У 1989 році зонд Voyager 2 здійснив історичний проліт Нептунy. Після цього в околицях Сонця лишився тільки один відомий великий недосліджений об’єкт — Плутон, який тоді ще мав статус дев’ятої планети. Здавалося логічним, що NASA відправить до нього міжпланетний апарат і прибере таким чином останню «білу пляму» з карти Сонячної системи.
Але розробка, схвалення та запуск місії до Плутону виявилися набагато складнішими завданнями, ніж можна було припустити. Загалом це зайняло понад 15 років. Ба більше, проєкт експедиції на околицю Сонячної системи неодноразово перебував під загрозою зриву та реалізувався лише завдяки наполегливості його учасників і підтримці наукової спільноти.
Можливо, з часом непроста історія місії New Horizons ляже в основу сюжету якогось фільму.
Від Pluto 350 до New Horizons
Наприкінці 80-х — початку 90-х років кілька груп американських учених та інженерів почали попереднє опрацювання концептів космічного апарата, який можна було би відправити до Плутону. Один із них назвали Pluto 350. Проєкт передбачав запуск на прольотну траєкторію зонда масою 350 кг. До складу групи розробників увійшов і молодий планетолог Алан Стерн (Alan Stern), який пізніше зіграв ключову роль у створенні New Horizons.
На жаль, у ті роки бюджет NASA суттєво урізали, й адміністрація не була готова фінансувати ще одну велику міжпланетну місію. В результаті учасники проєкту Pluto 350 почали розглядати варіант залучення до співпраці Росії. Одна з пропонованих ідей передбачала розміщення на борту основного апарату російського зонда, який би здійснив посадку на Плутон. У 1994 році Алан Стерн із власної ініціативи прибув до Москви на перемовини з керівництвом Інституту космічних досліджень РАН. Але через низку причин із цього починання нічого не вийшло. У підсумку проєкт Pluto 350 був закритий.
Ситуація почала поступово змінюватися наприкінці 90-х, коли астрономи змогли підтвердити існування поясу Койпера — віддаленого регіону, наповненого великою кількістю крижаних тіл, що залишилися з часів формування Сонця та планет. До початку нового століття дослідники почали масово відкривати великі транснептунові об’єкти, за розмірами схожі на Плутон. Стало зрозуміло, що він є не «одинаком» на краю Сонячної системи, а лише одним із найбільших представників цілого класу тіл. Усе це значно підвищило інтерес наукової спільноти та громадськості до відправлення космічного апарата у цей незвіданий регіон.
У результаті Лабораторія реактивного руху (JPL NASA) розробила новий проєкт, що отримав назву Pluto Kuiper Express. Запуск місії до Плутону був запланований на 2004 рік, але 2000-го керівництво NASA скасувало його через високу вартість.
Згодом на сцену знову вийшов Алан Стерн. Очолювана ним команда дослідників із Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса (APL) підготувала альтернативний проєкт місії до Плутону, що пізніше отримав назву New Horizons. Під час його розробки основний акцент був зроблений на відносній дешевизні та швидкості реалізації. Щоб знизити витрати, конструктори запропонували використовувати компоненти й інженерні рішення від попередніх місій NASA (зокрема Cassini-Huygens).
У 2001 році американська аерокосмічна адміністрація офіційно схвалила експедицію до Плутону, щоб незабаром… знову заявити про її скасування через бюджетні обмеження. Але учасники проєкту не погодилися з таким рішенням і розгорнули цілу інформаційну кампанію з метою пояснити всю наукову важливість досліджень об’єктів поясу Койпера та престижність такої місії для іміджу США. У підсумку уряд країни все-таки виділив кошти на створення апарата.
За габаритами New Horizons співставний із фортепіано. Розміри зонда — 2,2×2,7×3,2 м, його початкова маса (з урахуванням палива для бортових двигунів) становила 478 кг. Він оснащений комплектом із семи наукових інструментів, до складу якого входять кілька камер і спектрометрів, детектор частинок пилу та вимірювач параметрів сонячного вітру. Апарат отримує енергію від радіоізотопного термоелектрогенератора (РІТЕГ), що залишився як запасний компонент від місії Cassini.
На відміну від зондів Pioneer і Voyager, NASA вирішила не встановлювати на New Horizons жодних спеціальних послань для позаземних цивілізацій. Проте конструктори розмістили на його борту невелику колекцію своєрідних «сувенірів»: пару прапорів США, компакт-диски зі світлинами проєктувальників місії та іменами людей, які брали участь в акції «Відправ своє ім’я до Плутону», поштову марку 1991 року з написом «Плутон: ще не досліджений» і фрагмент першого приватного космічного корабля SpaceShipOne.
Але найбільше символічне значення має капсула, всередині якої знаходиться частинка праху першовідкривача Плутону Клайда Томбо (Clyde Tombaugh). Так творці місії вшанували пам’ять знаменитого астронома, надавши йому честь стати першою людиною, похованою в міжзоряному просторі. Також на борт New Horizons поклали два четвертаки — адже під час своєї подорожі зонд мав відвідати Харон, названий на честь міфічного перевізника до царства метрвих. Тож ці дві монети можна вважати своєрідною платою за перевезення душі Томбо.
Довга дорога до Плутона
New Horizons був запущений 19 січня 2006 року за допомогою ракети Atlas V. Цікаво, що тоді Плутон ще вважався дев’ятою планетою — його позбавили цього статусу на XXVI Генеральній асамблеї Міжнародного астрономічного союзу, що відбулась у Празі в серпні того ж року.
Під час запуску New Horizons установив важливий рекорд — він залишив околиці Землі з найбільшою швидкістю (16,26 км/с). Але навіть цього було недостатньо, щоб досягти Плутона у прийнятні терміни. Тому траєкторія апарата була прокладена таким чином, щоб він здійснив візит до Юпітеру і скористався його гравітацією для додаткового прискорення.
На шляху до газового гіганта New Horizons виконав дальній проліт астероїда 132524 APL. Інженери використали цю можливість для перевірки здатності космічного апарата відстежувати об’єкти, які швидко рухаються.
Проліт Юпітеру відбувся в лютому 2007 року. Під час нього апарат провів комплексні спостереження, зробивши низку ефектних знімків планети та її найбільших супутників (у тому числі виверження вулканів Іо). Після завершення прольоту New Horizons на тривалий час перевели в режим гібернації.
На початку 2015 року зонд приступив до спостережень Плутону з великої відстані. Метою цієї кампанії було уточнення позиції карликової планети та членів її супутникового сімейства задля прокладання найоптимальнішої траєкторії польоту. Іншим важливим завданням був пошук ще не відкритих плутоніанських супутників і/або кілець. На той момент астрономи ще не мали достатньо інформації про колишню дев’яту планету та припускали, що вона може бути оточена кільцями чи пиловими хмарами, що становитимуть потенційну загрозу для місії. Врешті ці побоювання не підтвердилися.
4 липня 2015 року, за десять днів до максимального зближення з Плутоном, бортовий комп’ютер New Horizons несподівано перейшов у безпечний режим, що поставило під загрозу всі заплановані дослідження. На щастя, фахівці групи супроводу зуміли швидко визначити причину збою та відновити працездатність апарата. Тому цей інцидент мінімально вплинув на виконання наукової програми.
Історичний проліт
14 липня 2015 року New Horizons пройшов на відстані 12,5 тис. км від поверхні Плутону і у 28,8 тис. км від Харону. Після отримання підтвердження того, що апарат успішно «пережив» зближення та виконав усі необхідні вимірювання, почався тривалий період ретрансляції зібраних під час прольоту даних. Вона завершилася лише наприкінці жовтня 2016-го. Настільки значний термін пояснюється як великою відстанню між апаратом і Землею (майже 5 млрд км), так і технічними обмеженнями бортової апаратури та можливостями передавача зонду.
Проте це очікування було виправданим. Раніше вважалося, що Плутон нагадує нептуніанський супутник Тритон. Але вже перші знімки з близької відстані показали, що це не так. Головною відмінною рисою карликової планети є «серце» — величезний світлий регіон характерної форми розміром 2300 км. Його західна частина (Рівнина Супутника) — одна з найдивовижніших формацій у всій Сонячній системі. Вона вкрита гладким азотним льодом, на якому немає жодного ударного кратера, що свідчить про її виняткову молодість. Рівнина оточена горами, що складаються з водяного льоду (за температури на поверхні Плутону він фактично грає роль скелястих порід).
На думку дослідників, «серце» насправді є величезним ударним кратером, який поступово наповнився азотом та іншими замерзлими леткими речовинами. Знімки New Horizons демонструють, що цей регіон укритий свого роду плитами, які складаються з азотного льоду. Вважається, що азот під ними перебуває в рідкому стані. Під час виходу на поверхню він замерзає та утворює нові плити. Згодом вони опускаються під інші, занурюються, тануть, після чого процес повторюється. Це схоже на гігантську «лавову лампу», що забезпечує постійне оновлення поверхні.
Інший дивовижний факт — це «айсберги», тобто блоки водяного льоду, які зустрічаються на Рівнині Супутника. Схоже, що вони періодично відколюються від оточуючих її гір. Щоправда, швидкість їхнього руху невелика і складає лише кілька сантиметрів на рік.
Але Рівнина Супутника є далеко не єдиною цікавинкою карликової планети. New Horizons також зміг сфотографувати незвичайні «зазубрені» ділянки, вкриті характерними крижаними утвореннями, схожими на леза чи голки. Їхня висота сягає 500 м. Зазвичай вони розташовані рядами з інтервалом у 3-5 км. Ці голки утворюються під час вимерзання метану з плутоніанської атмосфери.
На Плутоні також є високогірні та сильно кратеровані регіони. Знімки New Horizons показали, що їхні найвищі ділянки вкриті метановим снігом, водночас у низинах зустрічаються толіни — суміш складних органічних молекул, що формуються в азотно-метановій атмосфері під впливом сонячного випромінювання.
Були зібрані також цінні дані про газову оболонку карликової планети, яка виявилася куди складнішою, ніж вважали вчені. New Horizons з’ясував, що вона складається з безлічі шарів вуглеводневої димки. При цьому, попри її крайню розрідженість, там вирують вітри, які помітно впливають на поверхневі процеси. Один із найкрасивіших знімків місії був зроблений, коли Сонце перебувало позаду Плутону та просвічувало крізь його атмосферу, створюючи ореол із прекрасного блакитного серпанку.
Харон також подарував ученим кілька сюрпризів. Виявилося, що вздовж його екватора тягнеться гігантська система каньйонів, глибина яких сягає 9 км. Ймовірно, її сумарна протяжність може навіть перевищувати довжину знаменитих марсіанських Долин Марінера. Швидше за все, колись Харон мав підповерхневий океан. Коли він замерз, це призвело до розширення надр супутника, в результаті чого його кора тріснула.
Іншою незвичайною особливістю Харону є гори, які в прямому сенсі виростають із западин. Вважається, що їхнє походження пов’язане з кріовулканічною активністю, однак механізм появи цих структур поки лишається загадкою для вчених.
Якщо ж підбити підсумки прольоту Плутону, мабуть, головним відкриттям місії стало те, що навіть настільки віддалене від Сонця холодне тіло може зберігати ендогенну активність у наші дні. Дедалі більше дослідників схиляються до припущення, що в надрах карликової планети все ще може існувати океан рідкої води. А це означає, що зона пошуків позаземного життя набагато ширша, ніж вважалося раніше.
Вглиб поясу Койпера
Після прольоту Плутону New Horizons приступив до розширеної частини своєї місії — вивчення поясу Койпера. Її головною метою мав стати близький проліт якогось віддаленого «попутного» об’єкта. Щоправда, пошуки такого тіла виявилися досить непростим завданням, із яким не вдалося впоратися навіть найпотужнішим наземним обсерваторіям. Тому керівництво проєкту вирішило скористатися телескопом Hubble. Після тривалих пошуків астрономи все ж ідентифікували кілька відповідних койпероїдів поблизу траєкторії зонда. Вибір був зроблений на користь об’єкта 2014 MU69, що пізніше отримав назву Аррокот (486958 Arrokoth).
New Horizons відвідав Аррокот 1 січня 2019 року. Проліт знову подарував чимало цікавинок. Койпероїд виявився мало схожим на відомі нам комети й астероїди. Передані зображення продемонстрували незвичайний світ розміром 36×20 км, що складається з двох сплюснених сфер, сполучених тонким перешийком. За словами астрономів, Аррокот є найбільш «первісним» тілом Сонячної системи з усіх відвіданих автоматичними апаратами.
Поверхня койпероїда має червонуватий відтінок і вкрита метанольним льодом, а також більш складними органічними молекулами. Її середня температура становить -244±5°C. Ймовірно, Аррокот утворився в результаті зіткнення на малій швидкості двох об’єктів, яке сталося незабаром після початку формування нашої планетної системи.
Аналіз знімків Аррокота виявив кілька кратерів. Діаметр найбільшого з них становить 7 км, решта мають субкілометрові розміри. Зважаючи на загальну кількість ударних формацій, астрономи оцінили вік поверхні койпероїда в 4 млрд років. З урахуванням того, що орбіта об’єкта близька до кругової, це підтверджує припущення, що він зберігся практично в недоторканому вигляді з часів «молодості» Сонячної системи й після свого формування майже не піддавався серйозним зовнішнім впливам.
Після прольоту Аррокота New Horizons продовжив рух углиб поясу Койпера. Нині апарат використовується для віддалених спостережень транснептунових об’єктів, а також для різних експериментів. Наприклад, нещодавно з допомогою зонда здійснили вимірювання відстаней до найближчих до Сонця зірок.
Співробітники місії сподіваються, що в майбутньому їм удасться знайти ще один об’єкт поясу Койпера, до якого можна було би скерувати New Horizons. Влітку 2020 року до пошуків долучили наземний телескоп «Субару». Варто зазначити, що шанси відшукати «підходящий» койпероїд не надто високі. Річ у тім, що космічний апарат уже пройшов більшу частину поясу й до того ж витратив багато палива, а це значно обмежує можливості зміни його траєкторії.
Проте, навіть якщо «Субару» й не зможе знайти відповідний об’єкт, New Horizons не залишиться без діла. Він продовжить дистанційні спостереження, а також здійснюватиме вимірювання характеристик навколишнього середовища. За прогнозами інженерів, його РІТЕГ вироблятиме достатню кількість енергії для нормальної роботи як мінімум до початку 2030-х років.
Потенційні майбутні місії до Плутона та в пояс Койпера
Відкриття, зроблені зондом New Horizons, сприяли підвищенню наукового інтересу до поясу Койпера. Якщо на Плутоні можливе існування підльодного океану, ми можемо очікувати подібного й від інших великих транснептунових об’єктів. Але єдиний спосіб перевірити це припущення — відправити до них нові місії.
На жаль, здійснити це непросто. Головна проблема — у часі. Навіть за вдалого розташування планет, що дозволить задіяти гравітаційне прискорення, подорож пролітною траєкторією займе не менше десятиліття. Якщо ж ідеться про місію з виходом на постійну орбіту, що вимагає гальмування біля цілі — термін її реалізації розтягнеться на кілька десятиліть. А це значно ускладнює підготовку такого проєкту і зменшує шанси на його схвалення.
Прикладом може бути недавній концепт нової місії з дослідження Плутону, розроблений групою інженерів, багато з яких брали участь у створенні New Horizons. Він передбачає запуск апарата, що буде виведений на орбіту навколо карликової планети з можливістю подальшого відправлення до інших об’єктів поясу Койпера. Щоб досягти заявленої мети, автори проєкту пропонують використати комбінацію з надважкої ракети-носія на кшталт SLS, серії гравітаційних маневрів, а також ядерного електричного ступеня, доповненого модулем із традиційним хімічним двигуном.
Запропонована схема польоту має такий вигляд. Запуск відбудеться у 2028 році, апарат виконає перший проліт Плутону в 2046-му. Потім він здійснить серію гальмівних маневрів, використовуючи як власні двигуни, так і гравітацію карликової планети. До 2059 року автоматичний розвідник повністю погасить свою орбітальну швидкість, що дозволить йому вийти на постійну плутоноцентричну орбіту. Після завершення основної місії зонд зможе залишити околиці Плутону і буде спрямований до іншого об’єкта поясу Койпера.
За приблизними підрахунками, реалізація подібного проєкту обійдеться в мільярди доларів, що на порядок більше вартості New Horizons. Зараз видається малоймовірним, що NASA фінансуватиме таку місію.
Якщо ж говорити про більш «приземлені» варіанти, то варто згадати проєкт Trident, розроблений командою інженерів із JPL. Згідно з задумом авторів, архітектура місії має базуватися на основних інженерних рішеннях New Horizons, що дозволить істотно зменшити витрати на її реалізацію.
Мета проєкту — вивчення з пролітної траєкторії Тритону. Так, формально він є супутником Нептуну, але всі наявні дані свідчать про те, що в далекому минулому це тіло було об’єктом поясу Койпера, в якийсь момент захопленим гравітацією восьмої планети. План польоту передбачав запуск автоматичного апарата в 2025 році, гравітаційний маневр в околицях Юпітеру в 2032-му та проліт Тритону в 2038-му. Час візиту спеціально вибраний таким чином, щоб зонд зміг картографувати всю поверхню супутника. Також астрономи розраховували на те, що він би визначив характеристики тритоніанського підповерхневого океану.
Потім апарат продовжив би рух углиб поясу Койпера. Отже, цілком імовірно, що згодом, як і New Horizons, він міг бути скерований до якогось відповідного об’єкта поблизу своєї траєкторії.
Trident була однією з чотирьох проєктів міжпланетних місій, що потрапили до фіналу чергового відбору за програмою Discovery. В червні 2021 року експерти зробили вибір на користь програм вивчення Венери DAVINCI та VERITAS, відклавши експедицію до зовнішніх областей Сонячної системи на невизначиний термін.
Як бачимо, навіть за найсприятливішого сценарію нова космічна місія дістанеться поясу Койпера не раніше кінця наступного десятиліття. Тож вояж New Horizons фактично був польотом, що міг відбутися раз у покоління. Розуміючи це, починаєш ще більше цінувати зусилля вчених та інженерів, які свого часу домогтися реалізації цієї місії. Інакше ми б і досі не знали, який вигляд має Плутон, не кажучи вже про те, що у нього є «серце», а глибоко в надрах може ховатися цілий океан.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
