Далекая недопланета с океаном: 95 лет назад был открыт Плутон
Ровно 95 лет назад, 18 февраля 1930 года, 24-летний американский астроном Клайд Томбо открыл новое небесное тело за орбитой Нептуна. Его назвали Плутоном в честь римского бога подземного царства. В статусе девятой планеты Солнечной системы Плутон пробыл 76 лет: в 2006 году Международный астрономический союз «дисквалифицировал» его в карликовую планету — что-то вроде астероида Церера, но только в Поясе Койпера. О прошлых и будущих проектах по исследованию этого загадочного объекта - в нашем материале.
Странная планета из "темных глубин"
Плутон — небесное тело, существование которого в 1840 году, основываясь на механике Ньютона, предсказал французский математик Урбен Леверье. Спустя 66 лет астроном Персиваль Лоуэлл начал поиски «Планеты Х», которую не успел найти из-за своей смерти в 1916 году. Как потом оказалось, Плутон неоднократно фиксировался на снимках американских обсерваторий Лоуэлла и Маунт-Вильсон в 1915-1920 годах, но тогда его не опознали.
Почти год Клайд Томбо, астроном-любитель, устроившийся лаборантом -фотографом в Лоуэлловскую обсерваторию, анализировал фотопластинки с изображениями звездного неба. 18 февраля 1930 года он обнаружил на них «возможно движущийся объект». Имя — Плутон — дала 11-летняя Венеция Берни, считая, что оно подходит для планеты, расположенной в «тёмных глубинах космоса».
Существование Плутона было окончательно подтверждено в 1978 году, когда астрономы открыли его спутник Харон. Долгое время облик девятой планеты оставался загадкой: ее считали то газовым гигантом, то небольшой каменистой глыбой. К концу XX века общепринятым стало мнение, что Плутон состоит из каменных пород и льда. Он вшестеро легче и втрое меньше по объёму, чем Луна, а его поверхность примерно равна площади России — 17,7 млн км².
Орбита Плутона очень вытянута — иногда она «проскакивает» внутрь орбиты Нептуна, имеет заметный наклон к плоскости эклиптики и подвержена различным возмущениям, из-за чего её называют «хаотичной». Во всяком случае, её невозможно описать уравнениями Кеплера. Плутон совершает оборот вокруг Солнца за 247,92 года, оборот вокруг своей оси за 153 часа 18 минут и имеет ярко выраженные времена года из-за наклона оси. Вместе с крупным спутником Хароном он вращается вокруг общего центра масс, но имеет также четыре меньших спутника — Никту, Гидру, Кербер и Стикс. Астрономы долго спорили: что это — планета или астероид. И в 2006 году признали его «карликовой планетой». После "дисквалификации" интерес к Плутону не угас, а скорее, наоборот - его исследование поможет понять историю и эволюцию Солнечной системы.
Недостижимый Плутон
На момент начала космической эры из всех планет, вращающихся вокруг Солнца, Плутон был наименее изучен – слишком далек он от Земли. Для его наблюдений необходим телескоп с апертурой разрешением не хуже 30 см. Ни один оптический прибор не в состоянии получить качественные снимки поверхности Плутона. Единственный способ решить проблему — отправить к дальнему планетоиду космический аппарат.
Казалось бы, человечество уже разработало технологии, которые позволяют осуществлять подобные экспедиции. В качестве примера можно привести успех «Пионеров» и «Вояджеров». Однако, всё не так просто.
Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и полёт к нему по наиболее экономичной гомановской траектории займёт около полувека! Чтобы сократить это время, необходимо значительно увеличить скорость зонда. Тогда, двигаясь по более быстрой траектории, можно долететь за 10-12 лет.
Кроме того, серьезными проблемами становятся снабжение зонда электроэнергией и передача больших массивов информации на Землю. За пределами орбиты Марса традиционные солнечные батареи быстро теряют эффективность из-за падения освещённости, а для связи подойдет только остронаправленная антенна, что накладывает дополнительные требования на системы ориентации и стабилизации космического аппарата.
В 1964 году Гэри Фландро, инженер-двигателист из Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА, предложил одну из первых концепций экспедиции к границам Солнечной системы. Он рассчитал, что зонд, запущенный в период с 1976 по 1978 год, сможет посетить большинство внешних планет, используя серию последовательных гравитационных манёвров, которые станут возможными благодаря необычному явлению — «параду планет», происходящему раз в два столетия.
На основе этого предложения NASA разработало амбициозный проект «Большой тур» (Grand Tour), главная роль в котором отводилась двум межпланетным зондам TOPS (Thermoelectric Outer Planets Spacecraft). Эти зонды использовали огромную раскрывающуюся антенну диаметром 4,3 м и радиоизотопные термоэлектрогенераторы (РИТЭГ) для производства электроэнергии.
Один из зондов планировалось отправить на исследование Юпитера, Сатурна и Плутона, а второй — Юпитера, Урана и Нептуна. Встреча с Плутоном могла произойти в 1985 или 1986 году. К сожалению, «Большой Тур» был отменён из-за высокой стоимости, и вместо него NASA запустило более экономичные «Вояджеры».
Изначально первый из них после пролёта Сатурна должен был отправиться к Плутону, но затем планы изменились, и зонд направили к Титану. Плутон остался недосягаем...
В 1980-е годы серьезных предложений по исследованию девятой планеты не поступало, за исключением проекта "Межзвездной миссии-предшественника" (Interstellar Precursor Mission), предполагавшего отправку зонда к гелиопаузе и на Плутон. Этот проект не состоялся из-за сложности и высокой стоимости.
Встреча «Вояджера-2» с Нептуном в 1989 году вызвала новый всплеск интереса к полету к Плутону: после исследования газовых гигантов он остался единственной неизученной планетой. Обнаружение атмосферы у Тритона и Плутона (ее нашли в 1988 году) показало, что они имеют общее происхождение и должны быть похожи. Интерес еще более вырос.
Зонд с ядерным реактором посчитали слишком амбициозным
Первым проектом стал Pluto 350, начатый через пару месяцев после встречи «Вояджера-2» с Нептуном. Зонд массой 350 кг должен был нести камеру, ультрафиолетовый спектрометр для изучения атмосферы, радиоэксперимент и прибор для исследования плазмы. Ученые опасались, что после того, как карликовая планета отойдет от точки равноденствия в 1987 году, ее атмосфера замерзнет, поэтому запуск был необходим как можно скорее.
Старт планировали на мощном и дорогом носителе Titan IV с гравитационным манёвром у Юпитера. Более дешёвый вариант на Delta II предполагал манёвры у Земли и Венеры, что удлиняло экспедицию.
Увы, NASA отвергло проект… как слишком простой, и в 1990 году предпочло сложные полеты зондов Mariner Mark II на унифицированной платформе. Сначала было предложено две экспедиции — Cassini-Huygens к Сатурну и CRAF (Comet Rendezvous Asteroid Flyby) для изучения комет и астероидов.
Плутон, тем не менее, оставался очевидной целью для NASA, для чего разрабатывалось несколько проектов зондов с использованием платформы Mariner Mark II. Один из них, Intrepid, массой 1400 кг, мог достичь Плутона за 13–15 лет, в зависимости от типа ракеты-носителя и числа гравитационных маневров. Другой, Cerberus, строился на той же платформе, но с элементами зонда Galileo, и оснащался складной антенной диаметром около 4,5 м для обеспечения высокой скорости передачи данных на Землю.
Применение традиционных химических двигателей для разгона аппарата до более высоких скоростей и выполнения прямой миссии приводило к падению массы зондов ниже критически возможной. В контексте этого были изучены необычные космические аппараты с ядерными энергодвигательными установками.
Например, Phoenix, разработанный в 1990 году, должен был иметь длину 43,3 метра и массу 21 т (!), из которых только 157 кг отводилось на научную аппаратуру. Ядерный реактор SP-100 с тепловой мощностью 1,4 МВт и электрической мощностью до 100 кВт должен был приводить в действие несколько ионных двигателей, использующих в качестве рабочего тела до 12 т ксенона, цезия или ртути.
Однако проекты ядерных зондов были признаны слишком амбициозными и не получили дальнейшего развития.
В 1992 году Роберт Сталь из Лаборатории реактивного движения предложил проект быстрого (за семь-восемь лет) облета Плутона PFF (Pluto Fast Flyby) с использованием ракеты-носителя Titan IV и пролетом мимо Юпитера. Два запуска должны были производиться с разницей в 3,2 суток для картографирования поверхности Плутона и Харона. Съёмку планировалось вести в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, с помощью радиоинструмента и оптической камеры с разрешением от 10 до 50 км.
Зонд массой не более 150 кг казался крошечным, но развитие электроники позволило разместить все системы и научную аппаратуру (не более 7 кг). Несмотря на минимализм, проект PFF посчитали слишком дорогим. По разным данным, ракеты Titan IV стоили от $400 млн до $800 млн за пуск. Альтернативный вариант предлагал запуск одного зонда, либо использование менее дорогой ракеты, а также выполнение двух гравитационных манёвров у Венеры и Земли для снижения потребной энергетики, массы и стоимости. Но при этом длительность полета вырастала, и проект было решено переформатировать.
Российский "Огонь" и американский "Лед"
В 1994 году состоялись переговоры США с Россией о совместной экспедиции к Плутону. Наша страна предложила использовать ракету-носитель «Протон». После встречи с директором Института космических исследований (ИКИ) Альбертом Галеевым PFF превратился в американо-российский проект «Огонь и лёд» (Fire and Ice). Американская часть проекта («Лед») подразумевала изучение Плутона, а российская («Огонь») — исследования Солнца в рамках развития проекта «Циолковский».
Российские ученые предлагали создать микроскопические (по 6 кг каждый) зонды для «ледяной» части проекта – они должны были отделиться от большого зонда за месяц до встречи с Плутоном на расстоянии 34 млн км от него.
Каждый мини-зонд имел масс-спектрометр, акселерометр и камеру и должен был передать данные начиная с расстояния в 500 км от поверхности Плутона. Исследование атмосферы планеты и ее крупнейшего спутника требовало прохождения зондов через их тени.
Участие России позволило бы NASA сэкономить $400 млн. Однако в 1995 году сотрудничество прекратилось, и проект заменили предложением JPL, получившим название Pluto Express. Новый проект нацеливался не только на Плутон и Харон, но и на Пояс Койпера, предполагая, что Плутон может быть «выходцем» из него.
Проект базировалась на легкой межпланетной станции массой всего 175 кг с научной аппаратурой массой 9 кг. Бюджет составлял $1,4 млрд. Запуск планировался на 2001–2006 годы, чтобы использовать гравитацию Юпитера. Опоздав, нужно было затратить на перелет еще три года.
В 1996 году финансирование проекта урезали, его попытались "пересадить" на недорогой носитель Delta II, а тремя годами позже NASA призвало учёных предложить менее дорогие инструменты для исследований. Но и этого было мало — в 2000 году, когда бюджет работ превысил $1 млрд, Pluto Express отменили.
Но Плутон оставался в приоритетах ученых, а пусковое окно неумолимо приближалось. 20 декабря 2000 года NASA объявило конкурс на новый проект, который должен был соответствовать минимальным требованиям: достижение цели до 2020 года, применение ракеты Atlas V или Delta IV и затраты не более $500 млн к 2001 году.
Поступило пять предложений от JPL и Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джона Хопкинса, которая руководила полетом NEAR к астероиду Эрос. И что самое важное, специалисты APL, в отличие от представителей JPL, не имели привычки многократно превышать изначальные бюджеты.
Однако пока JPL и APL работали над своими предложениями, в феврале 2001 года администрация нового администратора NASA Шона О'Кифа разработать новое семейство зондов с ядерными реакторами в рамках программы «Прометей» (Prometheus). При этом, первая экспедиция «Прометей-К», которая должна была выйти на орбиту вокруг Плутона и Харона, была перенесена аж на 2020 год.
"Новые горизонты" достигли Плутона
Научное сообщество США молчать не стало, и в июле 2002 года подготовило «Декадный обзор» с приоритетами в исследовании Солнечной системы. Абсолютным приоритетом признавалось исследование Плутона. Администрация Буша отступила.
В январе 2001 года команда APL предложила зонд массой около 400 кг, из которых около 30 кг составляли научные инструменты. Конструкция была простой: треугольная платформа с антенной диаметром 2,1 м, с электропитанием от радиоизотопного термоэлектрического генератора (от проекта Cassini), с резервированием, включающим два компьютера с 64 Гбит памяти. 5 февраля 2001 года предложение получило имя «Новые Горизонты» (New Horizons) и победило в конкурсе.
В 2002 году началось финансирование проекта. В процессе разработки аппарат стал тяжелее — его масса увеличилась до 478 кг, а стоимость — до $700 млн.
В состав научной аппаратуры вошли семь приборов:
ультрафиолетовый спектрометр Alice для наблюдения за поверхностью планетоида;
камера-спектрометр видимого и инфракрасного диапазона Ralph для изучения атмосферы;
камера высокого разрешения LORRI для детальных снимков;
анализатор солнечного ветра SWAP;
спектрометр заряженных частиц PEPSSI;
детектор пыли VBSDC для мониторинга пылевых частиц;
радиоэксперимент REX для изучения радиоволн.
После годовой задержки New Horizons стартовал 19 января 2006 года, едва успев в баллистическое окно. Ракета Atlas V разогнала зонд до скорости около 17 км/с. Через десять лет, 15 июля 2015 года, была достигнута максимальная точка сближения — 12,5 тыс. км от поверхности Плутона, и получены первые в истории его детальные снимки.
Камера LORRI отсняла все луны малой планеты, азотный ледник длиной 1000 км, известный как «Западное сердце Плутона», а также слоистую атмосферную дымку, поднимающуюся на 480 км над поверхностью.
Зонд обнаружил разнообразные ландшафты на поверхности: с кратерами и без них, что свидетельствует о геологической активности планеты в течение 4 млрд лет.
Благодаря данным, полученным во время экспедиции, учёные обнаружили доказательства существования океана на Плутоне и предположили, что жидкая вода на карликовой планете скрыта под слоем льда из азота и метана толщиной более 300 км. Как знать, может быть, под ледяной корой существуют какая-то форма жизни.
Данные, полученные «Новыми Горизонтами», изучаются до сих пор. Они показывают, что о бывшей девятой планете ещё многое предстоит узнать. Плутон оказался активным и геологически разнообразным миром, поэтому учёные мечтают вернуться туда.
Посадка на Плутон возможна в 2058 году
Более серьёзная экспедиция должна включать орбитальный и – возможно – посадочный аппараты для увеличения объёма полученной информации. Экспедиция будет сложнее «Новых Горизонтов», и работы над ней уже ведутся.
В частности, команда APL представила проект «Персефона» (Persephone) для детального изучения системы Плутона, в частности, окончательного ответа на вопрос, есть ли на малой планете океан. «Персефона» будет исследовать взаимодействие атмосферы и солнечного ветра для реконструкции истории планетоида.
Зонд массой свыше 2,5 т оснащён пятью РИТЭГ и электрореактивными двигателями на ксеноне. Они будут служить для разгона и вывода на орбиту вокруг Плутона и изучения других тел.
«Персефона» должна быть запущена до 2032 года для использования гравитации Юпитера, в результате чего на полет уйдет 27,3 года. При старте в 2031 году зонд в 2049 году пролетит над объектами в поясе Койпера и в 2058 году достигнет орбиты Плутона.
Самое популярное
