На краю Солнечной системы: зонд «New Horizons» добрался до Плутона
4 июля 2015 года должно завершиться космическое путешествие длиной в три миллиарда миль.
В этот день около девяти часов вечера по восточному времени гигантские параболические антенны наземных станций дальней космической связи НАСА уловят радиосигналы. Сигналы из космоса долетят до центра управления полетами в Мериленде, где их будет с огромным нетерпением ожидать астроном Алан Стерн 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.
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 солнечной 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. Большинство ученых спокойно отнеслись 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 старшие коллеги, и те, которым было около пятидесяти, — все они говорили мне: «Ты шутишь? Пока аппарат туда доберется, нас уже не будет в живых».
И Стерн решил взяться за дело, собрав вокруг себя несколько молодых ученых. Его проект стал выглядеть 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 быть не менее интересным объектом исследования.
Алан Стерн (крайний справа)
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. 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 (температура на Плутоне достигает 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.
Когда в 1983 году Марк Буйе (Buie) начал изучать Плутон, всем было 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. 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.
Карты Плутона сделанные на основе фото, полученных с помощью телескопа Хабл
Потом 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 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.
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.
Из-за эксцентричности орбиты Плутон то приближается к Солнцу на расстояние 29,6 а. е. (4,4 млрд км), оказываясь к нему ближе Нептуна, то удаляется на 49,3 а. е. (7,4 млрд км)
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.
Зонд «New Horizons» на почтовой марке
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». Стоит одному какому-нибудь осколку размером в миллиметр на сумасшедшей скорости ударить по зонду — и полет тут же завершится.
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.
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.
Сигналы из космоса долетят до центра управления полетами в Мериленде
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.
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.
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».
