В 1989 году Voyager 2 совершил исторический пролет Нептуна. После этого в окрестностях Солнца остался лишь один известный крупный неисследованный объект — Плутон, тогда еще имевший статус девятой планеты. Казалось логичным, что теперь NASA отправит к нему межпланетный аппарат и уберет, таким образом, последнее белое пятно с карты Солнечной системы.
Но разработка, получение одобрения и запуск миссии к Плутону оказались намного более сложными задачами, чем можно было предположить. В общей сложности на это потребовалось свыше 15 лет. Более того, проект экспедиции на окраину Солнечной системы неоднократно находился под угрозой отмены и был реализован лишь благодаря упорству его участников и поддержке научного сообщества.
Не исключено, что со временем непростая история миссии New Horizons даже ляжет в основу сюжета какого-нибудь фильма.
От Pluto 350 до New Horizons
В конце 1980-х — начале 1990-х годов несколько групп американских ученых и инженеров начали предварительную проработку концептов космического аппарата, который можно было бы послать к Плутону. Один из них получил название Pluto 350. Проект предполагал запуск на пролетную траекторию зонда массой 350 кг. В состав группы разработчиков вошел и молодой планетолог Алан Стерн (Alan Stern), позже сыгравший ключевую роль в создании New Horizons.
К сожалению, в те годы бюджет NASA подвергся урезанию, и ведомство оказалось не готово финансировать еще одну крупную межпланетную миссию. В результате участники проекта Pluto 350 начали всерьез прорабатывать вариант привлечения к сотрудничеству России. Одна из рассматривавшихся идей предусматривала размещение на борту основного аппарата российского зонда, который бы совершил посадку на Плутон. В 1994 году Алан Стерн по собственной инициативе даже совершил визит в Москву для обсуждения этой идеи с руководством Института космических исследований РАН. Но по целому ряду причин из этого начинания так ничего и не вышло. В итоге проект Pluto 350 был закрыт.
Ситуация начала постепенно меняться в конце 1990-х. К тому времени астрономы смогли подтвердить существование пояса Койпера — удаленного региона, наполненного большим количеством ледяных тел, оставшихся со времен формирования Солнца и планет. К началу нулевых исследователи начали массово открывать крупные транснептуновые объекты, размер которых был сопоставим с Плутоном. Стало понятно, что он является не «одиночкой» на краю Солнечной системы, а лишь одним из крупнейших представителей целого класса тел. Все это значительно увеличило интерес научного сообщества и широкой общественности к отправке космического аппарата в этот неизведанный регион.
В результате Лаборатория реактивного движения (JPL NASA) разработала новый проект миссии к Плутону, получивший название Pluto Kuiper Express. Ее запуск был запланирован на 2004 год. Но в 2000-м руководство NASA отменило миссию, сочтя ее слишком дорогостоящей.
Вскоре на сцену снова вышел Алан Стерн. Возглавляемая им команда исследователей из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL) подготовила альтернативный проект миссии к Плутону, позже получившей название New Horizons. При его разработке основной акцент был сделан на относительной дешевизне и быстроте реализации. Так, чтобы снизить издержки, конструкторы предлагали использовать компоненты и инженерные решения от предыдущих миссий NASA — в частности, Cassini-Huygens.
В итоге в 2001 году NASA официально одобрила экспедицию к Плутону, чтобы вскоре… снова заявить об ее отмене из-за бюджетных ограничений. Но участники проекта отказались принять отказ и развернули целую информационную компанию, объяснявшую всю научную важность исследований объектов пояса Койпера и престижность такой миссии для имиджа США. В результате американское правительство все же согласилось выделить деньги на создание аппарата.
По габаритам New Horizons оказался сопоставим с фортепиано. Он имеет размеры 2,2×2,7×3,2 м, его начальная масса (с учетом топлива) составляла 478 кг. Зонд оснастили комплектом из семи научных инструментов, включающим несколько камер и спектрометров, детектор пыли и измеритель параметров солнечного ветра. Аппарат получает энергию от радиоизотопного термоэлектрогенератора (ритэга), оставшегося в качестве запасного компонента от миссии Cassini.
В отличие от миссий Pioneer и Voyager, NASA решила не устанавливать на New Horizons никаких специальных посланий для инопланетян. Тем не менее, конструкторы разместили на его борту небольшую коллекцию своеобразных «сувениров». Она включает пару флагов США, компакт-диски, на которые записаны фотографии проектировщиков миссии и имена людей, участвовавших в акции «Отправь свое имя к Плутону», почтовую марку 1991 года с надписью «Плутон: еще не исследован» и фрагмент первого частного космического корабля SpaceShipOne.
Но наибольшее символическое значение имеет капсула, внутри которой находится частица праха первооткрывателя Плутона Клайда Томбо. Таким способом создатели миссии почтили память знаменитого астронома, оказав ему честь стать первым человеком, похороненным в межзвездном пространстве. Также на борт New Horizons положили два четвертака, что вряд ли является случайностью. Во время своего путешествия зонд должен был посетить Харон, названный в честь мифического перевозчика в царство мертвых. Поэтому две монеты можно считать своеобразной «платой» за провоз души Томбо.
Долгая дорога к Плутону
New Horizons был запущен в январе 2006 года при помощи ракеты Atlas V. Интересно, что Плутон тогда еще носил звание девятой планеты: он был лишен этого статуса на специальной сессии Международного астрономического союза, состоявшейся в августе 2006-го.
В ходе запуска New Horizons установил важный рекорд — он покинул окрестности Земли с наибольшей скоростью (которая составляла 16,26 км/с). Но даже этого было недостаточно для того, чтобы достичь Плутона в приемлемые сроки. Поэтому траектория аппарата была проложена таким образом, чтобы он совершил визит к Юпитеру и воспользовался его гравитацией для ускорения.
На пути к газовому гиганту New Horizons выполнил дальний пролет астероида 132524 APL. Инженеры использовали эту возможность для проверки способности космического аппарата отслеживать быстродвижущиеся объекты.
Зонд совершил пролет Юпитера в феврале 2007 года и провел его комплексные наблюдения, сделав ряд эффектных снимков планеты и ее крупнейших спутников. New Horizons даже смог заснять извержение вулканов Ио. После завершения пролета аппарат был на длительное время переведен в режим гибернации.
В начале 2015 года New Horizons приступил к дальним наблюдениям Плутона. Целью этой кампании было уточнение позиции карликовой планеты и ее спутникового семейства с целью прокладки наиболее оптимальной траектории полета. Другой важной задачей был поиск еще не открытых спутников и/или колец Плутона. Дело в том, что на тот момент у астрономов были весьма скудные представления о бывшей девятой планете. Так, существовало предположение, что она может быть окружена кольцами или пылевыми облаками, представляющими потенциальную угрозу для межпланетных аппаратов. Однако эти опасения не подтвердились.
4 июля 2015 года, всего за десять дней до пролета Плутона, New Horizons неожиданно перешел в безопасный режим, что поставило под удар все намеченные исследования. К счастью, специалисты группы сопровождения миссии сумели быстро установить причину сбоя и восстановить работоспособность аппарата. Так что инцидент оказал минимальное влияние на выполнение научной программы.
Исторический пролет
Историческое событие состоялось 14 июля 2015 года. В тот день New Horizons прошел на расстоянии 12,5 тыс. км от поверхности Плутона и в 28,8 тыс. км от Харона. После получения подтверждения того, что аппарат успешно пережил сближение и выполнил все необходимые измерения, начался длительный период ретрансляции собранных во время пролета данных. Она завершилась лишь в конце октября 2016 г. Столь значительный срок объясняется как большим расстоянием между зондом и Землей (оно составляло порядка 5 млрд км), так и техническими ограничениями бортовой аппаратуры, в том числе и возможностями передатчика.
В любом случае, ожидание оказалось вознаграждено с лихвой. До визита New Horizons к Плутону считалось, что он напоминает Тритон. Но уже первые фотографии показали, что это не так. Главной отличительной особенностью карликовой планеты является «сердце» — огромный регион характерной формы поперечником в 2300 км. Его западная часть (Равнина Спутника) представляет особой одну из наиболее удивительных формаций во всей Солнечной системе. Она покрыта гладким азотным льдом, на котором нет ни одного ударного кратера, что говорит о ее исключительной молодости. По краям Равнина Спутника обрамлена горами, состоящими из водяного льда (при температурах на поверхности Плутона он фактически играет роль скалистых пород).
По мнению исследователей, Равнина Спутника представляет собой огромный ударный кратер, постепенно заполнившийся азотом и другими замерзшими летучими веществами. Снимки New Horizons демонстрируют, что этот регион покрыт своего рода плитами, состоящими из азотного льда. Предполагается, что азот под ними находится в жидком состоянии. Когда он выходит на поверхность, то замерзает и образует новые плиты. Со временем они «подныривают» под другие, погружаются, тают, после чего процесс повторяется. Таким образом, весь этот регион представляет собой нечто вроде гигантской «лава-лампы», обеспечивающей постоянное обновление поверхности.
Другой удивительный факт заключается в том, что по Равнине Спутника плавают самые настоящие «айсберги» — блоки водяного льда, которые периодически откалываются от окружающих ее гор. Правда, скорость их движения невелика и составляет всего несколько сантиметров в год.
Но Равнина Спутника является далеко не единственной достопримечательностью карликовой планеты. New Horizons также смог сфотографировать необычные «зазубренные» участки, покрытые характерными ледяными образованиями, внешне похожими на лезвия (иглы). Их высота достигает 500 м. Обычно они расположены рядами с интервалом в 3-5 км. Эти иглы образуются при вымерзании метана из плутонианской атмосферы.
На Плутоне также имеются высокогорные и сильно кратерированные регионы. Снимки New Horizons показали, что их наиболее высокие участки покрыты метановым снегом, в то время как в низинах находятся толины — смесь сложных органических молекул, формирующихся в азотно-метановой атмосфере под воздействием солнечного излучения.
Были собраны ценные данные и о газовой оболочке карликовой планеты. Она оказалась куда сложнее, чем считали ученые. New Horizons выяснил, что атмосфера Плутона состоит из множества слоев углеводородной дымки. При этом, несмотря на ее крайнюю разреженность, в ней дуют ветра, оказывающие заметное влияние на поверхностные процессы. Один из наиболее знаковых снимков миссии был сделан, когда Солнце находилось позади Плутона, подсвечивая его атмосферу. Фото демонстрирует красивую голубую дымку, окружающую карликовую планету.
Харон также преподнес несколько сюрпризов. Оказалось, что вдоль его экватора тянется гигантская система каньонов, глубина которых достигает 9 км. Не исключено, что ее суммарная протяженность даже может превышать длину знаменитой Долины Маринера. Скорее всего, некогда Харон обладал подповерхностным океаном. Когда он замерз, это привело к расширению недр спутника, в результате чего его кора попросту треснула.
Другой необычной особенностью Харона являются горы, которые в прямом смысле слова произрастают из впадин. Предполагается, что их происхождение как-то связано с криовулканической активностью, однако точный механизм пока остается загадкой для ученых.
Если же подводить общие итоги пролета, пожалуй, главным открытием миссии стало то, что даже столь далекое от Солнца холодное тело может сохранять эндогенную активность в наши дни. По мере обработки данных New Horizons все больше исследователей склоняются к предположению, что в недрах Плутона все еще может существовать океан жидкой воды. А это значит, что зона поисков внеземной жизни намного шире, чем считалось ранее, и включает в себя даже удаленные регионы Солнечной системы.
Вглубь пояса Койпера
После пролета Плутона New Horizons приступил к расширенной части своей миссии — изучению пояса Койпера. Ее главной задачей должен был стать близкий пролет какого-то подходящего попутного объекта. Правда, обнаружение такого тела оказалось весьма непростой задачей, с которой не удалось справиться даже самым мощным наземным обсерваториям. Поэтому руководству миссии пришлось обратиться за помощью к телескопу Hubble. В ходе длительных поисков астрономам все же удалось идентифицировать несколько подходящих койпероидов, расположенных не слишком далеко от траектории зонда. После тщательного анализа выбор был сделан в пользу объекта 2014 MU69, позже получившего название Аррокот (486958 Arrokoth).
New Horizons навестил Аррокот 1 января 2019 года. Пролет вновь преподнес немало сюрпризов. Койпероид оказался мало похож как на известные нам астероиды, так и на кометы. Переданные снимки продемонстрировали необычный мир размером 36×20 км, состоящих из двух сплюснутых сфер, соединенных тонким перешейком. По словам астрономов, Аррокот является самым «первобытным» телом Солнечной системы, посещенным автоматическим разведчиком.
Поверхность Арррокота имеет красноватый оттенок и покрыта метанольным льдом, а также более сложными органическими молекулами. Средняя температура его поверхности составляет -244±5°C. По всей видимости, койпероид образовался в результате столкновения на малой скорости двух объектов, произошедшего вскоре после формирования нашей планетной системы.
Анализ снимков New Horizons выявил нескольких кратеров. Диаметр крупнейшей ударной формации составляет 7 км, остальные имеют субкилометровые размеры. Исходя из общего количества кратеров, астрономы оценили возраст поверхности Аррокота в 4 млрд лет. С учетом того, что орбита объекта близка к круговой, это подтверждает предположения о том, что он сохранился практически в первозданном виде со времен «молодости» Солнечной системы и после своего формирования не подвергался каким-то серьезным внешним воздействиям.
После пролета Аррокота New Horizons продолжил движение вглубь пояса Койпера. В настоящее время аппарат используется для удаленных наблюдений транснептуновых объектов, а также для различных экспериментов. Например, недавно он был задействован в измерении расстояний до ближайших к Солнцу звезд.
Сотрудники миссии надеются, что в будущем им удастся найти еще один подходящий объект пояса Койпера, к которому можно было бы направить New Horizons. Летом 2020 года они приступили к их поиску с использованием наземного телескопа «Субару». В то же время стоит сказать, что шансы на успех этого предприятия не очень высоки. Дело в том, что зонд уже прошел большую часть пояса. К тому же он истратил значительную часть топлива, что значительно ограничивает возможности изменения его траектории.
Но даже если «Субару» не сможет найти подходящих объектов, New Horizons не останется без дела. Он будет продолжать дистанционные наблюдения транснептуновых объектов, а также осуществлять измерения характеристик окружающей среды. По прогнозам инженеров, ритэг аппарата будет вырабатывать достаточную для продолжения работы энергию как минимум до начала 2030-х годов.
Потенциальные будущие миссии к Плутону и в пояс Койпера
Открытия, которые сделал New Horizons, значительно подогрели научный интерес к поясу Койпера. Если на Плутоне все еще может существовать океан, значит, мы вправе ожидать подобного и от других крупных транснептуновых объектов. Но единственный способ проверить это предположение — отправить к ним новые миссии.
К сожалению, осуществить подобное не так уж просто. Основная проблема заключается во времени. Даже при удачном расположении планет путешествие по пролетной траектории займет не меньше десятилетия. Если же речь идет о миссии с выходом на постоянную орбиту, то срок ее реализации растянется на несколько десятилетий. А это значительно усложняет подготовку такого проекта и уменьшает шансы на его одобрение.
В качестве примера можно привести недавний концепт новой миссии по исследованию Плутона, предложенный группой инженеров, по большей части участвовавших в создании New Horizons. Она предусматривает запуск аппарата, который будет выведен на орбиту вокруг карликовой планеты с возможностью его последующей отправки к другим объектам пояса Койпера. Чтобы добиться заявленной цели, авторы проекта предлагают использовать комбинацию из сверхтяжелой ракеты-носителя вроде SLS, серии гравитационных маневров, а также ядерной электрической ступени, дополненной модулем с традиционным химическим двигателем.
Предложенная схема полета выглядит следующим образом. При запуске в 2028 году аппарат выполнит первый пролет Плутона в 2046-м. После этого он осуществит серию тормозных маневров, используя как собственные двигатели, так и гравитацию карликовой планеты. К 2059 году автоматический разведчик полностью погасит свою орбитальную скорость, что позволит ему выйти на постоянную плутоноцентрическую орбиту. По завершении основной миссии он сможет покинуть окрестности Плутона и будет направлен к другой цели в поясе Койпера.
Даже по самым грубым прикидкам реализация подобного проекта обойдется во многие миллиарды долларов, что на порядок больше стоимости New Horizons. На данный момент кажется маловероятным, что NASA возьмется финансировать подобную миссию.
Если же говорить про более приземленные варианты, то нужно упомянуть Trident. Проект был разработан командой инженеров из JPL. По замыслу авторов, архитектура миссии должна базироваться на основных инженерных решениях New Horizons, что позволит существенно снизить расходы на ее реализацию.
Цель Trident заключается в изучении с пролетной траектории Тритона. Да, формально он является спутником Нептуна — но все имеющиеся данные говорят о том, что в далеком прошлом это тело было объектом пояса Койпера, в какой-то момент захваченным гравитацией восьмой планеты. План полета предусматривал запуск в 2025 году, гравитационный маневр в окрестностях Юпитера в 2032-м и пролет Тритона в 2038-м. Время визита специально выбрано таким образом, чтобы зонд сумел картографировать всю поверхность спутника. Также астрономы рассчитывали на то, что он определит характеристики его подповерхностного океана.
После пролета Тритона аппарат продолжил бы движение вглубь пояса Койпера. Так что не исключено, что, подобно зонду New Horizons, впоследствии он мог бы направиться к какому-то подходящему «попутному» объекту.
Trident был одним из четырех проектов межпланетных миссий, вышедших в финал очередного отбора по программе Discovery. В июне 2021 года эксперты сделали выбор в пользу программ изучения Венеры DAVINCI и VERITAS, отложив экспедицию во внешние области Солнечной системы на неопределенный срок.
Как видим, даже при самом благоприятном сценарии новая космическая миссия доберется до пояса Койпера не раньше конца следующего десятилетия. Так что вояж New Horizons фактически был полетом, который мог состояться раз в поколение. Зная это, начинаешь еще больше ценить усилия ученых и инженеров, сумевших добиться его реализации. Если бы не их труды, мы бы до сих пор не знали, как выглядит Плутон, не говоря уже о том, что у него есть сердце, а глубоко в недрах может скрываться целый океан.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
