Разведчики внешних планет

Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу историка космонавтики Игоря Лисова «Разведчики внешних планет. Путешествие "Пионеров" и "Вояджеров" от Земли до Нептуна и далее».

В книге Игорь Лисов в захватывающих подробностях излагает историю подготовки, планирования, финансирования, запусков и полетов «Пионеров» и «Вояджеров» — космических аппаратов, миссией которых являлось исследование планет внешней Солнечной системы. Эти экспедиции позволили получить невероятно ценную информацию о Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне — небесных телах, знания человечества о которых прежде были весьма поверхностными. Два «Вояджера» и по сей день находятся в полете: постепенно теряя мощность, они перестают подавать сигналы и уходят всё дальше от Земли, за пределы Солнечной системы. Этим кораблям никогда не суждено вернуться назад, однако на своем борту «Вояджеры» несут послания землян неземным цивилизациям — на случай, если такая встреча когда-нибудь состоится

Предлагаем прочитать часть главы, посвященной проекту «Вояджер».

Восьмая планета в кадре

9 мая 1988 г. аппарат отснял Нептун и Тритон с дистанции 685 млн км. В кадре размером 800 × 800 планета занимала лишь маленькую часть — восемь пикселей в поперечнике — и ее изображение было слегка смазано. Съемка проводилась с прозрачным и зеленым фильтрами, и, чтобы получить цветопередачу, близкую к реальной, пришлось «подмешать» цветовые данные наземных съемок. Нептун получился сине-зеленого цвета (результат поглощения красных лучей метаном) и без деталей, хотя наземные съемки в спектральной полосе метана с аналогичным разрешением позволяли видеть крупномасштабные облачные структуры. Тритон имел отчетливый красно-желтый оттенок, который могли придавать ему органические соединения на базе метана.

Дополнительные навигационные снимки Нептуна и Тритона делались 11 и 13 июля, 14 ноября и 13 декабря 1988 г., а затем 23 января и 23 февраля 1989 г.

23 января 1989 г. Нептун был отснят с расстояния 310 млн км с пространственным разрешением около 6000 км. Очень интересной оказалась яркая атмосферная деталь на 30° ю. ш., похожая на наблюдавшиеся с Земли в красной метановой полосе. Скорость ее движения соответствовала периоду обращения 17–18 часов. Из кадров за прозрачным, фиолетовым и оранжевым светофильтрами составили цветное изображение, на котором удалось рассмотреть облачную структуру в виде широтных полос, характерную и для других планет-гигантов. Светлые полосы были на 10 % ярче, чем темная кайма вокруг южного полюса; степень контраста оказалась примерно как у Сатурна и на порядок сильнее, чем на Уране.

3 апреля «Вояджер-2» наблюдал планету с расстояния 208 млн км. На снимках с разрешением 3850 км, помимо широкой полосы, окружающей южный полюс, был найден темный овал между 20° и 30° ю. ш., простирающийся на 35° по долготе. Это образование размером с планету Марс немедленно прозвали Большим Темным Пятном — по аналогии с Большим Красным Пятном на Юпитере. Когда ученые подняли результаты январской съемки, они убедились, что это же или похожее пятно присутствовало и тогда, будучи на 10 % темнее окружающих деталей в прозрачном фильтре, но ярче в оранжевом. Период обращения для пятна опять-таки находился между семнадцатью и восемнадцатью часами.

25 и 26 апреля с помощью узкоугольной части ISS была проведена съемка с расстояния 176 млн км. Разрешение составило 3250 км, так что в центре диска один пиксель соответствовал квадрату 4 × 4° на Нептуне. Как и в январе, из троек кадров с разными фильтрами были составлены два цветных снимка с интервалом в пять часов между ними. Большое Темное Пятно (БТП) попало лишь на один из них, а светлая деталь с январской «картинки» полностью «рассосалась». В южной полярной области было обнаружено новое светлое пятно небольшого размера, причем всего лишь за 18 часов его яркость заметно увеличилась. Стало ясно, что атмосфера Нептуна весьма активна, в отличие от урановской. По окончании съемки «Вояджер-2» сориентировался на Алькаид для теста оперативной готовности ORT-2A радиоэксперимента RSS, состоявшегося 27 апреля, а 8 мая, после штатных научных разворотов, — на Ахернар. На этапе подлета к Нептуну основной навигационной звездой стал именно он. Впрочем, уже 16 мая аппарат перенавелся на Канопус для репетиции встречи с Нептуном, а по окончании ее — вновь на Ахернар.

Генеральная репетиция 24–25 мая включала 12-часовую имитацию наиболее важных съемок и измерений из программы B951. Сеанс включал развороты на различные опорные звезды, пять из восьми разворотов сканирующей платформы, все три вида компенсации смаза изображения и маневр слежения за лимбом планеты. Единственное замечание было связано с полнотой полученных на Земле данных по радиоэксперименту во время теста ORT-3.

В ходе этой тренировки 24 мая с дистанции 134 млн км была сделана серия из пяти снимков камеры NAC с пятью разными светофильтрами. Большое Темное Пятно сохранилось, было видно также меньшее по размеру белое пятно, светлая зона над южным полюсом Нептуна и широтные полосы. Как и ранее, облик планеты существенно отличался в зависимости от фильтра: яркие детали были лучше видны в зеленом и оранжевом цвете, а темные проявляли большую контрастность в синем и фиолетовом. Руководитель группы видовой информации д-р Брэдфорд Смит отметил, что Нептун уже сейчас более интересен, чем был Уран даже в момент тесного сближения.

Встреча с Нептуном официально началась 5 июня 1989 г., за 81 сутки до момента наибольшего сближения, на расстоянии 117 млн км от цели. Точнее, стартовала так называемая фаза обсервации продолжительностью 62 дня, включающая три программы — от B901 до B903. Первая из них начала исполняться 5 июня в 06:42 UTC, но информация об этом дошла до Земли только в 10:40.

С этого момента «Вояджер-2» являлся самым приоритетным объектом для DSN. Прием информации стал непрерывным, а съемка Нептуна — регулярной. В первый день, например, было сделано 25 фотографий для документирования обращения планеты вокруг оси. Пять групп снимков с интервалами по 214,4 минуты между ними соответствовали одному обороту, и в каждую группу входили четыре узкоугольных снимка с разными фильтрами и один широкоугольный в полосе метана. Подобные съемки вскоре стали повседневной рутиной.

7 июня на протяжении шести часов было сделано сразу 70 снимков за пятью разными фильтрами для отслеживания динамики атмосферы и поиска колец; такие «фильмы» снимались раз в неделю. Регулярными были также снимки Тритона и Нереиды в интересах оптической навигации. Тем временем УФ-спектрометром сканировалась вся система Нептуна для регистрации нейтрального водорода и возбужденных ионов, а также для поиска полярных сияний.

Параллельно проверялись и калибровались остальные инструменты. 8 июня инженеры протестировали работу приводов сканирующей платформы, после этого пришла очередь гироскопов. 12 июня калибровались антенна и солнечный датчик. 15 июня «Вояджер» сделал малый научный маневр — четыре «кувырка» по рысканью и четыре по крену, — в ходе которого калибровались датчики магнитометра и уточнялась ориентация штанги, на которой они смонтированы. 26 июня калибровались приборы PPS и UVS, а 28 июня был повторен тест готовности к радиоэксперименту ORT-3.5.

21 июня во время регулярного поиска колец на снимок «Вояджера» с выдержкой 46,08 секунды попал неизвестный спутник планеты. Этот объект был найден затем еще на 16 кадрах, сделанных с 14 июня по 5 июля, что позволило определить его орбиту — круговую, на расстоянии 117 500 км от центра Нептуна, — и в первом приближении оценить размер — от 200 до 600 км в диаметре. Первый спутник Нептуна, открытый в 1989 г., получил временное обозначение 1989 N1, а впоследствии — имя Протей. Стивен Синнотт, первооткрыватель, описал свои ощущения так: «Я не подпрыгнул и не закричал. Я сжал кулак, мысленно кивнул себе и подумал: "Ага, этот, кажется, настоящий"»¹. Об открытии объявили 7 июля.

Для инженеров проекта это были сразу две новости, хорошая и не очень. С одной стороны, присутствие спутника в этой зоне обещало снижение радиационной нагрузки на аппарат. С другой, 30 планировщикам и кодировщикам предстояло дорабатывать программу пролета, чтобы вставить в нее хотя бы один близкий кадр с новым небесным телом. Команда из 20 навигаторов возрадовалась: регулярный близкий спутник обещал большую точность при расчете положения Нептуна, чем Тритон и Нереида, а значит, облегчал планирование и проведение коррекций. Ну, а у теоретиков появилась новая головная боль: как увязать этот крупный и вполне регулярный объект с крайне экзотической орбитой Тритона? Привычный уже сценарий захвата Тритона предполагал,что в процессе «оседания» на круговую орбиту последний должен был вычистить пространство вокруг Нептуна в пределах от 5 до 100 радиусов планеты. Спутник 1989 N1 находился ближе, но недалеко от опасной границы.

22 июня с расстояния 92 млн км ученые увидели, что полярный «воротник» Нептуна между 45° и 70° ю. ш. состоит из двух отдельных облачных полос шириной до 4300 км. Похожая картина угадывалась и вокруг северного полюса планеты, хотя и с трудом — из-за неблагоприятного ракурса съемки. Специалисты полагали, что это зоны струйных потоков.

Большое Темное Пятно оказалось гигантским — до 10 000 км в широтном направлении – атмосферным вихрем с весьма активным окружением. При наблюдениях 9–12 июля на протяжении всего 53 часов ученые увидели, как яркое облако к северо-востоку от БТП отделилось от него и «зажило» самостоятельной жизнью. А на снимке за 16 июля с дистанции 57 млн км в южном темном поясе шириной 4300 км было найдено новое, совсем небольшое темное пятно с яркой центральной частью. Период его обращения оказался значительно меньше, чем у Большого Темного Пятна на 22,5° ю. ш. Так было окончательно доказано, что ветры на Нептуне имеют разную скорость на разных широтах и что ориентироваться на детали поверхности при определении периода вращения планеты, вообще говоря, нельзя.

18 июля включили для проверки ИК-радиометр IRIS, а 21–22 июля состоялась очередная калибровка PPS и UVS.

К концу июля планета начала оказывать заметное гравитационное воздействие на траекторию «Вояджера». Д-р Лэнни Миллер, глава летно-инженерного отдела проекта «Вояджер», пояснил, что возмущающее воздействие Нептуна, конечно, существовало всегда, но «вы не можете увидеть этого в данных, пока не окажетесь достаточно близко».

28 июля борт приступил к выполнению программы B903, и частота съемки Нептуна и его окрестностей достигла 100 снимков в сутки. Хотя до планеты оставалось 35 млн км, на протяжении пяти суток удалось найти еще три новых регулярных спутника, причем 30 июля на один снимок попали все три и найденный ранее 1989 N1. Расчет орбит новых тел «сошелся» 1 августа, и на следующий день JPL объявила об открытии.

Объект 1989 N3 оказался ближе всего к планете — он обращался на расстоянии 52 000 км с периодом 8 ч 10 мин. Следующий, с временным обозначением 1989 N4, располагался на круговой орбите радиусом 62 000 км и имел период 10 ч 20 мин. Наконец, 1989 N2 — третий по удаленности и первый по времени обнаружения — следовал в 73 000 км от Нептуна, обходя его за 13 ч 30 мин. Таким образом, все они «проживали» внутри орбиты 1989 N1 и были значительно меньше его — диаметром от 100 до 200 км.

Как потом выяснилось, именно 1989 N2 наблюдался восемью годами раньше во время затмения 24 мая 1981 г. Впоследствии он получил имя Ларисса, а двух его соседей назвали Деспина и Галатея.

Астроном из научной команды «Вояджера» Кэролин Порко в интервью The New York Times заявила, что это еще не конец, и они рассчитывают открыть намного больше лун. Ричард Террайл, другой опытный специалист по малым спутникам, сказал, что не будет удивлен, если их число достигнет 50, и даже предположил существование своеобразного пояса астероидов вокруг Нептуна. Эти лихие прогнозы, однако, оказались далеки от истины — специально заложенный в программу на 4 августа поиск спутников результата не дал.

Тем временем 1 августа была проведена коррекция траектории TCM-B18. Она имела целью удержать траекторию пролета КА над Ураном в пределах 150 км от заданной и обеспечить своевременный выход к Тритону. Двигатели КА были включены в 12:55 UTC бортового времени, что соответствовало 16:56 по времени прихода сигнала, и за 7,5 минут выдали заданное приращение скорости 0,92 м/с. Точка прицеливания была смещена на 1430 км, время прибытия сдвинулось на 81,6 секунды назад.

В соответствии с решением американо-советской Объединенной рабочей группы по исследованию Солнечной системы в августе 1989 г. в изучении системы Нептуна приняли участие в статусе междисциплинарных специалистов три представителя СССР — Александр Базилевский (Институт геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского), Лев Зелёный и Владимир Краснопольский (Институт космических исследований). Базилевский сотрудничал с видовой группой Брэдфорда Смита, Краснопольский занимался ультрафиолетовыми наблюдениями, а будущий директор ИКИ РАН — процессами в магнитосфере планеты. Всего в научной группе «Вояджера-2» в период исследования Нептуна работали около 170 исследователей из США, Британии, Канады, Италии, Франции, ФРГ и СССР.

Чтобы не отвлекать во время встречи с Нептуном людей и технику на работу с «Вояджером-1», ему задали программу A818, охватывающую период с 5 июня до начала декабря 1989 г.

6 августа фаза обсервации сменилась 18-суточной фазой подлета, бортовая программа B903 — программой B921, а к регулярному сопровождению «Вояджера» приступили радиотелескопы в Парксе и Сокорро. Этап начался с заключительной десятичасовой тренировки готовности радиоэксперимента ORT-4, в ходе которой были выявлены и устранены последние «узкие места».

Спутник 1989 N4 и дуга кольца N53, снятые 11 августа 1989 г.
NASA/Jet Propulsion Laboratory, 1989

Граница этапов была проведена в этом месте потому, что Нептун и область предполагаемых колец перестали умещаться в один кадр узкоугольной камеры. Продолжались поиски новых спутников (безуспешные) и колец (результативные), но основными объектами изучения стали Большое Темное Пятно и меньшие по размеру атмосферные вихри. 8 августа с помощью камеры NAC был подробно отснят почти полный оборот планеты вокруг оси для изучения динамики атмосферы. Тем временем УФ-спектрометр UVS искал полярные сияния и прочую авроральную активность, и дважды в сутки на Землю передавались высокоскоростные записи PRA и PWS. 11 августа после осторожного нагрева, который должен был размягчить клей и сделать зеркала более соосными, с последующим остыванием конструкции, протестировали радиометр IRIS.

Как раз в этот день на снимках с расстояния 21 млн км ученые впервые увидели две дуги (частичных кольца) Нептуна. Одна была найдена чуть-чуть снаружи от спутника 1989 N4 и простиралась примерно на 45°, вторая следовала за 1989 N3 с отставанием на 90° и имела всего около 10° в длину. Ричард Террайл отметил, что все в совершенном восторге. В соответствии с расстоянием от планеты дуги обозначили N53 и N63 соответственно.

14 августа до Нептуна оставалось 14,8 млн км. Разрешение узкоугольных снимков ISS достигло пары сотен километров, и на них были хорошо видны яркие перистые облака на южной и северо- западной границах БТП, которое окончательно опознали как антициклон с периодом вращения вокруг центра в 16 суток. Стало ясно, что пятно лежит в более глубоких слоях атмосферы, так как яркие облака его отчасти перекрывали. В этом было его принципиальное отличие от Большого Красного Пятна на Юпитере, которое, напротив, возвышалось над окрестностями.

На запад и север от БТП тянулся темный след, который образовался на глазах исследователей всего за три оборота планеты вокруг оси — то ли имело место реальное истечение темного материала, то ли это был результат атмосферных возмущений на краю гигантского вихря.