משימת קסיני לשבתאי

בקיצור

• לאחר 13 שנים במסלול סביב שבתאי, סיימה החללית קסיני את משימתה בספטמבר 2017 בצלילה מתוכננת אל תוך האטמוספרה של כוכב הלכת.
• במשך שנות מסעה סקרה קסיני את האטמוספרה של שבתאי, את טבעותיו וירחיו בפירוט חסר תקדים. ב-2005 היא גם שיגרה את רכב הנחיתה הויגנס אל פני השטח של טיטן, הירח הגדול ביותר של שבתאי.
• בין שלל תגליותיה, מצאה קסיני אגמים של מתאן נוזלי על פני טיטן ואוקיינוס קבור של מים נוזליים מתחת לפני השטח של הירח אנקלדוס שמימיו מתפרצים לחלל בגייזרים. מדענים משערים שהים התת־קרקעי הזה מסוגל לתמוך בקיום חיים חוצניים.
• קסיני גם חשפה תוואים מפתיעים בטבעות שבתאי, כמו הרים ו"ירחונים" ואפקט שצובע בכחול את האטמוספרה שלו בחורף.

באחד מן הערבים בעתיד, שבהם כוכב הלכת שבתאי יהיה תלוי גבוה בשמיים, והלילה יהיה בהיר וחשוך, קסיני, ששוגרה בידי סוכנות החלל האמריקנית, נאס"א. החללית הקיפה את הפלא עטור הטבעות הזה במשך 13 השנים האחרונות. אין ספק שהתמונות יעוררו מחשבות: כמה רחוק הגענו במסעותינו, עד כמה נעשינו מיומנים במסעות בין כוכבי הלכת ועד כמה יוצא דופן הוא ההישג שאִפשר לנו להכיר עולם רחוק כל כך כמו עולמו של שבתאי באופן קרוב כל כך.

ב-15 בספטמבר 2017, לאחר שהמאמר הזה נכתב, שוגרה הפקודה ששילחה את החללית המקיפה את שבתאי בצלילה אל תוך האטמוספרה שלו. כך הגיעה משימתה אל סופה. החללית נשרפה בכדור אש שאיש לא ראה. הדבר נועד למנוע ממנה להתרסק בטעות באחד מן הירחים המקיפים את שבתאי, שהתנאים השוררים בהם עשויים להתאים לקיום חיים, ולזהם אותם.

כוכב הלכת שבתאי מטיל צל על טבעותיו. מקור: נאס"א, JPL והמכון למדע החלל

אף משימה אחרת לא חקרה מערכת פלנטרית עשירה כמו זו של שבתאי, בעומק כזה ובמשך זמן רב כל כך. על פני הירח שלו, טיטן, מצאנו ימים ואגמים של פחמימנים ותנאי סביבה שהמורכבות שלה מתחרה בזו של כדור הארץ. צפינו במטאורולוגיה של האטמוספרה השבתאית וחזינו בלידתן, בהתפתחותן ובהתפוגגותן של סופות ענק. גילינו תופעות חדשות בטבעות המקיפות את שבתאי שהעידו על התהליכים שהתקיימו בשלבים הראשונים של היווצרות מערכת השמש, ובכלל זה של כדור הארץ. כמו מסרטטי המפות הקדומים של כדור הארץ, מיפינו את הירחים של שבתאי לשימושם של המגלים העתידיים. גילינו ירחים חדשים, ובהם משפחה חדשה של עצמים קטנים המשולבים בטבעות עצמן. ואז גילינו את התגלית שבעיני היא החשובה ביותר במשימה: בקוטב הדרומי של הירח אֶנקֶלַדוּס, נתקלנו בגייזרים הנובעים מאוקיינוס תת ־קרקעי שאולי משמש בית ליצורים חוצניים. במרחבים הרחוקים של מערכת השמש חייתה החללית קסיני חיים מתגמלים במידה יוצאת מן הכלל. וכעת הגיעו חייה והמסע המדעי המרהיב שלה אל סופם.

מבט אינטימי

הצורך בבחינה מפורטת ונרחבת של המערכת השבתאית התבררה בראשית שנות ה-80 לאחר ששתי החלליות שלתכנית ווייג'ר חלפו על פני כוכב הלכת. שני האירועים המפורסמים האלה היו המערכה הפותחת במסע החקר האנושי אל שבתאי. הם העניקו לכוכב הלכת ממדים ואישיות, אבל גם הותירו בעקבותיהם שאלות שדרשו תשובות. חלליות ווייג'ר גילו כוכב לכת שהאזורים הפנימיים, האטמוספרה והמגנטוספרה שלו מורכבים. בטבעות שלו, דִסקה זוהרת ורחבת ידיים של חצץ קרחוני, תיעדו החלליות סימנים למנגנונים פיזיקליים זהים לאלה שהיו חיוניים לעיצוב מערכת השמש הראשונית ודסקות חומר דומות סביב כוכבים אחרים. המעברים של חלליות ווייג'ר דרך החלקים הפנימיים של המערכת השבתאית חשפו עולם של ירחים מגוונים המושפעים ממערכת דינאמית של כוחות. על אף שפני השטח של טיטן, הירח הגדול ביותר של שבתאי, נותרו מוסתרים מאחורי שכבת האובך הסמיך העוטפת אותם בכל מקום, הוא עורר את סקרנותם של הצופים בו ברמזים לקיומו האפשרי של אוקיינוס פחמימנים נוזלי על פניו. בכללותה, היה נראה שמערכת שבתאי היא יעד מושלם למחקר מעמיק על תהליכים שעל פי ההשערה היו חשובים בהיווצרותן ובהתפתחותן של מערכות שמש – בין אם שלנו או סביב שמשות אחרות – ובדינמיקות המשפיעות עליהן גם היום. וייתכן שהתהליכים האלה חשובים אפילו להבנת מקור החיים.

קסיני הייתה משימה בין־לאומית, בהובלה של נאס"א ושל סוכנות החלל האירופית, והיא תוכננה להיות משופרת לאין שיעור ממשימות ווייג'ר בכל מובן אפשרי. החללית שגודלה כגודל אוטובוס תלמידים, הייתה גדולה מחלליות ווייג'ר ונשאה עליה את הציוד המדעי המתוחכם ביותר שנשלח עד אז אל מערכת השמש החיצונית. קסיני גם הובילה את הויגנס, רכב נחיתה בקוטר ארבעה מטרים ובעל צורה אווירודינמית, שנשא שישה מכשירי מדידה, צנח אל פני השטח של טיטן ונחת עליהם.

טיטן, הירח הגדול ביותר של שבתאי, זוהר באינפרה־אדום. מקור: נאס"א, JPL אוניברסיטת אריזונה ואוניברסיטת איידהו

לאחר שהחללית חצתה את מערכת השמש, היא נכנסה ללא תקלות למסלול סביב שבתאי ב-1 ביולי 2004. המסלול שלה סביב שבתאי, היה מסובך ומדויק כאחד. ההקפות נפרשו סביב שבתאי במהלך 13 שנות הסיור כעלי כותרת של פרח. המסלול אִפשר תצפית מקרוב על כל דבר במערכת הפנימית של שבתאי, וכל הקפה הייתה ייחודית בהיקף, בזווית ובכיוון. הייתה לנו גם הנוחות לשנות את המסלולים כדי לצלול שוב למבט נוסף, ובמקרים מסוימים למבטים רבים נוספים, בדברים שגילינו קודם לכן.

הירח אנקלדוס וטבעות שבתאי על רקע טיטן העמום. מקור: נאס"א, JPL-קלטק והמכון למדע החלל

משך השהייה הארוך של קסיני סביב שבתאי היה חלק חיוני בהצלחתנו. ניטור ממושך הוא הדרך היחידה לאתר תהליכים בלתי צפויים, כמו למשל פגיעות של מטאורידים בטבעות של שבתאי. יותר מכך, הנדידה האטית והקבועה של מסלולי הירחים והשינוי באטמוספרה כתוצאה מן השינויים העונתיים הגדולים בתאורת השמש, דורשים איסוף תצפיות במשך פרקי זמן ארוכים ככל האפשר. המשימה הרשמית של קסיני הייתה מתוכננת להימשך ארבע שנים והייתה אמורה להסתיים ב-30 ביוני 2008. אבל הניצחונות המהדהדים שנחלה החללית במהלך התקופה הזאת, וההיגיון הצרוף שבשמירה על נכס מניב תוצאות כזה עזרו לנו לשכנע בהארכת המשימה. הטיעונים המוצלחים שלנו העניקו לנו כמה הארכות, ואפשרו לנו, למשל, לחזות בתנאי התאורה המיוחדים בעת השוויון בין היום והלילה בשבתאי, באוגוסט 2009. קרני השמש באותה עת האירו את הטבעות מן הצד. כל הפרעה שהציצה מעל למישור הטבעות או מתחתיו הטילה אפוא צל ארוך וברור לעין שהסגיר את קיומה.

בסופו של דבר, הסתיימו כל פעולות ההקפה של קסיני לאחר כמעט חצי שנת שבתאי (או, 13 שנים, חודשיים וחצי במונחים של כדור הארץ). הגענו מעט לאחר שיא הקיץ הדרומי של כוכב הלכת ואנו מסיימים בשיא הקיץ הצפוני. מסגרת הזמן הזאת אפשרה לנו לצפות במחזור עונתי כמעט מלא: ראינו כיצד המחציות הדרומיות של שבתאי ושל טיטן עוברות מקיץ לחורף וכיצד המחציות הצפוניות עוברות מחורף לקיץ. יש בזה כעין תרמית קוסמית, אבל היא פעלה.

הירחים

לפני עידן החלל, מדענים סברו שהירחים במערכת השמש החיצונית הם גושי קרח מתים מבחינה גאולוגית ונעדרי מאפיינים. חלליות ווייג'ר הפריכו את ההשערה הזאת. משימתה של קסיני הייתה לסקור את עדר הלוויינים של שבתאי ולנסות להבין את תולדותיהם. בכמה מן המקרים, סיפורי התולדות האלה התבררו כראויות לציון.

קחו לדוגמה את יאפֶּטוּס. חצי מפני השטח של הירח הזה לבנים כשלג ואילו פני החצי השני שחורים מאוד – והסיבה לכך הייתה תעלומה רבת שנים. התמונות ברזולוציה גבוהה, שצילמה קסיני, לימדו אותנו שגם בקני מידה קטנים יותר הירח מנומר בחברבורות כהות ובהירות. שילוב נתונים מן המצלמה ומן המכשיר התרמי של החללית אִפשר לנו להבין מדוע. הפרשי הצבע בין שתי המחציות וגם הכתמים המנומרים נבעו מתהליך של פליטה תרמית המתקיים רק בירח הזה המסתובב באטיות סביב צירו. מלכתחילה, האזורים הכהים יותר התחממו והגיעו לטמפרטורה שבה המריא הקרח שכיסה אותם והפך לגז. כך נעשו האזורים האלה כהים וחמים אף יותר. לעומתם, האזורים הבהירים יותר היו גם קרים יותר, ולכן שמשו כמלכודות לאדי הקרח, שחזרו והתגבשו על פניהם. במשך הזמן, נעלם כל הקרח מן האזורים הכהים והצטבר באזורים הבהירים. אבל כיצד התרחש התהליך על פני מחצית שלמה של הירח? קסיני מצאה שבמסלולו של יאפטוס סביב שבתאי, הוא חולף דרך ענן של חומר כהה ודק גרגרים שמקורו בפיבי, אחד הירחים החיצוניים והחריגים בצורתם של שבתאי. הענן הזה צובע את כל המחצית המובילה של יאפטוס בצבע כהה ושומר עליו חם וחופשי מקרח. התעלומה נפתרה.

ב-15 בספטמבר 2017, כשמקור האנרגיה שלה הידלדל, צנחה החללית קסיני אל תוך האטמוספרה של שבתאי לאחר שהקיפה את כוכב הלכת במשך 13 שנה. לאורך המשימה סיפקה החללית שלל תגליות חסרות תקדים על כוכב הלכת המסובך הזה, על טבעותיו ועל מגוון ירחיו. היא גילתה עולמות שבהם נהרות של מתאן נשפכים לאגמים רחבי ידיים, שבהם סילונים של גבישי קרח ניתזים לחלל מתוך אוקיינוס תת־קרקעי ושבהם סופה יחידה מקיפה כוכב לכת שלם. לפניכם כמה נקודות ציון. מאת אדווארד בל.

(הצילומים באדיבות נאס"א, JPL-קלטק והמכון למדע החלל. עיצוב גרפי: אדווארד בל)

ירח יוצא דופן אחר הוא טיטן. המצלמות בתחומי האור־הנראה והאינפרה־אדום־הקרוב צוידו מראש באמצעים שיחדרו את מעטה האובך של טיטן, ומכשיר המכ"ם של החללית הותאם בצורה מיטבית לחצות את האטמוספרה ללא הנחתה כלשהי. וכמובן, הצניחה של הויגנס בראשית 2005 דרך האטמוספרה של טיטן במשך שעתיים וחצי, שבמהלכה נאספו תצלומים פנורמיים, מדידות של הרכב האטמוספרה, שקיפותה, נתוני רוח וטמפרטורה לפני שהחללית נחתה על פני הירח, סיפקה מידע רב. באופן כללי, קסיני מצאה בטיטן עולם הנראה כלקוּח מסיפור מדע בדיוני, שבו צורות הנוף ומאפייני האוויר דומים למוכר לנו אבל עשויים מחומרים בלתי צפויים, מקום שבו המראות מוכרים אבל ההרגשה שונה.

בטיטן גילינו אגמים וימות שאינם מלאים במים אלא במתאן נוזלי. בקוטב הדרומי של הירח, גילתה המצלמה ברזולוציה גבוהה של קסיני גוף נוזלי שגודלו קרוב לזה של אגם אונטריו (ולכן נקרא בשם אונטריו לקוס) בלב אזור שהכיל מאגרי נוזל דומים אך קטנים יותר. מכשירים אחרים של קסיני אישרו לאחר מכן שאונטריו לקוס אכן מלא במתאן נוזלי. מאז גילינו אגמי מתאן נוזלי רבים נוספים בגדלים שונים. מסיבה כלשהי הם מרוכזים בעיקר בקווי הרוחב הצפוניים הגבוהים. תצפיות מכ"ם גילו קווי חוף מסולעים ומפורצים הדומים לחוף הים של מדינת מיין בארה"ב. בניגוד לכך, המישורים באזור קו המשווה, עליהם צנח רכב הנחיתה הויגנס, יבשים ומכוסים בדיונות הנמתחות למרחקים בכל היקף הירח, כשמדי פעם קוטעת אותם קרקע גבוהה יותר.

לקריאה נוספת

• Imaging Titan from the Cassini Spacecraft. C. C. Porco in Nature, Vol. 434, pages 159–168; 2005
• Saturn’s Curiously Corrugated C Ring. M. M. Hedman et al. in Science, Vol. 332, pages 708–711; 2011
• Enceladus’s Measured Physical Libration Requires a Global Subsurface Ocean. P. C. Thomas et al. in Icarus, Vol. 264, pages 37–47; 2016
• האם יש חיים באחד הירחים הקפואים של שבתאי?, פרנק פוסטברג, גבריאל טובי, תורסטן דאמבק, סיינטיפיק אמריקן ישראל, 1.12.2016