И НАКОНЕЦ - ПЛУТОН

— НАУКА И ТЕХНИКА

Спустя девять лет после старта, автоматическая межпланетная станция «New Horizons» приблизится к самой последней из девяти планет и попытается разгадать ее тайны

14 июля 2015 года около девяти часов вечера по восточному времени гигантские параболические антенны наземных станций дальней космической связи НАСА уловят радиосигналы — данное событие ознаменует собой завершение космического путешествия длиной в три миллиарда миль. Сигналы из космоса долетят до центра управления полетами в Мериленде, где их будет с огромным нетерпением ожидать астроном Алан Стерн (Alan Stern) из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. Если все пройдет штатно, то данное событие будет означать, что зондирование планеты Плутон, которое Стерн с такой настойчивостью проводил в течение последних двадцати пяти лет, удалось.

А за 13 часов до этого, 1100-фунтовый зонд «New Horizons» («Новые горизонты») размером с рояль пролетит мимо этой карликовой планеты, окруженной своими спутниками, и перешлет фотографии крупным планом вместе с прочей информацией, благодаря которой, как полагает Стерн, «придется переписывать учебники» — и это обязательно случится, если зонду «New Horizons» удастся выстоять в единоборстве с частицами космической пыли и льда, которые способны нанести смертельный удар по космическому аппарату, мчащемуся на скорости 31 тысяча миль в час, еще до того, как он успеет передать информацию на Землю. «Все не так-то просто», — говорит Стерн, еле скрывая улыбку. Он как будто и не боится этого тяжелого испытания. Да и куда там бояться, ведь к настоящему моменту Стерн, как главный вдохновитель и руководитель проекта «New Horizons», уже давно привык к напряженной работе и свыкся с томительностью ожидания, поскольку проблемы возникали на протяжении практически всего полета к Плутону.

25 лет тому назад, когда Алан Стерн только подступался к изучению Плутона, специалисты по исследованию планет еще только ожидали получить данные с борта двух космических аппаратов Вояджер, запущенных в 1977 году и совершавших длительное путешествие по Cолнечной системе. В свое время траекторию полета Вояджера-1 хотели проложить рядом с Плутоном, но вместо этого выбрали более заманчивые цели, такие как спутник Сатурна — Титан. В 1980 году Вояджер-1, пролетев мимо Сатурна, направился в межзвездное пространство; а вскоре в августе 1989 года, после того, как Вояджер-2 пролетел мимо Нептуна, закончилось большое космическое путешествие. Но большинство ученых спокойно отнеслось к тому, что Плутон выпал из поля зрения науки.

Но только не Алан Стерн. Он посчитал, что освоение Солнечной системы отнюдь не закончено. К весне 1989 года, получив степень доктора философии по астрофизике и планетологии, Стерн уже стал подумывать о том, как бы постараться убедить НАСА в том, чтобы послать космический аппарат к девятой планете — Плутону. И он решил продвигать свою идею. «Я был молод, поэтому мои более старшие коллеги, и те, которым было около пятидесяти, — все они говорили мне, мол, „ты шутишь? Пока аппарат туда доберется, нас уже не будет в живых“».

И Стерн решил взяться за дело, собрав вокруг себя несколько молодых ученых и даже некоторых более старших коллег. Его проект стал выглядеть еще более заманчиво, после того как Вояджер-2 облетел Нептун и в руки ученых наконец-то попал первый качественный снимок одного из его спутников — покрытого льдом Тритона, который считался близким родственником Плутона. На снимках Вояджера ученые увидели какой-то поистине фантастический, искривленный рельеф и вдобавок ко всеобщему удивлению — гейзеры, извергающие жидкий азот. Поэтому у ученых были все основания полагать, что Плутон может выглядеть столь же фантастично и быть не менее интересным объектом исследования.

...Планета Плутон была открыта в 1930-м году молодым лаборантом обсерватории Клайдом Томбо (Tombaugh) после года наблюдений. Эта планета еле-еле видна и настолько далеко отстоит от Земли (расстояние от Солнца до Плутона равно 3,7 миллиардам миль, а период обращения равен 248 годам), что на протяжении почти пятидесяти лет астрономы так и не смогли ее заметить, поскольку в те времена еще не было телескопов необходимой мощности. В 1978 году был открыт спутник Плутона Харон размером со штат Техас, то есть вполовину меньше самого Плутона (и даже сейчас истинные размеры Плутона не установлены; по некоторым оценкам его диаметр составляет 1430 миль, т. е. приблизительно две трети размера Луны). Мощный прорыв произошел в 1976 году, когда трое астрономов обнаружили на поверхности Плутона с помощью методов инфракрасной спектроскопии небольшое количество замерзшего метана. Через несколько лет было установлено, что лед представляет собой в основном смесь азота и окиси углерода (напомним, что температура на Плутоне достигает минус 380 градусов по Фаренгейту, или минус 230 по Цельсию).

В 1988 году астрономы с помощью космического телескопа НАСА в течение пяти минут наблюдали, как Плутон в процессе своего движения по орбите перекрыл свет одной из далеких звезд, при этом тусклый свет стал появляться не внезапно, как у планеты, не обладающей атмосферой, а постепенно, что говорит о слабом намеке на пусть и разряженную, но атмосферу. В наблюдениях принимала участие и Лесли Янг (Leslie Young), которая незадолго до этого получила диплом физика, но еще не поступила в аспирантуру. Она сказала, что те пять минут полностью изменили ее жизнь. В настоящее время Лесли является заместителем научного руководителя проекта «New Horizons».

Когда в 1983 году Марк Буйе (Buie) начал изучать Плутон, всем было прекрасно известно, что эту планету нельзя увидеть ни в один из наземных телескопов. А уже в 1994 году Марку выделили время для проведения исследований на телескопе Хаббл, и вот тут-то впервые Плутон показал свое лицо, правда, не полностью. Но даже в такой мощный телескоп как Хаббл, эта планета представляла собой всего лишь небольшую точку, площадью всего в несколько пикселей; на фотографиях можно лишь различить чередующиеся светлые и темные пятна, изменяющиеся со временем — эти снимки считаются самыми качественными. 

Между тем, Стерн с коллегами предположили, что неустойчивые льды на поверхности планеты и ее разряженная атмосфера взаимозависимы, они изменяются в медленном и сложном танце, при этом перемещение льда носит сезонный характер: он то испаряется с тускло освещенного летнего полюса, то конденсируется в кромешной мгле, скрывающей зимний полюс. Оказалось, что Плутон — это не просто эдакое подобие замерзшего мяча, но гораздо более сложный космический объект, чем большинство ученых могло себе представить.

А к тому моменту, революция, радикально меняющая научные представления о Солнечной системе, набирала обороты. Пытаясь проникнуть взором в пространство, раскинувшееся за пределами Плутона, исследователи обнаружили еще более отдаленные планеты, некоторые из которых по размеру почти равны Плутону. И вот, в конце 1990-х ученые поняли, что изучаемые ими объекты являются членами довольно многочисленного семейства, известного под названием «каменно-ледяные карлики», о точном количестве которых можно только догадываться, но вероятно, оно уже достигает нескольких тысяч. Этот недавно открытый дивный мир, состоящий из множества малых тел, был назван в честь Джерарда Койпера (Kuiper), основателя Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета, которого считают отцом-основателем современной планетологии. Пояс Койпера стал еще одной из загадок Солнечной системы.

В конечном итоге Международный астрономический союз (IAU) лишил Плутон статуса полноценной планеты и низвел до положения «карликовой планеты». Такое понижение в ранге Стерн и некоторые планетологи продолжают оспаривать. И, несмотря на то, что некоторые учебники в нестоящее время насчитывают в Солнечной системе восемь планет вместо девяти, дискуссия вокруг термина «планета» продолжается.

Задолго до этого спора Стерн решил немного по-другому подать идею космического полета к этой планете. И Плутон неожиданно перестал быть одиноким неудачником: Стерн стал все меньше говорить о полете к девятой планете и больше — о возможности изучения самого большого и самого интригующего из известных объектов, находящихся в поясе Койпера. Но, несмотря на все усилия Стерна, его предложение было встречено прохладно, виной тому высокая стоимость проекта и очень долгий перелет к Плутону. Многим ученым-пленетологам, конкурировавшим за финансовую поддержку со стороны НАСА, пусть и ограниченную, все же иногда удавалось ее заполучить. В 1990-х и 2000-х годах космическое агентство, судя по всему, колебалось на счет отправки аппарата к Плутону: отдаленная планета то появлялась в списке перспективных проектов, то вновь исчезала. И только в 2003 году НАСА утвердило предложение Стерна о полете — но не к Плутону, а к одному из объектов пояса Койпера. Стерн назвал этот проект «New Horizons» («Новые горизонты») из-за того, что космическому аппарату предстояло долететь до неисследованных объектов вселенной; проект был относительно низкозатратным и, к тому же, его можно было быстро воплотить.

В начале 2006 года появилась благоприятная возможность для запуска корабля к Плутону: если осуществить запуск именно в этот момент, то зонд «New Horizons» мог бы впоследствии пролететь через Юпитер; в этом случае из-за ускорения, которое зонд получил бы, благодаря гигантской гравитационной силе Юпитера, время полета сократилось бы с четырнадцати лет до девяти с половиной. Следующий благоприятный случай появился бы только после 2020 года; однако в тот момент у астрономов уже не будет возможности изучить атмосферу Плутона, поскольку к тому времени он будет двигаться от Солнца по вытянутой эллиптической орбите, а его атмосфера замерзнет и осядет на поверхность.

У команды ученых оставалось меньше трех лет для того, чтобы спроектировать и построить космический корабль, а также проверить работу его систем. «Почти все наши знакомые говорили нам: медлить больше нельзя», — вспоминает Стерн. Один из самых напряженных моментов настал летом 2004 года, когда Национальная лаборатория в Лос-Аламосе временно приостановила свою работу из-за форс-мажорных обстоятельств (было обнаружено нарушение режима безопасности), тем самым поставив под угрозу производство плутония для ракетного двигателя. Но, в конце концов, создатели космического аппарата уложились в сроки без больших затрат.

Корабль «New Horizons» покинул Землю 19 января 2006 года, его вывела мощная ракета-носитель «Atlas V» на самой большой скорости, с которой когда-либо двигался космический корабль, — 36 тысяч миль в час. Менее чем через девять часов корабль уже пересек орбиту Луны (намного быстрее, чем в свое время потребовалось кораблю Apollo) и за месяц удалился в космическом пространстве на 1 миллион миль. В феврале 2007 года, уже на расстоянии миллиарда миль от Земли, корабль промчался мимо Юпитера и взял курс на Плутон; пролет мимо Юпитера и его спутников послужил своего рода генеральной репетицией, в ходе которой ученые испытали работу нового бортового оборудования. Затем, через восемь с половиной лет «New Horizons» направился к Плутону и перешел в режим гибернации, из которого он раз в год выводился в целях проверки бортовых систем.

Однако в это время команда ученых работала еще интенсивнее. Удалось вдруг обнаружить, что Плутон и Харон не одиноки: еще в 2005 году, то есть еще до запуска «New Horizons», небольшая группа астрономов во главе с Халом Вивером (Weaver) открыла с помощью телескопа Хаббл еще два спутника Плутона, диаметр каждого из них составлял сто миль; спутникам дали названия Никта (Nix) и Гидра (Hydra) (они были выбраны по первым буквам проекта «New Horizons» — «N» и «H»). Затем, в 2011 и 2012 годах были открыты еще два спутника меньшего размера — Кербер и Стикс. Малые размеры этих двух небесных тел заставили специалистов по небесной механике сильно понервничать (никто до сих пор не выяснил, каким образом Плутон смог их затащить в свое гравитационное поле): поскольку сила тяжести на поверхности этих спутников очень слаба, то малые тела, летящие в поясе Койпера, могут спокойно выбивать с поверхности этих спутников частицы вещества. Именно по этой причине в области, окружающей Плутон, может наблюдаться повышенная плотность потока таких маленьких осколков, состоящих из льда и камня, что потенциально создает смертельную ловушку для зонда «New Horizons». Как заметил по этому поводу Вивер: «Стоит одному какому-нибудь осколку размером в миллиметр на сумасшедшей скорости ударить по зонду — и полет тут же завершится».

Команда ученых целых полтора года строила математические модели, учитывающие фактор космической пыли, подкрепляя свои теоретические выкладки экспериментами; для этого на испытательном полигоне НАСА «Уайт Сэндс» в Нью-Мексико и в Дэйтонском университете в Огайо пришлось использовать сверхзвуковые пушки, которые обстреливали крошеными снарядами точную копию зонда «New Horizons». В итоге оказалось, что ученые еще до запуска выбрали, к счастью, наименее опасную траекторию полета зонда. Однако, по словам Марка Буйе, полностью снизить риск столкновения с частицами не удастся.

Тем не менее, по мере того, как весной этого года аппарат «New Horizons» будет приближаться к цели, ученые будут внимательно отслеживать другие космические тела, особенно те, которые могли бы создать облако пылевых частиц. Если не менее чем за четырнадцать дней до того, как 14 июля аппарат «New Horizons» пролетит на минимальном расстоянии от Плутона, вдруг возникнет потенциальный риск столкновения зонда с ледяными и каменными частичками космического вещества, то все равно остается возможность перевода этого космического аппарата на более безопасную траекторию, на которой риск столкновения снижается. После этого ЦУП предпримет экстренные меры: за три часа до подлета к Плутону на минимальное расстояние специалисты еще раз сориентируют зонд, при этом семифутовые спутниковые антенны будут направлены вдоль траектории полета, выступая в качестве щита. Однако в результате этого, разрешающая способность научной аппаратуры снизится (поскольку при изменении ориентации антенн придется развернуть и космический зонд), но в этом есть и «плюс»: «New Horizons» избежит столкновения с облаком пылевых частиц. Однако Вивер уверен, что осуществлять переориентацию космического аппарата совсем не нужно: «Это крайне нежелательно, ведь вероятность столкновения равна одной тысячной. Полет должен пройти штатно, работа будет выполнена — такой вариант более вероятен».

Но поволноваться придется уже в апреле, когда аппарат направится в область, в которой вероятность столкновения с частицами космического вещества довольно высока. К середине мая ученые планируют получить фотографии, по качеству превосходящие снимки, полученные с помощью телескопа Хаббл. А в течение последующих двух месяцев, поясняет Лесли Янг, специалисты постепенно будут получать очень качественные снимки Плутона; 13 июля, за день до подлета к Плутону на минимальное расстояние, говорит Стерн, с борта космического зонда эту планету можно будет разглядеть лучше, чем Луну в самый хороший бинокль.

В тот день с помощью бортовой аппаратуры будут проведены сотни научных экспериментов — анализ химического состава, наблюдение за поверхностью и атмосферой Плутона, Харона и других спутников. Зонд «New Horizons» использует технологии, которые сорок лет назад, во времена Вояджера, казались фантастическими — взять хотя бы аппарат для цветной съемки, способный делать снимки с разрешением 25 мегапикселей, или инфракрасный спектрометр для изучения состава вещества, покрывающего поверхность этих планет. Ученые давно пытались понять, чем обусловлена рыжевато-коричневая окраска отдельных областей Плутона — органическими молекулами, появившимися после того, как метановый лед подвергся воздействию солнечной и космической радиации? Но, как заметила Янг, «мы продолжаем сочинять всякие небылицы [на счет поверхности Плутона] вот уже 25-30 лет». И вот, наконец-то настал момент, когда инфракрасный спектрометр подтвердит или опровергнет выдвинутые гипотезы.

Несмотря на совершенство конструкции зонда «New Horizons», Стерну и его команде пришлось кое-чем поступиться и пойти на компромиссы относительно конструкции, чтобы снизить вес этого космического аппарата и сократить издержки. В частности, в отличие от Вояджера, на борту «New Horizons» отсутствует сканирующая платформа, поэтому он не может во время сбора данных нацеливать свою антенну в сторону Земли. По утверждению Стерна, «в момент встречи мы не сможем ни отправить зонду сигнал, ни получить от него информацию; ему придется действовать самостоятельно; он даже не сможет сообщить о том, что у него все работает как надо». По этой причине команда исследователей даже не узнает, смог ли зонд благополучно миновать область вблизи орбит спутников Плутона (где концентрация космической пыли достигает максимума) до тех пор, пока зонд не отправит в тот же вечер краткое сообщение о работе своих систем. Тем не менее, как говорит Стерн, «двадцать пять лет ожидания — ничто по сравнению с какими-то двенадцатью часами, в течение которых до нас будет долетать информация о работе бортовых систем».

14-го июля в 7:49 утра по Восточному времени расстояние между «New Horizons» и Плутоном будет минимальным (около 6200 миль). Там Солнце светит намного более тускло, чем на Земле, поэтому при съемке необходимо увеличивать выдержку; во избежание искажений, зонду придется вращаться и производить наблюдения за целью — то же самое в 1989 году выполнял Вояджер-2, когда делал крупным планом снимки Тритона, спутника Нептуна. Однако, зонд «New Horizons» подлетит к Плутону еще ближе, а качество его снимков будет в десять раз четче. На самых лучших фотографиях можно будет рассмотреть объекты размером 0,2 гектара.

Что же мы увидим на этих снимках? «Не буду гадать», — говорит Алан Стерн. Да и его коллеги столь же сдержанны. По случайному совпадению, «New Horizons» долетит до Плутона ровно спустя пятьдесят лет после того, как Маринер-4 отправил первые снимки Марса, на поверхности которого ученые с удивлением обнаружили вместо рельефа, похожего на земной, такие же кратеры как на Луне. За полвека изучения планет Солнечной системы астрономы-планетологи уже привыкли к сюрпризам — к наличию действующих вулканов на спутнике Юпитера Ио, «плетеных» колец на Сатурне и т. д. Но постоянно появляются новые гипотезы. Так, один из геологов НАСА (свою фамилию он предпочел не упоминать) сделал следующее предположение: если подвижные льды Плутона действительно испаряются на освещенной солнцем стороне северного полушария, то именно этот процесс, скорее всего, и создал фантастический пейзаж на его поверхности — нагромождение скал и плоских холмов, напоминающих эдакий замороженный аналог знаменитой Долины монументов в Аризоне. Другие планетологи, опираясь на косвенные признаки, выдвинули гипотезу о том, что под поверхностью Плутона есть океаны, — точно такие же океаны существуют и на некоторых спутниках Юпитера и Сатурна. Кроме того, нужно будет выяснить, есть ли на Плутоне гейзеры, такие же, как на Тритоне? Вероятность их обнаружения велика, поскольку половина поверхности Плутона Солнцем освещена не будет.

Удаляясь от Плутона, зонд «New Horizons» должен будет еще раз оглянуться на эту планету и на ее спутник Харон, а затем, пользуясь редкой возможностью, должен будет наблюдать их затмение, чтобы изучить состав их атмосферы — структуру, температуру и т. д. Космический аппарат сможет наблюдать при тусклом свете, отраженном от Харона, обратную сторону Плутона (точно так же, как человек невооруженным глазом Луну); этого вполне достаточно для того, чтобы наблюдать за процессом концентрации льда на зимнем полюсе.

Если «New Horizons» сумеет преодолеть область, прилегающую к Плутону, то 15 июля нынешнего года приблизительно в 7 часов утра он отправит собранные данные в Лабораторию прикладной физики Университета Джона Хопкинса в штате Мэриленд. Для увеличения скорости передачи эти данные, включая наиболее впечатляющие снимки (которые команда исследователей в шутку назвала «информацией Нью-Йорк Таймс»), будут передаваться в слегка сжатом виде. Тем не менее, из-за огромного расстояния и относительно малых размеров антенны космического аппарата эти данные будут пересылаться очень медленно, со скоростью 2000 бит в секунду — медленнее, чем даже скорость старенького модема 1980-х годов, равная 2400 бод.

В целях безопасности аппарат «New Horizons» в течение последующих двух месяцев будет продолжать отсылать весь массив добытой информации в сжатом виде; именно поэтому здесь мы видим не простое сближение зонда с Плутоном, а, скорее, орбитальный полет. Затем, космический аппарат будет повторно передавать всю информацию в полном, несжатом формате; данный процесс должен будет завершиться после осени 2016 года.

Через два года после сближения с Плутоном зонд «New Horizons» окажется в поясе Койпера. И тогда космическому аппарату, возможно, придется в условиях ограниченного запаса топлива искать другую цель для исследования; за несколько лет наблюдений с наземных телескопов такой цели не нашли. Затем, летом прошлого года на помощь пришел Хаббл: команде исследователей удалось воспользоваться этой космической обсерваторией (им предоставили телескоп на 202 оборота вокруг Земли) для поиска цели. И вот, в октябре ученые объявили о том, что искомые цели найдены — это две меленькие планеты, расположенные приблизительно в миллиарде миль от Плутона, размер каждой из них меньше 35 миль в диаметре (кодовое обозначение этих объектов — PT1 и PT3). В августе нынешнего года будет принято окончательное решение о дальнейшей программе полета, а уже осенью «New Horizons» включит свой двигатель для корректировки орбиты и направится на встречу с одним из этих объектов, которая состоится в 2019 году.

«Сначала мы планировали подлететь только к двум планетам из пояса Койпера — Плутону и Харону, — говорит Янг. — А сейчас собираемся расширить список целей из пояса Койпера до шести: Плутон, Харон и еще четыре малые планеты».

В настоящее время команда исследователей с нетерпением ждет сведений о том неведомом космическом мире, который манил их в течение десятилетий. Янг заявила, что с нетерпением ожидает получения новых данных. По ее словам, она «готова ко всяким сюрпризам и неожиданностям». Ученые хотят понять: почему же Плутон внешне так выглядит? «Как только мы получим всю информацию, ... то, наверное, сможем узнать что-нибудь неизвестное и фантастическое о Плутоне и поясе Койпера», — подытожила Янг.

Для Алана Стерна миссия «New Horizons» знаменует собой не только окончание его двадцатипятилетних научных поисков, но еще и возможность привлечь общественное мнение к проектам, за воплощение которых, по его словам, никто не брался с момента последнего старта Вояджера. «Наш проект — это всего лишь пристрелка», — говорит он. Миссия «New Horizons», по его словам, должна наглядно продемонстрировать людям «захватывающее дух превращение точки на ночном небе в диск планеты». В самое ближайшее время, если проект «New Horizons» завершится удачно, студенты откроют учебник и увидят восхитительную фотографию планеты Плутон.

Оригинал публикации: Pluto at Last