Билет в один конец: история программы «Вояджер»

24 августа 13:00

21537

21 минута на чтение

Миссию аппаратов «Вояджер» можно без прикрас назвать величайшим путешествием во всей человеческой истории. До них мы почти ничего не знали о планетах-гигантах и их спутниках. Пара космических странников фактически открыла для нас внешнюю часть Солнечной системы и даже позволила впервые бросить взгляд на межзвёздное пространство.

Читайте также

Как добраться до звёзд: гиперпространство, Земля-ковчег и корабль поколений

Антон Первушин

08.06.2024

23548

Все варианты для многолетних космических перелётов

А самое невероятное заключается в том, что оба аппарата до сих пор находятся на связи с Землёй. Только вдумайтесь: они были запущены в 1977-м. Это год, когда СССР возглавлял 70-летний Леонид Брежнев, когда Джимми Картер принял присягу президента США, когда на экраны кинотеатров вышли первые «Звёздные войны», а Ники Лауда стал двукратным чемпионом «Формулы-1».

Проблема расстояний

IBM 7090 — именно такой компьютер можно увидеть в фильме «Скрытые фигуры» / NASA-ARC, Don Richey

Начало 1960-х — эпоха космической романтики. В то время некоторым казалось, что ещё чуть-чуть — и человечество покорит Солнечную систему, создаст колонии на других планетах. Однако многие специалисты уже тогда понимали, что на самом деле всё далеко не так просто.

Дело в том, что ракеты на химическом топливе, используемые для космических полётов, чудовищно неэффективны. Во-первых, у них крайне низкий КПД. Они способны вывести в космос груз массой лишь в несколько процентов от их стартовой массы, притом чем выше орбита, тем этот процент меньше. Во-вторых, максимальная скорость, которую может развить ракета, лишь немногим больше 11,2 километра в секунду — минимальной скорости, позволяющей вырваться из оков земного притяжения и отправить аппарат к другой планете.

В случае, если это полёт к Луне, последнее обстоятельство некритично (её можно достичь за несколько дней), однако чем дальше мы хотим улететь, тем безжалостней становится арифметика. Чтобы добраться до Марса на той же ракете, нам потребуется девять-десять месяцев. А если говорить о путешествии к более далёким внешним планетам, то счёт пойдёт уже на годы и десятилетия.

Возьмём для примера Нептун. При полёте по прямому маршруту от Земли зонду понадобится порядка 30 лет, чтобы достичь восьмой планеты. Даже сейчас крайне сложно построить аппарат, который сможет работать так долго. В начале же космической эры это казалось практически неосуществимым — особенно с учётом общего уровня надёжности техники и ракет тех лет.

Первый в истории гравитационный манёвр совершил аппарат «Луна-3» в 1959 году. После съёмки обратной стороны Луны гравитация нашего спутника вновь направила станцию к Земле, что позволило ретранслировать данные, в том числе эту фотографию / ОКБ-1

Разумеется, не все были готовы мириться с таким положением дел. Уже тогда инженеры знали, как ускорить космический аппарат без расходования топлива: задействовать гравитацию. Если правильно выстроить траекторию полёта, гравитация планеты увлечёт за собой космический аппарат, добавив ему часть скорости своего орбитального движения (по аналогичному принципу гравитацию можно использовать и для торможения). Эта методика называется гравитационным манёвром.

В определённой степени нам повезло. Из всех планет-гигантов Юпитер ближе всего к Земле и при этом обладает наибольшей массой. Следовательно, аппарат, совершив рядом с ним гравитационный манёвр, получит наибольшее приращение скорости. Выходит, что путешественники, направляющиеся к дальним рубежам Солнечной системы, могут использовать Юпитер в качестве своеобразной бесплатной заправки.

В 1962 году математик Майкл Минович с помощью самого мощного компьютера того времени — IBM 7090 — разработал универсальный алгоритм для расчёта траекторий космических аппаратов при гравитационных манёврах вблизи планет. Однако до поры до времени работа Миновича оставалась лишь занятной теорией, поскольку в те годы основным приоритетом NASA оставалась Луна.

Всё изменилось в 1965 году, когда сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) Гарри Фландро решил проверить, возможно ли применить алгоритм Миновича на практике. Учёный начал просчитывать различные траектории при гравитационных манёврах и сделал важное открытие. Оказалось, что во второй половине 1970-х Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны были выстроиться в пространстве в огромную дугу. Такое уникальное событие случается лишь раз в 176 лет. Благодаря этому один аппарат мог посетить все внешние планеты Солнечной системы за один заход. Притом ряд последовательных гравитационных манёвров позволил бы значительно сократить время полёта — до Нептуна аппарат бы добрался не за 30 лет, а всего за 12.

Гарри Фландро на 40-летии «Вояджера» в Музее авиации и космонавтики, 2017

Эта возможность была слишком хороша, чтобы её упустить. В JPL достаточно быстро родился проект, получивший название Grand Tour. Предполагалось построить четыре межпланетных зонда: два из них планировали пустить по траектории Юпитер — Сатурн — Плутон, два — по траектории Юпитер — Уран — Нептун. Стоимость реализации программы оценивалась в миллиард долларов.

Это было, пожалуй, самое неподходящее время для такого проекта. Во-первых, данные, пришедшие от зондов с Венеры и Марса, вдребезги разбили фантазии об обитаемости соседних планет, из-за чего у широкой публики начал пропадать интерес к космосу. Во-вторых, после победы в лунной гонке бюджет NASA стали стремительно урезать (одно время даже стоял вопрос о том, чтобы полностью свернуть американскую программу пилотируемых полётов). Так что Grand Tour не получил нужных денег, а драгоценное время продолжало уходить.

Но учёные не отступили. Благодаря настойчивости научного сообщества NASA удалось выбить финансирование для более скромного по масштабу проекта — запуска всего лишь двух аппаратов к Юпитеру и Сатурну. Изначально он носил громоздкое название Mariner Jupiter-Saturn, но позже получил имя, под которым и вошёл в историю, — «Вояджер».

Настоящие пионеры

Во время пролёта Юпитера Pioneer 10 получил дозу облучения, превышающую 250 000 рад (для человека смертелен уровень в 500 рад) / NASA-ARC, Rick Guidice

Даже с учётом более скромного масштаба «Вояджер» всё равно оставался сложным и амбициозным проектом. Притом у NASA не было никакого опыта полётов ко внешней части Солнечной системы. Перед конструкторами встал ряд серьёзных вопросов. Например, можно ли пролететь через пояс астероидов? Тогда доминировала гипотеза, что он заполнен большим количеством мелких частиц, которые попросту уничтожат космический аппарат, рискнувший его пересечь.

Другой важный вопрос касался радиации. К тому времени учёные уже знали, что наша планета окружена радиационными поясами. Но что насчёт планет-гигантов? Есть ли у них собственные радиационные пояса, и если да, то представляют ли они угрозу для космической техники? Также существовало опасение, что плоскость, в которой расположены кольца Сатурна, заполнена пылью — а она может вывести из строя земные аппараты.

Был только один способ найти ответы на такие вопросы. Перед тем как отправлять дорогостоящие «Вояджеры» в неизвестность, NASA требовалось разведать дорогу — запустить более простые и дешёвые аппараты, которые было бы не так жалко потерять. Задача стать космическими первопроходцами выпала зондам Pioneer 10 и Pioneer 11. Они отправились в космос в 1972 и 1973 годах.

Оба зонда успешно пересекли пояс астероидов и тем самым доказали, что через него можно безопасно пройти.

Пролёт Pioneer 11 мимо Сатурна позволил инженерам NASA убить сразу двух зайцев: отрепетировать гравитационный манёвр и проверить безопасность следующей части маршрута, по которому планировалось направить «Вояджеры» / NASA Ames

Потом они встретились с Юпитером. Оказалось, что у планеты действительно есть радиационные пояса, причём их мощность в 10 000 раз превосходит мощность радиационных поясов Земли. В результате аппаратура начала генерировать ложные команды, связь несколько раз прерывалась, была потеряна часть снимков Ио. В какой-то момент стало казаться, что зонд попросту не переживёт встречу с крупнейшей планетой Солнечной системы. Но Pionеer 10 всё же удалось уцелеть.

Аппарат собрал данные о составе атмосферы газового гиганта, уточнил его массу, измерил напряжённость магнитного поля. Также выяснилось, что общий тепловой поток от Юпитера в 2,5 раза превышает количество энергии, которую планета получает от Солнца.

После визита к Юпитеру Pioneer 10 разогнался до третьей космической скорости, позволившей ему продолжить полёт по траектории, навсегда уводящей его за пределы Солнечной системы. Хоть зонд и был рассчитан всего на 21 месяц работы, связь с ним удавалось поддерживать вплоть до начала 2003 года.

Фото Титана, сделанное Pioneer 11

Pioneer 11 также пришлось познакомиться с радиационными поясами Юпитера. Как и аппарат-предшественник, он выдержал это испытание. Однако миссия Pioneer 11 не ограничилась визитом к Юпитеру. Уже после запуска NASA решило изменить план полёта и использовать гравитацию крупнейшей планеты Солнечной системы, чтобы затем направить зонд к Сатурну.

Pioneer 11 достиг цели в 1979 году. Земной посланец успешно прошёл через плоскость колец Сатурна, опровергнув опасения, будто концентрация частиц там настолько высока, что представляет угрозу для космических аппаратов. Правда, это открытие едва не стоило зонду жизни: при пролёте Сатурна он чуть не врезался в спутник, о существовании которого на Земле раньше не подозревали.

После визита к Сатурну Pioneer 11 тоже набрал третью космическую скорость, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. В последний раз он вышел на связь в 1995 году.

По расчётам астрономов, через 90 000 лет Pioneer 10 пролетит на расстоянии в 0,75 светового года от оранжевого карлика HIP 117795. Эта звезда обладает очень высокой радиальной скоростью и движется примерно по направлению к Солнечной системе. Через несколько тысяч лет после сближения с Pioneer 10 звезда пройдёт на расстоянии порядка трёх световых лет от Солнца.

Что касается Pioneer 11, то примерно через 930 000 лет зонд пролетит на расстоянии 0,8 светового года от оранжевого карлика TYC 992-192-1.

Pioneer 10 и Pioneer 11 доказали, что космический аппарат вполне способен пересечь пояс астероидов и выжить в окрестностях планет-гигантов. Это отмело последние сомнения в том, реально ли изучение дальних рубежей Солнечной системы. А значит, инженеры могли приступить к работе непосредственно над «Вояджерами».

Послание «Пионера»

Незадолго до запуска Pioneer 10 знаменитый учёный и популяризатор науки Карл Саган предложил NASA разместить на борту зонда послание для инопланетян, которые в далёком будущем могли бы его перехватить. Организация одобрила идею. Так на свет появилось знаменитое послание Pioneer.

Это размещённая на стойке антенны алюминиевая пластинка. На ней выгравирована карта, показывающая положение Солнца по отношению к 14 пульсарам, схема Солнечной системы, траектория полёта Pioneer 10, а также изображение обнажённых мужчины и женщины на фоне аппарата.

Под капотом «Вояджеров»

Что же представляют собой «Вояджеры»? Конструкция аппаратов идентична. В их основе — герметичный корпус в форме десятигранной призмы высотой 0,5 метра и диагональю 1,8 метра. На нём установлена антенна длиной 3,66 метра для связи с Землёй, двигатели, радиоизотопные генераторы, радиатор, а также выносные штанги, на которых размещены научные инструменты. Общая масса зондов (без учёта топлива) составляет 720 килограммов.

Подавляющее большинство космических аппаратов получают энергию благодаря солнечным батареям. Однако этот вариант не подходил для «Вояджеров». Во внешней части Солнечной системы наша звезда уже слишком тусклая, чтобы фотогальванические элементы могли обеспечить зонд необходимой энергией.

Поэтому «Вояджеры» получили связку из трёх радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов). Внутри каждого находится 24 сферы из плутония-238 — общим весом 4,5 килограмма. При распаде плутония выделяется тепло, которое затем преобразуется в электроэнергию. На момент запуска аппаратов их РИТЭГи генерировали 470 ватт энергии.

«Вояджеры» получили комплект лучшей по тем временам аппаратуры: набор камер, спектрометров, магнитометр, а также несколько детекторов и приёмников для изучения параметров окружающей среды. Основная часть научных инструментов размещена на специальной поворотной платформе. Благодаря этому во время пролёта планет аппараты одновременно проводили наблюдения и притом удерживали главную антенну направленной на Землю. Это конструкторское решение существенно повысило научную отдачу миссии: скорость отправки данных на Землю увеличилась, так что инженеры могли быстро реагировать на непредвиденные ситуации и менять план полёта.

За управление аппаратами отвечают три раздельные компьютерные системы (каждая из них дублирована) с суммарной оперативной памятью порядка 68 килобайт. Также на «Вояджерах» есть запоминающее устройство ёмкостью в 67 мегабайт, позволяющее хранить до 100 изображений с его телевизионных камер.

Модель РИТЭГа

Конечно, сейчас на эти цифры нельзя смотреть без улыбки. Мощность дешёвого смартфона в тысячи раз превышает мощность компьютеров на «Вояджерах». Но, несмотря на более чем скромные по современным меркам характеристики, эти компьютеры имели одно важное свойство: их можно было перепрограммировать прямо во время полёта. Это свойство не только повысило эффективность работы «Вояджеров», но и неоднократно спасало их от преждевременного завершения миссии.

Другим важным нововведением, предопределившим удивительную долговечность миссии, стало решение инженеров полностью дублировать все основные компоненты аппаратов. За 47 лет полёта «Вояджеры» несколько раз сталкивались с поломками и отказом оборудования — но благодаря «запаскам» ни одно из происшествий не было критичным.

Читайте также

Настоящий «Армагеддон». Как 30 лет назад на Юпитер упала комета

Кирилл Размыслович

20.07.2024

14359

Небесное шоу, которое изменило представление об опасности астероидов

Начало бесконечного путешествия

Эта фотография, сделанная «Вояджером-1», — первый в истории снимок, где наша планета и её спутник целиком находятся в одном кадре / NASA, JPL

Путешествие «Вояджера-2» началось 20 августа 1977 года, а «Вояджер-1» был запущен 5 сентября. Всё верно, тут нет ошибки. Аппарат под номером 2 действительно стартовал раньше аппарата под номером 1. Просто они летели по немного разным траекториям — и вскоре «Вояджер-1» догнал и обогнал собрата. Уже 18 сентября 1977 года «Вояджер-1» сделал эффектный снимок Земли и Луны с дистанции в 11,66 миллиона километров от нашей планеты.

Правда, этого могло и не случиться, поскольку запуск «Вояджера-1» чуть не обернулся неудачей. На второй ступени ракеты «Титан» началась утечка топлива, из-за чего она преждевременно отключилась. Чтобы компенсировать отклонение, инженерам пришлось использовать разгонный блок. Ему едва хватило топлива, чтобы добрать недостающую скорость и вытянуть «Вояджер-1» на нужную траекторию. К моменту выключения у него оставалось горючего всего на три секунды работы.

К слову, «Вояджер-2» тоже преподнёс неприятный сюрприз. После выхода на орбиту аппарат отказался откликаться на запросы с Земли. Лишь через пару дней инженеры поняли, что в компьютерной системе аппарата из-за вибраций во время запуска произошёл сбой. В результате они спешно разработали патч и устранили проблему.

Запуск «Вояджера-2» не обошёлся без неприятных моментов — после выхода на орбиту аппарат перестал отвечать на запросы; пресса тут же прозвала это «мятежом» / NASA

В марте 1978 года «Вояджер-2» снова чуть не довёл до инфаркта многих сотрудников NASA — сломался основной передатчик зонда. Следуя заложенной программе, аппарат переключился на запасной. К ужасу инженеров, после этого «Вояджер-2» перестал воспринимать команды с Земли. Всё выглядело так, словно сломался и резервный передатчик. Это означало конец миссии.

Впрочем, как следует поломав голову, инженеры сумели определить причину сбоя. Оказалось, что запасной передатчик больше не может отслеживать частоту приходящего с Земли радиосигнала. Он всё ещё «слышал» Землю, но в очень узком диапазоне относительно некоторой фиксированной частоты. Инженеры разработали алгоритм отправки команд на медленно меняющейся частоте, чтобы компенсировать доплеровский сдвиг. С тех пор «Вояджер-2» управляется именно так. Работоспособность всего одного компонента зонда определила, сможем ли мы увидеть Уран и Нептун.

В 1979 году оба аппарата добрались до Юпитера, и вскоре последовали громкие находки. Зонды открыли кольца Юпитера, три его ранее неизвестных спутника, а также сделали детальные снимки основных лун. Выяснилось, что крупнейший планетарный спутник в Солнечной системе — это Ганимед, а не Титан, как считалось раньше, и что Европа имеет гладкую ледяную поверхность, покрытую трещинами. Именно благодаря снимкам «Вояджеров» появилась гипотеза, что под поверхностью Европы скрывается океан. Тогда же удалось впервые увидеть крупным планом Большое красное пятно — огромный вихрь, который бушует на Юпитере уже несколько столетий.

В момент визита земных посланцев диаметр Большого красного пятна на Юпитере составлял порядка 21 000 километров (почти вдвое больше диаметра Земли) / NASA, ESA, and A. Simon (NASA Goddard)

Но самой большой сенсацией стала Ио, где обнаружили действующие вулканы. С позиции наших дней это может показаться не таким уж значимым открытием — в конце концов, было бы странно думать, что Земля — единственное в Солнечной системе тело, где есть вулканизм. Но здесь нужно учитывать исторический контекст. К концу 1970-х среди планетологов было распространено мнение, что Солнечная система — место статичное и что все её миры (кроме Земли) геологически мертвы. Вулканическая активность на Ио показала полную ошибочность этой концепции.

Юпитер был лишь начальной точкой грандиозного путешествия. Оба аппарата использовали гравитацию этой планеты для разгона, что позволило им добраться до Сатурна уже в 1980–1981 годах.

Пути расходятся

Достижение шестой планеты от Солнца стало для миссии своеобразной поворотной точкой. Изначально программа полёта «Вояджеров» была рассчитана на четыре года и предусматривала посещение лишь Юпитера и Сатурна (собственно, именно благодаря этому упрощению программа и получала финансирование).

Многие участники проекта «Вояджер» сейчас называют обнаружение вулканической активности на Ио наиболее важным достижением всей миссии

Но NASA, как всегда, предусмотрело лазейку. Специалисты спланировали траектории полёта обоих аппаратов таким образом, чтобы после пролёта Сатурна их можно было направить к другим планетам. А поскольку результаты пролёта Юпитера превзошли все ожидания, то NASA удалось добиться продления программы. Теперь предстояло выбрать, как распорядиться этой возможностью. Всё зависело от Титана.

Титан — это не только второй по величине из известных нам спутников Сатурна, но и единственный в Солнечной системе спутник с полноценной атмосферой. Разумеется, учёных очень интересовало, что находится на его поверхности. Проблема заключалась в том, что при пролёте Титана гравитация «выкинула» бы «Вояджеры» на траектории, с которых они бы не сумели выйти на маршруты к другим планетам Солнечной системы. Если же отказаться от визита к Титану, то один аппарат можно было бы послать к Плутону (он бы достиг его в 1986 году), а второй — к Урану и Нептуну.

Перед учёными стоял, мягко говоря, непростой выбор. В самом деле, как определить, какое из небесных тел посетить важнее? С одной стороны, возможность заглянуть не на четыре, а сразу на все пять планет Солнечной системы (тогда Плутон считался планетой) казалась очень соблазнительной. С другой — никто не мог гарантировать, что за время полёта к Плутону что-то не поломается и учёные не останутся с носом. К тому же было бы странно посетить Сатурн, но так и не изучить его крупнейший спутник.

У Япета, одного из спутников Сатурна, показатели альбедо (отражательной способности) полушарий сильно разнятся. Одно в итоге яркое, как снег, а другое тёмное, как уголь / NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute

В итоге «Вояджер-1» продолжил путешествие по изначальному маршруту с посещением Титана. А траекторию «Вояджера-2» изменили, чтобы он направился к Урану и Нептуну. Плутону же пришлось ждать своей очереди ещё 35 лет.

«Вояджеры» сделали подробнейшие снимки Сатурна и его колец. Выяснилось, что они устроены намного сложнее, чем считалось ранее. При ближайшем рассмотрении оказалось, что его основные кольца на самом деле состоят из сотен небольших колечек. Были открыты и так называемые спутники-«пастухи» — небольшие луны, гравитация которых влияет на кольца и удерживает вместе их частицы, не давая им разлететься в разные стороны.

Также «Вояджеры» сфотографировали все основные спутники Сатурна — притом нашли ещё четыре, до того неизвестные астрономам. Всех немало повеселила фотография Мимаса: он вполне мог бы участвовать в конкурсе косплея Звезды смерти. Поразила учёных окраска Япета — его полушария радикально отличаются друг от друга. Также подтвердилось предположение, что спутники Эпиметей и Янус время от времени «меняются» орбитами. Других подобных случаев в Солнечной системе обнаружить не удалось; скорее всего, в далёком прошлом эти спутники были единым телом.

На поверхности Мимаса можно найти огромное количество ударных кратеров, но самый визуально интересный — кратер Гершель. Именно благодаря ему спутник стал в некоторых ракурсах похож на самую известную космическую станцию в кинофантастике / NASA

А вот Титан преподнёс не самый приятный сюрприз. Выяснилось, что его атмосфера полностью непрозрачна в видимом спектре, так что «Вояджеру-1» так и не удалось узнать, что именно находится на поверхности спутника. Но анализ атмосферы показал, что температура там близка к «тройной точке», при которой вещество может одновременно существовать в жидком, твёрдом и газообразном состояниях. Вот только если на Земле таким веществом является вода, то на Титане это метан. Учёные тут же загорелись идеей отправить к Сатурну новую специализированную миссию с аппаратом, который бы сумел заглянуть под облака Титана и проверить, действительно ли по его поверхности текут углеводородные реки. Так родился проект станции «Кассини», достигшей Сатурна в 2004 году.

После Сатурна пути аппаратов, словно пути героев «Форсажа 7», навсегда разошлись. Гравитация планеты заметно ускорила «Вояджер-1» и направила его «вверх» по отношению к плоскости эклиптики Солнечной системы. Благодаря этому он стал самым быстрым в истории космическим аппаратом. А «Вояджер-2» продолжил свой планетарный тур — его следующей целью был Уран.

«Вояджер-2» добрался до Урана в январе 1986 года. Оказалось, что по своему строению планета значительно отличается от Юпитера и Сатурна. 90% их массы приходится на водород и гелий — собственно, поэтому их и называют газовыми гигантами. На Уране же из водорода и гелия состоит лишь атмосфера. Под ней располагается своего рода океан, состоящий из смеси воды, аммиака, метана и сероводорода. А в центре планеты находится каменно-ледяное ядро. Позже астрономы стали называть такие планеты ледяными гигантами.

«Вояджер-1» в 1980 году смог сфотографировать лишь атмосферу Титана / NASA / JPL

К большому удивлению учёных, выяснилось, что Уран — самая холодная планета Солнечной системы (расположенный значительно дальше от Солнца Нептун немного теплее), его магнитное поле асимметрично, а магнитные полюса очень сильно смещены относительно географических. Другим важным достижением миссии стало открытие 11 новых спутников Урана и нескольких колец.

Из всех лун Урана наиболее необычна Миранда — настоящий рай для любителей геологии. Несмотря на относительно небольшие размеры этого небесного тела, его поверхность представляет собой удивительную мозаику, состоящую из разнообразных зон. Здесь есть абсолютно всё: испещрённые гигантскими каньонами обширные равнины, огромные разломы и трещины, долины, кратеры всевозможных форм, хребты, углубления, скалы и террасы. Одна из главных достопримечательностей спутника — гигантский уступ Верона высотой до 20 километров; это самая высокая подобная структура в Солнечной системе. Если спрыгнуть с его вершины, свободное падение будет продолжаться около 12 минут.

После посещения Урана «Вояджер-2» направился к своей финальной цели — Нептуну. Пролёт состоялся в августе 1989 года. Выяснилось, что по внутреннему строению планета похожа на Уран. В её атмосфере был найден крупный шторм, который по аналогии с юпитерским назвали Большим тёмным пятном. Астрономические справочники также пополнились записями о шести новых спутниках Нептуна.

Зонд «Гюйгенс», отделившийся от станции «Кассини» в декабре 2004 года, сумел опуститься на Титан, сделал множество снимков его поверхности и даже записал звук ветра / ESA / NASA / JPL / University of Arizona

Главной же звездой пролёта стал крупнейший спутник Нептуна — Тритон. На его поверхности были обнаружены извергающие азот криовулканы с высотой выбросов до 8 километров, а в районе экватора — что-то вроде замёрзших озер с берегами в виде ступенчатых террас. Высота этих ступенек — до километра.

Орбита Тритона весьма необычна: направление его движения противоположно направлению вращения Нептуна — и считается, что в далёком прошлом спутник был захвачен планетой. Найденные «Вояджером-2» особенности рельефа позволяют предположить, что по мере того, как орбита Тритона постепенно менялась из-за приливного взаимодействия с Нептуном, поверхность спутника несколько раз расплавлялась, а затем снова замерзала. Сейчас многие исследователи склоняются к версии, что в недрах Тритона всё ещё может существовать подповерхностный океан.

«Вояджер-2» также помог разрешить вековую астрономическую загадку, касающуюся планеты X — гипотетического небесного тела, оказывающего необъяснимое влияние на орбиту Урана. Поиски планеты Х в своё время привели к открытию вначале Нептуна, а затем — поскольку масса Нептуна слишком мала, чтобы объяснить отклонения, — и Плутона. Однако расчёты астрономов показали, что масса последнего ничтожна: она в 500 раз меньше земной — а значит, Плутон не может влиять на Уран.

Во время визита к Нептуну «Вояджер-2» измерил его массу и обнаружил, что она была определена с погрешностью, примерно равной массе Марса. В результате уточнения исчезли все несоответствия в орбите Урана, а с ними отпала и надобность в планете X в её классическом понимании.

Крупный шторм на Нептуне, обнаруженный «Вояджером-2» (Большое тёмное пятно в центре), оказался куда менее долговечным, чем на Юпитере, и исчез уже к 1994 году / NASA / JPL / Voyager-ISS / Justin Cowart

На момент встречи с Нептуном существование пояса Койпера всё ещё оставалось гипотезой — его первый объект (если не считать Плутон) был открыт лишь в 1992 году. Поэтому восьмая планета стала последней целью аппарата. После её пролёта «Вояджер-2» ушёл по траектории, направленной «вниз» по отношению к плоскости эклиптики Солнечной системы.

Фотография века

Пока «Вояджер-2» исследовал Уран и Нептун, «Вояджер-1» относительно бездействовал. После пролёта Сатурна инженеры отключили значительную часть инструментов аппарата, оставив лишь приборы для изучения параметров окружающей среды. Но кое-кто на Земле хотел вернуть «Вояджер-1» в игру. Этого человека звали Карл Саган. Ещё в начале 1980-х у него возникла идея использовать уникальное положение «Вояджера-1», чтобы сделать фото Земли с рекордного расстояния. Саган признавал, что оно не будет иметь особого научного значения. По его мнению, ценность снимка заключалась бы в другом: увидев Землю издалека, человечество осознало бы своё место во Вселенной и всю хрупкость родной планеты.

Многие рядовые сотрудники NASA поддержали предложение Сагана, однако руководство организации долгое время выступало против его идеи. Оно объясняло свою позицию тем, что в поле зрения камер «Вояджера-1» Солнце будет находиться слишком близко к Земле и может повредить хрупкую оптику аппарата. Это довольно странный аргумент: у зонда всё равно не осталось никаких целей для фотографирования, так что особого смысла беречь его камеры не было.

В конце концов Сагану всё же удалось добиться своего, и NASA одобрило идею. Её реализация потребовала немало времени. Во-первых, нужно было включить камеры «Вояджера-1» и убедиться, что они всё ещё работают. Во-вторых — составить план съёмок. Дело в том, что «Вояджеру-1» предстояло сделать не снимок одной Земли, а настоящий «семейный портрет» — попробовать запечатлеть все планеты Солнечной системы. Специалисты произвели ряд расчётов, чтобы определить оптимальные параметры съёмки для каждой из них. На это в общей сложности ушло почти полгода.

NASA / JPL-Caltech

Наконец всё было готово, и 14 февраля 1990 года «Вояджер-1» провёл историческую фотосессию. Правда, на «семейный портрет» попали не все планеты. Сделать снимок Меркурия помешала его близость к Солнцу, Марс оказалось не видно из-за воздействия солнечного света на оптику камеры, а Плутон настолько мал и удалён от Солнца, что специалисты решили даже не пытаться его запечатлеть.

Разумеется, из всех участников «семейного портрета» Солнечной системы наибольшего внимания удостоилась маленькая бледно-голубая точка размером всего в 0,12 пикселя. Это наша родная планета. В момент съёмки «Вояджер-1» находился на расстоянии в 6 миллиардов километров от Земли.

Сейчас это фото, получившее название Pale Blue Dot, считается одним из самых важных в истории. В своей книге «Голубая точка. Космическое будущее человечества» Карл Саган так прокомментировал его:

Посмотрите на это пятнышко. Вот здесь. Это наш дом. Это мы. Все, кого вы знаете, все, кого вы любите, все, о ком вы слышали, все люди, когда-либо существовавшие на свете, провели здесь свою жизнь. <…> Земля — очень маленькая площадка на бескрайней космической арене. <…> Эта голубая точка — вызов… иллюзии, что мы занимаем некое привилегированное положение во Вселенной. Наша планета — одинокое пятнышко в великой всеобъемлющей космической тьме. Мы затеряны в этой огромной пустоте, и нет даже намёка на то, что откуда-нибудь придёт помощь и кто-то спасёт нас от нас самих. <…> Вероятно, ничто так не демонстрирует бренность человеческих причуд, как это далёкое изображение крошечного мира. По-моему, оно подчёркивает… как мы должны хранить и оберегать это маленькое голубое пятнышко, единственный дом, который нам известен. Пер. О. Сивченко

Pale Blue Dot — последний снимок в истории программы «Вояджер». После этого камеры «Вояджера-1» снова были выключены и больше никогда не активировались. Оптику «Вояджера-2» отключили после пролёта Нептуна в 1989 году.

Читайте также

Как изучали Титан. Метановые реки и космический ветер на спутнике Сатурна

Антон Первушин

13.01.2024

23436

Поиск жизни в полутора миллиардах километров от Солнца

Дальше только звёзды

Сейчас оба «Вояджера» преодолели границу гелиосферы (внешний вытянутый «пузырь») и теперь путешествуют в межзвёздном пространстве / NASA / JPL-Caltech

Следующие полтора десятилетия стали для аппаратов периодом относительного затишья. «Вояджеры» удалялись от Земли, исправно пересылая данные учёным. Несколько раз финансирование миссии пытались прикрыть, мотивируя это тем, что сеансы дальней космической связи обходятся слишком дорого, тогда как ценность передаваемых сведений не так высока. Но NASA каждый раз отстаивало программу: его сотрудники знали, что самое интересное ещё впереди.

Это «самое интересное» началось в нулевых, когда аппараты подобрались к гелиопаузе — границе, отделяющей регион, где доминирует солнечный ветер (гелиосферу), от межзвёздного пространства. 25 августа 2012 года произошло историческое событие. В тот день приборы «Вояджера-1» зафиксировали резкое снижение количества заряженных частиц, исходящих от Солнца, и, наоборот, рост уровня галактических космических лучей. Это означало, что аппарат наконец-то оказался в межзвёздном пространстве. Летящий с меньшей скоростью «Вояджер-2» прошёл гелиопаузу в ноябре 2018 года.

Конечно, надо понимать, что при всей эпохальности проекта «Вояджеры» создавались в первую очередь для исследования планет, а их приборы построены в 1970-х — причём часть из них была отключена ради экономии энергии, а часть попросту вышла из строя. Тем не менее аппаратам всё равно удалось совершить несколько новых открытий. Например, выяснилось, что в Северном полушарии нашей системы гелиосфера имеет выпуклость, направленную наружу, а в Южном — впадину, направленную внутрь. Кроме того, при выходе в межзвёздное пространство «Вояджер-1» не зафиксировал ожидаемого мгновенного сдвига линий магнитного поля. Оказалось, что из-за влияния гелиосферы его линии меняют направление постепенно.

Сигнал «Вояджера-1» в 2013 году

Также миссия позволила задаться довольно важным вопросом: как поддерживать работу космических аппаратов в условиях, когда их возраст сопоставим со сроком человеческой жизни? За 47 лет после запуска «Вояджеров» была утрачена масса информации: инструкций, руководств, проектной документации. Что-то вообще никогда не записывали на бумаге, и оно ушло в небытие после смерти участников проекта, ставших тому свидетелями. Поэтому сейчас уже никто не помнит мотивы некоторых технических решений. Например, в начале нулевых неожиданно выяснилось, что компьютеры «Вояджеров» по какой-то всеми забытой причине (забытой в прямом смысле — никто из ветеранов миссии в итоге не вспомнил, почему такое решение было принято) запрограммировали на отключение в 2010 году. К счастью, инженерам удалось отменить эту команду.

Другой серьёзной проблемой стала необходимость найти людей, которые могли бы заменить вышедших на пенсию участников проекта (сейчас их средний возраст приближается к 80 годам). В наши дни не так-то просто отыскать человека, способного работать на компьютерах 1977 года и знающего безнадёжно устаревшие языки программирования. Опыт эксплуатации «Вояджеров» демонстрирует, насколько сложным для человечества может оказаться техническое сопровождение межзвёздной экспедиции со сроком полёта в сотни лет.

Кроме того, всё больше и больше сказывается на состоянии аппаратов их солидный возраст. Так, в 2017 году инженерам пришлось переключить «Вояджер-1» на запасной комплект двигателей. А в мае 2022-го зонд начал передавать на Землю неверную техническую телеметрию. А поскольку «Вояджеры» продолжают собирать научные данные, то как знать — возможно, их главное открытие ещё впереди?

«Вояджер-2»

Конечно, как и любая техника, «Вояджеры» не будут работать вечно. Итоговый срок их жизни зависит от запасов энергии. Напомним, что аппараты получают её от РИТЭГов. Период полураспада плутония-238 составляет 87 лет, и за прошедшие 47 лет РИТЭГи аппаратов потеряли порядка 30% от исходной выработки. Мощность также падает из-за постепенной деградации термопары, которая, собственно, и преобразует выделяемое РИТЭГами тепло в электроэнергию. Сейчас «Вояджеры» получают порядка 220 ватт энергии (то есть меньше половины от изначального объёма) — и каждый год теряют примерно по 4 ватта, что очень близко к критическому уровню. В попытке оттянуть неизбежный финал инженеры начали отключать обогрев некоторых инструментов зонда. Пока что риск оправдывается. «Вояджеры» получили пару лишних лет жизни, а приборы продолжают работать даже несмотря на то, что их температура опустилась намного ниже предельно допустимой отметки.

Специалисты NASA надеются, что сумеют поддерживать работу оставшихся приборов «Вояджеров» примерно до 2025 года. Затем придётся постепенно отключать оборудование. А ещё через несколько лет аппаратам перестанет хватать энергии и на поддержание связи с Землёй. Скорее всего, это произойдёт где-то в районе 50-летнего юбилея миссии. Тут в истории проекта будет поставлена точка.

И хотя уже скоро мы навсегда потеряем связь с «Вояджерами», это не помешает им продолжать своё бесконечное путешествие к звёздам. Примерно через 300 000 лет «Вояджер-1» пройдёт на расстоянии менее светового года от красного карлика TYC 3135-52-1. Через 42 000 лет «Вояджер-2» приблизится на дистанцию в 1,7 светового года к красному карлику Росс 248. Куда занесёт аппараты дальше, никто не знает.

Межзвёздное послание в бутылке

Как и в случае с зондами Pioneer, на борту «Вояджеров» есть послание для инопланетян, подготовленное группой учёных во главе с неутомимым Карлом Саганом. Оно представляет собой фонографическую запись на позолоченной медной пластинке.

Примерно три четверти записей на ней — это музыка. По мнению авторов послания, она способна рассказать инопланетянам о том, о чём не способны поведать никакие фотографии и рисунки: о нашем восприятии эстетики, о философии, об эмоциях. Кроме музыки, на пластинке записаны приветствия на разных языках, обращения президента США и генсека ООН, звуки нашей планеты, голоса людей, песни китов и даже запись мозговых волн.

Помимо звуков, на пластинке также находятся 116 фотографий, которые должны дать инопланетянам представление о Солнечной системе, Земле, людях, нашей культуре и технике. На этих фото можно увидеть нашу планету из космоса, знаковые памятники мира, земную природу, анатомические изображения человека, детали повседневного быта и многое другое.

Сама пластинка размещена внутри футляра, закреплённого на корпусе аппаратов, вместе с фонографической капсулой и иглой, необходимыми для воспроизведения записей. На оболочке футляра выгравирована схема, показывающая, как воспроизвести послание и преобразовать видеосигналы в изображения; схема излучения атома водорода (она нужна, чтобы получить единицы измерения, используемые в послании), а также пульсарная карта, позволяющая определить местонахождение Солнца.

На поверхность футляра также нанесён сверхчистый изотоп урана-238. Его период полураспада составляет 4,468 миллиарда лет, и если пришельцы когда-нибудь подберут зонды, но не смогут установить, откуда они были отправлены, то с помощью масс-спектрометрии, по крайней мере, определят их возраст. Вполне вероятно, что изотопный анализ позволит узнать хоть что-то о создателях аппаратов. Пусть космос в основном состоит из пустоты, но рано или поздно воздействие космической пыли и заряженных частиц разрушит защитный футляр, что займёт, по разным оценкам, от нескольких миллионов до миллиарда лет. После этого воспроизведение пластинок будет невозможным.

В любом случае, даже если «Вояджеры» так никто никогда и не найдёт, то после того как Солнце превратится в красного гиганта и поглотит Землю, эти аппараты со значительной долей вероятности останутся последними предметами во Вселенной, сделанными руками обитателей маленькой бледно-голубой точки.

На золотой пластинке представлены произведения Баха, Бетховена, Стравинского, Моцарта, Луи Армстронга и Чака Берри. Нашлось место и азиатской классической музыке, игре на свирели с Соломоновых островов и даже ритуальному пению из Новой Гвинеи / NASA

Читайте также