Пионер-11, первый космический корабль, посетивший Сатурн, отмечает свое 49-летие

Пионер 11: Хронология миссии

Запуск и облет Юпитера

Спущен на воду 6 апреля 1973 г. Пионер 11 пролетел мимо Юпитера в декабре 1974 г., совершил гравитационный маневр в его гравитационном поле и взял курс на Сатурн.

Интересно, что траектория его полета от Юпитера к Сатурну была наклонена на 15,6° к плоскости эклиптики (это был самый большой наклон в то время).

Интересно и то, что после облета Юпитера станция сначала приблизилась к Солнцу, затем начала удаляться и во второй раз пересекла орбиту Юпитера 10 июня 1977 года.

Исходный план и корректировка траектории

Первоначально планировалось, что станция пролетит между внутренним кольцом D Сатурна и планетой на расстоянии всего несколько тысяч километров от облачного слоя в сентябре 1979 года. Тогда она должна была пройти в 10-20 тысячах км от поверхности Титана.

18 декабря 1975 г. была проведена первая коррекция траектории, необходимая для успешного облета Сатурна; 25-26 мая 1976 г. внесена вторая поправка. Сатурн находился соответственно в 460 и 525 млн км от станции во время этих операций.

Конечная траектория

В 1977 году окончательно была выбрана траектория пролета Сатурна. Было два варианта: внутренний и внешний.

Внутренняя траектория (между кольцами и планетой) предусматривала пересечение плоскости колец на расстоянии от центра Сатурна, равном 1,15 радиуса планеты, и минимальное расстояние при полете 1,06 радиуса Сатурна. Внешняя траектория (с внешней стороны колец) – соответственно 2,8 и 1,28 радиуса Сатурна.

Внутренняя траектория дала бы больше научной информации, но вероятность столкновения с частицами колец, способных вывести станцию ​​из строя, была на четыре порядка выше, чем при полете по внешней траектории.

Наблюдения с Земли в это время показали, что область наибольшей плотности вещества колец простирается до 2,2 радиуса Сатурна, однако слабо видимый материал зафиксирован до расстояния 3,5 радиуса Сатурна. В результате была выбрана внешняя траектория.

Связь с миссией “Вояджер”

При выборе ученые в основном руководствовались желанием исследовать ту часть плоскости колец, через которую впоследствии пройдет АМС «Вояджер-2», если его решат отправить к Урану.

По сравнению с «Пионером-11», «Вояджер-2» был очень дорогой станцией, и ученые хотели максимально избежать риска. Инженеры подчеркнули, что даже при полете по внешней траектории «Пионер-11» пройдет ближе к Сатурну, чем оба космических корабля «Вояджер», что позволит получить уникальную научную информацию.

1 сентября 1979 года станция совершила успешный облет Сатурна.

Что обнаружил Пионер-11?

Магнитное поле Сатурна и магнитосфера

Приборы Pioneer 11 показали, что Сатурн имеет магнитное поле, магнитосферу и радиационные пояса.

Станция впервые пересекла фронт ударной волны магнитосферы на расстоянии 24,5 радиуса от Сатурна.

Позже солнечный ветер прижал магнитосферу ближе к планете, и станция во второй раз пересекла фронт ударной волны.

За время удаления от планеты по той же причине станция трижды пересекала фронт ударной волны (последний раз на расстоянии ~100 радиусов Сатурна от планеты).

Напряженность магнитного поля Сатурна на уровне верхней границы облачного покрова оказалась равной 0,2 Гс.

Поскольку Сатурн вращается быстрее, чем орбита его спутников, перед спутниками, находящимися в магнитосфере планеты, должен быть магнитный «хвост». Это было найдено на Титане.

Интенсивность радиации в радиационных поясах Сатурна оказалась в 50-1000 раз ниже, чем в радиационных поясах Юпитера, и была сравнима с интенсивностью радиации в радиационных поясах Земли, хотя последние занимают 10-кратное меньшая площадь.

Кольца Сатурна

Как и предсказывали некоторые ученые, заряженные частицы были полностью сметены внутри системы колец Сатурна. Это явление получило название «эффект гильотины». Это объясняется тем, что высокоэнергетические частицы, колеблясь от одного полюса планеты к другому, встречают на своем пути вещество колец и поглощаются этим веществом.

Станция «Пионер-11» зарегистрировала наблюдаемые с Земли кольца Сатурна А, В и С, но не обнаружила ожидаемых некоторыми учеными колец D и Е. Станция обнаружила два новых кольца, обозначенных как F и G.

Кольцо F лежит на расстоянии около 80 тыс. км от Сатурна и имеет ширину менее 500 км при толщине всего 3 км. От кольца А его отделяет брешь шириной ~3000 км, которая получила название Пионерской дивизии.

Кольцо G находится на гораздо большем расстоянии от Сатурна: внешний край кольца лежит на расстоянии 965 тыс. км от планеты.

Pioneer 11 также зарегистрировал наблюдаемое с Земли деление Кассини между кольцами A и B и подтвердил существование деления между кольцами B и C, предсказанное французскими учеными.

По полосам отраженного света было определено, что количество вещества в делении Кассини примерно равно количеству вещества в кольце С.

По предварительным данным, частицы в кольцах состоят в основном изо льда, а не из тяжелых материалов, таких как, например, железо. С помощью инфракрасного радиометра была определена температура освещенной Солнцем стороны колец: 70-75 К.

Выяснилось, что кольца Сатурна не представляют угрозы для космических аппаратов (до этого полета вероятность того, что станция пройдет в целости и сохранности через плоскость колец, оценивалась всего в 50%). Детекторы метеорных частиц зафиксировали всего 5 столкновений с мелкими частицами вне плоскости колец во время их облета планеты.

Толщина колец оказалась 1,5 км, а средний размер частиц в кольцах около 50 мкм. Зафиксировано шесть эпизодов поглощения заряженных частиц, что, по мнению ученых, может свидетельствовать о существовании шести неизвестных спутников планеты.

Пионер-11 сделал 15-20 снимков Сатурна с лучшим разрешением, чем могли обеспечить самые современные наземные телескопы. Изображения показали, что верхняя часть облачного покрова Сатурна тише, чем у Юпитера, и имеет менее четкие детали.

Атмосфера, температура и гравитационное поле

Количество поясов и зон в атмосфере Сатурна оказалось больше, чем в атмосфере Юпитера, и они уже. Удалось получить фотометрические и поляриметрические данные о планете в широком диапазоне фазовых углов, недоступных наземным наблюдателям.

Температура экваториальной зоны Сатурна оказалась ниже температуры прилегающих к ней областей, по-видимому, из-за того, что облака расположены выше в экваториальной зоне. Эти данные позволили предположить различия температур и высот между зонами и поясами.

Характеристики гравитационного поля Сатурна, определенные по возмущениям траектории станции, показали, что полярное сжатие планеты составляет около 10%.

Ультрафиолетовый фотометр на Pioneer 11 AMS обнаружил слабое свечение атомов водорода по всей системе Сатурна. Когда станция пересекла плоскость колец, она увеличилась, что указывает на связь водородного облака с кольцами.

Также наблюдалось усиление свечения на высоких широтах обоих полушарий планеты по сравнению с экваториальной областью. Это может указывать на авроральную активность или лимбальное свечение.

Открытия о Титане

2 сентября 1979 года «Пионер-11» приблизился к Титану на минимальное расстояние 356 000 километров.

Ультрафиолетовый фотометр станции обнаружил водородное облако вокруг Титана. На основании этого был сделан вывод, что, возможно, метановая атмосфера спутника медленно распадается на водород и более сложные углеводородные соединения, при этом водород уходит в космос, а аэрозоли на основе углерода падают на поверхность Титана. По измерениям температура верхней части облачного покрова Титана составляла 75 К.

Под действием гравитационной силы Сатурна АМС «Пионер-11» изменил направление полета и стал удаляться от Солнца почти по прямой.

Официально работа со станцией была завершена 30 сентября 1995 года, в связи с нарушением зоны приема радиосигнала со станции. Последний сигнал со станции был получен 24 ноября 1995 года.