Міжзоряна місія Voyager і майбутнє апаратів

25 серпня 2012 року зонд Voyager 1 став першим в історії космічним апаратом, який залишив геліосферу та вийшов у міжзоряний простір. Через шість років Voyager 2 повторив досягнення свого «побратима». У другій частині нашого матеріалу про найбільшу космічну подорож в історії ми розповімо про те, як пара земних посланців зуміла досягти такого успіху та яке майбутнє на неї чекає.

Де починається міжзоряний простір?

Земля та решта планет Сонячної системи знаходяться всередині гігантського міхура, що зветься геліосферою. Це область, у якій плазма сонячного вітру рухається відносно Сонця з надзвуковою швидкістю. Зі зростанням відстані її швидкість поступово знижується через зіткнення з речовиною міжзоряного середовища. У якийсь момент вона стає дозвуковою. Кордон, на якому відбувається це уповільнення, називається фронтом ударної хвилі.

Карта геліосфери, створена за результатами вимірювань місії IBEX. Джерело: NASA

Проте фронт ударної хвилі перестав бути кордоном всієї геліосфери. За нею знаходиться регіон під назвою геліошар (геліосферна мантія). У ньому сонячний вітер гальмується, стискається і його рух набуває турбулентного характеру. Нарешті, за геліошаром знаходиться геліопауза — фінальна межа, де сонячний вітер остаточно зупиняється. Його тиск уже стає нездатним відтісняти міжзоряну речовину з Сонячної системи. Тому в геліопаузі відбувається перемішування сонячного вітру з міжзоряною речовиною.

Ударна хвиля, створювана зорею в сузір’ї Оріона. Джерело: NASA

На момент запуску Voyager в астрономів було зовсім небагато відомостей про розташування геліопаузи. Деякі вчені припускали, що вона знаходиться чи не одразу за орбітою Юпітера. Але у процесі накопичення даних стало зрозуміло, що початкові оцінки були дуже занижені. До того моменту, коли пара Voyager завершила «Велику подорож», вважалося, що межа ударної хвилі проходить на відстані 70-80 а.о., геліопауза — 90-120 а.о. від Сонця. Це означало, що зонди мали теоретичний шанс досягти міжзоряного простору до моменту припинення їхньої роботи.

Перегони з часом

Відповідь на запитання, чи встигне пара Voyager вийти у міжзоряний простір, залежала від кількох факторів. Першим була ситуація з паливом. Кожен Voyager регулярно виконує невеликі маневри, які потрібні для того, щоб утримувати їхні антени спрямованими на Землю. На щастя, апарати зуміли зберегти чималий запас палива, якого мало вистачити до 2040-х років.

Іншим важливим питанням, був зв’язок. У міру віддалення від Землі, потужність сигналів Voyager неухильно знижувалася, що вкрай ускладнювало завдання комунікації з апаратами. Однак, завдяки кільком модернізаціям Мережі далекого космічного зв’язку, NASA вдалося вирішити й цю проблему.

70-метрова антена системи Далекого космічного зв’язку NASA у Канберрі. На сьогодні це єдина антена на Землі, яка має достатню потужність, щоб відправляти команди Voyager 2. Джерело: NASA/Canberra Deep Space Communication Complex

Зрозуміло, з кожним роком солідний вік апаратів все частіше давав про себе знати (це не жарт, номінальний термін служби місії становив всього чотири роки). Однак, закладений при їхньому проєктуванні принцип резервування всіх основних компонентів, послужив їм добру службу. Звичайно, обидва Voyager неодноразово стикалися з різними технічними проблемами, але щоразу фахівцям або вдавалося знайти рішення, або перемикнути зонд на запасну систему.

Отже, головним фактором, який визначив максимально можливий термін функціонування апаратів, стала енергія. Нагадаємо, що Voyager отримують її від рітегів, у яких використовується плутоній-238. Період його напіврозпаду становить 87 років. Як неважко порахувати, за минулі, після запуску 45 років, рітеги апаратів втратили близько 30% від свого початкового вироблення. Але втрата потужності також відбувається й через поступову деградацію термопари, яка й перетворює тепло, виділене рітегами в електроенергію.

Модель рітегу, встановленого на борту апаратів Voyger. Джерело: NASA

Спочатку інженери місії прогнозували, що Voyager перестануть отримувати достатню для продовження роботи енергію, приблизно до початку 2010-х. Цього було замало за для досягнення міжзоряного простору. Тому фахівці місії розробили план «енергоощадження», який полягав у відключенні частини наукових інструментів, а також деяких обігрівачів. Це пішло на користь. Voyager отримали додаткове десятиліття життя, що й дозволило їм подолати ще одну віху.

Перший космічний апарат у міжзоряному просторі

Наприкінці 2004 року Voyager 1 пройшов кордон ударної хвилі та увійшов у геліошар. Voyager 2, який рухався з меншою швидкістю та в іншому напрямку, досяг його у 2007 році.

До 2010 року Voyager 1 дістався регіону, в якому відбувається «стагнація» сонячного вітру і його радіальна швидкість стає близька до нуля. Також почала різко зменшуватись кількість частинок високих енергій сонячного походження. Все це вказувало на те, що апарат дуже близький до геліопаузи.

Історична подія сталася 25 серпня 2012 року, коли Voyager 1 знаходився на відстані 121,6 а. о. (18,2 млрд км) від Сонця. У той день його прилади зафіксували різке зниження кількості протонів сонячного випромінювання, та навпаки, зростання рівня галактичних космічних променів. Апарат нарешті вийшов у міжзоряний простір. Voyager 2 пройшов цей кордон у листопаді 2018 року, коли він перебував на відстані 119 а.о. (17,8 млрд км) від Сонця.

Графік, який показує зафіксоване приладами Voyager 2, зменшення інтенсивності сонячного вітру та збільшення енергії космічного випромінювання, викликане його виходом у міжзоряний простір. Джерело: NASA/JPL-Caltech/MIT

Заради справедливості варто відзначити, що факт виходу Voyager 1 у міжзоряний простір був визнаний далеко не відразу. Річ у тім, що наявні моделі припускали — з перетином геліопаузи має відбутися миттєве зрушення ліній магнітного поля. Однак цього не сталося, тож вчені розділилися на два табори. Одні вважали, що Voyager 1 справді вийшов у міжзоряний простір, інші наполягали на тому, що він ще не залишив геліосферу.

Порівняння графіків, які показують, зафіксоване приладами Voyager 1 та Voyager 2, зміну інтенсивності сонячного вітру та енергії космічного випромінювання, перед та після їх виходу у міжзоряний простір. Джерело: NASA/JPL-Caltech/MIT

Суперечку вирішили, отримані у 2013 році дані, про збільшення щільності плазми у просторі, де знаходився Voyager 1. Виявилося, що вона досягла рівня, який відповідає теоретичним моделям для міжзоряного середовища. Що стосується магнітного поля, то наступні вимірювання показали, що через вплив геліосфери його лінії змінюють свій напрямок не відразу, а поступово. Після цього факт виходу Voyager 1 у міжзоряний простір був визнаний усіма провідними вченими.

Майбутнє місії Voyager

На цей час, Voyager 1 знаходиться на відстані 157,1 а. о. від Сонця (23,5 млрд км), це найбільш віддалений об’єкт у Всесвіті, зроблений руками людини. Voyager 2 знаходиться на відстані 130,9 а. о. від Сонця (19,6 млрд км). З нашої точки зору це гігантські цифри, але зовсім невеликі за астрономічними мірками. Якби Voyager 1 прямував до Проксими Центавра, йому знадобилося б 75 тисяч років, щоб дістатися зорі.

Схема геліосфери та приблизне положення зондів Voyager. Джерело: NASA/JPL-Caltech

Обидва апарати все ще працюють та передають дані на Землю. У Voyager 1, як і раніше, включені магнітометр, детектор космічних променів, датчик заряджених частинок та приймач плазмових хвиль. У Voyager 2, крім зазначених приладів, все ще працює детектор плазми.

На жаль, з кожним роком рітеги апаратів генерують дедалі менше енергії. За останніми оцінками її вистачить приблизно до 2025 року. Після цього інженерам доведеться приступити до відключення приладів, які залишилися. А потім енергії буде недостатньо, навіть для підтримки зв’язку із Землею. Найімовірніше, це відбудеться десь у районі п’ятдесятирічного ювілею місії.

Втім, навіть після того, як пара земних посланців перестане виходити на зв’язок, вони продовжать свою нескінченну подорож. Оскільки апарати розвинули третю космічну швидкість, то у майбутньому, вони назавжди покинуть Сонячну систему.

Voyager в уявленні художника. Джерело: NASA/JPL-Caltech

Жоден з апаратів не спрямований до будь-якої конкретної зорі. За останніми розрахунками, приблизно через 40 тисяч років, Voyager 1 наблизиться на дистанцію у 1,6 світлових років до зорі Gliese 445. Через 260 тисяч після цього, апарат пройде на відстані менше світлового року від червоного карлика TYC 3135-52-1. Що стосується Voyager 2, то через 42 тисячі років він наблизиться на дистанцію у 1,7 світлових років до червоного карлика Росс 248.

Золота платівка Voyager

На борту кожного Voyager є послання — на той випадок, якщо у далекому майбутньому зонди будуть підібрані представниками будь-якої інопланетної цивілізації. Це запис, зроблений фонографічним чином на позолочену мідну платівку. Він містить музичні твори, вітання різними мовами, звернення президента США і генсека ООН, звуки нашої планети та навіть пісні китів. Також на платівці знаходяться 116 знімків, які повинні дати деяке уявлення про Сонячну систему, Землю, людей, нашу культуру та техніку.

Золота платівка Voyager та її захисний футляр. Джерело: NASA

Платівки розміщені усередині, закріпленого на корпусі апаратів, футляра. На його оболонці вигравіювана схема, яка зображує порядок відтворення послання, спосіб перетворення відеосигналів у зображення, схема випромінювання атома водню (для отримання використовуваних в посланні одиниць вимірювання), а також пульсарна карта, яка дозволяє визначити місцеперебування Сонця.

Установка футляра із золотою платівкою на корпус апарата Voyager. Джерело: NASA

Ми не знаємо, чи програє хтось платівки Voyager, чи вони так і залишаться вічним космічним посланням у пляшці. Але, у будь-якому разі, після того, як Сонце перетвориться на червоний гігант та поглине Землю, апарати мають непогані шанси залишитися останніми предметами у Всесвіті, які доводять, що на нашій планеті колись існувало розумне життя.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine