В эти часы происходит самая важная встреча 2015 года, а может и всего десятилетия. Космический аппарат NASA New Horizons находится в самой активной фазе своей миссии — встрече с Плутоном, и изучении этой карликовой планеты и ее окрестностей. Космический аппарат за сутки промчится через систему Плутона и его спутников, соберет несколько гигабайт научных данных, и улетит дальше, в пояс Койпера, облако Оорта и к другим звездам.
История Плутона началась еще до его открытия. Еще в 40-е гг XIX в. ученые определили, что за орбитой Урана есть еще планеты. На это указывали его особенности орбитального вращения. В результате, почти сразу открыли Нептун, но поведение Урана указывало, что должен быть еще один возмутитель гравитационного спокойствия. Когда, наконец, в 1930 г. нашелся Плутон, то ученые решили — вот оно! Очередной триумф науки. Правда по первоначальным прикидкам выходило, что найденная планета должна быть никак не меньше Юпитера.
Потом, на протяжении всего XX в. масса Плутона пересчитывалась в сторону уменьшения, пока, наконец, пришли к выводу, что Плутон никакого отношения к поведению Урана не имеет. В конце прошлого века возможности астрономической техники позволили открыть целое семейство транснептуновых объектов. Большинство занептуновых тел оказались астероидами и кометами, которые наполняют пояс Койпера. Но некоторые тела оказались не многим меньше самого Плутона, поэтому у астрономов возникла проблема: объявлять ли их планетами или лишить этого звания Плутон?
В 2006 году вопрос решился не в пользу Плутона. С тех пор правильный ответ на вопрос «Сколько планет в Солнечной системе?» таков: «восемь планет и пять карликовых планет».
После «разжалования» интерес к Плутону только возрос. Он все еще остается самым крупным телом в поясе Койпера, и, кроме всего прочего, он, вместе со своим спутником Хароном, представляет собой вообще уникальное в Солнечной системе тело — двойную планету. Ближайшая аналогия такой системы — Земля и Луна. На третьем месте — Солнце и Юпитер. Дело в соотношении масс основного тела и спутника. Фактически, Харон не вращается вокруг Плутона, а оба они вращаются вокруг точки пространства между ними, которая является центром их масс.
Физику такого вращения можно представить наблюдая за метателем молота перед броском.
У Земли и Луны тоже имеется такой общий центр масс, но он не выходит за пределы Земли, поэтому мы не считаемся двойной планетной системой. Хотя астрономы пока так и не договорились о том, что считать двойной планетой.
В январе 2006 года к Плутону стартовала миссия New Horizons. Ее создатели стремились максимально сократить время достижения карликовой планеты, поэтому сделали относительно маленький и легкий аппарат около 650 кг (и стоимостью около $650 млн) который сильно разогнали у Земли. На торможение топливо просто не предусматривалось, поэтому изучение с пролета.
Причин такого решения несколько. Задачу выхода на орбиту можно решить различными путями, которые потребуют гораздо больше времени, увеличение массы, средств на разработку и управление. Плутон слишком легкий чтобы его гравитация помогала выходу на орбиту, а атмосфера ничтожна, чтобы пытаться использовать ее для торможения. Ключевым параметром остается время полета. Можно было загрузить побольше топлива, и разгонять не так быстро, использовать экономичные траектории и гравитационные маневры, как, например летела Rosetta или сейчас летит Juno. Но это потребовало бы намного больше времени.
Можно понять ученых, которые хотели поскорее увидеть далекий Плутон, но, мне кажется, девятилетний полет был удобен и чиновникам, распределявшим бюджет. Объяснить им перспективность миссии, которая даст результат через двадцать лет, когда большинство из утверждавших миссию уйдет как минимум на пенсию, было бы гораздо сложнее.
Несмотря на прямолинейность траектории New Horizons, из его полета удалось выжать дополнительную научную информацию — изучить систему Юпитера через год после старта (для сравнения, Juno используя экономичные орбиты, добирается до Юпитера 5 лет). New Horizons пронесся на расстоянии 2,3 млн км от планеты-гиганта и провел тренировку будущей основной работы у Плутона.
Особенно удачно получились упражнения со спутником Юпитера Ио. По многим параметрам она похожа на Плутон, поэтому ей уделялось особое внимание.
Съемка «дальнобойной» камерой LORRI показало в динамике феноменальную картину извержения гигантского вулкана.
Вулкан Тшватар выбрасывает лаву на 300 км. Но он там такой не один. Наблюдение теневой стороны Ио с длинной выдержкой тремя оптическими приборами New Horizons показало необычайную геологическую активность спутника Юпитера. Заодно мы можем увидеть возможности космического аппарата.
На черно-белом снимке камеры LORRI с длинной выдержкой, можно увидеть фонтаны лавы, которую выбрасывают вулкан, и яркой точкой светится его жерло. Инфракрасный гиперспектрометр LEISA позволил рассмотреть на теневой стороне Ио множество других горячих вулканов, даже тех, которые ранее были неизвестны. Цветная камера MVIC позволяет увидеть разницу в цвете основной коричневатой поверхности Ио и синей раскаленной лавы вулкана. Вулканическая активность Ио — результат гравитационного взаимодействия с Юпитером. Не исключена возможность похожих процессов между Плутоном и Хароном, и недра карликовой планеты тоже могут быть разогреты, а на коре могут быть обнаружены прорывы горячих гейзеров. Если они есть на Плутоне, то LEISA их найдет.
Про оптические приборы New Horizons надо сказать отдельно. Главный его калибр — LORRI — это зеркальный телескоп схемы Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала в 20,8 см и фокусным расстоянием в 2630 мм. Поле его зрения 0,29 градуса, это значит, что он увидел бы только ⅔ Луны если б посмотрел с Земли. Камера LORRI оборудована одномегапиксельной CCD панхроматической матрицей. Наилучшее разрешение на поверхности Плутона, полученное этой камерой будет чуть более 100 м на пиксель.
Для сравнения NASA приводит Манхэттэн.
Второе устройство Ralph представляет собой, фактически, два прибора, использующие один телескоп. Фокусное расстояние Ralph в четыре раза меньше LORRI, поэтому и все видимые объекты получаются хуже качеством, в сравнении с “дальнобойной камерой”. Зато широта видимого поля больше в 20 раз (5,7 градуса). К тому же Ralph — это не камера, т.к. вместо матрицы используются сканирующие линейки. Цветным сканером является прибор MVIC, который имеет семь сканирующих линеек выполненных по технологии TDI CCD. Четыре цветных сканирующих линейки видят инфракрасный, красный, синий цвета, и свечение метана в ближнем инфракрасном диапазоне. Т.е. простым сложением полученных снимков невозможно создать изображение в видимом диапазоне (примерно так же видит Землю спутник “Электро-Л”).
LEISA имеет теллурид-кадмиево-ртутный инфракрасный датчик на котором размещено 256х256 чувствительных элементов. Элементы расположены в линии по 256 штук и работают в режиме пуш-брум, т.е. каждая линия датчика воспринимает свою длину инфракрасной волны (свой отдельный цвет). Это делает LEISA инфракрасным гиперспектрометром, т.к. он видит в большом спектральном разрешении. Такие возможности позволят провести качественное геологическое сканирование Плутона и определить породы из которых сложена кора карликовой планеты.
На схеме NASA можно увидеть соотношения захватываемого видимого поля различными оптическими приборами:
После пролета Юпитера New Horizons был отправлен в гибернацию, для сохранения ресурсов оборудования. Лишь изредка его пробуждали для перепроверки работоспособности и техобслуживания. Иногда будили его и для работы: снимать пролетающие в отдалении астероиды или Нептун.
В 2015 году наступила пора возвращаться к активной работе. Уже с января New Horizons приступил к съемке системы Плутона и Харона, но его разрешающая способность еще не дотягивала до возможностей космического телескопа Hubble. С этого околоземного телескопа еще в 2012 году открыли последний из известных спутников Плутона, но ученые не оставляют надежды обнаружить еще спутники или кольца. Показательно, что стартовал New Horizons когда у Плутона знали только три спутника.
5 мая оптические возможности камеры LORRI сравнялись с возможностями Hubble и с этого момента научная значимость New Horizons стала расти. Практически каждый новый снимок позволял уверенно говорить «этого мы не видели ранее». Хотя на первый взгляд снимки так и оставались малоразличимыми. Только сократив расстояние в несколько раз, New Horizons стал радовать новыми подробностями.
Как и ожидалось, поверхность Плутона оказалась очень разнородной. Ярко белые пятна на нем соседствуют с угольно черными. Такой дисбаланс наблюдается не часто в Солнечной системе. Можно только вспомнить спутник Сатурна Япет, у которого ледяная поверхность частично засыпана пылью из кольца Сатурна. Или яркие пятна Цереры приходят на ум.
Ученым еще предстоит узнать происхождение различных типов поверхности и причины появления сложных форм рельефа. Но нынешняя гипотеза столкновения прото-Плутона и прото-Харона уже указывает на катастрофические события, которые здесь произошли на заре Солнечной системы.
На спутнике Плутона Хароне, тоже не все так просто. Он оказался очень похож на нашу Луну: у него тоже два полушария отличаются друг от друга, а на том, что развернуто к Плутону, тоже видно темное «море».
New Horizons должен изучить не только поверхность Плутона и спутников, но поискать атмосферу у обоих. Для этого аппарат оборудован ультрафиолетовым спектрометром Alice. Сейчас он наблюдает атмосферу Плутона, чтобы определить ее состав, происхождение, распространение и динамику потери. Для более подробного изучения атмосферы, траектория пролета предусматривает полет New Horizons через тень, сначала Плутона, потом Харона. Это позволит не только найти горячие точки на телах карликовой планеты и спутника, но и увидеть рассеяние солнечного света газовой оболочкой этих тел. Alice сможет определить газовый состав атмосферы или атмосфер, если таковая найдется у Харона.
Подробную схему с описанием пролета можно увидеть в инфографике от Nature, которую любезно перевели участники ВК-сообщества «Открытый космос«.
Картинка кликабельна.
Скачать PDF в сообществе.
Как видим из хронологии пролета, сейчас нам остается ждать 4 часов утра чтобы узнать получило ли NASA «звонок домой», который даст знать, что все прошло как надо.
За его фактическим перемещением можно следить на сайте whereispluto.info. Хотя там не фактические данные, а расчетные, и если аппарат врежется в необнаруженный ранее спутник, то мы этого на сайте не увидим. К тому же, не будем забывать, что сигнал с аппарата идет с задержкой в 4,5 часа.
Помимо оптических средств изучения, New Horizons оборудован приборами для регистрации плазмы, ионизированных частиц и космической пыли, предусмотрено использование радара… Пока о результатах их работы не сообщалось.
Самые лучшие кадры Плутона на Землю доставят 15 июля, а Харона 16-го. Весь же объем данных будет передаваться около двух лет, так что различные результаты сегодняшнего свидания с Плутоном мы будем узнавать следующие три года.
New Horizons тем временем постарается «перехватить» еще 1 или 2 астероида из пояса Койпера, чем немало расширит границы познания человечества об этом далеком и ледяном регионе Солнечной системы. Далее путь космического аппарата проляжет в облако Оорта, а через тысячи или десятки тысяч лет полета он, возможно, посетит и какую-нибудь соседнюю звездную систему. Только мы об этом никогда не узнаем. Энерговыделение радиоизотопного термоэлектрического генератора New Horizons продолжится еще около 15 лет, а потом людям придется с ним только попрощаться. Зато на просторах Вселенной останется частичка праха первооткрывателя Плутона Клайда Томбо, как единственное представительство человечества в дальнем космосе. (А плутоний-238 РИТЭГа New Horizons станет самой далекой частичкой России).