تيتان، آن گونه كه امروز مي شناسيم

شگفت انگيزترين قمر منظومه شمسي اسرار خود را به آرامي آشكار مي كند!

سه سال پس از فرود تاريخي كاوشگر هويگنس بر سطح قمر اسرارآميز تيتان، دانشمندان مجموعه ي جديدي از نتايج بررسي هاي اين قمر را منتشر كرده اند. فرانسيس راولين، يكي از كارشناسان ماموريت هويگنس، مي گويد:‌ " آن قدر اطلاعات در داده هاي ارسالي هويگنس وجود دارد كه پس از دو سال فعاليت هنوز جا براي تحقيق و بررسي وجود دارد." هويگنس در كمتر از 4 ساعت حيات علمي خود گنجينه اي از شگفتي ها را براي زمين فراهم كرده است.

در بيست و پنجم دي 1383، كاوشگر اروپايي هويگنس، كه پس از هفت سال سواري بر فضاپيماي كاسيني چند روزي بود كه به سوي قمر تيتان پرتاب شده بود، سرانجام به فراز جو غليظ اين قمر رسيد. صد و چهل و هشت دقيقه طول كشيد تا، با چتر نجات، جو ششصد كيلومتري اين قمر را طي كند و بر سطح فرود آيد. تا هفتاد دقيقه پس از فرود، هويگنس همچنان به جمع آوري و مخابره ي اطلاعات به كاسيني مشغول بود تا آن كه كاسيني در افق تيتان غروب كرد و ارتباط زمين با هويگنس براي هميشه پايان يافت.

در آذر 1384، نخستين يافته هاي هويگنس در قالب پنج مقاله ي مهم در نشريه نيچر به چاپ رسيد. يك سال و نيم پس از اين مجلد، دانشمندان توانستند جرئيات هيجان انگيز فراواني را به تصوير جديد تيتان بيفزايند. مقاله هاي جديد، كه بيشتر آنها بر اساس شبيه سازي هاي رايانه اي به دست آمده است، به قدري زيادند كه دو مجلد نشريه ي علوم فضايي و سياره اي به اين موضوع اختصاص يافته است.

تيتان به قطر 5150 كيلومتر (كمي كوچكتر از نصف قطر زمين)، دومين قمر بزرگ منظومه شمسي و بزرگترين قمر زحل است كه با كوچكترين تلسكوپ ها نيز در كنار اين سياره ي طوق برگردن ديده مي شود. تيتان تنها قمر منظومه شمسي است كه جوي غليظ و پرفشار دارد؛ با حدود 5/1 برابر فشار جوي زمين در سطح اقيانوس.

جو اين قمر، مانند زمين، بيشتر از نيتروژن است. دوري تيتان و زحل از خورشيد سبب شده دماي سطحي اين قمر حدود 180- درجه ي سانتي گراد مي باشد اما اين موضوع موجب نشده همه چيز در آنجا يخزده و جامد باشد. اين دما و فشار مناسب جوي هيدروكربن هايي مانند متان و اتان را، درست مانند آب روي زمين، در حالت مايع نگه مي دارد و با كمي تغيير دما آنها به بخار يا يخ تبديل مي شوند تا چرخه اي اقليمي مانند آنچه روي زمين داريم پديد آيد و ابرها، بارش، و مناطقي دريامانند از هيدروكربن هاي مايع شكل بگيرند.

مقايسه ي شبيه سازي ها با داده هاي ارسالي كاوشگر هويگنس نشان داده است كه تيتان محيطي پويا دارد و انبوهي از فرآيندهاي پيچيده ي محيطي بسيار شبيه به زمين - اما بسيار سردتر - را فراهم كرده است. هويگنس نشان داد جو تيتان بسيار مه آلودتر از آن است كه پيش بيني مي شد، زيرا ذرات معلق فراواني در جو وجود دارند. امروز دانشمندان توانسته اند، با ساختن يك آزمايشگاه ويژه، جو تيتان را شبيه سازي و، با استفاده از اطلاعات هويگنس، ماهيت و چگونگي تشكيل اين ذرات معلق را آشكار كنند.

وقتي كاوشگر از ارتفاع چهل كيلومتري سطح تيتان گذر كرد، مه از بين رفت و دوربين هاي تصويربرداري توانستند نخستين تصاوير نور مرئي را از سطح اين قمر اسرارآميز تهيه كنند. اين نخستين نگاه نزديك بشر به سطح تيتان بود. اين تصاوير، چشم اندازي بسيار غير عادي را نشان مي داد كه شواهدي قوي از جريان يافتن مايعي بر سطح اين قمر را به همراه داشت. احتمالا اين مايع متان است كه موجب فرسايش عوارض سطحي تيتان شده است. تركيب اين تصاوير نور مرئي همراه با نقشه برداري هاي رادار كاسيني به دانشمندان كمك كرد تا شرايط پديد آورندهي عوارض سطحي تيتان را با دقت بيشتري بررسي كنند.

هويگنس در مسير فرود خود تحت تاثير وزش باد قرار گرفت و مسيرش چندين بار تغيير كرد. كارشناسان علوم جوي توانسته اند، با استفاده از اين تغييرات، بادهاي جوي اين قمر را بررسي كنند و به اين نتيجه برسند كه جو تيتان در واقع يك كمربند همرفتي بسيار بزرگ است كه گازهاي گرم را از قطب جنوب به قطب شمال و گازهاي سرد را از قطب شمال به قطب جنوب منتقل مي كند.

هويگنس همچنين توانست امواج راديويي فوق العاده كم فركانسي را به شكل تصادفي آشكار كند. سياره شناسان از اين كشف بسيار هيجان زده اند؛ زيرا اگر بتوانند نشان دهند كه اين امواج طبيعي اند، مي توانند با استفاده از آنها به كاوش ساختارهاي زير سطح تيتان بپردازند و به احتمال بسيار اقيانوسي از آب مايع را در تيتان آشكار كنند.

تعيين دقيق مسير فرود تاريخي هويگنس بر سطح تيتان نيز موضوع مقالات فراواني است. بروز خطايي در فضاپيماي كاسيني سبب شد اطلاعات يكي از آزمايش هاي هويگنس به نام Dwe (آزماش باد با استفاده از اثر دوپلر) با مسكل رو به رو شود و اين در حالي است كه دانستن شدت و جهت وزش باد در هر نقطه از مسير براي تعيين مسير فرود و منظم كردن اطلاعات دريافتي حياتي است. سازمان فضايي اروپا (ناسا) از تلسكوپ راديويي سراسر زمين درخواست كرد تا هر گونه اطلاعات ثبت شده اي در فركانس هاي ارتباط كاسيني و هويگنس دارد در اختيار كارشناسان هويگنس قرار دهند. آنها نيز در برنامه اي پر زحمت توانستند داده هاي موقعيت سنجي هويگنس را تحليل كنند و حركت دقيق اين كاوشگر را در لحظه لحظه ي فرود بر سطح تيتان به دست آورند.

با استفاده از اين اطلاعات دقيق، آنها توانستند الگوي وزش باد در ارتفاعات مختلف را تعيين كنند و در نهايت تصاوير و اطلاعات ارسالي هويگنس را در جاي درست خود قرار دهند.

كار تحليل داده ها و آماده كردن نتايج هنوز به پايان نرسيده است. مقالات فراوان ديگري نيز هست كه هنوز نگارش نشده اند يا به اين شماره ي نشريه ي علوم فضايي و سياره اي نرسيده اند. براي دست يابي به تصويري كامل از ارزشمندترين قمر منظومه ي شمسي بايد در انتظار آينده بود.

يكي ار مهم ترين موفقيت هاي كارشناسان سازمان فضايي اروپا، به دست آوردن مسير دقيق فرود كاوشگر هويگنس بر سطح تيتان است. بازسازي مسير فرود، به ويژه براي تفسير درست داده هاي ثبت شده ي شش ابزار علمي هويگنس، بسيار حياتي است. ارزش اين كار به قدري است كه مديران ماموريت هويگنس اين موفقيت را اوج فعاليت هاي ده ساله ي گروه خط سير فرود (hdt) مي دانند.

در هر ماموريت فضايي، اين داده هاي علمي است كه توجه اغلب كارشناسان و مردم را به خود جلب مي كند. اما اگر مسير حركت هويگنس در جو تيتان تا فرود بر سطح اين قمر به دقت بازسازي نشده بود، دانشمندان نمي توانستند داده هاي ارسالي را تمام و كمال منظم كنند.

هويگنس به يك ساعت داخلي مجهز بود كه زمان هر اندازه گيري و فعاليت علمي را تعيين مي كرد و رايانه ي مركزي اين زمان را به همراه اطلاعات به دست آمده ثبت مي كرد. بابي كاظمي نژاد، كارشناس مركز فعاليت هاي سياسي آلمان و رئيس گروه خط سير فرود هويگنس، در مورد اهميت كار اين گروه مي گويد : "داده هاي هويگنس وقتي ارزش واقعي خود را پيدا مي كنند كه به ارتفاع، سرعت و جهت حركت كاوشگر در زمان اندازه گيري مرتبط شوند. مثلا دانستن تغييرات وزش باد به تنهايي به درد نمي خورند، اما اگر بدانيم در هر ارتفاعي باد با چه سرعت و جهتي مي وزد، مي توانيم الگوي كلي گردش جو را به دست آوريم."

كار بازسازي مسير فرود در سه مرحله انجام شد. مرحله ي اول ورود كاوشگر در ارتفاع 1250 كيلومتري بالاي جو فوقاني تيتان تا ارتفاع 100 كيلومتري بالاي سطح اين قمر را بررسي مي كرد. در اين مرحله، سپر حرارتي كاوشگر را از 22 ماخ به 5/1 ماخ كاهش داد (ماخ، نسبت سرعت جسم به سرعت صوت در محيط است).

مرحله ي دوم به مسير فرود با چتر مربوط مي شد كه از ارتفاع 145 كيلومتري آغاز و تا فرود بر سطح قمر ادامه مي يافت. به محض باز شدن چترها مي شد اثرات وزش باد را به وضوح ديد. براي تحليل دقيق مسير فرود، حركت كاوشگر در دو مؤلفه ي افقي و عمودي بررسي شد. عوامل مؤثر در حركت عمودي كاوشگر، گرانش تيتان و نيروي مقاوم سيستم چتر نجات تشخيص داده شد و عامل مؤثر در حركت افقي، وزش بادهاي اطراف.

اعضاي گروه با تركيب داده هاي دما و فشار به دست آمده از ابزار تشخيص ساختار جو (hasi) ابزار علوم سطحي (ssp)، طيف نگار جرمي و رنگ نگار گازي (gcms)، راديومتر طيفي و تصوير بردار فرودي (disr)، و آزمايش باد با استفاده از اثر دوپلر (dwe) توانستند اطلاعات مورد نياز براي مسير يابي هويگنس را جمع آوري كنند.

مرحله سوم تركيب داده هاي به دست آمده از مراحل اول و دوم بود كه به كمك هم پوشاني تحليل هاي مراحل اول و دوم در ارتفاع هاي 145 تا 100 كيلومتري سطح تيتان عملي شد.

از سوي ديگر، گروهي از متخصصان به سرپرستي اريك كاركوچكا، استاد دانشگاه آريزونا، در بررسي داده هاي Disr به اين نتيجه رسيده اند كه كاوشگر هويگنس در مجموع به سمت شرق حركت مي كرده، اما بين ارتفاع هاي 145 تا 50 كيلومتري، دو درجه به شمال و بين ارتفاع هاي 30 تا 20 كيلومتري، 5 درجه به سمت جنوب منحرف شده است. در ارتفاع 5/6 كيلومتري، هويگنس حركت خود را به سمت غرب - شمال غربي تغيير داده و در ارتفاع هفتصد متري دوباره به جهت جنوب شرقي تغيير مسير داده است.

وزش بادهاي قدرتمند، علاوه بر تغيير مسير كاوشگر، آن را از وضعيت قائم منحرف كرده و در هر نقطه از مسير زاويه اي به آن داده است.

يونه ژيرما، استاد دانشگاه بن در آلمان، و همكارانش با بررسي قدرت علائم راديويي رد و بدل شده بين هويگنس و كاسيني توانستند چرخشي وضعي، زاويه انحراف، و حركت مخروطي كاوشگر را در حين فرود اندازه گيري كنند. رالف لورنز، استاد آزمايشگاه فيزيك كاربردي دانشگاه جان هاپكينز، و همكارانش نيز با بررسي داده هاي SSP حركت هاي مشابهي را تشخيص دادند و علاوه بر آن لايه هاي متلاطم از جو را در ارتفاع هاي 20 تا 30 كيلومتري شناسايي كردند.

مقايسه ي رفتار اين لايه متلاطم با آزمايش بالن هاي زميني اين فرضيه را مطرح كرد كه اين تلاطم ها با ابرهاي تيتان در ارتباط اند. لورنز در تحقيقي ديگر نشان داده است مي توان، با استفاده از داده هاي حسگرهاي مهندسي هويگنس، اطلاعات ارزشمندي درباره ساختار دما و چگالي به دست آورد. پل ويترز، از دانشگاه بوستون، نيز با ابداع روشي جديد، نشان داده است كه مي توان جرم متوسط مولكولي جو را با استفاده از داده هاي فشار و دما به دست اورد.

روش رايج تعيين جرم مولكولي متوسط جو استفاده از طيف نگار جرمي است (مانند GCMS) اما از روش جديد مي توان در نقش يك روش كمكي براي تعيين دقيق تر اين مقدار و كاهش خطاي اندازه گيري سود جست.

جو چگال و سرد تيتان در كنار فاصله ي بسيار دور هويگنس از زمين، كه مشكلات ناوبري فراواني را ايجاد كرد، دست به دست هم داده اند تا برنامه تعيين مسير دقيق فرود اين كاوشگر به تجربه اي منحصر به فرد تبديل شود. خوشبختانه نتايج به دست آمده گروه از خط سير فرود با اطلاعات ارسالي كاسيني و تصاوير مرئي هويگنس همخواني دارد و اين بدان معني است كه تلاش ده ساله اين گروه به ثمر نشسته است.