Невосполнимая утрата. NASA начинает отключать "Вояджеры" – самые далекие рукотворные объекты

Два идентичных космических аппарата "Вояджер-1" и "Вояджер-2" были запущены в космос летом 1977 года с разницей всего в 15 дней. Спустя почти 45 лет космических исследований оба аппарата все еще работают и каждый день отправляют на Землю данные из-за пределов Солнечной системы.

Оба "Вояджера" забрались дальше и проработали дольше, чем любой другой космический аппарат в истории человечества. Они стали первыми рукотворными объектами, которые пересекли границу между зоной влияния Солнца и остальной частью галактики.

Этот рекорд, похоже, не будет побит как минимум еще несколько десятилетий, даже не смотря на достижения современной науки. Результат можно назвать фантастическим — учитывая, что миссия "Вояджеров" должна была продлиться всего лишь 4 года.

Еще в начале своего путешествия "Вояджеры" сделали первые снимки спутников Юпитера и Сатурна, которые оказались покрыты льдом и действующими вулканами. До этих снимков ученые считали, что далекие спутники во многом похожи на нашу Луну. В 1986 году "Вояджер-2" первым в истории пролетел мимо Урана, а 3 года спустя прошел мимо Нептуна. На данный момент это единственный аппарат, который совершил подобные пролеты. Теперь же аппараты "Вояджер" находятся почти в 20 млрд км от Земли.

Но судя по всему, космическая одиссея "Вояджеров" постепенно подходит к концу. В 2022 году NASA планируют отключение некоторых систем аппаратов, чтобы запасов энергии хватило хотя бы до 2030 года.

"Продолжительность основной миссии была четыре года. Но если инженеры имели возможность поставить более дорогую деталь, но не слишком необходимую для четырехлетней миссии, они все же это делали. Еще более примечателен тот факт, что для миссии построили сразу два корабля, и они оба все еще работают", – говорит Сюзанна Додд, которая с 2010 года руководит проектом.

"Вояджеры" в космосе: вершина технологий

Во время строительства "Вояджеров" только один космический корабль использовал гравитацию одной планеты, чтобы долететь до другой. Зонд "Маринер-10" выполнил гравитационный маневр рядом с Венерой по пути к Меркурию. "Вояджерам" предстояло сделать несколько таких облетов с погрешностью в десятки минут.

Первая остановка "Вояджеров" была возле Юпитера, что в 10 раз дальше от нашей планеты, чем Меркурий. Также аппаратам предстояло пройти через пояс астероидов.

"До запуска "Вояджеров" велись ожесточенные споры о том, получится ли вообще пройти через пояс астероидов, чтобы аппараты не разорвало на части", – говорит физик из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL) Ральф МакНатт, который большую часть жизни посвятил проекту "Вояджер".

В начале 1970-х два аппарата "Пионер-10" и "Пионер-11" благополучно пролетели через пояс астероидов, который оказался довольно "пустым" пространством. Таким образом, эти два аппарата проложили путь для "Вояджеров".

Для того, чтобы справиться со всеми проблемами по дороге, "Вояджерам" понадобился некого рода встроенный интеллект. Аппараты размером с Volkswagen "Жук" оснастили компьютерами с 69 килобайтами памяти, что составляет менее одной стотысячной доли емкости современного смартфона. Но сравнение со смартфонами выглядит не слишком удачным.

"Компьютеры "Вояджеров" оснащены меньшим объемом памяти, чем брелок, открывающий двери в машине", – признается планетолог из Лаборатории реактивного движения Линда Спилкер, она начала работу над миссиями "Вояджер" в 1977 году.

Данные с космических аппаратов записываются на восьмидорожечных картриджах, а потом отправляются на Землю при помощи 23-ваттного передатчика. Его мощность примерно равняется мощности лампочки в холодильнике. Для того, чтобы усиливать передаваемый на Землю сигнал, оба "Вояджера" несут на себе параболические антенны шириной 3,5 метра для отправки и приема сигналов.

"Во время создания "Вояджеров" нам казалось, что мы находимся на вершине технологий. Нам удалось завершить строительство кораблей на удивление быстро", – говорит физик из Калифорнийского технологического института и член команды "Вояджера" Алан Каммингс.

Всего за четыре года команда исследователей завершила строительство трех космических кораблей, среди которых один являлся рабочим испытательным образцом. За несколько месяцев до старта миссии два аппарата были переименованы в "Вояджер-1" и "Вояджер-2".

Уже в марте 1979 года "Вояджер-1" добрался до Юпитера, проведя в дороге 546 дней с момента запуска. "Вояджер-2" прибыл к Юпитеру в июле того же года, но использовал другую траекторию, чем его брат близнец.

Оба "Вояджера" были построены так, чтобы оставаться всегда в стабильном состоянии для лучшего изображения с камер. В камерах использовались красные, зеленые и синие фильтры, чтобы на Земле могли получить цветные изображения. Аппараты почти не вращаются во время полета, их вращение почти в 15 раз медленнее, чем движение стрелки, отсчитывающей часы.

Открытия "Вояджеров" и одна бледно-голубая точка

Первое доказательство того, что не все спутники в Солнечной системе похожи на Луну, появилось, когда "Вояджеры" были примерно в 1,6 млн км от Юпитера. Система обнаружения низкоэнергетических заряженных частиц (LECP) уловила необычные сигналы.

"Мы увидели, как в детектор попадает большое количество ионов кислорода и серы. Плотность этих ионов подскочила в три раза в сравнении с уровнями, которые детектор фиксировал до этого", – говорит Стаматиос Кримигис, который разработал инструмент LECP.

Разгадку предоставили камеры "Вояджеров", которые показали, что на спутнике Юпитера Ио находятся действующие вулканы. Теперь ученые знают, что Ио – самое вулканически активное тело в Солнечной системе.

За все время своей научной деятельности "Вояджеры" сделали более 33 тыс. фотографий Юпитера и его спутников. Каждое их этих изображений было крупным научным открытием.

Именно благодаря "Вояджерам" ученые узнали, что у Юпитера есть кольца, а Европа покрыта невероятной коркой льда.

Когда аппарат покидал Юпитер, он получил от него гравитационный толчок со скоростью в 57 400 км/ч. Без этого толчка аппараты не смогли бы преодолеть притяжение Солнца и выйти в межзвездное пространство.

Рядом с Сатурном дороги аппаратов "Вояджер-1" и "Вояджер-2" разошлись. Первый пролетел через кольца Сатурна, приняв на себя удар тысяч пылинок, прошел мимо Титана и направился прочь из Солнечной системы.

В это же время "Вояджер-2" отправился в гости к Урану и Нептуну. В 1986 году аппарат "Вояджер-2" открыл 10 новых спутников Урана и добавил его в список планет, имеющих кольца. Через три года после этого "Вояджер-2" прошел над атмосферой Нептуна, где зафиксировал самую высокую скорость ветра среди планет Солнечной системы, которые достигала 600 м/с. Также аппарат выяснил, что самый крупный спутник Нептуна, Тритон – одно из самых холодных мест в Солнечной системе. Температура на поверхности спутника достигает -235 градусов по Цельсию.

Фотографии Нептуна и его спутников могли стать последними снимками, сделанными "Вояджером-2". Но известный астроном Карл Саган, который также являлся членом команды по обработке изображений, предложил сделать один последний снимок.

Дело в том, что после завершения основной миссии NASA планировало отключить камеры обоих аппаратов. В межзвездном пространстве, куда направились "Вояджеры", камеры аппаратов не смогли бы сделать снимки из-за нехватки света.

Но Саган предложил NASA, чтобы "Вояджер-1" сделал напоследок серию изображений. В День святого Валентина в 1990 году зонд повернулся к внутренней части Солнечной системы и сделал последний залп из 60 фотографий. Самым известным снимком стало изображение Земли с расстояния в 5,9 млрд км. Саган описал Землю на фото, как "бледно-голубую точку". По сей день эта фотография остается самым отдаленным изображением Земли. На ней наша планета действительно выглядит, как едва различимая голубая точка, которая не занимает даже полный пиксель.

Зонды "Вояджер" и выход в межзвездное пространство

Сейчас оба зонда находятся настолько далеко от Земли, что радиосигналу, который летит со скоростью света, требуется почти 22 часа, чтобы добраться до "Вояджера-1" и больше 18 часов – до "Вояджера-2". Ежедневно аппараты удаляются от Земли еще на несколько световых секунд.

"Вояджеры" все еще держат связь с Землей благодаря системе NASA, которая состоит из трех комплексов слежения, разбросанных по всей планете. Система обеспечивает беспрерывную связь с аппаратами, несмотря на вращение Земли. Но по мере удаления зондов, их сигналы становятся все слабее и слабее.

"Земля – это очень шумной место. Радио, телевизоры, мобильные телефоны – все издает шум. Поэтому нам становится все сложнее услышать тихий шепот двух невероятно далеких космических аппаратов", – говорит сотрудник Сети дальней космической связи NASA Глен Нэгл.

Несмотря на все проблемы, "Вояджеры" все же смогли выйти в межзвездное пространство. Иными словами, зонды преодолели границу, которая отделяет межзвездную среду от региона, куда достает солнечный ветер. Ученые называют эту границу гелиопаузой – место, где происходит окончательное торможение солнечного ветра. Снаружи гелиопазы "правит бал" уже межзвездная плазма.

Ученые просят не путать гелиосферу с краем Солнечной системы, которая включает в себя далекое облако Оорта. До этой точки "Вояджерам" придется лететь еще 300 лет.

На дорогу к межзвездной среде аппараты потратили почти 20 лет. "Вояджер-1" пересек гелиопаузу 25 августа 2012 года. Но данные зонда были настолько противоречивы, что объявление об открытии пришлось задержать.

"Вояджер-1" действительно зафиксировал ожидаемый скачок плотности плазмы, его детектор показал 80-кратное увеличение. Но в данных не было никаких признаков изменений в окружающем магнитном поле. Отметим, что гелиопауза считается также и границей магнитного поля Солнца.

В ноябре 2018 года "Вояджер-2" также не заметил никакого различий в магнитном поле. Более того, аппарат подкинул ученым еще одну загадку. "Вояджер-2" пересек гелиопаузу на расстоянии 120 астрономических единиц от Земли, по сути, в том же самом месте, что и "Вояджер-1". Такие данные не согласовываются с теоретическиим моделями, которые говорят, что сфера влияния Солнца должна расширяться и сжиматься в соответствии с 11-летним солнечным циклом.

"Вояджер-2" прибыл на место, когда солнечный ветер был на своем пике, и согласно моделям, граница гелиопаузы должна была отодвинуться дальше, чем на 120 а.е.

Какие инструменты потеряли "Вояджеры" и какие еще предстоит утратить

На данный момент у "Вояджера-2" находятся в рабочем состоянии пять инструментов, у "Вояджера-1" – четыре. Как известно, все эти инструменты питаются от устройства на борту зондов, которое преобразовывает тепло от распада плутония в электричество. Но мощность уменьшается примерно на 4 ватта в год, и NASA пришлось выбирать.

Около двух лет назад космическое агентство выключило обогрев детектора космических лучей, который сыграл решающую роль в исследовании гелиопаузы. В NASA считали, что после отключения обогрева, инструмент выйдет из строя.

"Температура снизилась примерно на 60-70 градусов по Цельсию, что значительно превысило все возможные пределы, но прибор продолжал работать", – подчеркивает Линда Спилкер.

И наконец, два прибора "Вояджеров", которые будут выключены в последнюю очередь — это, скорее всего, магнитометр и плазменный научный прибор. Дело в том, что оба инструмента находятся внутри зондов, где подогреваются теплом самого компьютера. Остальные же инструменты аппаратов подвешены на 12-метровой стреле.

"Когда мы отключаем обогреватели, эти внешние инструменты становятся очень холодными. Если все пойдет по плану, возможно, мы сможем продлить работу миссии до 2030-х годов за счет отключения научных инструментов", – добавляет Спилкер.

Но даже после того, как "Вояджеры" придется полностью отключить, их невероятное путешествие продолжится. Примерно через 16 700 лет "Вояджер-1" побывает в гостях у нашей соседней звезды Проксимы Центавра. Еще через 3 600 лет "Вояджер-2" повторит этот путь. После аппараты продолжат странствовать по галактике в течение миллионов лет.

Скорее всего, зонды переживут Солнце, которое взорвется, и застанут времена, когда больше не будет гелиосферы и той самой "бледно-голубой точки". В конце своего пути "Вояджеры" передадут последнее сообщение, но его конечным адресатом будут уже не люди.

Это послание было записано на пластинках из меди, покрытых золотом и запечатанных в алюминиевую оболочку. На известных "золотых пластинах" закодированы образы, звуки и другие данные, которые могут дать представление о месте, откуда прибыли "Вояджеры" – нашей планете.

По материалам Scientific American.