«Вояджеры» — самые далекие космические аппараты, с которыми до сих пор удается поддерживать связь. Сейчас они находятся на расстоянии больше 20 миллиардов километров от Земли и летят со скоростью больше 55 000 километров в час. Это первые космические корабли, достигшие межзвездного пространства. Ученые рассчитывали, что проект будет действовать в течение пяти лет, однако аппараты продолжают работать уже больше сорока лет. Мы решили разобраться, почему «Вояджеры» стали такими успешными, какие открытия были сделаны благодаря им, преодолели ли они Солнечную систему и узнали, какую информацию о Земле смогут получить внеземные цивилизации через много лет с помощью этих аппаратов.
«Это подарок от маленького далекого мира: наши звуки, наука, изображения, музыка, мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда решатся все проблемы, и мы сможем присоединиться к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, решимость и добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение».
Эти слова президента США Джимми Картера можно найти на «Вояджерах», они записаны на бронзовый диск, упакованный в алюминиевый контейнер. На этой пластинке содержится послание другим космическим цивилизациям: 115 изображений, 35 звуков природы (извержение вулкана, звук поцелуя, вздохи китов), 27 музыкальных отрывков из разных культур и эпох (Моцарт, Стравинский, рок-н-ролл, обрядовые народные песни) и приветствия на 55 языках. Помимо этого, на ней указано месторасположение Солнечной системы в галактике, описаны ДНК человека, его зачатие и рождение.
«Вояджеры» — уникальные аппараты. Они несут послание в будущее, хранят память о прошлом и передают полезную информацию о настоящем. Космическое пространство исследуют и другие аппараты, например около Юпитера вращается автоматическая межпланетная станция (АМС) «Юнона», к Солнцу полетел зонд «Паркер», аппарат «Бепи Коломбо» должен выйти на орбиту Меркурия в декабре 2025 года, Венеру изучает автоматическая межпланетная станция «Акацуки». Однако такого же успеха по количеству открытий пока никто не достиг.
Аппарат «Вояджер» и золотая пластинка. Иллюстрация автора
Важные открытия «Вояджеров»
«Аппаратам “Вояджер-1” и “Вояджер-2” удалось перевернуть наше представление о Солнечной системе и сделать столько открытий, сколько не удалось сделать никому. Они обнаружили первую молнию на Юпитере и первый вулкан за пределами Земли на спутнике Ио, открыли три новых спутника у Юпитера, четыре спутника у Сатурна, одиннадцать — у Урана и шесть — у Нептуна. “Вояджеры” определили рекордсменов Солнечной системы по силе магнитного поля, скорости ветров, отражательной способности поверхности, массе среди спутников, открыли границы ударной волны и гелиопаузы у гелиосферы. Благодаря им мы знаем, что за пределами гелиосферы находится очень мощная межзвездная радиация. То есть Солнце своим излучением защищает нас от вредного радиационного влияния», — рассказал старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, сотрудник Большого новосибирского планетария, член Федерации космонавтики России кандидат физико-математических наук Пётр Анатольевич Лукин.
«Вояджеры» показали и дополнили информацию о движении и развитии атмосферы Юпитера. Оказалось, что Большое красное пятно — это антициклон, его протяженность 21 000 км с запада на восток и 11 000 км с севера на юг. Они первые обнаружили кольцо вокруг Юпитера, в то время считалось, что кольца есть только у Сатурна и Урана (его кольца нашли в 1977 году). С Земли его довольно тяжело увидеть, оно задерживает всего одну миллионную часть света и в 10 000 раз прозрачнее стекла. На спутнике Юпитера Ио «Вояджеры» нашли вулканическую активность, это второе после Земли тело с современным вулканизмом. При размерах в четыре раза меньше чем Земля, Ио располагает более 400 действующими вулканами (на Земле их около 900).
До полета «Вояджеров» самым крупным спутником Солнечной системы считался Титан, однако он уступил первое место спутнику Юпитера Ганимеду. Неожиданным фактом для ученых стал состав атмосферы Титана. Она состояла из азота (основной элемент), пропана, этана, этилена и других элементов. Ученые сравнили эту смесь с первичным составом атмосферы Земли. О другом его спутнике, Энцеладе, узнали, что он лучше, чем какое-либо другое небесное тело, отражает солнечный свет, поэтому его температура равна -200 ℃ даже в полдень. Он излучает в 2,2 раза больше, чем получает от Солнца.
Уран и Нептун кроме «Вояджера-2» никто не изучал. Всё, что было известно об Уране, что он вращается на боку, имеет девять колец и пять спутников. В ходе пролета аппарата число спутников увеличилось в три раза, а к кольцам прибавилось два новых, они оказались отличны от таких же у Юпитера и Сатурна. В процессе обработки данных ученые узнали, что Уран имеет магнитное поле примерно такой же силы, как Сатурн и Земля, его направление отклонено на 60 градусов от оси вращения планеты.
Нептун был последней планетой Солнечной системы на пути «Вояджера», поэтому ученые решили отправить его максимально близко, всего на 5 000 км от поверхности. Аппарат сделал фотографию Нептуна, в его центре можно увидеть Большое темное пятно, в два раза больше Земли. Спутник Нептуна Титан оказался одним из самых холодных объектов Солнечной системы, температура на его поверхности равна -235 ℃. К тому же на нем нашли большое количество криовулканов. По предположениям ученых, они могут подпитываться жидким азотом и выбрасывать частицы азотного льда и газы на высоту 20—30 км.
Устройство «Вояджера»
Как появилась программа «Вояджер»?
В 1961 году аспирант Калифорнийского университета Майкл Минович изучал задачу трех тел. Если мы возьмем два тела, например Землю и космический корабль, то сможем описать всё взаимодействие между ними законами Ньютона и Кеплера. Когда появляется третье тело, становится гораздо сложнее. Майкл обнаружил, что космический корабль, пролетая мимо планеты, может увеличить (что важно при полете на Юпитер, Сатурн и на другие внешние планеты) или уменьшить (что важно при полете к Венере и Меркурию) свою скорость в зависимости от расположения планеты и корабля. Это называется гравитационным маневром.
В 1964 году работами Миновича заинтересовался практикант лаборатории реактивного движения Гэри Флэндро. Он рассчитал, что в конце 1970-х годов все большие планеты за Марсом выстроятся практически в одну линию и можно одним космическим кораблем облететь их. Следующая подобная возможность появилась бы только в середине XXII века. Сотрудники NASA вдохновились этой идеей и в 1969 году приняли к исполнению проект Grand Tour с запуском четырех космических аппаратов для посещения Юпитера, Сатурна, Урана, Плутона. Однако проект был сокращен до двух аппаратов, исследующих Юпитер и Сатурн (без Урана и Плутона).
Исследователи изготовили два одинаковых аппарата с целью подстраховки, если что-то случится с одним из них. «Вояджер-2» стартовал 20 августа 1977 года, «Вояджер-1» — 5 сентября 1977 года. Оба космических аппарата были доставлены в космос на борту одноразовых ракет «Титан-Центавр». По мере продолжения миссии и успешного достижения всех целей программа исследований расширялась. В итоге «Вояджеры» изучили все планеты-гиганты нашей Солнечной системы, 48 их спутников, а также уникальные системы колец и магнитных полей этих планет. Благодаря гравитационному маневру и близкому взаимному расположению планет аппараты пролетели расстояние Земля — Сатурн (1,2 млрд км) за три года. Без него путь занял бы шесть-семь лет.
Аппарат «Вояджер»
Из каких приборов и частей состоит «Вояджер»? Что является источником энергии?
Каждый «Вояджер» оснащен приборами для проведения десяти разных экспериментов. Там установлены две телекамеры (широкоугольная и узкоугольная), инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры. «Вояджеры» передают данные о внешнем виде планет и спутников в оптическом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, а также информацию о космических лучах (потоках высокоэнергетичных заряженных частиц), о состоянии системы автоматических межпланетных станций и ее местоположении в космосе (телеметрия). Также на «Вояджерах» находятся детекторы плазмы и космических лучей (в основном это протоны, ядра атомов водорода, которыми заполнен космос), заряженных частиц низких энергий, магнитометр.
Источником энергии на «Вояджерах» служит РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — устройство, в котором при естественном радиоактивном распаде плутония-238 выделяется и преобразуется в электроэнергию тепло.
«Проблема в том, что плутоний распадается, а значит, мощность выделяемого тепла уменьшается, как и количество электроэнергии. Поэтому ученым приходится экономить и отключать приборы. Некоторые исследователи предполагают, что к 2030 году “Вояджеры” не смогут получать достаточного количества электроэнергии и перестанут функционировать. Другие считают, что энергия закончится уже к 2025 году. Сначала аппараты превратятся в радиомаяки, каким был наш первый спутник. Он летел и подавал только один сигнал — о своем существовании. Году к 2036-му даже на это действие сил у них не хватит, они будут лететь с огромной скоростью по гиперболической траектории», — отметил Пётр Лукин.
Перед тем как камеры отключили навсегда для экономии энергии, «Вояджер-1» направил их в сторону Земли и сделал последний снимок, на котором наша планета запечатлена с расстояния 5,9 миллиарда километров и выглядит, как маленькая бледно-голубая точка. На фотографии Земля занимает всего 0,12 пикселя. Этим снимком вдохновился американский астрофизик и популяризатор науки Карл Саган. Он написал про него в своей книге «Бледно-голубая точка».
«На мой взгляд, пожалуй, нет лучшей демонстрации безумия человеческого тщеславия, чем это отдаленное изображение нашего крошечного мира. Для меня это подчеркивает нашу ответственность относиться друг к другу более доброжелательно и сострадательно, а также сохранять и лелеять эту бледно-голубую точку, единственный дом, который мы когда-либо знали», — написал Карл Саган в своей книге.
Конструкция антенной тарелки «Вояджера». Фото с сайта NASA
Компьютер, установленный на «Вояджере», занесен в Книгу рекордов Гиннеса — он единственный в мире непрерывно работает 47 лет. Хотя производительность современного смартфона превосходит его во много раз. Оперативная память аппаратов состоит из 4 тысяч 18-битных слов (около 69,63 килобайт). Задающий генератор процессора работает на частоте 4 МГц, но тактовая частота самого процессора составляет только 250 кГц, при этом он может выполнять только 8 тысяч операций в секунду, тогда как процессоры современных телефонов имеют тактовую частоту оперативной памяти в 72 000 раз больше. Жестким диском на «Вояджере» служит магнитофон с магнитной лентой для записи информации общим объемом 70 мегабайт. Современные ноутбуки имеют жесткие диски объемом в миллион раз бо́льшим.
«Технологии на конец 1970-х годов были самые современные. Тем не менее один кадр изображения с камер “Вояджера” передавался на Землю в течение 48 секунд. Сейчас современные камеры снимают 25 кадров в секунду. Поскольку оперативная память компьютера была очень маленькая, нужно было передать кадр, стереть память и только потом сделать новый», — прокомментировал Пётр Лукин.
Сейчас сигнал к «Вояджерам» с Земли доходит за 22 часа. Чтобы отправить и получить ответ нужно ждать 44 часа. Сигнал передается с помощью четырехметровой антенны, установленной на аппарате.
Иллюстрация выхода космических аппаратов за пределы гелиопаузы
Где находятся «Вояджеры» сейчас?
«“Вояджер-1” находится в 24,4 млрд км от Земли, а “Вояджер-2” — в 20,4 млрд км, они оба уже преодолели гелиопаузу (“Вояджер-1” — в 2012 году, а “Вояджер-2” — в 2018-м). Это место, где сильно ослабевает солнечный ветер и начинает действовать ветер звездный. Температура там около -270 ℃, как и во всем космосе. Это единственные аппараты, которые достигли гелиопаузы и с которыми еще поддерживается связь. Связь с аппаратами “Пионер-10” и “Пионер-11”, изучавшими Юпитер и Сатурн в 1973-м и 1979 году, была потеряна в 2003-м и в 1995-м, а аппарат “Новые горизонты”, изучающий карликовую планету Плутон и объект пояса Койпера Аррокот, находится сейчас в 9 млрд км от Земли, то есть до границы гелиосферы ему еще столько же лететь», — сказал Пётр Лукин.
За границей Нептуна (4,5 млрд км) начинается пояс Койпера, где находится Плутон и другие карликовые планеты. Расстояние до внешней границы пояса Койпера — 8,25 млрд км. Эта область похожа на пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Раньше считалось, что в поясе астероидов содержатся обломки разрушенной планеты, сейчас же ученые предполагают, что в этом месте расположен материал, который использовали планеты земной группы в процессе создания. Ученые предполагают, что после пояса Койпера находится облако Оорта. Считается, что здесь формируются долгопериодические кометы. Исследователи предполагают, что внешняя граница облака Оорта совпадает с радиусом сферы Хилла Солнца, это область, где гравитационное влияние звезды доминирует. Этот радиус равен двум световым годам или 19 триллионам километров — такова гравитационная граница Солнечной системы. Чтобы «Вояджеры» покинули ее, потребуется около 30 000 лет.
«“Вояджеры” обнаружили, что гелиосфера (область, где преобладает солнечный ветер) сплющена, ее южная граница на 1,5 млрд км ближе к Солнцу, чем северная. Видимо, так на нее давит магнитное поле других звезд. Аппараты выяснили, что Солнце отклоняет до 70 % радиации, идущей из космоса. Будущим исследователям других звезд придется столкнуться с очень агрессивной межзвездной средой», — отметил Пётр Лукин.
Золотая пластинка «Вояджеров»
Преемники «Вояджеров»
После этих аппаратов к Юпитеру была запущена АМС «Галилео» в 1989-м, которая изучала Юпитер и четыре его крупнейших спутника. В 2011 году к Юпитеру была отправлена АМС «Юнона», она продолжает работу. Планету Сатурн и его спутник Титан изучала в 1997—2017-м АМС «Кассини», от которой отделился и совершил посадку на спутник Сатурна Титан зонд «Гюйгенс». Карликовую планету Плутон изучает АМС «Новые горизонты», запущенная в 2006 году и прибывшая к Плутону в июле 2015 года. Уран и Нептун после «Вояджеров» не изучал никто, кроме космических телескопов имени Эдвина Хаббла и Джеймса Уэбба.
Куда же отправятся «Вояджеры» после того как перестанут нормально функционировать? Через 40 000 лет «Вояджер-1» приблизится к звезде созвездия Жирафа, а «Вояджер-2» через 296 000 лет — к Сириусу.
Полина Щербакова
Иллюстрации: автора, с сайта NASA, из открытых источников
