«Новые горизонты» науки: Человечество добралось до Плутона


Зонд “Новые горизонты”

Для тех кто забыл или не знает, “Новые горизонты” — автоматическая межпланетная станция, которую ученые запустили в космос в 2006 году. Аппарат отправили за 5,5 миллиардов километров с целью исследовать Плутон и его спутник Харон. В 2020 году зонд закончил наблюдения за этими телами, после чего ученые приняли решение не завершать миссию, а отправить ее в пояс Койпера, к астероиду Аррокот, или Ультима Туле, а затем дальше, к другим объектам пояса. В 2020 году “Новые горизонты” пролетел вблизи Ультима Туле, собрал важные сведения о нем и отправил их на Землю. Пакет данных об астероиде до сих пор передается (предполагается, что передача завершится в сентябре-октябре 2020 года). Миссия “Новые горизонты” должна продлиться до 2021-2023 года.

Статья по теме: NASA показало анимацию «преследования» небесным телом Квавар зонда New Horizons

«За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону»

14 июля 2020 года космический аппарат NASA под названием «Новые горизонты» пролетел мимо Плутона на скорости 50 тысяч километров в час. Полет до места назначения занял у аппарата 9 лет, 5 месяцев и 27 дней. Всего станция преодолела более 4,5 миллиарда километров. Благодаря этой миссии ученые получили качественные снимки Плутона и сделали множество открытий, среди прочего — обнаружили на его поверхности криовулканы и предположили существование подповерхностного океана. Открытия продолжают делать и по сей день. О том, как готовилась эта чрезвычайно сложная и важная миссия, в книге «За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Викторией Краснянской, рассказывают научный руководитель проекта по изучению Плутона «Новые горизонты» Алан Стерн и главный научный сотрудник Планетологического института в Тусоне Дэвид Гринспун. N + 1

предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком о том, как команда миссии готовилась к опасностям, поджидавшим «Новые горизонты» у Плутона.

Пять — это целая толпа

Уже тогда, когда планирование встречи с далекой планетой шло полным ходом, система Плутона показала себя как более сложная и более заселенная, чем кто-либо мог предполагать. После того как в 2005 г. были открыты маленькие спутники Плутона Никта и Гидра, проект «Новые горизонты» обратился за разрешением (и получил его) использовать рабочее время космического телескопа «Хаббл», чтобы предпринять интенсивный поиск еще не известных спутников Плутона. Если в системе найдутся другие объекты для изучения, то важно найти их как можно раньше, чтобы включить наблюдения в сценарий встречи с системой Плутона.

К тому же команда «Новых горизонтов» предполагала, что у Плутона могли оказаться кольца, и об этом тоже важно было узнать заранее для того, чтобы спланировать их изучение во время пролета и избежать столкновения с ними.

На поиск потребовались годы — до июня 2011 г. Но в конце концов астроном-планетолог и непревзойденный охотник за спутниками и кольцами Марк Шоуолтер использовал «Хаббл», чтобы сделать фотографии космического пространства вокруг Плутона с самой длинной выдержкой. Шоуолтер искал тусклые кольца, но на одной из своих фотографий с очень длинной выдержкой нашел маленький, тусклый спутник, который, как оказалось, обращается вокруг Плутона между Никтой и Гидрой, совершая полный оборот за 32 дня. Выяснилось, что система Плутона — это не квартет, а квинтет! Затем, почти год спустя, проводя более тщательный поиск слабых колец, Шоуолтер нашел еще один маленький спутник между Хароном и Никтой. Теперь система Плутона стала секстетом! Оба обнаруженных Шоуолтером спутника были гораздо тусклее Никты и Гидры и, видимо, имели меньшие размеры, что заставило многих членов научной команды предположить, что могут быть спутники еще мельче, которые только и ждут, чтобы «Новые горизонты» нашли их, когда окажутся ближе.

Для Шоуолтера обнаружение двух новых спутников само по себе было волнующим и интересным, но также оно означало бо льшую вероятность находки его неуловимого кольца. Как ученые уже выяснили на опыте планет-гигантов, маленькие спутники могут создать тонкое кольцо, теряя осколки, когда на них налетают другие объекты. Поскольку у маленьких спутников сила притяжения очень невелика, любые отлетающие осколки попадают на орбиту планеты, постепенно образуя кольцо.

Будучи четвертым и пятым спутником Плутона, недавно обнаруженные тела вначале называли просто P4 и P5. Но по прошествии некоторого времени Шоуолтер совместно с Аланом и другими членами команды «Новых горизонтов», а также с NASA организовал публичный, с привлечением широкого круга лиц онлайн-поиск идей названий для новых спутников. С помощью общественности, выбирающей названия и голосующей за них, Стикс (богиня подземной реки около царства Плутона) и Кербер (собака, охраняющая подземное царство) стали официальными названиями четвертого и пятого спутников Плутона.

Укус паука

После открытий Шоуолтера в 2011 и 2012 гг. стало ясно, что система Плутона богата спутниками, имеющими орбитальное взаимодействие друг с другом. Вырисовывающаяся картина системы с множеством крошечных тел и, потенциально, с тонкими кольцами вызывала интерес ученых, но она же была кошмаром для команды космического аппарата, так как повышалась вероятность наличия осколков, которые могут попасться на пути «Новых горизонтов» через систему Плутона. Не стоит забывать, что на скорости почти 16 км / с, с которой автоматическая станция будет пролетать мимо Плутона, столкновение с чем-то, что имеет даже меньший размер, чем зерно риса, может стать катастрофой, поскольку этот крошечный осколок ударит аппарат с энергией снаряда орудия большого калибра и немедленно прекратит экспедицию — даже до того, как уникальная информация о Плутоне будет передана на Землю.

Алан провел некоторые ориентировочные расчеты возможной плотности кольца, созданного некими еще не открытыми спутниками. Если его простые прикидки были правильными, то космический аппарат действительно мог попасть в беду у Плутона. Стерн показал свои результаты научной команде, и они привлекли внимание ученых, призвав взглянуть на ситуацию более внимательно, используя тщательное компьютерное моделирование. Все дело было в том, что аппарат летел в неизвестность. Это, разумеется, делало экспедицию такой увлекательной с точки зрения новых научных открытий, но также и означало, что зонд летит к неизведанным опасностям.

Участвующий в коллективной научной работе Генри Троп создал другую модель, и его расчеты подтвердили результаты Алана. Глен Фонтейн вспоминает всеобщую реакцию: «Это до чертиков всех перепугало. Принципиально важное значение имело то, что при проходе через систему аппарат мог получить до 30 ударов, каждый из которых мог оказаться фатальным».

Не окажется ли Плутон, планета, вызывающая их восхищение и так много лет требующая приложения всех сил, в действительности смертельной ловушкой для «Новых горизонтов»? Как однажды Алан емко отметил, обращаясь к команде: «А что, если объект, к которому нас так тянет, в действительности паук черная вдова?»

Итак, все сосредоточились на попытке определить, может ли система Плутона оказаться потенциально опасной для «Новых горизонтов». Это исследование началось с гораздо более сложного компьютерного моделирования того, какой может быть эта опасность, а затем, по мере приближения космического аппарата к Плутону, перешло в долгий и тщательный поиск колец, спутников или других осколков, обращающихся по орбите планеты.

Член научной команды Джон Спенсер был назначен главой «кампании по оценке опасности» и сделал ее своим любимым детищем. Отчасти Джон получил эту должность, потому что имел большой опыт как в наблюдениях с помощью телескопа, так и в методах получения изображений с помощью космического аппарата.

Джон и Алан составили план поэтапных действий для того, чтобы определить масштабы риска и уменьшить его. В качестве первого шага следовало еще раз тщательно проанализировать все имеющиеся данные, которые могли пролить свет на возможную опасность. Джон вспоминает:

Во-первых, нам нужно было собрать всю информацию, которой мы располагали, чтобы минимизировать риск. Это означало еще более тщательное изучение снимков с «Хаббла », чтобы увидеть, есть ли на них какие-то прямые указания на распределение осколков вокруг Плутона в районе спутников и, если их нет, то предположить, какие границы мы можем определить для них. Затем мы изучали информацию, полученную благодаря покрытию звезд. Для изучения атмосферы планеты планетологи наблюдали прохождение Плутона через множество звезд. Эти звезды также должны были проходить позади любых, даже самых узких колец, которые могли быть в системе. А если эти кольца действительно там были, то при прохождении звезды за ними она должна была стать тусклее. Поэтому мы снова пересмотрели всю совокупность данных по этой теме в поисках каких-либо свидетельств, указывающих на существование тусклых колец.

Примерно в то же время Алан дал команде космического аппарата задание проанализировать, насколько «Новые горизонты» защищены от ударов частиц. Космический аппарат не был беззащитным: он покрыт слоем алюминиевых панелей. Но куда важнее то, что его теплозащитное покрытие, которое закрывает эти панели, включает слои кевларовой брони — того же материала, который используется для изготовления бронежилетов. Это сделано для того, чтобы обезопасить «Новые горизонты» от ударов межпланетных метеороидов по пути через Солнечную систему.

Чтобы оценить, насколько хорошо эти меры защищают «Новые горизонты», в 2012 и 2013 гг. команда космического аппарата, использовав специальную высокоскоростную пушку, обстреливала потоками тел различных типов копии пластин и термоизоляции. Результаты получились обнадеживающие: кевларовая броня во время столкновений оказалась куда более эффективной, чем показывал анализ конструкции. Используя результаты этих исследований, инженеры-механики Лаборатории прикладной физики промоделировали, какова вероятность того, что частицы вещества, достаточно крупные, чтобы пробить кевлар и алюминиевую оболочку аппарата, могут повредить каждый отдельно взятый компонент автоматической станции, каждый прибор, каждую топливную линию, каждую связку кабелей и каждый электронный блок. Из этого они установили, какой именно вред может нанести столкновение и какие оно может причинить разрушения в зависимости от размера и скорости тела. Решение было однозначным: летальный ущерб был вполне реален.

Страховка от аварии

Поскольку возможность причинения летального ущерба рядом с Плутоном стала реальной, Алан хотел, чтобы у команды «Новых горизонтов» было что-то, чтобы продемонстрировать проделанную работу, если космический аппарат пропадет до завершения пролета и не сможет передать собранные при максимальном приближении данные на Землю.

Решением этой задачи стала передача данных на случай аварии. Мысль о ней пришла Алану в голову, когда он вспомнил об образцах, которые астронавт Нил Армстронг собрал «на случай чрезвычайных обстоятельств», едва только ступив на Луну в 1969 г. Тогда разумным было иметь что-то, что могло придать экспедиции «Аполлона-11» научное значение, если бы что-то вдруг пошло не так и Армстронгу и Олдрину пришлось неожиданно прервать свою «лунную прогулку» до того, как будет произведен более полный сбор образцов.

Придерживаясь той же логики, Алан попросил Лесли и ее команду PEP составить список изображений, результатов спектрометрии и других наборов данных, которые можно было бы отправить на Землю на случай аварии, что предстояло сделать за несколько часов до максимального сближения, когда аппарат еще находится достаточно далеко от Плутона, где не существует сколько-нибудь значительной возможности подвергнуться смертельному удару.

Эта аварийная передача данных никоим образом не заменяла основной сбор данных у Плутона и не позволяла экспедиции достичь своих целей, если фатальное столкновение с осколком все-таки произойдет. Но она давала членам команды образец самых лучших данных, полученных до максимального сближения, чтобы ученые и инженеры могли «зализать свои раны» и узнать столько, сколько получится, о Плутоне и его спутниках, даже если вскоре после этой передачи космический аппарат погибнет.

Но бесплатный сыр бывает только в мышеловке, и за аварийную передачу данных пришлось платить. Если направить антенну обратно на Землю, чтобы передать данные на случай катастрофы, то это означает потерю целых четырех часов наблюдений на подходе к Плутону, практически перед особенно важным для науки днем пролета. Некоторые жаловались на это, но научный руководитель экспедиции Алан Стерн имел другое мнение:

Я бы не смог взглянуть в глаза сотрудникам NASA и представителям прессы, если бы мы потеряли «Новые горизонты» и у нас не осталось никакой ценной информации, чтобы показать научную важность пролета. И если авария все-таки произойдет, я также не собирался оставлять свою команду без ничего, чтобы о нас не говорили: они не подумали о том, что шанс на поражение существует. Для такого варианта развития событий мы собрали свои собственные образцы «на случай чрезвычайных обстоятельств».

Таким образом, аварийная передача данных стала частью плана. Как позже оказалось, лучшие фотографии, вошедшие в нее, были так хороши, что украсили заголовки газет и статьи в интернете на следующий день после пролета.

Подробнее читайте:
Стерн А
. За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону / Алан Стерн, Дэвид Гринспун ; Пер. с англ. [Виктории Краснянской] — М.: Альпина нон-фикшн, 2020. — 368 с. + 32. с. вкл.

Как “здоровье” аппарата?

В своем докладе Алан Штерн пишет, что зонд “чувствует” себя замечательно. Недавно команда миссии провела дистанционное техническое исследование корабля, чтобы определить состояние научных приборов станции и посмотреть, не ухудшилась ли их работа со времени запуска. Результаты, сообщает ученый, поразили всех: аппаратное и программное обеспечение, каждый научный инструмент на борту “Новых горизонтов” работает так же идеально, как и 14 лет назад, за 8 миллиардов километров пути ни один прибор из строя не вышел.

«Если техническое состояние корабля продолжит оставаться таким идеальным, то аппарат сможет проработать гораздо дольше установленного срока», — делится своими выводами Штерн

Зонд сделает снимки двух ближайших звезд

На апрель 2020 года “Новые горизонты” преодолели 8 миллиардов километров. С этого расстояния самые близкие к Солнцу звезды, Проксима Центавра и Вольф 359, будут иметь несколько другое видимое положение относительно наблюдателя, чем если на них смотреть с Земли. Так происходит из-за того, что меняется точка зрения.

22 и 23 апреля «Новые горизонты» сделают снимки Проксимы Центавра и Вольф 359. Одновременно со станцией фотографии этих звезд сделают земные астрономические обсерватории и астрономы-любители. При помощи компьютерных программ ученые сведут снимки, полученные с космического корабля и с Земли в один и создадут стереоизображения звездных полей. Это позволит человеку “увидеть” единую и цельную объемную картину.

«Ничего подобного никто раньше из астрономов не проделывал! Мы выпустим эти 3D-изображения в мае и выложим в открытый доступ на сайте программы», — пишет в докладе Штерн

Гравитационный маневр

«Новые горизонты» являются первой миссией из программы NASA New Frontiers, которая представляют собой серию экспедиций, предназначенных для изучения различных направлений в Солнечной системе. (Другие выбранные миссии включают проекты Juno Jupiter и OSIRIS-ReX, предназначенный для доставки на Землю образца астероида Bennu.)

«Новые горизонты» первоначально были отобраны для финансирования в 2001 году, но были исключены из бюджета NASA в 2003. Финансирование миссии было восстановлено после того, как «Новые горизонты» была перечислена в перечне главных приоритетов NASA в 2003-2013 годах, в котором определены научные цели для будущих исследований.

Космический аппарат обычно имеет установленный срок службы, аналогичный гарантиям, выдаваемыми на электронику или автомобили. С течением времени солнечный ветер, космические лучи и другие явления могут разрушать поверхность космического корабля и портить его электронику. Это делает длительные миссии, такие как «Новые горизонты», особенно сложными, требующими, чтобы резервные системы управления и источник энергии (ядерная установка) обеспечивали работоспособность космического аппарата очень далеко от Солнца.

КА «Новые горизонты» был запущен 19 января 2006 года на ракете “Atlas V” с мыса Канаверал во Флориде. Отключение питания и сильные ветры отложили две попытки запуска, но «Новые горизонты» успешно стартовал в космос с третьей попытки.

Первым пунктом назначения космического аппарата был Юпитер, достигнутый в феврале 2007 года. «Новые горизонты» прошел на расстоянии менее 2,4 миллиона километров от самой большой планеты Солнечной системы, что сделало его первым космическим кораблем, покинувшем систему Юпитера, совершив с его помощью гравитационный маневр.

Среди первых изображений, полученных с зонда, были снимки Ио, вулканической луны Юпитера. Космический корабль сделал самые четкие из когда-либо полученных снимков, вулкана Tvashtar на Ио, которые показали вулканические осадки огромных размеров.

Кроме того, космический аппарат пролетел сквозь поток заряженных частиц, закручивающихся за Юпитером. Были обнаружены большие «пузырьки» заряженных частиц или плазмы, а также выявлены нестабильности в их потоке.

Астрономы заявили, что эти наблюдения могут помочь в понимании окружающей среды вокруг планет, подобных «горячему Юпитеру», обнаруженных у других звезд.

Чтобы сэкономить энергию и уменьшить вероятность неполадок, инженеры перевели космический аппарат в спящий режим, иногда прерывающийся периодическими пробуждениями для навигации и проведения системных проверок. Зонд вывели из спячки в декабре 2014 года, чтобы подготовить его к встрече с Плутоном и отправки данных о ней на Землю.

Как Земля поможет “Новым горизонтам” исследовать пояс Койпера?

Летом 2020 года команда миссии планирует использовать три самых больших телескопа Земли (японский Субару, американские обсерватории Джемини и Кека), чтобы открыть новые объекты в поясе Койпера, которые позже сможет исследовать станция. Ученые ожидают обнаружить несколько сотен новых тел. Большинство из них будут находится слишком далеко от аппарата, чтобы он смог их изучить, но несколько объектов все же попадут в поле зрения “Новых горизонтов”, сообщает ученый в своем докладе.

Фото: pluto.jhuapl.edu / Астероиды Бенну и Аррокот в представлении художника

«Так как новые тела и зонд будет разделять расстояние в миллионы километров, на снимках мы получим эти объекты в виде точек света. Но и таких данных будет достаточно, чтобы мы смогли приступить к изучению поверхности этих объектов и их формы. В любом случае, мы получим информацию, которую не смогли бы получить при помощи наземных телескопов из-за огромных расстояний между нами и поясом Койпера и ограниченных углов обзора»

“Новые горизонты” изучает пояс Койпера с 2020 года. За 4 года наблюдений аппарат смог открыть лишь 20 объектов в поясе. Ученые считают, что благодаря трем телескопам, с которыми они начнут работать уже летом, число обнаруженных тел увеличится минимум в четыре раза. Новые открытия позволят астрономам лучше узнать об этой космической области.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: