Наука - К далеким пределам

От Солнца до самых до окраин
В 1970-х человечество открыло новую эру в исследовании Солнечной системы. В 1970-м советская автоматическая станция «Венера-7» впервые прикоснулась к нашей ближайшей космической соседке, через пять лет «Венера-9» и «Венера-10» доставили туда спускаемые аппараты, отправившие на Землю фотоснимки ее поверхности. С 1971 по 1978 год с мыса Канаверал ушли в космос 12 зондов, просканировавших пространство от Солнца до последней гигантской планеты, Нептуна.

Эту великолепную дюжину стоит перечислить поименно. Стартовавший 30 мая 1971 года Mariner 9 через пять с половиной месяцев вышел на околомарсианскую орбиту и превратился в первый искусственный спутник другой планеты. Затем в космос отправились близнецы Pioneer 10 и Pioneer 11, которые первыми пересекли пояс астероидов и прислали на Землю информацию, собранную в окрестностях Юпитера и Сатурна. В ноябре 1973 года в сторону Солнца ушел Mariner 10, который первым прошел неподалеку от Меркурия и запечатлел его на фотоснимках.

В 1974–1976 годах американо-германские аппараты Helios 1 и Helios 2 подошли на рекордно близкие расстояния к Солнцу, а спускаемые аппараты двух станций Viking благополучно сели на Марс. В 1977 году были запущены Voyager 1, который детально исследовал Юпитер и Сатурн, и Voyager 2, совершивший пролет мимо Урана и Нептуна. И наконец, еще через год Pioneer Venus 1 произвел радиолокационное картирование поверхности Венеры, а Pioneer Venus 2 отправил в ее атмосферу четыре зонда с измерительной аппаратурой.

Особое место в этой плеяде занимают сверхдальние полеты. Исследования Марса и Венеры с помощью космических аппаратов начались еще в 1960-х, а вот рывок за пояс астероидов оказался революционным. Полеты «Пионеров» и «Вояджеров» заложили основы для миссий аппаратов Galileo, Cassini и New Horizons. Первая миссия уже завершена, вторая в самом разгаре, а третья вступит в активную фазу лишь в 2015 году, когда корабль приблизится к Плутону.

Американская космонавтика освоила название Pioneer в самом начале космической эры. Тогда его носили шесть небольших аппаратов, сконструированных в Лаборатории космических технологий ВВС в основном для полетов к Луне. Первый из них стартовал 17 августа 1958 года (еще до учреждения NASA), но ракета-носитель взорвалась, едва оторвавшись от земли. Символом этой неудачи стала необычная нумерация эксперимента – Pioneer 0. Запуск 23-килограммового зонда Pioneer 1 стал первой миссией NASA (спустя всего 11 дней после официального рождения космического ведомства). Он удалился от Земли на рекордное по тем временам расстояние 113 800 км и сгорел в атмосфере при возвращении. «Пионеры» с номерами 2, 3 и 4 также не выполнили своей задачи. Зато последний аппарат серии, 43-килограммовый Pioneer 5, весной 1960 года с успехом осуществил серию измерений магнитных полей, солнечного ветра и космических лучей в пространстве между Землей и Венерой.

«Пионеры» второго поколения выполняли работу солнечных сторожей. В 1965–1968 годах четыре таких зонда весом от 138 до 147 кг были выведены на околосолнечные орбиты, не слишком отличающиеся от земной. Они проводили те же измерения, что и Pioneer 5, но с помощью более совершенных приборов. Pioneer 9 вышел из строя в 1983 году, остальные продержались много дольше (последний телеметрический контакт с зондом Pioneer 6 имел место в декабре 2000 года).

А позже случилась забавная история, имеющая отношение не только к науке, но и к бюрократии. NASA планировало запустить еще два «Пионера», предназначенных для мониторинга солнечного ветра на расстояниях до 4 а.е. (астрономических единиц) от нашего светила. Эти проекты, как и предыдущие, находились под эгидой Отдела космической физики и астрономии. Однако в конце 1967 года их передали Отделу лунных и планетарных программ, просто чтобы чем-нибудь занять его сотрудников, не имевших заданий на 1970-е годы. Руководители этого подразделения NASA Дон Хирт и Роберт Кремер решили отправить зонды подальше, более чем на 5 а.е., и не в пустой космос, а в окрестности Юпитера. После долгих обсуждений это предложение было утверждено 8 февраля 1969 года. На той стадии предполагалось, что зонды получат одинаковые задания и второй по времени запуска «Пионер» будет дублером первого.

Конструкцию зондов, естественно, пришлось разрабатывать заново. Прежде всего встал вопрос об источнике электричества. Солнечные панели, которые обеспечивали энергией прежние «Пионеры», вблизи Юпитера давали бы слишком слабый ток, а емкости аккумуляторов явно было бы мало. Конструкторы сделали выбор в пользу новейших радиоизотопных термоэлектрических генераторов SNAP-19, работающих от тепла, выделяющегося при распаде плутония-238. Комиссия по атомной энергии предоставила их NASA бесплатно, поскольку хотела испытать эти устройства в открытом космосе. Каждый зонд нес четыре генератора, попарно установленных на двух трехметровых штангах (это было сделано во избежание воздействия радиации на измерительные приборы). На старте они давали в сумме около 155 Вт, на пролете вблизи Юпитера на 10% меньше, но этого было вполне достаточно.

Не несли они и фотокамер. Для хороших съемок корабль нужно стабилизировать по всем трем осям, что требует установки гироскопов и корректирующих двигателей, а это означает лишнюю массу и лишний расход электроэнергии и топлива. Было решено, что в полете каждый из кораблей может вращаться вокруг продольной оси, но его параболическая радиоантенна должна неизменно смотреть на Землю. Научных руководителей проекта не слишком интересовали снимки Юпитера, им была нужна информация о его магнитосфере и прочие физические характеристики, которые можно замерить при любом положении датчиков. Тем не менее в NASA понимали, что публика не простит отсутствия эффектных картинок. Проблему разрешил Том Герелс из Аризонского университета, который сконструировал специально для «Пионеров» так называемый изображающий фотополяриметр – хитрый оптический прибор, способный работать на вращающейся платформе. На Земле его сигналы расшифровывались с помощью компьютерной программы, трансформирующей их в фотоизображения, правда не самого лучшего качества.

2 марта 1972 года ракета Atlas/Centaur вознесла в небо Pioneer 10. Он благополучно пересек пояс астероидов (который, как выяснилось, содержит ненамного больше микрочастиц, чем его окрестности) и 3 декабря прошел в 200 000 км над облачным покровом Юпитера. Фотополяриметр Герелса работал безупречно, зонд сделал четыре сотни снимков, многие из которых публика с удовольствием лицезрела и на телеэкранах, и на страницах газет и журналов. Остальные приборы собрали гораздо более ценную информацию о частицах и полях вблизи планеты, но интересной она была исключительно для специалистов.

Pioneer 11 покинул стартовый стол 5 апреля 1973 года. 4 декабря он прошел в 34 тысячах километров от Юпитера и отправил на Землю превосходные изображения Красного пятна и невозможные для съемки с Земли фотографии южной полярной зоны планеты, а заодно и «взвесил» ее спутник Каллисто. Однако на этом его миссия не закончилась. Совершив гравитационный маневр вблизи Юпитера, Pioneer 11 отправился на рандеву с Сатурном по длинной дуге, огибающей Солнце. 1 сентября 1979 года зонд подошел к окольцованной планете на 21 000 км. Изотопные генераторы не подвели – даже тогда они вырабатывали около 100 Вт. Приборы определили характеристики магнитного поля Сатурна и отправили на Землю эффектные снимки, на которых было обнаружено неизвестное ранее кольцо (кольцо Е).

Аппаратура кораблей сохраняла исправность еще долгие годы после рандеву с планетами. Pioneer 11 перестал выходить на связь в ноябре 1995 года, после того как удалился от Солнца на 6,5 млрд. км. Pioneer 10 продержался дольше, в марте 1997-го NASA отметило его 25-летие и сообщило о завершении его исследовательской программы (официальная версия – мощность генераторов так упала, что приборы не могут работать). Однако сигналы с зонда поступали еще очень долго (в последний раз – 23 января 2003 года). Сейчас Pioneer 10 ушел от Солнца примерно на 93 а.е. Он мчится сквозь космическую пустоту к любимой фантастами звезде Альдебаран и приблизится к ней через 1,7 млн. лет.

Отсылка последнего «Пионера» к Сатурну с помощью гравитационного маневра в поле тяготения Юпитера была результатом эксперимента, даже не включенного в первоначальную программу. Зато использование Юпитера для отправки «Вояджеров» к дальним планетам планировалось с самого начала, и даты запуска выбирались именно с таким расчетом.
Пусть космический аппарат огибает планету по разомкнутой (гиперболической) траектории. Приближаясь к небесному телу, корабль разгоняется за счет его притяжения, а отдаляясь – тормозится. Из законов механики следует, что его скорость по отношению к планете изменится лишь по направлению, но не по величине. Но ведь и планета не стоит на месте, а обращается вокруг Солнца. Траекторию подхода можно рассчитать так, чтобы планета «потащила» корабль за собой и относительно Солнца его скорость возросла. В максимуме прирост равен удвоенной орбитальной скорости планеты (для Юпитера чуть больше 13 км/с). Это и есть гравитационная праща, она же рогатка. Ее эффективность можно увеличить с помощью маршевого двигателя корабля, включать который выгодней всего на минимальной дистанции от планеты.

В 1961 году сотрудник Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института Майкл Минович рассчитал этот гравитационный маневр для многократных «перескоков» между планетами. Спустя четыре года аспирант Калтеха Гэри Фландро показал, что в конце 1970-х планеты-гиганты будут расположены таким образом, что Юпитер сможет перебросить корабль к Сатурну, тот – к Урану, а Уран – к Плутону. Этот маршрут с тройным использованием гравитационного маневра назвали Большим туром (Grand Tour). Ширина расчетного окна для запуска составляла всего три года (1976–1979), а очередная возможность такого рода маячила лишь в середине XXII столетия.

Рекомендации Фландро были услышаны. В 1969 году Хирт и Кремер организовали группу по изучению внешних планет, которая рекомендовала отправить в дальний космос сразу две автоматические станции, одну – в Большой тур, а другую – сначала к Сатурну, а потом к Плутону (этот маршрут тоже вычислил Фландро). Утверждение программы затянулось из-за бюджетных проблем NASA, так что ее претворение в жизнь началось лишь в 1972 году. Научно-техническая проработка проекта и монтаж станций производились в Лаборатории реактивного движения. Ее сотрудники даже устроили конкурс (приз – ящик шампанского) на лучшее название кораблей. Победил вариант Voyagers – «Путешественники», который NASA официально утвердило в марте 1977 года.

20 августа (Voyager 2) и 5 сентября (Voyager 1) 1977 года корабли ушли в космос. Нумерация подразумевала, что Voyager 1 первым достигнет Юпитера: он завершил этот пролет 5 марта 1979 года, а его партнер Voyager 2 – 9 июля того же года. Уже тогда экспедиция дала богатейшие результаты. В общей сложности корабли сделали 52 000 фотографий и выполнили множество физических измерений. Они первыми наблюдали неразличимое с Земли юпитерианское кольцо, выявили три неизвестных дотоле луны, Адрастею, Метиду и Фебу, и, что стало подлинной сенсацией, обнаружили действующие вулканы на Ио, одном из четырех спутников, открытых Галилеем. Затем настала очередь Сатурна, который зонды посетили в ноябре 1980 года и в августе 1981-го. Они определили протяженность сатурнианских суток (10 часов 39 минут 44 секунд), состав атмосферы (7% гелия, остальное – водород), обнаружили, что скорость ветра на экваторе планеты достигает 500 м/с. Voyager 1 уделил особое внимание Титану, самой крупной из сатурнианских лун, которая, как выяснилось, окружена плотной атмосферой, в основном азотной.

После Сатурна пути кораблей разошлись. Первый «Вояджер» после сближения с Титаном покинул плоскость эклиптики (и посему не смог уйти на рандеву с Плутоном), а второй отправился к внешним планетам-гигантам. 24 января 1986 года он совершил пролет мимо Урана, прислал уникальные снимки пяти его крупнейших спутников и открыл еще десяток сателлитов меньшего калибра.

Еще в 1977 году астрономы узнали, что Уран окружен кольцами, хотя и не идущими ни в какое сравнение с кольцами Сатурна. Voyager 2 прояснил множество тонких деталей структуры уже известных колец, обнаружил два новых и установил, что Уран делает полный оборот вокруг своей оси за 17 часов 14 минут. Однако, как рассказал «ПМ» главный научный руководитель проекта Эдвард Стоун, самым большим сюрпризом оказались результаты магнитометрических измерений. Давно известно, что Уран вращается «на боку», поскольку его ось почти точно лежит в плоскости эклиптики. Теперь оказалось, что его магнитные полюса расположены не в сравнительной близости от географических, как на Земле, Юпитере и Сатурне, а отстоят от них примерно на 60 градусов по широте. По словам Стоуна, планетологов также чрезвычайно поразили каньоны глубиной до 20 км на Миранде, одной из лун Урана, диаметр которой и составляет всего-то пять сотен километров.

25 августа 1989 года Voyager 2 прошел в 4950 км над северным полюсом Нептуна. Он обследовал его «старые» луны Тритон и Нереиду и добавил к списку его спутников еще шесть (диаметром от 400 до 50 км). Он заметил также, что Нептун окружен тройкой совсем уж разреженных колец, и углядел на Тритоне мощные газовые гейзеры высотой в несколько километров. Профессор Стоун особо отметил, что Нептун оказался абсолютным рекордсменом Солнечной системы по части скорости ветров, которая там достигает 2200 км/ч. Это особенно странно, если учесть, что эта планета получает в расчете на единицу площади в 900 раз меньше солнечного тепла, нежели Земля. Магнитные полюса Нептуна тоже удалены от географических, хотя и не так значительно, как на Уране.

Полет «Пионеров» оставил не решенную до сих пор проблему. Когда их расстояние от Солнца превысило 15 а.е., допплеровские измерения показали, что оба зонда чуть-чуть отклонились от расчетных траекторий. Было похоже, что на них действует направленная к Солнцу сила, создающая ускорение порядка одной десятимиллиардной доли g. Как рассказал «ПМ» бывший менеджер этого проекта Ларри Лашер, ученые перебрали все мыслимые причины девиаций – неполадки в работе радиопередатчиков, утечку газов, давление солнечной радиации или солнечного ветра, притяжение со стороны тел пояса Койпера и даже воздействие темной материи и изменения хода времени, предписанного общей теорией относительности. Однако расчеты показали, что ни один из этих факторов не способен породить ускорение наблюдаемой величины. Так что пока загадка остается. Однако в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA ее пытается разгадать группа исследователей под руководством выпускника физфака МГУ Вячеслава Турышева. В их распоряжении – точная копия зонда и все данные телеметрии. По словам Турышева, можно надеяться, что через год-другой причину аномалии удастся выяснить.
Межзвездные открытки

«Пионеры» несли с собой позолоченные алюминиевые пластинки (15х22 см) с посланиями обитателям космоса. После разгона в гравитационном поле Юпитера зондам предстояло, разорвав путы солнечного тяготения, уйти в межзвездное пространство. Научный обозреватель газеты Christian Science Monitor Эрик Бёргесс решил воспользоваться возможностью связаться с внеземным разумом. Он обсудил это с астрономом Карлом Саганом, который заручился поддержкой радиоастронома Фрэнка Дрейка, организатора проектов поиска космических цивилизаций Ozma и SETI. Дрейк предложил изготовить межзвездные почтовые открытки, содержащие сведения о Солнечной системе и обитателях Земли.

Основную смысловую нагрузку несло символическое изображение перехода электрона атома водорода из основного состояния со спином, параллельным спину ядра, в состояние со спином противоположной ориентации. При переходах излучаются радиоволны длиной 21 см и частотой 1420 МГц. Космическое пространство изобилует атомами водорода и потому заполнено этим излучением. Саган и Дрейк полагали, эта картинка поможет потенциальным адресатам послания расшифровать основную его часть, точку с 15 лучами. Лучи задают направление от Солнца на центр нашей Галактики и на 14 пульсаров. Длины лучей пропорциональны расстояниям до объектов, на которые они направлены. На каждый луч наложены числа в двоичной записи, равные периодам пульсаров, выраженным через протяженность одного цикла водородного излучения (следовательно, единицей времени служит 1/1420 000 000 с). Поскольку периоды пульсаров постепенно увеличиваются, мудрые обитатели космоса могут на основе этой информации вычислить дату запуска носителя послания. В нижней части «открытки» – схематическое изображение Солнца и девяти планет с траекторией зондов.

Рукой жены Сагана Линды на «открытке» контурно изображены обнаженные мужчина и женщина, рядом с которой нанесена двоичная восьмерка (21х8 см – типичный женский рост). Некоторые анатомические подробности Саган решил опустить, опасаясь того, что пуритански настроенные чиновники «зарежут» проект. Несмотря на это, газеты публиковали письма читателей, обвиняющих NASA в том, что «на деньги налогоплательщиков в космос посылают непристойные картинки». Поднятая рука тоже послужила поводом для скандала: феминистки обиделись, что приветственный жест делает только мужчина, а один из бдительных граждан даже усмотрел в поднятой руке нацистский салют.

«Вояджеры», как и «Пионеры», близнецы. Их стартовая масса составляла около 820 кг, поэтому для запуска потребовалась более мощная ракета-носитель Titan III E/Centaur. Аппаратура получает питание от трех радиоизотопных генераторов с начальным выходом около 470 Вт. В отличие от предшественников, в полете эти корабли стабилизируются по всем трем координатным осям с помощью гироскопов и шестнадцати гидразиновых ракетных двигателей. Благодаря этому зонды отправляли на Землю весьма качественные изображения планет и их спутников, выполненные широкоугольной камерой для обзорных съемок и длиннофокусной камерой высокого разрешения. «Вояджеры» оснащены бортовыми компьютерными системами, которых еще не было на «Пионерах». Ну и конечно, они нафаршированы измерительной аппаратурой: магнитометрами, спектрометрами, детекторами плазмы и космических лучей, приемниками планетарного радиоизлучения. «Вояджеры» несут также послания космическим цивилизациям. Двенадцатидюймовые медные диски с золотым покрытием помещены в специальные футляры, на которые нанесены графические указания для расшифровки записей. Картридж с иглой для проигрывания этих грампластинок с аналоговыми записями закреплен рядом. Каждый диск хранит 115 картинок (оплодотворенная яйцеклетка, строение ДНК, снежинка, фотография группы детей и т.п.); различные звуки – шум дождя, птичье пение, поцелуй; полуторачасовую запись музыкальных произведений (из российских композиторов выбрали Игоря Стравинского); краткие приветствия на пятидесяти пяти современных и древних языках (на русском – «Здравствуйте, приветствую вас!»), а также напечатанные обращения к братьям по разуму тогдашних президента США Джимми Картера и генерального секретаря ООН Курта Вальдхайма.
Хронология полета

Оба «Вояджера» активны и поныне. Их генераторы дают достаточно энергии и для связи с Землей, и для научной аппаратуры, бЧльшая часть которой действует в штатном режиме. Ожидается, что некоторые приборы смогут функционировать до 2020 года (правда, гироскопы продержатся лет на десять меньше). Еще 17 февраля 1998 года Voyager 1 стал самым далеким от Солнца творением человеческих рук (ранее этот рекорд держал Pioneer 10). 15 августа прошлого года он удалился от Солнца на 100 а.е. – 15 млрд. километров. В 2015-м он должен пересечь гелиопаузу, внешнюю границу Солнечной системы и углубиться в межзвездное пространство. Его собрат Voyager 2 сейчас ушел на 82 а.е. от Солнца.