton yhdysvaltalaisilta tutkijoilta. Tarkempia suunnitelmia tehtiin ja lopulta asiassa päästiin poliittisiin sopimuksiin Euroopan ja Yhdysvaltain välillä vuosina 1988-89; koettiin, että projekti avaa poliittisesti tärkeäksi koettua avaruusyhteistyötä Euroopan ja Amerikan välillä. Budjettileikkaukset uhkasivat tätäkin hanketta seuraavina vuosina, mutta poliittiset sitoumukset ja Atlantin ylittävät suhteet painoivat, ja leikkauksilta vältyttiin.

Luotain oli NASAlle lippulaivaprojekti ja siihen panostettiin. Luotaimesta tuli massiivinen: kokonaispaino oli kuusi tonnia. Cassini-luotaimeen otettiin 12 mittalaitepakettia, joista monet koostuvat useista erillisistä mittalaitteista ja sensoreista: kamerajärjestelmiä oli neljä, hiukkas- ja sähkömagneettisia kenttiä tutkineita mittalaiteita oli kuusi, mukana oli myös tutka ja radioaaltojen mittausjärjestelmä. Hankkeen kansainvälisyys näkyi mm. siinä, että eurooppalaiset tutkimuslaitokset saivat vastuulleen useita Cassinin mittalaitejärjestelmiä, ja olivat myös toimittajina useille alijärjestemille. Suomen VTT toimitti osia kahteenkin Cassinin hiukkasmittalaitteeseen ja Oulun yliopisto osallistui toisen kalibrointiin.

Cassini-luotaimeen suunniteltiin laskeutujaluotain Huygens, joka tutkisi Titan-kuun paksua kaasukehää ja paljastaisi ensimmäistä kertaa, miltä sen pinta näyttää. Vastuun laskeutujasta otti Euroopan avaruusjärjestö ESA. Laskeutujassa oli kuusi tiedemittalaitejärjestelmää, joilla voitaisiin selvittää kaasukehän rakennetta ja ominaisuuksia sekä kuvattaisiin ja mitattaisiin Titanin pintaa. Suomalaista huippuosaamista edusti Ilmatieteen laitoksen toimittama Vaisalan paineantureihin perustunut ”Pressure Profile Instrument” -painemittalaite, joka oli osa ”Huygens Atmosphere Structure Instrument” -mittalaitejärjestelmää.

Cassini-luotain sai nimensä ranskalais-italialaiselta 1600-luvun lopun merkittävältä tähtitieteiljältä Jean- Dominique Cassinilta, joka oli tutkinut Saturnusta pitkään ja antanut nimensä Saturnuksen A- ja B-renkaiden väliselle jaolle. Hollantilainen Christiaan Huygens, jonka mukaan Titan-laskeutuja Huygens nimettiin, oli 1600-luvun fyysikko, joka kehitti paremman tavan valmistaa kaukoputkien linssejä. Hän havainnoi Saturnuksen renkaita aiempaa tarkemmin ja löysi Titan-kuun.

MUTKIKAS MATKA SATURNUKSEEN

CASSININ LAUKAISU tapahtui lokakuussa 1997 Cape Canaveralista, Yhdysvaltain Floridasta. Cassini-luotain oli massiivisin planeettaluotain sitten Neuvostoliiton 1970-luvun alun Mars-luotainten, ja Saturnusta kiertävälle radalle pääseminen vaatikin uudenlaista rata-ajattelua. Suora rakettilaukaisu Saturnusta tai Jupiteriakaan kohti ei ollut mahdollinen tarvittavasta huikeasta liikemäärästä johtuen. Päädyttiin hyödyntämään Venusta ja Maatakin yllättävällä tavalla: ensin hidastettiin vauhtia niin, että kohdattiin Venus huhtikuussa 1998 ja päästiin siinä yhteydessä elliptiselle radalle niin, että kesäkuussa 1999 kohdattiin Venus uudelleen (Venus oli kiertänyt Auringon kahdesti siinä ajassa) ja pian sen jälkeen ohitettiin vielä Maa 700 kilometrin korkeudelta elokuussa 1999. Vasta liki kaksi vuotta laukaisun jälkeen varsinainen matka kohti ulompaa aurinkokuntaa alkoi. Venuksen ja Maan ohilennoilta saatiin itseasiassa suurin osa tarvittavasta noin 15 km/s:n vauhdista, joka tarvittiin Jupiterin ja lopulta Saturnuksen saavuttamiseksi.

Alkuvuonna 2000, kun Cassini oli matkalla kohti Jupiteria ja viimeistä lisäpotkua matkalla Saturnuksen kiertoradalle, aloitettiin mittavat Cassinin ja Huygenslaskeutujan testaukset. Testeissä huomattiin pian vakava virhetilanne: Huygensin simuloituja datapaketteja ei saatu tulkittua. Osoittautui, että radiosignaalien käsittelyssä ei ollut huomioitu lainkaan Cassini-luotaimen suhteellista nopeutta Titanin ja Huygens-laskeutujan suhteen suunnitellulla radalla; Doppler-vääristymää Cassinin saamaan signaalin taajuuteen ei myöskään voitu ohjelmistollisesti korjata. Jäisivätkö Huygens-laskeutajan kaikki mittaukset ja kuvat käsittämättömäksi signaalipuuroksi?

Seuraavien kuukausien aikana Euroopan ja Yhdysvaltojen puolella etsittiin kuumeisesti ratkaisua ongelmaan. Lopulta ratkaisu löytyi Cassinin rataa ja Huygensin irrottamista muuttamalla niin, että Cassini lentäisi Titanin ohi suhteellisen kaukaa Huygensin laskeutuessa Titanin kaasukehän läpi. Tällöin Cassinin nopeus olisi suoraan sivuun Titanin suunnasta eikä Doppler-siirtymää syntyisi signaalitaajuuteen. Cassini- Huygens-hanke oli taas mallillaan ja Jupiterinkin ohilento tapahtui suunnitellusti vuoden 2000 joulukuussa.

Jännittäviä hetkiä koettiin vielä useita kertoja Cassinihankeessa. Näitä olivat mm. 2004 kesäkuussa Cassinin rakettien vaativa sadan minuutin poltto Saturnuksen kiertoradalle pääsemiseksi, 2005 tammikuussa Huygensin irroitus Cassinista, laskeutuminen Titanin kaasukehän läpi, mittausten ja kuvien ottaminen ja niiden lähettäminen Cassinille, 2011-2012 koetut CAPS-mittalaitteen oikosulut ja jokainen kahdeksasta vikasietotilan päällekytkeytymisestä, jolloin mittaukset keskeytettiin ja Cassinilähetti virhelogit Maata kohti ja odotti lisäohjeita.

Viimeisimpänä haasteena oli tänä vuonna hankkeen onnistunut loppuhuipennus, jossa Cassinin rata kulki Saturnuksen lähimpien renkaiden sisältä 22 kierroksen ajan, kunnes se syöstiin Saturnukseen. Kaikista vaativista haasteista selvittiin, muutamista tosin seurasi joidenkin mittausten menetyksiä. Cassini oli suunniteltu kestämään paljon, ja luotaimessa olikin kaksi radiolähetinvastaanotinta, kaksi päätietokonetta, kaksi gyroskooppia sekä kahdet pää- ja suuntausrakettijärjestelmät.

13 VUODEN LÖYTÖRETKI SATURNUKSEN KIERTORADALLA

KESKEISET TUTKIMUSKOHTEET Cassini-Huygenshankkeella olivat Saturnus-planeetan lisäksi tämän suurin ja aurinkokunnan ainoa kaasukehän omaava Titan-kuu, muut jäiset kuut, Saturnuksen renkaat sekä magneettikehä. Hankkeelle asetetut lukuisat tieteelliset tavoitteet saavutettiin ja ylitettiin, ja tieteellisesti mullistavia löytöjä tehtiin jatkuvasti eri tutkimuskohteista. 13 vuoden tehokas tutkimusaika Saturnuksen kiertoradalla oli mahdollinen, koska rakettipolttoainetta käytettiin säästeliäästi ja Cassini-tiimin tekninen osaaminen oli niin tarkkaa, että usein etukäteen valmisteltuja suunnankorjauspolttoja ei lopulta tarvittukaan.

Titan Kooltaan Merkurius- ja Mars-planeettojen välillä oleva Titan on täysin utuisen oranssin kaasukehänsä verhoama. Huygens-laskeutuja otti ensimmäiset ja toistaiseksi ainoat kuvat sen pinnasta. Infrapuna-alueella on taajuuksia, joilla voidaan nähdä kaasukehän läpi, ja niitä Cassinin spektrometrit hyödynsivät kartoittaessaan Titania lukuisilla ohilennoilla. Maapallon kaasukehä on läpinäkymätön infrapuna-alueella ilmassa olevan vesihöyryn takia, jota ei Titanissa hyvin kylmien olosuhteiden vuoksi esiinny (pintalämpötila n. -180 oC). Tärkeimmäksi pinnantutkimusmenetelmäksi osoittautui tutkasignaalien heijastuksen mittaaminen. Tutkasignaaleilla löydettiin Titanin päiväntasaajan seudun laajat dyynitasangot ja napaseutujen sadat metaanijärvet.

Viime vuosina on Cassinin mittausten avulla varmistunut, että Titanilla kuten monilla muilla suuremmilla Saturnuksen ja Jupiterinkin kuilla on paksun jään alainen vesimeri, mikä osaltaan selittänee sen, miksi Titanissa ei esiinny merkittäviä vuoria eikä myöskään vajoamia tai kanjoneita. Titanin pinnalta ei löydetty kuin muutamia kraattereita, mikä viittaa siihen, että eroosioprosessit kuten metaanisateen aiheuttamat tulvat ja tuulet uudistavat pintaa jatkuvasti. Kaiken kaikkiaan Titan osoittautui erittäin monimuotoiseksi ja useilla tavoilla yllättäväksi maailmaksi.

Jäiset kuut Saturnuksen 62 nykyään tunnetusta kuusta Cassini löysi seitsemän sekä lukuisia renkaiden lomassa Saturnusta kiertäviä varsinaisia kuita pienempiä kappaleita. Suurimmat kuusi kuuta Titanin lisäksi ovat pyöreitä tai ellipsoideja – kaikki läpimitaltaan yli 300 km. Saturnuksen kuut ovat hyvin kraatterisia Titanin ja rengaspölyn tasoittamia renkaiden lähellä kiertäviä kuita. Muista kuista merkittävästi eroavan ryhmän muodostavat 28 pienempää kuuta yhdessä 200-kilometrisen Pheoben kanssa: nämä Saturnuksen niin sanotut Norsekuut kiertävät Saturnusta kaukana yli kymmenen miljoonan kilometrin päässä ja kaikki Saturnuksen pyörimissuuntaa vastaan. Ne saattavat olla peräisin samasta Saturnuksen aikanaan kaappaamasta ja sittemmin hajonneesta kuusta.

Enceladus osoittautui erityisen kiinnostavaksi Saturnuksen jäisistä kuista. Ensimmäiset Cassinin havainnot osoittivat Enceladus-kuun nimittäin suihkuavan jatkuvasti vettä etelänapansa tuntumassa olevien railojen purkautumiskanavista. Cassinin ratasuunnitelmia muokattiin tämän löydön suorauksena ja kaikkiaan 23 Enceladus-kuun ohilentoa suoritettiin, joista muutamat suoraan purkauspilven läpi vain muutaman kymmenen kilometrin korkeudelta kuun pinnasta.

Enceladuksesta purkautuva vesi muodostaa himmeän jääpölyrenkaan kiertoratansa tuntumaan. Enceladus tuottaakin pääosan Saturnuksen laajan magneettikehän hiukkasista, jotka kiertävät Saturnusta magneettikentän mukana ja lopulta ajautuvat ulospäin ja lopulta poistuvat magneettikehän Auringosta poispäin osoittavaan pyrstöön. Nykykäsitys on, että Enceladuksella on etelänavalla jään sisällä laajahko mutta paikallinen meri, jota Enceladuksen hieman soikeasta radasta aiheutuvat puristavat vuorovesivoimat lämmittävät ja myös tuottavat halkeamia jääkuoreen. Jäisten suurempien kuiden suolainen sula vesi, vaikkakin kilometrien jääkuoren alla, on paikka, mistä elämää voisi tulevaisuudessa etsiä.

Renkaat Jo Voyagerien ohilennoilla 1980-luvulla Saturnuksen renkaiden dynaamisuudesta saatiin viitteitä. Cassini paljasti paljon lisää renkaiden dynamiikasta, rakenteesta ja koostumuksesta. Renkaat ovat suurelta osin vesijäätä. Renkaat koostuvat hiukkasista ja kappaleista, jotka ovat kooltaan mikrometreistä aina useisiin metreihin. Päärenkaat ovat leveydeltään Saturnuksen sateen luokkaa (60 000 km) ja silti vain 50 km paksuja. Renkashiukkaset ovat suhteellisen harvassa, mutta vaikka renkaiden läpi voi nähdä, ne aiheuttavat selvät varjot Saturnuksen pilvikerroksiin.

Renkaissa on paljon rakennetta: niissä on aukkoja ja tiivistymiä, pieniä kuita ja ulommassa F-renkaassa jäälohkareiden kasaumia. Kapea F-rengas on kahden pienehkön kuun Prometeuksen ja Pandoran välissä, johon näiden kuiden painovoima jatkuvasti aiheuttaa muutoksia. Osa päärenkaiden aukoista aiheutuu pienistä kappaleista, jotka ovat keränneet itseensä samalla kiertoradalla olleet pienemmät kappaleet. Näiden varsinaisia kuita pienempien kappaleiden vähäinenkin painovoima saa aikaan väreitä ja aaltoja aukkojen reunoille: minikuu jää jatkuvasti nopeammin kiertävästä sisemmästä rengasreunasta jälkeen ja ohittaa hitaammin kiertävän ulomman reunan hiukkasia.

Suuremmat Saturnuksen kuut aiheuttavat rataresonanssien kautta sekä aukkoja että tiivistymiä renkaisiin tekemällä tietyt radat epävakaiksi tai erityisen vakaiksi.

Saturnus Cassinin oli mahdollista tutkia Saturnuksen kaasukehää lähes puolen Saturnuksen vuoden ajan. Mm. selviä värisävymuutoksia havaittiin kaasukehässä niin, että se pallonpuolisko, jolla on talvi, on tummempi ja syvemmän värinen. Tämän ajatellaan johtuvan muuttuvan auringonvalon määrän aiheuttamista lämpötilan muutoksista, jotka edelleen vaikuttavat esim. aerosolien muodostumiseen johtaviin kemiallisiin reaktioihin. Suuri yllätys koettiin, kun Cassinin radan kallistuskulmaa nostettiin aina 60 asteeseen. Saturnuksen pohjoisnapaa ympäröi liki täydellisen kuusikulmion muodostama pilvivyö ja itse navassa on suuri myrskypyörre. Myös etelänavalla on napapyörre, mutta kuusi- tai muitakaan monikulmiovöitä ei löydetty. Napapyörteitä esiintyy myös Venuksella ja Jupiterilla, joilla on paksu kaasukehä. Kuusikulmainen pilvivyö on osoittautunut suihkuvirtaukseksi, joka muodostaa seisovan aallon pohjoisnavan ympärille.

Vuonna 2010 pian Saturnuksen kevätpäivän tasauksen jälkeen havaittiin suuren valkopilvisen myrskyn muodostuminen pohjoiselle pallonpuoliskolle. Myrsky aiheutti valkoisen pilvivanan, joka kiertyi hitaasti planeetan ympärille, ja sen alkaessa saavuttaa myrskyn etureunaa, myrsky vaimeni. Vastaavia myrskyjä on havaittu aiemmin Maasta käsin kerran Saturnuksen kierrossa, mutta nyt sitä voitiin seurata ennennäkemättömällä tarkkuudella.

Saturnuksen magneettikenttää päästiin tutkimaan tarkimmin Cassinin viimeisten kierrosten aikana, jolloin luotain oli hyvin lähellä kaasukehän ylimpiä osia. Saturnuksen magneettikenttä on noin asteen verran kallellaan pyörimisakselinsa suhteen. Sen sijaan Saturnuksen tarkkaa pyörähdysaikaa ei ole vielä pystytty määrittämään. Saturnuksen pyörivä magneettikenttä tarjoaisi siihen hyvän mahdollisuuden – periaatteessa - mutta Cassinin radiomittalaitteet havaitsivat nopeasti Saturnuksen magneettikehää tutkiessaan, että magneettikentän aiheuttama radiopulssi on hieman erimittainen magneettikehän pohjois- ja eteläpuolilla. Se onkin yksi Saturnuksen vielä selvittämättömistä mysteereistä.

havainnekuva Cassinista Urakkansa Loppusuoralla Saturnuksen Renkaiden Ja Kaasukehän Välissä.

titan Saturnuksen Ja Rengaslevyjen Takana Cassinin*** kuvaamana. Sekä Titanin Että Saturnuksen Kaasu- ***kehien Ylimpiä Utukerroksia Voi Erottaa Kuvasta.

CASSININ PERINTÖ

LIKI 4000 tieteellistä artikkelia on jo julkaistu Cassini- Huygensin mittaustuloksista. Uudet tieteelliset tulokset ovat mullistaneet käsityksemme ulommasta aurinkokunnastamme. Löydöt ovat osoittaneet, että mikään määrä teoretisointia ei vastaa sitä, että kohteesta päästään tekemään tarkkoja tieteellisiä mittauksia tai ottamaan visuaalisesti huikeita kuvia. Tämä on myös painokas muistutus siitä, että aurinkokunnassamme on vielä kaksi hyvin vähän tutkittua planeettaa: Uranus ja Neptunus, jotka tosin ovat myös kovin vaikeasti saavutettavia Neptunuksen ollessa peräti neljä kertaa niin kaukana meistä kuin Saturnus.

Cassini-Huygens-hanke on ollut huikea avaruusseikkailu. Tämä luotain on tuottanut ennennäkemättömän tieteellisten mittausten arkiston ulomman aurinkokunnan kohteesta, jossa riittää tutkimista kymmeniksi vuosiksi eteenpäin. Toivottavasti emme joudu odottamaan ihmiskunnan paluuta mahtavalle rengasplaneetalle ihan niin pitkään.

Ilkka Sillanpää on filosofian tohtori ja Ilmatieteen laitoksen avaruustutkija. Hän osallistui Cassini-Huygens-hankkeeseen työskennellessään Yhdysvalloissa vuosina 2008-2014 Cassini Plasma Spectrometer -tutkimusryhmässä.

Artikkeli perustuu Sillanpään Skepsis-luentoon Tieteiden ta- lolla Helsingissä lokakuussa.