Главная космическая миссия человечества: 45 лет пути «Вояджеров» за 10 минут

20 августа 1977 года NASA запустило космический зонд «Вояджер-2» для изучения внешних планет, которые находятся за поясом астероидов, и межзвездного пространства за пределами гелиосферы Солнца. Через 16 дней был запущен ещё один аппарат программы «Вояджер» (Voyager — «путешественник») — «Вояджер-1». За 45 лет полёта «Вояджер-2» стал единственным зондом, сближавшимся с Ураном и Нептуном. Оба аппарата входят в пятёрку космических кораблей, достигших скорости, необходимой для того, чтобы покинуть Солнечную систему. И наконец, оба «Вояджера» до сих пор функционируют и являются самыми удалёнными объектами, с которыми человечество до сих пор поддерживает связь. У этих «путешественников» действительно есть истории, которые могут удивить любого.

Идеальное стечение обстоятельств

Летом 1965 года Гэри Фландро, аэрокосмический инженер из Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory), рассчитал, что раз в 175-176 лет Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон выстраиваются таким образом, что их можно облететь одним-двумя космическими аппаратами, используя гравитацию планет для перелёта от одной к другой. И следующее такое построение как раз должно было произойти в конце 70-х начале 80-х годов. Правда, первыми к внешним планетам отправились зонды программы «Пионер» (Pioneer). «Пионер-10» стартовал 3 марта 1972 года. Он направился к Юпитеру и достичь других планет просто не мог. Уже в декабре того же года, за четыре месяца до старта «Пионера-11» к Сатурну, учёные уже начали обсуждать новую программу «Моряк» (Mariner), которая использует расчёты Фландро.

В начале 1977 года программа была переименована в «Вояджер». 20 августа с космодрома 41 на мысе Канаверал, штат Флорида, на борту ракеты-носителя Titan IIIE/Centaur был запущен «Вояджер-2». Такое название он получил потому, что по плану к Юпитеру он подлетит позже, чем «Вояджер-1», который был запущен 5 сентября того же года. Главной задачей первого зонда стало изучение спутника Сатурна Титана, так как он являлся единственной известной луной с плотной атмосферой. Второй же зонд мог подстраховать первый в экстренных случаях, а при удачном завершении основной миссии отправиться к ледяным гигантам Урану и Нептуну.

Что из себя представляют «Вояджеры»

Идентичные космические аппараты «Вояджер» представляют собой трехосную стабилизированную систему, которая использует входные данные гироскопа и акселерометра для своих компьютеров управления ориентацией и поддержания направления антенн с высоким коэффициентом усиления на Землю. Вес каждого зонда составляет 773 килограмма. Каждый «Вояджер» состоял из десятигранного корпуса высотой 47 сантиметров и шириной 1,78 метра от плоскости к плоскости, на котором была установлена ​​параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления диаметром 3,66 метра. Большая часть научных инструментов была установлена ​​на научной стреле, выступающей примерно на 2,5 метра от корпуса. Вдоль отдельной стрелы длиной 13 метров располагались магнитометры.

На «Вояджерах» было установлено три разных типа компьютеров, по два каждого типа. Вопреки расхожему мнению об использовании микропроцессоров RCA CDP1802, это были проприетарные компьютеры, изготовленные по индивидуальному заказу, построенные из интегральных схем среднего размера CMOS и TTL, дискретных компонентов и энергонезависимой памяти с гальваническим покрытием. Компьютерная система команд (Computer Command System), центральный контроллер космического аппарата, ответственен за наведение антенн, обнаружение и исправление неисправностей и так далее. Система полётных данных (Flight Data System) управляет камерами (автономные камеры начали устанавливать на зонды примерно с 1990 года). Система управления ориентацией и артикуляцией (Attitude and Articulation Control System) управляет ориентацией космического аппарата, контролирует манёвры и позиционирует платформу сканирования.

Учёные из NASA знали, что солнечных батарей, очевидно, будет недостаточно для такой миссии, а поэтому оснастили каждый аппарат тремя параллельно соединенными блоками радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). Радиоизотопным топливом служит плутоний-238 в виде оксида PuO2. Мощность установки на момент старта космического аппарата составляла примерно 470 ватт при напряжении 30 вольт постоянного тока. Текущая же мощность составляет около 249 Вт из-за деградации термопасты термоэлектрического преобразователя и полураспада самого плутония. Поэтому многие из научных инструментов зондов уже давно были отключены, а к 2030 году аппараты точно перестанут поддерживать связь с Землёй.

Научные инструменты

Кстати, о научном оборудовании. Перед тем, как отправиться в космическое путешествие с «Вояджерами», стоит немного позанудствовать и рассказать о том, из-за чего учёные вообще всё это затеяли.

Платформа сканирования включает в себя: инфракрасный интерферометрический спектрометр (Infrared Interferometer Spectrometer), ультрафиолетовый спектрометр (Ultraviolet Spectrometer), узкоугольная и широкоугольная камеры подсистемы обработки изображений (Imaging Science Subsystem) и подсистему фотополяриметра (Photopolarimeter Subsystem). IRIS работает в инфракрасном спектре и может определять распределение тепловой энергии, излучаемой телом, что позволяет учёным определять температуру этого тела или вещества, строить вертикальную тепловую структуру атмосферы и моделировать атмосферную динамику. UVS же оперирует в ультрафиолетовом спектре и определяет рассеивающие свойства нижних планетных атмосфер, может засекать определенные элементы и соединения. PPS использует 0,2-метровый телескоп, оснащённый фильтрами и анализаторами поляризации, и предназначена для определения физических свойств твердых частиц в атмосфере, а также предоставления данных о текстуре и вероятном составе поверхностей спутников Юпитера и Сатурна. ISS состоит из широкоугольный 200-миллиметрового объектива с низким разрешением и апертурой f/3, а также 1500-мм объектива с более высоким разрешением и диафрагмой f/8,5. Предоставляет вспомогательные изображения для снижения нагрузки на остальные системы и хорошо подходит для изучения циркуляции планетарной атмосферы.

Далее идёт плазменный комплекс. Подсистема космических лучей (Cosmic Ray Subsystem) предназначена для обнаружения сверхэнергетических частиц. Она позволяет узнать об энергетическом содержании, происхождении, процессе ускорения, истории жизни и динамике космических лучей в галактике. Детектор заряженных частиц низких энергий (Low-Energy Charged Particle) помимо основной функции, понятной из названия, создаёт спектры различных видов атомов, составляющих галактическое космическое излучение. Детектор плазмы (Plasma Science) работает с ионами и электронами с самой низкой энергией, из которых в основном состоит плазма. Он изучает свойства и радиальную эволюцию солнечного ветра, а также его воздействие на планеты и спутники. Магнитометр (Magnetometer) измеряет изменения магнитного поля Солнца в зависимости от расстояния и времени, чтобы определить, имеет ли каждая из внешних планет магнитное поле, а также как луны и кольца взаимодействуют с этими магнитными полями. Две длинные антены используются сразу для двух целей: Plasma Wave Subsystem изучает магнитосферы и электронную плотность планет, Planetary Radio Astronomy изучает радиоизлучение.

Послание внеземным цивилизациям

Также оба «Вояджера» несут на борту послание тем, кто, возможно, когда-нибудь обнаружит данные зонды. Стоит отметить, что «Пионеры» несли на борту пластинки из анодированного алюминия с символьной информацией о человеке, Земле, Солнечной системе и её местоположении во Вселенной. Однако то послание критиковалось как слишком сложное для расшифровки и как слишком антропоцентричное (практически ни один из учёных, не занятых в проекте, не смог расшифровать его полностью). Поэтому для создания нового послания была собрана целая комиссия во главе с Карлом Саганом. Было отобрано множество музыкальных отрывков из разных культур и эпох (композиции Моцарта, Стравинского, Чака Берри, народная музыка и так далее), различных природных звуков (пение птиц, шум прибоя, гром и тому подобных), устные приветствия от землян на пятидесяти пяти языках, а также 115 изображений, которые были закодированы в аналоговой форме.

Записали это всё на 12-дюймовую (30 см) пластинку, изготовленную ​​из позолоченной меди. Сверху также была выгравирована надпись «Создателям музыки — все миры, все времена». Каждая пластинка заключена в защитную алюминиевую оболочку вместе с картриджем и иглой. Инструкции на символическом языке объясняют происхождение космического корабля и указывают, как должна воспроизводиться пластинка. Кроме того, на обложку гальваническим способом нанесен сверхчистый образец изотопа урана-238, который имеет период полураспада 4,468 миллиарда лет. Путём измерения количества дочерних элементов к оставшемуся урану можно определить время, прошедшее с момента запуска.

Гром и молния: исследование Юпитера

«Вояджер-1» начал наблюдать и фотографировать Юпитер в январе 1979 года. 5 марта, пролетев мимо Альматеи, космический аппарат совершил максимальное сближение с планетой, находясь на расстоянии 348,890 км от её центра массы. От количества и важности открытий радости учёных не было предела. Была обнаружена Юпитерианская кольцевая система, а также несколько новых спутников (Фивы и Метиды). Оказалось, что Большое Красное Пятно представляет собой огромный шторм, похожий на циклон. Более того, на Юпитере впервые за пределами Земли была обнаружена молния. Однако самым важным открытием стало то, что на спутнике Ио впервые были обнаружены действующие вулканы. И их активность влияет на всю систему Юпитера, являясь одним из основных источников материи, которая пронизывает магнитосферу планеты. По сути, Ио действует как электрический генератор в магнитном поле планеты, посылая 5 миллионов ампер тока вдоль магнитного поля на Юпитер.

Спустя 4 месяца к Юпитеру подлетел и «Вояджер-2». 9 июля аппарат подошёл на расстояние в 721,670 км от центра массы планеты. На этот раз учёные были готовы снимать кольца Юпитера и внимательнее посмотреть на массивный шторм на поверхности планеты. Был открыт ещё один спутник — Адрастея. Также учёные с удивлением обнаружили, что те же вулканы на Ио до сих пор извергаются. Это значит, что период их активности не менее нескольких месяцев и они могут включаться и выключаться. «Вояджер-2» пролетел гораздо ближе к Европе и сделал несколько потрясающих снимков, которые позволили выдвинуть гипотезу о том, что поверхность данного тела покрыта льдом, под которым вполне может существовать жидкий океан.

Спутники-пастухи: исследование Сатурна

В ноябре 1980 года «Вояджер-1» приблизился к Сатурну на расстояние в 184,300 км от центра массы. По пути аппарат открыл три новых спутника, которым дали название Атлас, Прометей и Пандора. Последние два оказались своеобразными «пастухами» кольца F Сатурна, удерживая его форму, таким образом подтвердив гипотезу о том, что для узких колец нужны более массивные внешние соседи. Также было открыто наличие необычных «вертикальных спиц» в кольцах, детальные фото которых удалось получить в 2009 году с помощью аппарата «Кассини» (Cassini). Также «Вояджеру-1» удалось сделать снимки таких спутников, как Мимас, Тефия, Диона, Рея и невероятно яркого Энцелада. Главной же задачей зонда было исследование Титана. Оказалось, что спутник Сатурна на самом деле имеет плотную, подобную земной, атмосферу, богатую азотом. Такое учёные наблюдали впервые за пределами нашей родной планеты. Густой туман не позволил визуально наблюдать за поверхностью, но измерения состава атмосферы, температуры и давления позволили предположить, что на поверхности могут существовать моря жидкого метана и этана.

«Вояджер-2» максимально приблизился к Сатурну 26 августа. Он пролетел довольно близко от ледяных лун Тефии и Япета. Ещё раз отфотографировал Энцелад, обнаружив, что рельеф поверхности этого небольшого спутника очень разнообразен, а возраст некоторых участков не превышает 100 млн лет. Благодаря второму зонду учёным также удалось установить, что температура на Сатурне колеблется как минимум от -260 до -130 °C. Ради детального исследования Титана «Вояджеру-1» пришлось отказаться от полёта к другим планетам (траектория могла быть скорректирована, например, для полёта к Плутону). Если бы что-то случилось, «Вояджер-2» был бы направлен к спутнику Сатурна. Однако всё прошло по плану и второй зонд получил возможность посетить Уран и Нептун.

Ледяной гигант: исследование Урана

24 января 1986 года «Вояджер-2» наконец добрался до Урана. Аппарат открыл 11 новых спутников планеты (Пак, Джульетта, Порция, Крессида, Дездемона, Розалинда, Белинда, Пердита, Корделия, Офелия и Бьянка). Исследовал тёмные кольца Урана, а также обнаружил, что магнитное поле Урана наклонено — полюса его магнитного поля находятся ближе к экватору, в отличие от Земли, где магнитный полюс и полюса вращения почти выровнены. Полюса, кстати, излучают большое количество ультрафиолетового света. Средняя же температура на Уране оказалась в районе -213 °C, что делает планету самой холодной в Солнечной системе. Также во время пролёта «Вояджера-2» мимо Урана впервые была перенастроена система связи NASA с дальним космосом Deep Space Network, которая позволяет Земле связываться с космическими кораблями за пределами Луны, улавливая самые слабые радиосигналы.

Синяя планета штормов: Исследование Нептуна

Ещё через три с половиной года, 25 августа 1989, «Вояджер-2» подошёл к Нептуну. Таким образом аппарат стал первым (и пока единственным), которому удалось посетить сразу четыре планеты. Зонд открыл 6 новых спутников Нептуна (Деспина, Галатея, Ларисса, Протей, Наяда и Таласса), подтвердил существование и сфотографировал кольца планеты, а также открыл «Большое тёмное пятно» — огромный шторм, бушующий на планете. Кстати, на Нептуне самые сильные ветры в Солнечной системе. По некоторым оценкам, их скорости могут достигать 600 м/с. Из-за более разнообразной погоды, средняя температура, несмотря на удалённость от Солнца, даже выше, чем на Уране, и равняется -200 °C. А синей планта кажется из-за большого содержания метана в верхних слоях атмосферы. Также «Вояджер-2» заснял крупным планом ледяную луну Тритон. Её рельеф напоминает кожуру дыни. На спутнике были обнаружены действующие гейзеры, извергающие розоватый азотный лёд, что было очень неожиданным для удалённого от Солнца и холодного спутника.

Семейное космическое фото

После пролёта мимо Нептуна основная миссия «Вояджеров» была завершена и они отправились в путешествие к межзвёздному пространству. Однако 14 февраля 1990 года «Вояджер-1» решил развернуться и в последний раз взглянуть на дом. Именно тогда, на расстоянии около 6 миллиардов километров от Солнца, аппарат сделал знаменитый «Семейный портрет», на котором запечатлены Венера, Земля, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, расположенные вокруг нашей звезды. Изображение представляет собой мозаику из 60 отдельных фотографий, сделанных через различные фильтры. Наша родная Земля на этих снимках выглядит как крошечная бледно-голубая точка. После этого камеры аппарата были отключены для экономии энергии.

Межзвёздное путешествие

16 декабря 2004 «Вояджер-1» пересёк границу ударной волны (termination shock), где солнечный ветер резко замедляется и нагревается при столкновении с межзвездным ветром. К сожалению, в тот день наземные антенны не были настроены на связь с космическим кораблём. 30 августа 2007 года «Вояджер-2» также вышел за пределы ударной волны, войдя в гелиосферную мантию. Тогда учёные смогли чётко наблюдать этот переход. К 2011 году данные с аппаратов полностью изучили и учёные смогли рассказать человечеству, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Это происходит из-за того, что намагниченные материя и мелкие космические объекты образуют местные магнитные поля, которые можно сравнить с пузырями.

25 августа 2012 года «Вояджер-1» вошёл в межзвёздное пространство, выйдя за пределы гелиопаузы, которая является границей между нашим солнечным пузырем и веществом, выброшенным взрывами других звёзд. Таким образом аппарат стал первым космическим межзвёздным кораблём, созданным человечеством. 5 ноября 2018 года этот подвиг повторил и «Вояджер-2». По состоянию на 31 июля 2022 года он достиг расстояния 130,09 а.е. (19,461 миллиарда километров) от Земли. «Вояджер-1» же находится на расстоянии 156,61 а.е. (23,429 миллиарда километров) от Земли, являясь самым удалённым от нашей планеты рукотворным объектом (он обогнал «Пионеров» в 1998 году). Запаса энергии аппаратов хватит как минимум до 2025 года. Однако к 2030 году они точно перестанут выходить на связь, продолжая неконтролируемый полёт в глубины космоса и неся на себе послание наших предков далёким цивилизациям.