Вторник, 28 мая, 2024

16+

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества

Время на чтение 17 мин.

Такой момент бывает раз в 175 лет! Лучшего времени не найти! Так в 1965 году математики и астрономы описали событие, которое метко назвали Once-in-a-Lifetime-Alignment. Только один раз в 175 лет все планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — оказываются в одной части Солнечной системы. Таким образом, один межпланетный аппарат может посетить их все. В те времена юной космонавтики и романтики космических исследований амбициозная идея тут же нашла поддержку. И ровно 45 лет назад два аппарата под названием «Вояджер» отправились в свое бесконечное путешествие.

Большое путешествие

Летом 1964 года Гэри Арнольд Фландро стажировался в Лаборатории реактивного движения NASA. Космический инженер, готовившийся получить степень доктора в аэронавтике, работал над технологиями, с помощью которых можно было бы изучить внешние планеты Солнечной системы. Именно Фландро выяснил, что во второй половине 1970-х газовые гиганты окажутся в одном секторе. Но еще более значительным достижением стало то, что инженер предложил использовать технику гравитационного маневра, при котором космический аппарат использует силу тяготения массивного объекта, чаще всего планеты, чтобы разогнаться. Изложенные в статье Фландро (pdf) принципы легли в основу не только программы «Большое путешествие», но и других миссий по исследованию Солнечной системы, например «Галилео» (по изучению спутников Юпитера), «Кассини» (к спутникам Сатурна) и «Новые горизонты» (полет к Плутону).

Использование гравитационного маневра сократило бы время полета к внешним полетам с сорока до менее чем десяти лет. Это сделало миссии к ним выполнимыми, ведь обеспечивать станции энергией в течение сорока лет довольно проблематично. Поэтому NASA в 1969 году создало рабочую группу по исследованию внешних планет. Изучив все аспекты, ученые предложили программу, которая включала две миссии с планируемыми запусками в 1977 (с посещением Юпитера, Сатурна и Плутона) и 1979 годах (на Юпитер, Уран и Нептун). Два запуска вместо одного позволили сократить общее время миссии вдвое: с тринадцати до семи с половиной лет. Кроме того, группа предложила сконструировать принципиально новую на тот момент межпланетную автоматическую станцию, получившую название «термоэлектрический зонд для исследования внешних планет», срок эксплуатации которой превышал бы 10 лет.

Однако романтика дальних путешествий разбилась о суровую финансовую реальность. В 1971 году Конгресс США предпочел финансировать программу «Космическая транспортная система» («Спейс шаттл»), а не «Большое путешествие». NASA порекомендовали умерить аппетиты и исследовать две планеты зондами, похожими на «Маринер» — аппараты, которые в 1962–1973 годах запускались для исследования Меркурия, Венеры и Марса.

В 1972 году NASA утвердило миссию «Маринер Юпитер/Сатурн 1977», реализацией которой занялась Лаборатория реактивного движения. Изначальный план заключался в том, чтобы создать межпланетные зонды на основе аппаратов серии «Маринер» и исследовать ими две крупнейшие планеты Солнечной системы. Лишь за несколько месяцев до старта аппараты получили название «Вояджер». Ученые NASA не оставляли планов все-таки совершить «Большое путешествие», поэтому спланировали старты следующим образом. «Вояджер-2» стартовал бы первым, но во время полета «Вояджер-1» обогнал бы его и вырвался вперед. Таким образом, траекторию «Вояджера-2» можно было бы скорректировать в зависимости от научных результатов «Вояджера-1». Забегая вперед, скажем, что «Вояджер-1» на все сто процентов отработал программу по изучению Юпитера и Сатурна, и это позволило уже в полете перенаправить «Вояджер-2» так, чтобы он посетил Уран и Нептун.

Основная техническая задача, которую пришлось решать конструкторам «Вояджера», заключалась в снабжении аппаратов энергией. Если станции для исследования внутренних планет могут использовать солнечные батареи, то «Вояджерам» на это рассчитывать не приходилось. Слишком далеко Солнце от внешних планет — так, в районе Нептуна поток частиц от светила в 900 раз меньше, чем на Земле.

Поэтому для зондов выбрали радиоизотопные термоэлектрические генераторы. В качестве топлива в них используется плутоний-238 с периодом полураспада чуть больше 87 лет. Из-за этого мощность реактора падает примерно на 0,78 % в год. В реальности и биметаллические кремний-германиевые термопары, которые преобразуют вырабатываемое тепло в электричество, тоже теряют эффективность, так что мощность падает еще быстрее.

На момент старта реакторы вырабатывали мощность 470 ватт и напряжение 30 вольт постоянного тока. К 2006 году мощность упала до 290 ватт. Хотя эти показатели оказались намного лучше тех, что предсказывали теоретические модели, команде «Вояджеров» все равно приходилось потихоньку отключать инструменты аппаратов для экономии энергии. Первыми «под нож» пошли камеры: после изучения планет-гигантов им стало просто нечего снимать в абсолютной космической темноте. Кроме того, инженеры составили расписание работы оборудования зондов: часть его отключали на время, чтобы другая могла работать.

На «Вояджеры» установили самое современное на тот момент научное оборудование. Одними из важнейших инструментов стали две телевизионные камеры (широкоугольная и узкоугольная) четкостью 800 строк, которые делали детальные снимки объектов, мимо которых пролетали аппараты. Поскольку планеты-гиганты находятся очень далеко, их наблюдение с Земли затруднительно. Так что высококачественные снимки дали астрономам массу важных данных.

Для получения четких снимков, инженерам пришлось решить сложную задачу. Так как аппараты летели на высокой скорости, для съемки с длительной выдержкой камеры поставили на поворотную платформу. Благодаря этому приему удалось получить не смазанные фотографии. Поскольку в 1970-е еще не существовало привычных нам миниатюрных носителей информации, снимки записывались на видиконы — вакуумные трубки, преобразующие изображение в электрические сигналы. Считывание одного кадра с такого носителя занимало 48 секунд, а передача информации на Землю с помощью радиосигнала — несколько часов.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Тарелка антенны дальней радиосвязи в Лаборатории реактивного движения NASA. Фото: nasa.gov

Также на «Вояджеры» установили инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры, фотополяриметр и комплекс для исследования плазмы:

  • детектор плазмы,
  • детектор космических лучей,
  • детектор частиц низких энергий,
  • магнитометры высокой и низкой чувствительности,
  • приемник плазменных волн.

Это оборудование позволило астрофизикам получить уникальные научные данные, включая сведения о гелиопаузе и межзвездной среде, на которые в момент запуска никто не рассчитывал.

Вам письмо

За пять лет до «Вояджеров» в сторону планет-гигантов были отправлены зонды «Пионер-10» и «Пионер-11». По предложению астрофизика Карла Сагана на них были установлены пластинки из анодированного алюминия с посланием к внеземным цивилизациям. На «Вояджерах» тоже установили такие послания, только значительно более совершенные — они получили название «золотые пластинки „Вояджера“».

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Золотая пластинка «Вояджера». Фото: nasa.gov

Пластинки представляют собой диски диаметром около 30 см, покрытые золотом и упакованные в алюминиевый футляр. На футляре изображена схема, которая позволит воспроизвести информацию с пластинки. Как и на «Пионерах», с помощью пульсаров показано местоположение Солнца в Млечном Пути, а также схема излучения атома водорода, чтобы инопланетяне смогли сориентироваться в наших единицах измерения.

Сам диск содержит несколько разделов. Все начинается с приветствий на 55 языках мира. Дальше большую часть занимает музыка:

  • классические произведения, включая Баха, Бетховена, Моцарта и Стравинского;
  • джазовые композиции Луи Армстронга;
  • народная музыка из разных стран мира;
  • звуки природы;
  • голоса птиц и животных;
  • шум машин, самолетов, сирен;
  • сигналы от пульсаров, которые должны объяснить карту на футляре;
  • обращения тогдашних генерального секретаря ООН Курта Вальдхаммера и президента США Джимми Картера.

Наконец, на пластинке записаны 116 рисунков, включая 20 цветных фотографий. На них показана Земля из космоса, природные ландшафты нашей планеты, схема ДНК человека, анатомические схемы и фотографии разных людей.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Установка золотой пластинки на аппарат. Фото: nasa.gov

Сейчас один из создателей золотых пластинок — знаменитый астрофизик, популяризатор науки и вдохновитель сугубо научного поиска внеземных цивилизаций Фрэнк Дрэйк — уже не считает послания инопланетянам хорошей идеей. Теперь он полагает, что письма могут указать на координаты Земли недружелюбным пришельцам. Кроме того, Дрэйк указывает, что в 1970-е астрономы не предполагали, как много землеподобных планет в Галактике, в том числе и в непосредственной близости (по космическим меркам, конечно) от нас.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Фрэнк Дрейк. Фото: Seth Shostak / Science Source

Впрочем, вполне возможно, что к моменту встречи с гипотетическими инопланетянами аппараты пострадают от воздействия межзвездной среды настолько, что информацию с золотых пластинок просто не удастся воспроизвести.

Эти письма отправились в космос с разницей в две недели. «Вояджер-2» стартовал 20 августа 1977 года, а «Вояджер-1» — 5 сентября. Их ждало непростое, но захватывающее путешествие.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Старт ракеты Titan IIIE с «Вояджером-2». Фото: nasa.gov

На плечах гигантов

Научная миссия «Вояджеров» заключалась в исследовании планет-гигантов, Юпитера и Сатурна.  Уран и Нептун рассматривались командой проекта как возможные объекты, но официально целями экспедиции не назывались. Однако чрезвычайно удачное расположение четырех внешних планет позволяло рассчитывать на гравитационные маневры, изменяющие траекторию межпланетных аппаратов.

5 марта 1979 года «Вояджер-1» прибыл к Юпитеру, а спустя некоторое время — к Сатурну. «Вояджер-2» близко пролетел возле Европы и Ганимеда — двух крупных галилеевых спутников Юпитера. Именно данные «Вояджеров» позволили астрономам предположить, что под ледяным покровом этих лун скрывается океан из жидкой воды, в котором может существовать жизни. Объединив информацию, полученную «Вояджерами», с данными зонда «Галилео», астрономы создали детальную геологическую карту Ганимеда.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Карта Ганимеда. Изображение: nasa.gov

Успех миссии «Вояджера-1» позволил астрономам ввести в действие план Б и направить «Вояджер-2» к Урану и Нептуну. Благодаря гравитационному маневру время полета к самым дальним планетам уменьшилось на 18 лет по сравнению с дорогой от Земли по гомановской траектории. 

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Снимок Европы, спутника Юпитера, сделанный «Вояджером-2». Фото: nasa.gov

Аппарат открыл 11 новых спутников Урана и два его кольца. Фотографии Миранды, спутника Урана, изменили представления астрономов и жизненном цикле спутников. Предполагалось, что маленькие луны быстро остывают после образования, поэтому их поверхность должна быть однообразной, испещренной ударными кратерами. Но поверхность Миранды оказалась покрыта долинами и горными хребтами, свидетельствующими о тектонической активности. Пролетая мимо Нептуна, «Вояджер-2» открыл гейзеры на Тритоне и 6 новых спутников планеты.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Фото Нептуна, сделанное «Вояджером-2». Фото: nasa.gov

В 1990 году астрономы впервые сделали фотографии Солнца и шести планет Солнечной системы «с того края». 64 снимка, включая знаменитую «бледно-голубую точку», получили с расстояния 6 миллиардов километров от Земли.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Земля (обведена в кружок) с расстояния 6 миллиардов километров. Фото: Википедия

После посещения планет-гигантов «Вояджеры» устремились вон из Солнечной системы. Они стали первыми аппаратами, достигшими внешних пределов гелиосферы — области пространства, созданной давлением заряженных частиц и магнитными полями, испускаемыми Солнцем. За ней начинается гелиопауза — граница, на которой давление солнечного ветра уравновешивается давлением  межзвездной среды. «Вояджер-1» вошел в гелиопаузу в 2012 году, а «Вояджер-2» — в начале 2019-го. Астрономы поняли это, так как научные инструменты аппаратов зафиксировали всплеск космического излучения, ведь зонды недоступны для прямого наблюдения с Земли. Таким образом, край гелиосферы располагается в 18 миллиардах километров от Солнца. Данные с «Вояджеров» показали, что гелиосфера сплющена: южная граница находится на 10 астрономических единиц (1,5 миллиарда километров) ближе к звезде, чем северная. Видимо, к этому приводит влияние межзвездного магнитного поля.

Используя тот факт, что «Вояджер-1» на момент наблюдений уже покинул гелиосферу, а «Вояджер-2» оставался внутри, астрономы исследовали ударную волну, созданную повышенной солнечной активностью. Оказалось, что давление на гелиопаузе намного выше, чем предполагали расчеты, а часть солнечного излучения куда-то исчезла, проходя границу гелиосферы. Пока что причины этого явления остаются загадкой.

Также не нашли объяснения данные по температуре и плотности солнечного ветра на гелиопаузе. Астрофизики ожидали, что торможение солнечных частиц межзвездной радиацией приведет к резкому повышению температуры и плотности. Так и происходило, но значения оказались в 10 раз меньше, чем предсказанные теорией. Куда теряется энергия, пока непонятно.

«Вояджер-1» впервые в истории зафиксировал ультрафиолетовое излучение водорода, находящегося за пределами Солнечной системы. Это удалось сделать благодаря новой методике обработки данных, разработанной сотрудницей Парижской обсерватории Розиной Лаллеман. На Земле наблюдать спектральные линии серии Лаймана невозможно, этому мешает излучение водорода, находящегося вблизи Солнца. В дальнейшем астрономы изучали этот феномен аппаратом «Новые горизонты». Предполагается, что незаряженные атомы водорода из межзвездной среды, сталкиваются с солнечным ветром. При этом их электроны переходят на другой энергетический уровень и создают излучение.

«Вояджеры» — первые аппараты, которые послали астрономам данные исследования межзвездной среды. Они показали, что солнечное излучение отклоняет около 70 % радиации из космического пространства. А значит, будущие зонды для исследования далекого космоса должны будут работать в очень агрессивной среде.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Так выглядит Солнце с Седны — транснептунового объекта, движущегося вокруг светила по сильно вытянутой орбите на расстоянии от 11 до более чем 140 миллиардов километров, — в представлении художника. Изображение: nasa.gov

Where no man has gone before

Стоит отметить, что гелиосфера — не граница Солнечной системы в целом, а значит, «Вояджеры» хоть и вышли в межзвездную среду, но не покинули пределов нашей звездной системы. И не покинут еще очень долго.

Границей Солнечной системы чаще всего считают внешний край облака Оорта — гипотетической области пространства, лежащей за орбитами газовых гигантов и пояса Койпера, в которой находятся миллиарды долгопереодических комет, некоторые из которых иногда влетают во внутренние области Солнечной системы. Хотя инструментально существование облака Оорта не подтверждено, на его наличие указывают многие косвенные факты. Астрономы предполагают, что от Солнца до внешней границы облака Оорта, а значит, и всей нашей системы — примерно 1 световой год (но может быть и больше или меньше, мы точно не знаем).

Другой подход к определению границ Солнечной системы говорит, что они проходят там, где гравитация Солнца ослабевает настолько, что уже не воздействует на находящиеся там объекты. Область пространства с доминирующей силой притяжения Солнца называется сферой Хилла, и ее внешняя граница проходит, по нынешним представлениям, на расстоянии 2 световых лет от светила.

Целых 300 лет у «Вояджеров» займет путь к внутренней границе облака Оорта. Так сколько же им лететь за пределы Солнечной системы? Что ж, очень долго. Если провести границу нашей системы по облаку Оорта, то 30 тысяч лет, а если по сфере Хилла — то еще больше. Через примерно 40 тысяч лет путь «Вояджера-1» пройдет в 1,6 светового года от звезды Глизе 445 в созвездии Жирафа. «Вояджер-2» примерно в то же время пронесется в 1,7 светового года от звезды Росс 248 в созвездии Андромеды, а через 296 тысяч лет — в 4,3 светового года от ярчайшей звезды ночного неба, Сириуса в созвездии Большого Пса.

В историю космонавтики миссия «Вояджеров» вошла как одна из самых успешных и результативных. Впервые астрономы получили качественные снимки газовых гигантов, информацию о гелиопаузе и другие данные. «Вояджер-1» сейчас является самым быстрым аппаратом, покидающим Солнечную систему, а также самым удаленным от Земли рукотворным объектом. «Вояджер-2» по-прежнему остается единственным, который посетил Уран и Нептун.

«Вояджеры» — величайшая космическая миссия человечества
Положение самых удаленных от Земли рукотворных объектов. Изображение: nasa.gov

Объем накопленных данных таков, что ученые до сих пор их анализируют. Так, совсем недавно вышла статья исследователей из Университета Джонса Хопкинса, которые проанализировали данные о магнитном поле и излучении, полученные «Вояджером-2». Астрономы выяснили, что луны Урана Ариэль и Миранда (или одна из них) являются источниками плазмы для окрестностей планеты. Одно из возможных объяснений — у спутников есть подледные океаны, которые выбрасывают вещество сквозь трещины в покровах.

Пока что «Вояджеры» остаются на связи, но к 2025 году их источники питания полностью разрядятся. Возможно, отключение оставшихся приборов (сейчас на «Вояджере-1» работает четыре научных инструмента, а на его близнеце — пять) позволит продлить срок их жизни на несколько лет. Другой проблемой станет то, что датчик, направляющий радиосигнал с зондов на Землю, ориентируется по Солнцу. На расстоянии миллиардов километров наша звезда уже очень тусклая, так что после 2030 года информация от «Вояджеров» просто перестанет попадать на Землю, даже если аппараты сохранят работоспособность. Пока же за актуальным состоянием «Вояджеров» и их местоположением можно следить на сайте NASA.

В любом случае, рано или поздно аппараты навсегда замолчат и скроются в глубинах космоса, ведь наши телескопы не могут разглядеть такие маленькие объекты на таком большом расстоянии. Кто знает, может, через сотни или тысячи лет наши потомки отыщут космических путешественников, ставших первопроходцами человечества в глубоком космосе.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь