Научной миссии межпланетной станции «Вояджер-1» исполнилось 40 лет
Пятого сентября 1977 года состоялся запуск межпланетной станции «Вояджер-1» — первого космического аппарата, который вышел в межзвездное пространство. Хотя его миссия должна была продлиться не более пяти лет, зонд до сих пор работает и передает на Землю ценную информацию. За прошедшее время аппарат успел удалиться от поверхности нашей планеты на расстояние в 139,6 астрономической единицы. В этом году мы отмечаем сорокалетие со дня старта «Вояджера-1» и рассказываем об истории проекта.
Идея проекта «Вояджер» (Voyager) была выдвинута аэрокосмическим агентством NASA в конце 60-х годов. В 1976 году должно было случиться редкое для Солнечной системы событие — раз в 177 лет Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун на три года оказываются по одну сторону от нашего светила, так что с Земли они видны на небольшом участке неба. Инженеры NASA решили использовать это явление, чтобы запустить к газовым гигантам две исследовательские станции — удачное расположение планет позволяло зондам совершить гравитационные маневры и сэкономить топливо.
В 1977 году «Вояджер-1» и его не менее известный близнец «Вояджер-2» отправились исследовать тогда еще малоизученные миры. Несмотря на номер в названии, первым в космос был запущен корабль «Вояджер-2». Дело в том, что зонды должны были облететь планеты-гиганты с разных сторон, чтобы собрать о них как можно больше информации. «Вояджер-2» летел по так называемой медленной траектории и должен был сблизиться со всеми четырьмя планетами, в то время как «Вояджер-1» исследовал только Юпитер и Сатурн и путь его был заметно короче. Поскольку ученые с самого начала знали, что запущенный позже зонд достигнет астероидного пояса между Марсом и Юпитером раньше, чем его брат-близнец, то и назвали его соответственно.
Прежде чем отправить «Вояджеры» в космическое пространство, инженеры NASA рассмотрели более 10 тысяч возможных траекторий полета, после чего выбрали лишь одну (и, как оказалось, удачную). Тем не менее, даже после такой детальной подготовки многие были не уверены в том, что миссия удастся. Почти сразу после запуска у «Вояджера-2» возникли технические неполадки, поэтому инженеры не спешили отправлять в космос второй аппарат. Изначально запуск «Вояджера-1» должен был состояться 1 сентября, однако его откладывали дважды. Несмотря на то, что агентство NASA считает полет зонда «точным и безупречным», воспоминания участников миссии говорят об обратном. Как рассказывает Джон Касани, руководитель программы, сразу после старта он и Чарльз Колейз, советник миссии «Вояджер» и эксперт по навигации, находились в диспетчерской центра запусков на мысе Канаверал, когда им пришли плохие показатели с ракеты-носителя Titan IIIE («Титан-Центавр»). Казалось, что «Вояджер-1» не достигнет цели. «Я был напуган. Мы были напуганы», — поделился Касани. Колейз повернулся к Касани, который сидел рядом: «Джон, мы можем потерпеть неудачу. Нам не хватает скорости».
В топливной магистрали второй ступени «Титана» обнаружилась крошечная, изначально не замеченная утечка, которая создала серьезные проблемы во время запуска. Даже если бы «Вояджер-1» достиг пределов околоземной орбиты, ему могло бы не хватить скорости, чтобы успешно долететь до своей следующей цели — Юпитера.
Тем не менее, ракета-носитель обладала запасом топлива, которое могло спасти ситуацию. Главная опасность заключалась в том, что пустые топливные насосы могли взорваться и повредить «Вояджер-1», если бы горючее было полностью израсходовано. Однако «Титан-Центавра» доставил зонд на орбиту за три секунды до того, как у него закончилось топливо, и миссия была спасена.
«Вояджер-2»
Зонд «Вояджер-2» стартовал с мыса Канаверал 20 августа 1977 года. Траектория его полета позволяла исследовать не только Юпитер и Сатурн и их спутники, но и два других газовых гиганта — Уран и Нептун.
«Вояджер-2» стал первым и единственным космическим аппаратом, который с близкого расстояния изучил все четыре внешние планеты Солнечной системы. Кроме того, зонд сфотографировал Ганимед и Европу, галилеевы луны Юпитера, — благодаря этим изображениям ученые впервые выдвинули гипотезу о существовании жидкого океана за пределами Земли.
«Вояджер-2» также получил снимки колец Сатурна и поверхности его спутников, тысячи снимков Урана, его спутников и колец и уникальные фотографии Нептуна. Сейчас его миссия, как и миссия «Вояджера-1», продолжается — аппарат все больше удаляется от нас и теперь изучает межзвездное пространство.
Кстати, изначально «Вояджеры» должны были стать частью программы «Маринер» (Mariner), которая занималась изучением внутренних планет, и получить названия «Маринер-11» и «Маринер-12», но руководители миссии в итоге отказались от этой идеи. Позднее «Вояджеру-1» хотели дать имя Mariner-Jupiter-Saturn 77, или MJS-77. «Я сказал: «Кому вообще интересен год старта миссии? Нам нужно красивое, цепляющее название, — рассказывает Касани. — Мы провели соревнование. Главным призом для победителя был ящик шампанского». Так появилось название «Вояджер».
Так как программа с самого начала подразумевала исследование далеких планет, ученые не могли установить на «Вояджеры» солнечные батареи — по мере удаления от Солнца интенсивность его излучения заметно падает. Например, вблизи орбиты Нептуна она примерно в 900 раз меньше, чем у обриты Земли. Поэтому источниками электроэнергии в каждом из зондов являются три радиоизотопных термоэлектрических генератора (РИТЭГ) — в качестве топлива они используют плутоний-238. На момент старта их мощность составляла примерно 470 ватт; так как период полураспада плутония-238 составляет 87,74 года, генераторы, использующие его, теряют 0,78 процента своей мощности в год. На 3 сентября 2017 года у «Вояджера-1» осталось 72,9 процента запасов топлива. К 2050 году мощность сократится до 56,5 процента.
На борту космического аппарата установлена система из двух телевизионных камер — широкоугольной и узкоугольной. Разрешения узкоугольной камеры достаточно, чтобы прочесть заголовок газеты на расстоянии одного километра. Именно благодаря этой системе космическому аппарату удалось получить уникальные снимки Солнечной системы. Например, спустя две недели после запуска «Вояджер-1» сделал первый в истории совместный портрет Земли и ее спутника Луны.
В марте 1979 года зонд добрался до окрестностей Юпитера. Он сфотографировал знаменитое Большое Красное Пятно — самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе, — а также обнаружил вулканическую активность на Ио, одной из галилеевых лун газового гиганта. Это был первый случай, когда ученым удалось увидеть действующие вулканы где-то за пределами Земли. Кроме того, «Вояджер-1» сделал еще одно примечательное открытие — он впервые увидел кольца Юпитера. До этого считалось, что система колец есть только у Сатурна и Урана.
Следующей остановкой «Вояджера-1» стал Сатурн с его знаменитой системой колец и спутников. Максимальное сближение космического аппарата и планеты произошло 12 ноября 1980 года — тогда зонд приблизился к верхнему слою облаков на 64,2 тысячи километров. Он отправил на Землю первые высококачественные снимки колец, состоящих из осколков льда, комет и пыли, а также сфотографировал некоторые из лун Сатурна. Космический аппарат обнаружил, что щель Кассини, впервые замеченная в XVII веке, тоже является своеобразным разреженным кольцом из частиц льда и пыли. Тогда же было открыто тонкое и тусклое кольцо E. Кроме того, инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры, установленные на борту «Вояджера-1», определили, что атмосфера планеты почти полностью состоит из водорода с примесями гелия.
На исследовании Сатурна и Юпитера основная миссия аппарата закончилась, однако он продолжил свою космическую одиссею. В феврале 1990 года «Вояджер-1» направил свои камеры на нашу планету и сделал серию портретов Солнечной системы. Тогда же был получен знаменитый снимок Pale Blue Dot («Бледная голубая точка»): на нем Земля запечатлена с расстояния 5,9 миллиарда километров. Фотография получила такое название из-за того, что наша планета на нем похожа на крошечную голубую точку; она занимает всего 0,12 пикселя на снимке.
Впоследствии американский астрофизик и популяризатор науки Карл Саган написал про этот снимок в своей книге: «Взгляните еще раз на эту точку. Это здесь. Это наш дом. Это мы. Все, кого вы любите, все, кого вы знаете, все, о ком вы когда-либо слышали, все когда-либо существовавшие люди прожили свои жизни на ней <...> каждая мать и каждый отец, каждый способный ребенок, изобретатель и путешественник, каждый преподаватель этики, каждый лживый политик, каждая „суперзвезда“, каждый „величайший лидер“, каждый святой и грешник в истории нашего вида жили здесь — на соринке, подвешенной в солнечном луче».
В феврале 1998 года «Вояджер-1» обогнал аппарат «Пионер-10» и стал самым далеким от нас объектом, созданным руками человека. Сегодня зонд находится на расстоянии 139,6 астрономических единиц от Земли (или около 21 миллиарда километров — или, если воспользоваться другой единицей измерения, увековеченной Жюлем Верном в своем романе, почти 3,76 миллиарда морских лье) и продолжает двигаться к внешним границам Солнечной системы со скоростью 16,9 километра в секунду. На его борту находится послание инопланетным цивилизациям — одна из двух золотых пластинок «Вояджера». В ее создании участвовали Карл Саган и астроном Фрэнсис Дрейк, которые придумали, как с помощью технологии грамзаписи выгравировать на пластинке не только звуки и музыку, но и изображения.
Сообщение представляет собой медный диск с золотым покрытием, который запакован в алюминиевый футляр. На нем записана вся самая важная информация о нашей планете — ее виды, расположение относительно 14 мощных пульсаров, состав атмосферы, известные формы жизни, молекула ДНК и звуки природы. На золотых пластинках есть рассказ и о нас, людях. Если инопланетные цивилизации когда-нибудь расшифруют послание, то они смогут узнать об анатомии человека, услышать плач ребенка и шепот матери, познакомиться с музыкой Баха и Моцарта и получить приветствие на 55 языках, включая русский. Даже когда двигатели «Вояджера-1» прекратят работу (это случится в 2030 году), золотые пластинки будут медленно плыть в космосе в целости и сохранности не менее миллиарда лет.
В декабре 2004 года плазменный комплекс, еще один научный прибор на борту «Вояджера-1», показал, что зонд пересек гелиосферную ударную волну — поверхность внутри гелиосферы, на которой солнечный ветер резко замедляется до звуковых скоростей (относительно скорости самого Солнца). Это происходит из-за того, что поток заряженных частиц «наталкивается» на межзвездное вещество, поэтому ударная волна считается одним из рубежей Солнечной системы. Расстояние до светила на тот момент составляло 94 астрономических единицы.
В декабре 2011 года «Вояджер-1» удалился на расстояние 119 астрономических единиц и добрался до так называемого региона стагнации — последнего рубежа, отделяющего зонд от межзвездного пространства. В этой области наблюдается сильное магнитное поле из-за того, что давление заряженных частиц из внешнего космоса заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Там же наблюдается рост числа высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые прилетают из межзвездной среды, поэтому эта область тоже считается одной из границ Солнечной системы.
В первой половине 2012 года «Вояджер-1» достиг границ межзвездного пространства. Датчики аппарата зафиксировали рост уровня галактических лучей на 25 процентов — это значило, что зонд приближается к границе гелиосферы. 12 сентября 2013 года NASA подтвердило, что «Вояджер-1» вышел за пределы гелиосферы и теперь находится в межзвездном пространстве. Однако до гипотетического облака Оорта, границы гравитационного влияния Солнца, аппарату все еще далеко.
Все научные приборы «Вояджера-1» будут выключены к 2025 году, после этого с зонда будут поступать только данные о его техническом состоянии. Сегодня сигнал от космической станции идет к Земле 17 часов и 20 минут. В будущем в программе миссии намечено еще одно сближение с крупным небесным телом — правда, произойдет оно не скоро, лишь через 40 тысяч лет. Космический аппарат должен пролететь в 1,6 светового года (15 триллионов километров) от звезды AC+79 3888 в созвездии Жирафа; правда, к тому моменту мы уже не сможем получить никаких данных от «Вояджера-1». После этого зонд продолжит скитаться по Млечному пути, все больше отдаляясь от своего дома — Земли.
Вслед за «Вояджерами» исследовать внешнюю часть Солнечной системы отправились другие межпланетные станции — «Улисс», «Галилео», «Юнона» и «Кассини» (последний совсем скоро завершит свою работу падением на Сатурн). Одной из самых амбициозных действующих программ можно считать «Новые рубежи» (New Horizons). Она рассчитана на исследование системы Плутона и Харона, а также на изучение объектов пояса Койпера — области Солнечной системы за Плутоном, где спрятано огромное число астероидов, комет и даже несколько карликовых планет. Научные данные собирает межпланетная станция New Horizons, запущенная NASA в 2006 году.
Сейчас этот зонд, как и «Вояджеры», движется в сторону межзвездного пространства, но находится гораздо ближе к Солнцу — на расстоянии 39 астрономических единиц — и летит гораздо медленнее, несмотря на более высокую скорость запуска. Это связано с тем, что «Вояджеру-1» удалось набрать дополнительную скорость за счет гравитационного маневра у Юпитера. Кроме того, мощность двигателей станции New Horizons уступает мощности двигателей «Вояджеров», поэтому ей не удастся побить рекорд дальности зондов-близнецов — когда космический аппарат прекратит свою работу в 2020-х годах, общая длина его пути составит 50–55 астрономических единиц.
Кристина Уласович