Наука - В краю гигантов

Полеты «Вояджеров» значительно обогатили ученых информацией о двух крупнейших планетах Солнечной системы. «Всех открытий и не перечислишь. ‘Вояджеры’ выявили вулканизм на спутнике Юпитера Ио, который на два порядка интенсивнее земного. Обнаружили, что поверхность еще одного спутника, Европы, закована в гладкий ледяной покров, под которым, вероятно, скрывается жидкий океан. На Каллисто нашли пары воды и явственные следы геологической активности, имевшей место в далеком прошлом, – рассказал нашему журналу научный руководитель этого проекта, профессор Калифорнийского технологического института Эдвард Стоун. – Немало сюрпризов принесло и изучение Сатурна. Оказалось, что кольца этой планеты имеют сложную динамическую структуру, обусловленную притяжением ее спутников. На Титане, самой крупной из его лун, была открыта плотная атмосфера из азота и метана, давление которой более чем в полтора раза превышает давление земного воздуха. Там также имеются следовые количества сложных органических соединений, которые, судя по всему, образуются из метана под действием радиации. Помимо этого «Вояджеры» выполнили детальные промеры многих параметров магнитосфер и атмосфер обеих планет-гигантов».

Но «Пионеры» и «Вояджеры» изучали Юпитер с Сатурном лишь на пролете. Это был отличный дебют – но всего лишь дебют. В NASA еще в 1960-х возникла идея создания корабля для длительной работы в системе Юпитера. В середине 1970-х одновременно в двух подразделениях NASA, Исследовательском центре имени Эймса и Лаборатории реактивного движения (JPL) в Пасадене, начали конструировать станции, способные не только дистанционно исследовать эту планету и ее спутники, но и выстрелить в ее атмосферу зонд, оснащенный измерительной аппаратурой. Поначалу проект назвали JOP (Jupiter Orbiter-with-Probe), но вскоре переименовали в честь Галилео Галилея, первоткрывателя четырех крупнейших юпитерианских спутников Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто (эти имена придумал немецкий астроном Симон Мариус, наблюдавший их немногим позже). 1 октября 1977 года Конгресс США утвердил проект Galileo, а спустя семь лет NASA полностью передало его под эгиду JPL.

Отсрочки позволили модернизировать приборное оснащение корабля, особенно компьютеры (впрочем, 8-битные 1,6-МГц микропроцессоры RCA 1802 сейчас как-то не впечатляют). Более того, по всей вероятности, они спасли весь проект. Galileo был оборудован двенадцатью корректирующими двигателями тягой по 10 Ньютонов. За несколько месяцев до запуска выяснилось, что при непрерывной работе они сильно перегреваются и надежно функционируют лишь в импульсном режиме. Если бы этой информации не было, корабль имел немалые шансы разрушиться после первого маневра.

Сначала предполагалось, что после расстыковки с шаттлом Galileo включит разгонную ракету Centaur, которая давно и хорошо работала в блоке с ракетами Titan и Atlas. Однако начальство NASA испугалось, что этот жидкотопливный мотор взорвется, если запуск шаттла окажется нештатным. Вероятность подобного исхода была крайне мала, раньше ее не принимали в расчет, но после аварии «Челленджера» Galileo решили состыковать со сравнительно маломощным твердотопливным ускорителем тягой 400 ньютонов, специально изготовленным для этой цели корпорацией Boeing.

В отличие от Centaur, этот двигатель не мог отправить корабль в прямой тридцатимесячный полет к Юпитеру. Поэтому баллистики изобрели сложный маршрут, во время которого Galileo должен был трижды увеличивать свою кинетическую энергию с помощью гравитационного маневра. Ему предстояло набрать скорость около Венеры, второй раз произвести этот же маневр в поле тяготения родной планеты, уйти от нее к внутренней границе пояса астероидов, опять вернуться к Земле, разогнаться в третий раз и лишь после этого отправиться к Юпитеру. Получилась очень красивая, но очень сложная траектория: две замкнутые петли и гиперболическая дуга, направленная к цели путешествия, которое заняло целых пять лет вместо двух с половиной.

9 февраля 1990 года корабль пролетел мимо Венеры и отправил на Землю три ее фотоснимка. 8 декабря приблизился к Земле, «щелкнул» обратную сторону Луны и умчался на назначенное на 29 октября 1991 года рандеву с астероидом Гаспра. 8 декабря 1992 года вновь пролетел мимо Земли, опять пересек марсианскую орбиту, прошел сквозь астероидный пояс и направился к Юпитеру. Однако весной 1991 года программа полета едва не была сорвана.

Для связи с Землей Galileo был оснащен тремя радиоантеннами. Главная антенна высокого усиления, 5-метровая параболическая чаша, в момент старта была сложена, как зонтик. Ее предполагалось развернуть за орбитой Марса, а до этого пользоваться двумя небольшими антеннами низкого усиления. Команда на раскрытие была послана из Пасадены 8 апреля 1991 года, но два прута из восемнадцати, к которым крепился «зонтик», заклинились. Позднее выяснилось, что по пути из Пасадены на мыс Канаверал в 1989 году они потеряли смазку. Попытки раскрыть антенну растянулись на три с лишним года, но ни к чему не привели. В конце концов выход все же нашелся. Целой роте инженеров и программистов (130 человек!) удалось увеличить пропускную способность малых антенн с десяти бит в секунду почти до тысячи. По сравнению с возможностями основной антенны это было немного, но все-таки приемлемо.

Galileo начал подготовку к путешествию в середине лета 1995 года, когда от Юпитера его отделяло более 80 млн. км. 13 июля он отстыковал и отправил в самостоятельный путь спускаемый модуль, а через две недели включил тормозной двигатель. Если бы хоть одна из этих операций не была выполнена, корабль по гиперболе проскочил бы мимо Юпитера и ушел в глубокий космос. 11 октября Galileo впервые с расстояния в 30 млн. км сфотографировал Юпитер.

26 ноября 1995 года Galileo пересек границу магнитосферы Юпитера. 7 декабря спускаемый модуль нырнул вглубь атмосферы, раскрыл тормозной парашют, сбросил тепловой экран и отстрелил зонд, который передавал информацию почти час. Приемная антенна Galileo поймала его последний радиосигнал, когда зонд спустился на 200 км ниже первого облачного слоя. Там температура дошла до 150⁰С, а давление до 24 бар, и электроника отказала. По расчетам, зонд мог опуститься еще примерно на 300 км, где температура поднялась до 1500⁰C, и аппарат просто расплавился.

Данные с зонда в целом подтвердили теоретические модели строения Юпитера. Почти наверняка он имеет небольшое каменное ядро, масса которого вдвое превышает земную. Оно заключено в толстую оболочку из жидкого электропроводящего металлического водорода, температура которой достигает десятков тысяч градусов, а давление – 2–3 млн. атмосфер. В этой внутренней оболочке циркулируют кольцевые электрические токи, благодаря которым Юпитер и обладает сильным магнитным полем (в 14 раз превышающим земное). Сверху лежит еще один слой жидкого водорода, сжатый меньшими давлениями и потому не обладающий металлическими свойствами. Водородный океан пронизывают мощные конвекционные течения, переносящие тепло из глубин в атмосферу.

Закончив дела на Юпитере, корабль занялся его лунами. «Вояджеры» показали, что Европа покрыта толстым (от 5 до 20 км) панцирем из водяного льда. Приборы Galileo определили, что под ним скрывается соленый океан глубиной до сотни километров, покрывающий всю поверхность спутника. Вода в нем не замерзает из-за приливных волн, порожденных тяготением Юпитера, Ио и Ганимеда. Это открытие породило предположения о возможности жизни на Европе, но пока это лишь домыслы. Что до структуры спутника, то, скорее всего, под океаном находится силикатная мантия, а под ней – богатое металлами ядро.

Ио и Ганимед структурно сходны с Европой, но жидкой воды там нет. Заключенный в 800-км ледяную оболочку Ганимед имеет даже собственное магнитное поле, чем не может похвастаться ни один планетный спутник. А вот поверхность Ио сильно нагрета. В среднем с каждого квадратного метра она ежесекундно излучает 2,5 ватта, больше, чем в самых активных вулканических зонах Земли. Есть там сернистые гейзеры высотой до 300 км, гигантские вулканы, заливающие лавой тысячи квадратных километров – в общем, настоящий ад. Феноменальный вулканизм Ио породил горы высотой в два Эвереста, самые высокие во всей Солнечной системе. Каллисто же, напротив, оказалась холодным каменно-ледяным шаром.

15 октября 1997 года был запущен Cassini, тоже детище JPL, но посложнее и подороже (Galileo стоил около $1,5 млрд., Cassini – чуть меньше $3,5 млрд.). Корабль назвали в честь астронома XVII века Джованни Кассини, основателя и первого директора Парижской обсерватории. Он первым заметил темную щель между кольцами Сатурна (сейчас она носит его имя), первым понял, что кольца состоят из мириад микроскопических спутников планеты, и первым наблюдал сатурнианские луны Япет, Рею, Тефию и Диону.

Не желая повторения неполадок c радиосвязью, NASA оснастило корабль фиксированной главной антенной диаметром 4 м. Поэтому Cassini запустили не на шаттле, а с помощью связки Titan-Centaur. Но даже таким способом невозможно было отправить шеститонный корабль прямиком к Сатурну. Cassini дважды разгонялся в окрестностях Венеры, потом набрал скорость около Земли, а в октябре 2000 года еще раз угодил в гравитационную катапульту, пролетая мимо Юпитера. Лишь 1 июля 2004 года настало время включать тормозной двигатель и становиться спутником Сатурна. 26 октября Cassini совершил первый пролет вблизи Титана на расстоянии всего 1200 км, а 25 декабря отстрелил к нему спускаемый аппарат. 14 января зонд вошел в атмосферу Титана и через 2,5 часа опустился на его поверхность. Huygens определил химический состав атмосферы Титана (98,4% азота, 1,6% метана и следы еще более десятка газов) и ее давление вблизи поверхности (свыше 1,5 атм).

Миссия Cassini рассчитана как минимум на четыре года. Около трех он уже отработал. Тем не менее все основные системы корабля функционируют штатно, и можно полагать, что программу продлят до 2012 года. Подводить ей итоги еще рано, хотя сделано уже немало. Cassini точно определил продолжительность сатурнианских суток (10 часов 47 минут 6 секунд), которые оказались на 8 минут короче, чем полагали ранее. Он обнаружил на поверхности Титана горы, метеоритные кратеры и низкотемпературные вулканы. В его северной полярной зоне радиолокатор Cassini выявил восемь десятков темных пятен диаметром от 3 до 70 км. Это могут быть озера из жидкого метана, который, испаряясь, порождает гигантские облака, орошающие поверхность Титана метановыми дождями. Заместитель руководителя проекта Cassini Линда Спилкер рассказала «ПМ», что считает эти сведения одним из самых фантастических результатов всей миссии. По ее словам, Титан во многом напоминает нашу планету – там есть и настоящая атмосфера, и горы, и реки, и даже нечто вроде морей. Вот только температура там даже на экваторе не поднимается выше –180⁰С.

Еще одно открытие Cassini – вулканическая активность на сатурнианском спутнике Энцеладе. Он покрыт коркой водяного льда с примесью двуокиси углерода, под которой скрывается каменистое ядро. Оказалось, что Энцелад принадлежит к немногочисленной группе тел Солнечной системы, обладающих геологически активными недрами. До сих пор подобные явления, помимо Земли, наблюдались лишь на Ио и Тритоне, самой крупной из лун Нептуна. Приборы Cassini обнаружили на ее поверхности мощные гейзеры, выбрасывающие в космос водяной пар, пыль и частицы льда. Это подтверждает старую гипотезу, в соответствии с которой Энцелад служит источником вещества для кольца Е.

Ученые-астрономы предполагают, что недавно обнаруженные спутники – это тела, выбитые из пояса астероидов гравитационными возмущениями от Юпитера и позднее попавшие в сферу влияния Сатурна. Об этом, в частности, говорит тот факт, что они обращаются вокруг планеты в направлении, обратном вращению больших спутников. Но вот как именно произошел захват – пока не ясно. Существующие модели не могут дать объяснение наблюдаемым орбитам этих небесных тел.

Подобно Galileo, Cassini нес на себе подлежащий стыковке аппарат, построенный ESA. Спускаемый модуль Galileo не удостоился собственного названия, зато зонд Cassini получил имя великого голландского ученого Христиана Гюйгенса, который первым точно описал кольца Сатурна и открыл Титан, куда Cassini и должен был доставить свой груз. Исключительный интерес к Титану объяснялся тем, что это единственный во всей Солнечной системе спутник планеты, обладающий плотной атмосферой.

Летом 1610 года Галилео Галилей, наведя свой слабенький телескоп на Сатурн, увидел не одно, а три светящихся пятна! Чтобы обеспечить приоритет, Галилей по обычаю своего времени опубликовал открытие посредством анаграммы. Ее расшифрованный перевод с латыни гласит: «Высочайшую планету тройную наблюдал» (высочайшую – потому что Сатурн в те времена считали самой удаленной от Земли планетой). Сатурн окружен несколькими кольцами, вращающимися в его экваториальной плоскости. Два самых ярких видел еще Кассини, который обозначил их латинскими буквами A и B (щель Кассини разделяет именно их). С Земли можно также наблюдать и тусклое кольцо C, расположенное ближе к поверхности планеты. Ширина кольца A составляет 14 600 км, кольца B – 25 500 км, кольца C – 17 500 км (толщина колец не превышает 1–2 километров). Еще четыре кольца (D, E, G и F) были обнаружены с помощью космических аппаратов. Внешнее кольцо Е – самое разреженное и самое широкое, один из его краев удален от центра Сатурна на 180 000 км, другой – на 480 000 км. Кольца не однородны, они образованы тысячами узких «колечек». Происхождение колец все еще остается предметом споров. Согласно одной из гипотез, это ровесники планеты, возникшие во время ее формирования из первичного газопылевого облака, которое положило начало и прочим планетам, и Солнцу. Другая гипотеза утверждает, что кольца образовались в результате неудачного появления на свет одной из сатурнианских лун, вещество которой так и не смогло сконденсироваться. Однако все же более вероятно, что кольца – это обломки развалившегося при столкновении с кометой ледяного спутника Сатурна. Если верна эта модель, то сатурнианские кольца много моложе своей планеты. Долгое время считали, что окольцованность Сатурна – явление уникальное. Однако в 1977 году были открыты кольца у Урана, а вскоре – и у Юпитера с Нептуном. Так что кольцами обладают все четыре гигантские планеты Солнечной системы.
Корабль и груз

Стартовая масса самого Galileo составляла 2223 кг, из которых 925 кг приходилось на горючее и окислитель, а 118 кг – на научное оборудование (твердотельную видеокамеру, три спектрометра, работающих в ближнем ИК-диапазоне и в ультрафиолете, радиометр в комплексе с фотополяриметром, детектор быстрых частиц, пару плазменных детекторов, детекторы пыли и тяжелых ионов, магнитометр и доплеровский измеритель скорости). Источниками электричества служили два радиоизотопных термоэлектрических генератора, которые на старте давали в сумме 570 Вт, а в конце миссии – около 500 Вт. Масса отделяемого аппарата, большая часть которой приходилась на тепловые экраны и парашют, составляла 339 кг. Собственно атмосферный зонд весил 121 кг с 30 кг научной начинки (пять приборов для измерения давления, плотности и температуры юпитерианской атмосферы, определения ее химического состава и детектирования проходящего через нее потока электромагнитного излучения).
Исследования Юпитера идут полным ходом

В 1665 году Кассини заметил на поверхности Юпитера овальное затемнение. Позже его наблюдали и другие астрономы, в последний раз в 1713 году. Не исключено, что это было то же самое атмосферное образование в южной полусфере планеты, которое в XIX столетии получило за свой цвет имя «Большое красное пятно». Однако непрерывное наблюдение этого феномена производится лишь с 1830 года, и нельзя исключить, что Кассини видел что-то другое. По современным представлениям, это устойчивая зона повышенного давления, иначе говоря, мощный антициклон. Его нынешняя протяженность с востока на запад составляет 24–40 тысяч км, с юга на север – 12–14 тысяч км (за последние сто лет «пятно» сократилось в два раза). Под действием силы Кориолиса воздух внутри «пятна» вращается против часовой стрелки (как и в земных антициклонах южного полушария) с периодом около шести земных суток. Причина красноватого оттенка «пятна» пока не ясна, но наверняка связана с его химическим составом. Ученые полагают, что цвет может определяться наличием сложных органических молекул, красного фосфора или соединений серы.

Телеметрия с зонда Galileo позволила выяснить, что на Юпитере, как и на Солнце, на один атом гелия приходится примерно девять атомов водорода. Зато кислорода там меньше, чем в солнечной атмосфере, и в основном он присутствует не в свободном виде, а в составе водяного пара. С другой стороны, там больше углерода (носитель – метан) и серы (сероводород). Однако больше всего удивили планетологов данные по благородным газам: зонд нашел в атмосфере Юпитера в два-три раза больше аргона, криптона и ксенона, нежели ожидалось. Что в этом странного? Пространство около Юпитера настолько прогрето солнечным светом, что эти газы в таких количествах не смогли бы сконденсироваться при рождении планеты. Поэтому не исключено, что Юпитер возник в десятках астрономических единиц от Солнца и постепенно переместился на свою нынешнюю орбиту.

Galileo и Cassini – корабли-гиганты. А вот сверхдальний космический разведчик New Horizons, запущенный 19 января 2006 года с мыса Канаверал с помощью ракеты «Атлас-V», имеет весьма скромные габариты. Его стартовая масса вместе с топливом – всего 478 кг. Да и цена не слишком высока – на разработку и запуск корабля вкупе со слежением за ним в первые 10 лет после старта будет затрачено не больше $675 млн. New Horizons несет семь научных инструментов, питающихся от единственного радиоизотопного генератора. Они могут «зарисовать» цветные карты Плутона и его спутника Харона и осуществить анализ замерзших газов, составляющих их поверхность. Затем корабль посетит одно из крупных тел пояса Койпера (какое именно, еще не решили). Корабль оснащен детекторами плазмы и пылевых частиц, находящихся в космическом пространстве, и аппаратурой для связи с Землей. New Horizons находится в полете чуть больше года. Мощности его ракетного бустера хватило, чтобы без промежуточных маневров отправиться от Земли прямо к Юпитеру. Исследование пояса Койпера – более далекое будущее, 2016–2020 годы. Любители астрономии должны набраться терпения.