36 лет назад в космос отправились два путешественника. Тогда еще никто не подозревал, что их путешествие растянется более чем на треть века и действующие космические аппараты смогут добраться до границ Солнечной системы. За «Вояджерами» следит Алексей Паевский.
Моряки-путешественники
Мало кто знает, что «Вояджеры» изначально не должны были так называться. Если бы всё шло, как задумано, мы бы следили за полетами «Маринера-10» и «Маринера-11». Они разрабатывались в рамках большой программы «Маринер», первые десять аппаратов которой изучали Венеру, Марс и Меркурий.
Началась эта программа еще в 1962 году — с неудачи. 22 июля 1962 года «Маринер-1» стартовал к Венере, но что-то пошло не так, ракета-носитель отклонилась от курса, и ее пришлось взорвать. Были потеряны и «Маринер-3» с «Маринером-8», летевшие на Марс. Позже два аппарата достигли Венеры, четыре — Марса, один («Маринер-10») долетел до Меркурия и стал единственным в XX веке зондом, сумевшим добраться до ближайшей к Солнцу планеты.
Постепенно из проекта «Маринер» стала вычленяться программа «Большой тур». А всё из-за того, что начало космической эры совпало со сравнительно редким явлением в Солнечной системе: все планеты-гиганты оказались в достаточно узком секторе. Это позволяло посетить одним аппаратом все четыре планеты сразу. Предыдущий раз такое случалось еще в XVIII веке, так что в этом современной космонавтике повезло.
Впрочем, астрономам и разработчикам из NASA, готовившим «Большой тур», пришлось достаточно быстро умерить свои аппетиты: лунная гонка съела очень много денег, и бюджет урезали. Так что построили два аппарата, которые гарантированно долетели бы до Юпитера и Сатурна. Для четырех планет пришлось бы строить зонды больше и дороже. Впрочем, возможность слетать к Урану и Нептуну разработчики всё равно держали в голове, по крайней мере для одного аппарата. Наконец, в 1977 году «Вояджеры» были готовы к старту.
Основная программа: Юпитер и Сатурн
Старт самой грандиозной космической экспедиции в истории исследования Солнечной системы состоялся в конце августа — начале сентября 1977 года. При этом первым стартовал второй аппарат — 20 августа тяжелая ракета-носитель «Титан IIIE» c разгонным блоком «Центавр» отправила в далекий космос «Вояджер-2». А «Вояджер-1» стартовал двумя неделями позже, 5 сентября. Он изначально летел только к двум планетам — Юпитеру и Сатурну, поэтому направлялся по менее экономичной, но более короткой трассе.
Таким образом, Юпитер и Сатурн первым исследовал «Вояджер-1». 5 марта 1979 года он максимально приблизился к Юпитеру, в ноябре 1980 года пролетел рядом с его спутником Титаном, у Сатурна круто изменил траекторию и начал подниматься вверх над плоскостью Солнечной системы, получив дополнительное ускорение. «Вояджер-2» повторил этот путь с некоторым опозданием: 9 июля 1979 года — Юпитер, 26 августа 1981 года — Сатурн.
Несмотря на то что аппараты не первыми появились в окрестностях двух самых больших планет Солнечной системы (прежде Юпитера и Сатурна достигли «Пионер-10» и «Пионер-11»), их научный «улов» оказался очень весомым. Начнем с того, что впервые удалось получить четкие снимки обеих планет и их спутников (только по системе Юпитера сделано более 33 тыс. изображений, что позволило изучить динамику юпитерианской атмосферы). «Вояджеры» открыли вулканизм спутника Юпитера Ио и водяной лёд на Европе, указывающий на наличие океана подо льдом. Кроме того, были открыты три новых спутника Юпитера — Адрастея, Теба и Метида. Выяснилось, что Юпитер — в какой-то мере несостоявшаяся звезда и отдает в пространство больше энергии, чем получает от Солнца. Кроме того, удалось найти слабое кольцо у Юпитера.
О Сатурне тоже повезло узнать много нового. В первую очередь состав его атмосферы и то, что шесть его колец состоят из множества узких колечек. Кроме того, «Вояджеры» открыли восемь новых спутников, в том числе удивительные спутники-пастухи, которые своей гравитацией формируют некоторые кольца Сатурна. Выяснилось, что Титан чуть меньше, чем ожидалось, зато покрыт плотной атмосферой.
Бонусы — Уран И Нептун
По итогам пролета Юпитера и Сатурна «Вояджером-1» в 1981 году было принято решение лететь к Урану. «Вояджер-1» между тем уже поднимался над эклиптикой, где нет планет. Чтобы избежать такого же со вторым аппаратом, его траекторию подкорректировали, отказавшись от сближения с Титаном. Впервые в истории человечества космический аппарат отправился к внешним планетам Солнечной системы. Чтобы достичь Урана — уникальной планеты, обращающейся вокруг Солнца почти «на боку», — «Вояджеру-2» потребовалось менее пяти лет. 24 января 1986 года зонд пролетел мимо Урана и передал на Землю массу изображений и научных данных. Три года спустя, в августе 1989 года, состоялся визит к Нептуну — и снова множество данных и фотографий, которых могло бы и не получиться.
Трудности дальней космической съемки
Попробуйте взять обычный фотоаппарат и выйти в пасмурный день или в сумерки к железнодорожному переезду. Дождитесь поезда и попробуйте сделать четкий снимок вагона. Получилось? Вряд ли. Слишком мало света и слишком велика скорость. Чтобы снимок получился лучше, нужна длинная выдержка, при этом изображение, разумеется, получится смазанным. Значит, нужна съемка с проводкой (это когда вы ведете камеру синхронно за движущимся объектом). А как вы в космосе установите штатив?
Еще во время пролета «Вояджером-2» Урана возникли проблемы с низкой освещенностью самой планеты и ее спутников. «Это всё равно что в сумерки фотографировать кусок угля на черном фоне», — ворчали инженеры. Кстати, одним из тех, кто отвечал за фотосъемку планет и спутников, был знаменитый астроном, энтузиаст поиска внеземных цивилизаций и фантаст Карл Саган, бывший студент не менее знаменитого астронома Джерарда Койпера, открывшего спутник Урана Миранду и спутник Нептуна Нереиду. Теперь его ученику предстояло их сфотографировать. Уровень освещенности в окрестностях Урана в 370 раз ниже, чем в окрестностях Земли. А вблизи Нептуна в 900 раз темнее, чем на Луне и Земле.
Итак, Саган и команда оказались в сложной ситуации. Экспозиция, которая требовалась для съемки Нептуна, составляла не менее 15 секунд. А для колец и темных спутников — от 2 до 10 минут! При этом сам «Вояджер» не стоит на месте, его скорость относительно Солнца — 16 км/с. Относительно Нептуна — и того выше. При этом расстояния до объектов съемки невелики — всего 3900 км от северного полюса Нептуна и 39 000 км от его спутника Тритона. Скорость, импульсы от двигателей ориентации, покачивающие аппарат, даже включение записывающего магнитофона — всё смазывает картинку.
Но все эти трудности удалось преодолеть. Длительность импульсов сократили вдвое, лентопротяжный механизм магнитофона (да, тогда еще не было флешек!) включали только одновременно с двигателями. Дрейф положения осей аппарата стал в 25 раз медленнее часовой стрелки. Чтобы изображения не смазывались из-за скорости, камеры медленно поворачивались вслед за объектом съемки.
Уникальные данные
Результаты краткого визита к Урану и Нептуну еще долго не удастся превзойти. «Вояджер-2» был единственным земным аппаратом, побывавшим у этих планет. И долго еще таким и останется: в реальных планах NASA, Роскосмоса, Японского и Европейского космических агентств миссии к Урану и Нептуну пока не значатся. Дорого и долго туда лететь!
После этого визита объем имеющихся научных данных о дальних планетах-гигантах увеличился во много раз. «Вояджер» открыл 10 спутников Урана и 6 спутников Нептуна, сфотографировал кольца Урана и кольца Нептуна (существование последних вообще было под вопросом), открыл атмосферу у Тритона и действующие гейзеры или криовулканы на нем, получил множество данных по атмосферам планет-гигантов (в том числе открыл Большое Темное Пятно на Нептуне, подобное аналогичному антициклону на Юпитере).
Его прощальный поклон
Как мы помним, так назывался один из рассказов про Шерлока Холмса. Но в какойто мере так можно озаглавить и последний снимок, а точнее — последнее изображение, над которым аппарат «Вояджер-1» начал работу 14 февраля 1990 года. По инициативе Карла Сагана, который был все-таки не только астрономом, но и романтиком, «Вояджер» развернул камеры в сторону внутренней части Солнечной системы и сделал 39 снимков 200-миллиметровым объективом и 21 — 500-миллиметровым. Получилась мозаика — причудливый росчерк взглядом от Нептуна до Юпитера. Меркурий засветило Солнце, Марс тоже не получился из-за бликов, однако остальные планеты и само Солнце — в кадре. Единственный в истории снимок всей Солнечной системы со стороны, который получил название «Семейный портрет». И один из кадров: тусклая голубая точка посреди коричневой полосы — это наша Земля с расстояния около 6 млрд км, или сорока расстояний от Земли до Солнца. Этот знаменитый снимок так и называется поныне — «Бледно-голубая точка» (Pale Blue Dot).
Сам Карл Саган так говорил о нем: «Взгляните еще раз на эту точку. Это здесь. Это наш дом. Это мы. Все, кого вы любите, все, кого вы знаете, все, о ком вы когда-либо слышали, все когда-либо существовавшие люди прожили свои жизни на ней. Множество наших наслаждений и страданий, тысячи самоуверенных религий, идеологий и экономических доктрин, каждый охотник и собиратель, каждый герой и трус, каждый созидатель и разрушитель цивилизаций, каждый король и крестьянин, каждая влюбленная пара, каждая мать и каждый отец, каждый способный ребенок, изобретатель и путешественник, каждый преподаватель этики, каждый лживый политик, каждая “суперзвезда”, каждый “величайший лидер”, каждый святой и грешник в истории нашего вида жили здесь — на соринке, подвешенной в солнечном луче».
Дальше только звезды
Так называлась статья о полете «Вояджеров» известного российского планетолога Леонида Ксанфомалити, написанная еще в 1990 году. С тех пор ничего не изменилось. Разве что тогда, в 1990 году, «Вояджеры» еще не были самыми далекими рукотворными объектами — «Пионеры» были дальше. Однако 17 февраля 1998 года «Вояджер-1» обогнал «Пионер-10» и стал самым удаленным от Земли рукотворным объектом. Так и остается по сей день. «Вояджер-1» на момент написания этой статьи находился в 123,5 а. е. от Земли (больше 17 световых часов), «Вояджер-2» — чуть далее, чем в 101 а. е.
То, что некоторые приборы на аппаратах продолжают работу, оживило достаточно умозрительную ранее дискуссию: что же считать границей Солнечной системы и когда аппараты выйдут за ее пределы? Орбиты всех крупных планет давно уже позади, и как определить, «мы еще тут или уже там»?
Существует несколько границ, которые нужно пересечь аппарату. Первая — так называемая пограничная ударная волна, или termination shock. Это граница гелиосферы, на которой солнечный ветер из-за столкновения с межзвездной средой резко тормозится до звуковых скоростей. Оба аппарата преодолели эту границу: «первый» — в 2004-м, «второй» — в 2007 году. Дальше аппаратам предстоит пройти гелиопаузу — место, где солнечный ветер окончательно тормозится и перемешивается с межзвездной средой.
Впрочем, в декабре 2012 года «Вояджер-1» вышел в область, которую вообще не предсказывали, там направление и энергия частиц, регистрируемых аппаратом, вообще ни на что не похожи. Пока эту зону окрестили «магнитным хайвеем», а теоретики начали строить новые модели. Так что пока аппарат еще не вышел в межзвездное пространство. Что же касается границ Солнечной системы... Открытая в 2003 году транснептуновая планета Седна в самой дальней точке своей орбиты удаляется от Солнца на 960 а. е. «Вояджерам» туда еще лететь и лететь.