بايونير 11 إلى كوكب المشتري وزحل

تم إطلاق المركبة الفضائية في مسار طيران بخيارات مفتوحة. وهذا مسار انتظار في حزام الكويكبات حيث تنتظر المركبة الفضائية إشارة من الأرض لتوجيهها إلى المسار النهائي.

المقدمة
تناولنا في الفصل السابق في المركبة الفضائية بايونير 10، أول مركبة فضائية انطلقت نحو كوكب المشتري. سنتعامل هذه المرة مع مركبته الفضائية التوأم، والتي كانت أيضًا أول من زار زحل.

تم إطلاق المركبة الفضائية بايونير 11 في 5 أبريل 1973. وقبل إطلاقها، تم إجراء العديد من التغييرات على خطة عملها. المسافة التي سيتعين عليها اجتيازها بالقرب من كوكب المشتري تعتمد على نجاح بايونير 10. إذا لم يتضرر بايونير 10 من أحزمة الإشعاع القوية لكوكب المشتري، فإن مسافة عبوره من النجم ستكون أقل. وستكون المسافة 35,000 ألف كيلومتر. إذا تم تدمير بايونير 10 بواسطة الإشعاع، ستكون مسافة عبور بايونير 11 أكبر.

تم إطلاق المركبة الفضائية في مسار طيران بخيارات مفتوحة. وهذا مسار انتظار في حزام الكويكبات حيث تنتظر المركبة الفضائية إشارة من الأرض لتوجيهها إلى المسار النهائي. الخيارات هي:

1. رحلة العبور فوق خط استواء المشتري - مسافة عبور صغيرة أو كبيرة.

2. تحليق فوق القطب الجنوبي لكوكب المشتري لتمكين التقاط الصور الأرضية لكوكب المشتري. وكان من المفترض أن يكون الجو عند القطبين شفافا.

3. رحلة عبور تسمح بالمرور بالقرب من زحل والخروج من النظام الشمسي. وبدلاً من مغادرة النظام الشمسي مثل بايونير 10، تتجه المركبة الفضائية نحو زحل بعد الانتهاء من قياسها لكوكب المشتري. مدة الرحلة سبع سنوات. وبعد مرورها بكوكب المشتري، زادت سرعة المركبة الفضائية إلى 173,000 ألف كيلومتر في الساعة، ووصلت إلى زحل في عام 1980.

أثيرت إمكانية تقريب بايونير 11 من أحد قمري المشتري الكبيرين. سيتم اتخاذ القرار النهائي بعد أربعة أشهر فقط من مرور Pioneer 10. ويعتبر Pioneer 11 أداة بحثية أخرى. مقياس مغناطيسي لقياس المجالات المغناطيسية في محيط كوكب المشتري وبدلاً من محرك نووي واحد لديه محركان. كما أن المركبة الفضائية مختومة برسم مشابه للرسم الموجود على Pioneer 10. فقط المعلومات المكتوبة عليها مختلفة.
بعد فحص دقيق لنتائج بايونير 10، تقرر أن يقوم بايونير 11 بالتحليق لمسافة قصيرة بالقرب من كوكب المشتري، ومن هناك يستمر إلى زحل. الخطر الكامن بالنسبة للمركبة الفضائية في رحلة العبور بالقرب من زحل هو الاصطدام بحلقتها الخارجية. العبور المتوقع لزحل سيتم في سبتمبر 1979. في المسار المختار لـ Pioneer 11، يبدأ العبور بالقرب من القطب الجنوبي لكوكب المشتري ويتم سحبه بسرعة إلى الأعلى بفعل جاذبيته. وتعبر المركبة الفضائية المنطقة الاستوائية بزاوية 53 درجة باتجاه القطب الشمالي. والسرعة التي سيتم الوصول إليها هي 173,000 كم/ساعة. وتحركه زاوية اقترابه بسرعة عبر منطقة الإشعاع بحيث يقل تأثيره على المركبة الفضائية. يظهر بايونير 11 على الجانب الأيسر من كوكب المشتري ويتم اكتشافه على جانبه الأيمن.
يصل مدى قياس بايونير 11 بعد لقائه مع المشتري إلى 160 مليون كيلومتر فوق سهل ملقا. يجب أن تكون المركبة الفضائية بمثابة المحك لتحديد كتل كوكب المشتري وأقماره.
مسار رحلة بايونير 11
يمكن تقسيم رحلة المركبة الفضائية إلى خمس مراحل.
1. الرحلة من الأرض إلى حزام الكويكبات.
2. الرحلة في حزام الكويكبات.
3. الرحلة من حزام الكويكبات إلى كوكب المشتري.
4. الرحلة من كوكب المشتري إلى زحل.
5. العبور بالقرب من زحل.

المرحلة الأولى: من 5 أبريل إلى 18 أغسطس 1973
6 في أبريل - تم اكتشاف خطأ في وحدة الطاقة النووية لسفينة الفضاء وتم إصلاحه لاحقًا عندما تم إجراء التصحيح الأول لمسار الرحلة.

المرحلة الثانية: من 18 أغسطس 1973 إلى 18 مارس 1974
ومن مرور السفينتين الفضائيتين، أصبح من الواضح أن المخاوف الجدية بشأن التعرض لجسيمات عالية السرعة كانت في غير محلها إلى حد كبير. وفي وسط الشريط توجد جسيمات صغيرة تدور حول الشمس بسرعة 64,200 كيلومتر في الساعة، وهي سرعة كافية لتمنح جسيما كتلته ألف جرام القدرة على اختراق سنتيمتر واحد من لوح الألمنيوم. ومن الممكن أن تخترق مثل هذه الجسيمات المركبات الفضائية وتسبب أضرارًا جسيمة لها. وتبين أن معظم الجسيمات التي رصدتها أدوات المركبة الفضائية كانت أصغر حجما وكان عددها الإجمالي أقل من المتوقع. بحلول منتصف فبراير 1974، أصيب بايونير 11 بثمانية نيازك دقيقة.

المرحلة الثالثة: من 18 مارس إلى 3 ديسمبر 1974
1 أبريل - تم تصحيح مسار الرحلة.
9 سبتمبر - بناءً على طلب الدكتور فان ألين، تمت زيادة سرعة دوران المركبة الفضائية حول نفسها من أجل الحصول على معلومات أكثر وأفضل أثناء العبور بالقرب من كوكب المشتري.
2 نوفمبر - بدأ بايونير 11 في إرسال الصور.
30 نوفمبر - أول صورة لجانيميد وكاليستو باستخدام مقياس الضوء فوق البنفسجي لاكتشاف آثار الهيدروجين والهيليوم.
من 1 إلى 14 ديسمبر - صور فوتوغرافية لكوكب المشتري وصورتين لجانيميد وكاليستو لاكتشاف آثار الهيدروجين والهيليوم فيها. وكان من المأمول أن يتم استخدام كاليستو في المستقبل كموقع هبوط للتحقيق في قضية تسيدك.
من 2 إلى 8 ديسمبر، صور للقطب الجنوبي لكوكب المشتري. مواصلة البحث عن آثار الهيدروجين والهيليوم في جانيميد وكاليستو، وقياس الحرارة السائدة على سطح هذين الأقمار ثم قياس حرارة آيو وأمالثيا فيما بعد. اعتبارًا من اليوم، تشارك أجهزة قياس الاستقطاب الضوئي أيضًا في قياس الغازات الموجودة فوق الغطاء السحابي لكوكب المشتري. يتم إجراء قياسات مماثلة أيضًا فيما يتعلق بالأقمار، باستثناء أنها يتم إجراؤها بزوايا لم تكن ممكنة مع Pioneer 10.
3 ديسمبر - رحلة العبور. يقوم Pioneer 11 بنوع من الطيران اللولبي فوق النجم. وتقلل هذه الرحلة من مدة تعرض المركبة الفضائية للإشعاع العالي الموجود عند خط الاستواء إلى نصف ساعة، وتأخذ المركبة الفضائية للقيام بدورة أخرى حول كوكب المشتري ومن هناك رحلة مباشرة نحو زحل. وقد تم تصميم هذا المسار بحيث تكون الصور استمرارية لتلك التي التقطتها بايونير 10 ولا تتزامن معها، وكذلك صور فوتوغرافية لا يمكن التقاطها من الأرض وإلقاء نظرة أعمق على طبقات الغلاف الجوي في القطب الجنوبي إذا كان الغلاف الجوي هنا شفاف.
تم التقاط 11 صورة للقطب الجنوبي وواحدة لجزيرة. قبل أربع ساعات و21 دقيقة من العبور، تم تصوير كوكب المشتري بالأشعة تحت الحمراء لمدة 23 ساعة. وبعد مرور ساعة و39 دقيقة من العبور، تم تصوير كوكب المشتري لمدة ساعتين ونصف، وذلك أيضًا بالأشعة تحت الحمراء. ومرت بايونير 11 على مسافة 42,700 كلم من وجه النجم بسرعة 171,200 كلم/ساعة.
4 ديسمبر - في نهاية اليوم، تم التقاط 22 صورة لكوكب المشتري أثناء تراجعه.

نتائج بايونير 11 من قياسات كوكب المشتري
وفي الـ 48 ساعة التي مرت بها بايونير بالقرب من كوكب المشتري، قامت بتصويره 22 مرة من كل زاوية ممكنة. وتبين أن مجاله المغناطيسي أكبر بمرتين من مجال الأرض وأن درجة حرارة سطحه أكبر بـ 40 مرة من حرارة الشمس. البقعة الحمراء عبارة عن دوامة إعصار عالقة بين نطاقات الغلاف الجوي تتحرك في اتجاهين متعاكسين في الاتجاه الأيمن والأيسر فوقها وفي الاتجاه الأيسر والأيمن أسفلها. يتحرك عكس اتجاه عقارب الساعة. وفي طريقها إلى زحل، قامت المركبة الفضائية بتصوير القطب الجنوبي لكوكب المشتري. وتبين أنه في خطوط العرض العليا تتكسر نطاقات الغلاف الجوي إلى مناطق لها تشكيلات إبرة تتحرك مع العواصف الشبيهة بالإعصار. وتحدث هذه العواصف على حدود العواصف المضادة حيث تصل سرعة الرياح إلى 480 كم/ساعة. اتضح أن القمر كاليستو مغطى بالجليد عند القطبين. كما تم تصوير القمر أمالثيا.

المرحلة الرابعة: من 5 ديسمبر 1974 إلى 5 سبتمبر 1979
وفي طريقه إلى زحل، قام بايونير 11 بقياس المجال المغناطيسي بين النجوم، وبنية وتدفق الرياح الشمسية، وتركيزات تأثير الإشعاع الكوني واتجاهاته، وخصائص الغبار بين النجوم. درست العلاقات المعقدة بين الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي بين النجوم والإشعاع الكوني ووجدت حدود الغلاف الجوي الشمسي الرقيق وتأثير النيازك.

المرحلة الخامسة، الرحلة إلى زحل
منذ أن نجح بايونير 11 في تجاوز كوكب المشتري، كان متجهًا نحو زحل. وكان من المقرر أن يصل إليه في سبتمبر 1979. وسيمر بايونير 11 على مسافة 2,960 كيلومتراً من أعلى سحبه. وسوف يطير بين الحلقة الداخلية لزحل وسحبه، ومن خلال جاذبيته سيطير نحو قمره الكبير تيتان. لمنع الاصطدام بين المركبة الفضائية والقمر ولمنع تلوثه بالبكتيريا الأرضية (إذا كانت مجاورة له حتى بعد تطهيرها قبل الإطلاق). مسافة العبور من القمر 19,200 كم. وفي نهاية البرنامج، ستطير المركبة الفضائية نحو مغادرة النظام الشمسي. وسيستمر في إرسال البيانات على الأقل حتى يصل إلى مدار أورانوس في عام 1985.

في بداية عام 1978 تقرر تغيير مسار الرحلة. يعد هذا خارج الاتجاه لاستخدام سفينة الفضاء كمتعقب لسفن الفضاء Voyager. ستبدأ المركبة الفضائية التقابل مع زحل من مسافة 28,800 كيلومتر من الحافة الخارجية للحلقة الخارجية وستمر عبر الحلقات حتى تصل إلى مسافة 24,000 كيلومتر من زحل.

في 20 نوفمبر 1975، تم إجراء الملاحظات الأولى لكوكب زحل. وفقًا للتعليمات، تم تشغيل مقياس الاستقطاب الضوئي لبضع ساعات وقام بمسح كوكب زحل. هذه ملاحظة افتتاحية للملاحظات التي ستجريها في يوليو 1976، وهذه المرة تمثل فرصة جيدة بشكل خاص للمراقبة بسبب حالة الكوكب. مثل العلاقة بين الجانب المضيء والجانب المظلم، والتي لا يمكن التحقق منها من خلال عمليات الرصد من الأرض، يقع بايونير 11 الآن على بعد 1280 كيلومترًا من زحل.
وتمت زيادة سرعة المركبة الفضائية بمقدار 108 كيلومترات، مما أتاح خيارين للقيام بالرحلة الانتقالية. في المسار الأول ستمر المركبة الفضائية بين زحل وحلقاته، وفي المسار الثاني ستمر المركبة الفضائية خارج نظام زحل - حلقاته.

ستمر المركبة الفضائية من أسفل الحلقات إلى أعلى، بحيث يمكنك مسحها من الحافة السفلية إلى الحافة العلوية. تتم هذه المناورة باستخدام الطريقة المفتوحة. تم أداؤه هنا لأول مرة. مركبة فضائية ذات هوائي ثابت لها اتصال مستمر بالأرض. ولإجراء المناورة، كان لا بد من تغيير اتجاه المركبة الفضائية بحيث تكون مسافة الهوائي من خط الارتباط مع الأرض 25 درجة. لعدة ساعات لم يكن هناك اتصال مع الأرض. عيب هذه الطريقة هو فقدان معلومات القياس عن بعد المحتملة. لا يمكن لمركز التحكم الذي يحمل اسم Ames أن يكون لديه أي طريقة لإصلاح الخطأ. أي حل ليس أكثر من تخمين.
28 أغسطس 1979 - بدأت المركبة الفضائية بتصوير كوكب زحل من مسافة ستة ملايين كيلومتر، وكانت بمثابة استطلاع أولي لمركبة فوييجر الفضائية.
1 سبتمبر - عبرت المركبة الفضائية حلقات زحل مرتين ووصلت إلى مسافة 21,000 ألف كيلومتر فوق سحب زحل. وعلى عكس التوقعات بأنها ستتحطم أثناء مرورها عبر الحلقات، فقد واجهت جسيمتين فقط يبلغ سمكهما نصف سمك شعرة الإنسان فقط. وسببت هذه الجسيمات صدمات طفيفة في المركبة الفضائية وتم تسجيلها في أجهزتها.
2 سبتمبر - في هذه الرحلة، وصلت بايونير 11 إلى الجانب الآخر من زحل ومن هناك واصلت طريقها نحو تصوير تيتان من مسافة 356,000 كم.

الموجودات
أَجواء
زحل هو عالم بارد ومقفر له نواة صخرية صغيرة مغطاة بغلاف جوي سطحه يشبه الرخام وشفاف. يحتوي الغلاف الجوي بشكل رئيسي على الهيدروجين والهيليوم وآثار من الميثان والأمونيا التي تعطي طبقات السحب العالية لونها الأصفر. يتميز الغلاف الجوي أيضًا بلون أزرق مخضر. تغطي الأشرطة المرئية في الصور زحل، وهي مشرقة ومظلمة بالتناوب. ينقسم نصف الكرة الشمالي إلى 10 أشرطة رفيعة من الألوان على الأقل. وجنوبها في منطقة خط الاستواء وهو ألمعها. زحل لديه العديد من نطاقات التيارات أكثر مما كان متوقعا.

حقل مغناطيسي
يمتلك زحل مجالًا مغناطيسيًا أكبر بـ 700 مرة من المجال المغناطيسي للأرض، ولكنه أضعف بخمس مرات مما كان متوقعًا. وبما أن زحل يلتقط الجسيمات من الشمس مثل الأرض والمشتري، فهو محاط بأحزمة إشعاعية مثل هذين الكوكبين. وعلى النقيض من ذلك، فإن خطوط المجال المغناطيسي مرتبة بشكل مثالي في الاتجاه الشمالي الجنوبي. توقف الإشعاع عندما كانت المركبة الفضائية تحت الحلقات.

الخواتم
اكتشف بايونير 11 أن زحل لديه ست حلقات وليس أربع. الحلقات شفافة ويمكن رؤية شظايا بينها أكثر مما يمكن رؤيته من خلال التلسكوبات من الأرض. من المحتمل أن تكون الحلقة F على بعد 3,520 كم من الحلقة D. وتبلغ بعدها عن زحل 96,000 كم. درجة الحرارة على الحلقات 202 درجة تحت الصفر. تلقي الحلقات بظلالها الثقيلة بالقرب من مركز زحل. هذا الظل مظلم جدًا لدرجة أنه يخلق ليلة أبدية تقريبًا في هذه المنطقة. وعندما اقترب بايونير 11 من الحلقات، اكتشف قصفًا للجسيمات المشحونة. توقف القصف لمدة 12 ثانية ثم استؤنف. الحلقات قادرة على العمل كحماية للأدوات ورواد الفضاء ضد الإشعاعات المختلفة. نطاق دفاعهم هو 137,600 كم.

أقمار
التيتانيوم
قطرها 5,790 كم. من المحتمل أن يكون منظرها مشابهًا لمنظر القمر. وتكون درجة الحرارة على سطحه منخفضة ويكون جوه غائما. من المحتمل أن يكون لونه البني المحمر ناتجًا عن طبقة من الضباب تمتص حرارة الشمس وتحتفظ بها. في الغلاف الجوي وفرة من الكربون والأمونيا. وتصل درجة الحرارة في أعلى السحب إلى 200 درجة تحت الصفر.
يفتاح
للقمر جانب مشرق ربما يكون مغطى بقشرة جليدية.
ميمز
هذا القمر مغطى أيضًا بالجليد.
قمر آخر
اكتشف بايونير 11 قمرًا آخر. هذا هو القمر الحادي عشر وقد سُمي صخرة الرواد. وعلامة هذا القمر هي 11س-197 لأنه أول قمر لزحل يتم اكتشافه في ذلك العام. ويبلغ قطرها 1 كيلومتر، ويبعد عنها 600 ألف كيلومتر.