В 70-80-х годах XX века космические аппараты «Вояджер» совершили невероятное путешествие по внешним планетам Солнечной системы: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну. Однако до Плутона тогда не получилось добраться. В то время и на момент запуска аппарата «Новые горизонты» (New Horizons), 19 января 2006 года, данное космическое тело всё ещё считалось девятой планетой нашей системы. Однако уже в августе того года Международный астрономический союз пересмотрел термин «планета» и исключил Плутон из списка, назвав объект «карликовой планетой». Тем не менее зонд «Новые горизонты» продолжил путь к цели. Всего за 16 лет полёта он стал единственным аппаратом, сближавшимся с Плутоном, занимавшимся детальным изучением пояса Койпера, а также вошёл в пятёрку космических кораблей, достигших скорости, необходимой для того, чтобы покинуть Солнечную систему.
Проблемы с запуском миссии
Первая возможность исследования Плутона была ещё у «Вояджера-1». Аппарат мог отправиться к планете после исследования Сатурна. Но предпочтение было отдано изучению обладающего плотной атмосферой Титана (спутнику Сатурна), что исключило возможность полёта к Плутону, о котором на тот момент было практически ничего не известно. Лишь в 1978 году был открыт Харон, крупнейший спутник планеты, а в 1985 году подтверждено наличие у Плутона атмосферы. К 1989 году, когда «Вояджер-2» изучил Нептун, девятая планета осталась единственной в Солнечной системе, куда не долетели научные зонды. Всё это делало Плутон всё более привлекательным для исследований. Однако к тому моменту энтузиазм правительств разных стран к космосу начал утихать и бюджеты на подобные миссии стали контролироваться гораздо жёстче. Ни один из предложенных специалистами NASA проектов финансировать никто не решился.
Более того, Плутон, делающий оборот по орбите за 247 лет, в 1989 году прошёл перигелий (ближайшую к Солнцу точку орбиты) и с тех пор удаляется от Солнца, что делает полёт к нему дольше и дороже, а также ухудшает возможности его исследования из-за особенностей орбиты и опасений учёных, что на самых удалённых точках от звезды атмосфера планеты рассеивается. В 1992 году были обнаружены первые объекты пояса Койпера (это как пояс астероидов между Марсом и Юпитером, только за Нептуном). Учёные решили, что изучение объектов данной зоны можно провести во время полёта к Плутону. Также было минимизировано оборудование зонда так, что стоимость миссии упала от предложенной в 80-х суммы в два миллиарда долларов до примерно 697 миллионов. 19 января 2006 года с космодрома 41 на мысе Канаверал, штат Флорида, на борту ракеты-носителя Lockheed Martin Atlas V был запущен зонд «Новые горизонты».
💡 «Новые горизонты» получил наибольшую скорость при запуске среди всех космических аппаратов.
Что из себя представляет зонд «Новые горизонты»
Основная конструкция «Новых горизонтов» представляет собой треугольную форму из алюминия, которая имеет высоту 0,7 метра, ширину 2,1 метра и длину 2,7 метра. Сами учёные сравнивали размеры аппарата с роялем. На верхней части корпуса установлена зеркальная узконаправленная антенна высокого усиления диаметром 2,1 метра. В систему связи также входят широконаправленная зеркальная антенна среднего усиления и две всенаправленные антенны, расположенные по бокам корпуса. Крепления между корпусом и различными инструментами, а также топливный бак выполнены из титана. Стартовая масса зонда составляла 478 килограмм.
Для ориентации и маневрирования в космосе используется реактивная система управления, состоящая из 4 крупных и 12 небольших двигателей, камеры слежения за положением звёзд, определяющие направление движения, а также система из гироскопов и акселерометров, определяющая положение корабля в пространстве. Вся эта информация обрабатывается процессором управления и контроля космического корабля. Остальные системы управляются процессором обработки команд и данных. Оба имеют резервный чип. Таким образом на «Новых горизонтах» установлено четыре процессора типа Mongoose-V (32-битная радиационно-стойкая версия процессора MIPS R3000 1998 года с частотой 12 МГц).
Питается вся эта система с помощью радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ) модели GPHS-RTG (изначально разработанного для космического аппарата «Улисс»), представляющего собой цилиндр диаметром 0,422 метра и длиной 1,14 метра. Радиоизотопным топливом служит 9,75 килограмма плутония-238 в виде оксида PuO2. Мощность установки на момент старта космического аппарата составляла 245,7 ватта при напряжении 30 вольт постоянного тока. Текущая же мощность составляет менее 180 Вт из-за деградации термопасты термоэлектрического преобразователя и полураспада самого плутония. При падении мощности в 3,5 Вт каждый год, «Новые горизонты» уже к 2030 году не смогут поддерживать связь с Землёй.
Научные инструменты
Из-за экономии бюджета, источник питания «Новых горизонтов» практически в два раза менее мощный, чем на «Вояджерах». Поэтому инженерам пришлось оставить на зонде лишь те научные инструменты, которые нужны чётко под конкретную миссию, а также очень энергоэффективны. Их суммарная мощность составила всего 28 Вт. Среди оборудования присутствует:
- Чувствительный ультрафиолетовый спектрометр Alice, предназначенный для изучения состава и структуры атмосферы Плутона и других объектов. Также с его помощью получили спектр полярных сияний Юпитера, Ио и Галилея.
- Камера-спектрометр видимого и инфракрасного диапазона Ralph, с помощью которого учёные могут получить карты состава поверхности и температуры объектов, изучить геологию и морфологию и так далее. По сути, это основные «глаза» аппарата. В состав прибора входят телескоп, мультиспектральная камера MVIC видимого диапазона с тремя панхроматическими и четырьмя цветными детекторами, а также картирующий композиционный ИК-спектрометр LEISA.
- Радиоэксперимент (Radio Science Experiment), который представляет собой печатную плату, содержащую сложную электронику обработки сигналов и интегрированную в телекоммуникационную систему аппарата. Он предназначен для изучения атмосферы Плутона по характеристикам радиосигнала с Земли, достигающего аппарата.
- Камера высокого разрешения LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) для детальной съёмки и съёмки с большого расстояния в видимом диапазоне, состоит из телескопа с апертурой 20,8 см и ПЗС-матрицы. «Орлиный глаз» станции, не имеющий подвижных частей. Его наведение производится поворотом корпуса аппарата.
- Анализатор солнечного ветра SWAP (Solar Wind Around Pluto), предназначенный для изучения взаимодействия солнечного ветра и плазмы с атмосферой Плутона, состоит из анализатора с запаздывающим потенциалом RPA и электростатического анализатора ESA. Способен детектировать частицы с энергией до 6,5 кэВ.
- Спектрометр энергетических частиц PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation), предназначенный для поиска нейтральных атомов, покидающих атмосферу Плутона. Способен детектировать частицы с энергией до 1000 кэВ.
- Детектор пыли VB-SDC (Venetia Burney Student Dust Counter), построенный студентами Университета Колорадо. Он предназначен для регистрации пылевых частиц, попадающих на «Новые горизонты» в течение всего полёта.
Встреча с астероидом
К весне 2006 года, спустя примерно четыре месяца полёта, команда New Horizons узнала, что у них будет возможность наблюдать небольшой астероид главного пояса под названием 2002 JF56 (на фото ниже) с диаметром менее 5 километров. Учёные решили использовать эту возможность, чтобы в том числе испытать космический корабль и его приборы ещё до подлёта к Юпитеру. С 11 по 13 июня того же года, аппарат New Horizons сближался с астероидом на расстояние около 102 000 километров. Через тепловизор Ralph с его цветной камерой, панхроматическими камерами и инфракрасным спектрометром учёные смогли определить цвет, фотометрические свойства, размер и состав JF56. Что наиболее важно, команда получила ценный опыт в отслеживании движущихся целей, лучше подготовившись к основной цели миссии.
💡 В 2007 году изученный астероид переименовали в APL, признав ведущую роль Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (Applied Physics Laboratory, APL) в New Horizons и других знаковых миссиях НАСА.
Путешествие мимо Юпитера
Первые наблюдения за Юпитером аппарат начал в сентябре 2006 года с помощью дальней камеры LORRI. Более детальные исследования начались уже в январе 2007 года, когда «Новые Горизонты» начали сближаться с планетой. 28 февраля 2007 года аппарат совершил пролёт в 2,3 миллиона километров от Юпитера. Корабль стал восьмой межпланетной станцией, непосредственно изучавшей систему Юпитера. Он долетел до планеты всего за 13 месяцев со старта, что стало рекордом в истории освоения космоса. Кроме того, произведя гравитационный манёвр в поле тяготения планеты, аппарат увеличил свою скорость на 3,89 км/с, что позволило сократить время полёта к Плутону на три года.
С января по июль 2007 года аппарат проводил различные наблюдения, дополняя ранее известную информацию. Основной упор был сделан на исследование метеорологии, больших и малых красных пятен, полярных сияний, отбор проб магнитосферы и пыли, а также ультрафиолетовое картирование газового кольца. Кроме того, свою долю наблюдений от «Новых Горизонтов» получили и четыре галилеевых спутника, особенно вулканическая луна Юпитера Ио. По завершению всех исследовательских работ в отношении газового гиганта и гравитационного маневра вокруг него, зонд New Horizons вошёл в спящий режим, в котором провёл следующие 8 лет на пути к Плутону.
Единственный аппарат, побывавший на Плутоне
Как уже упоминалось выше, во время запуска миссии ожидалось, что «Новые горизонты» сделают США первой страной, исследовавшей собственными зондами все планеты Солнечной системы. Однако после пересмотра статуса Плутона в 2006 году Америка стала таковой постфактум — 25 августа 1989 года, когда «Вояджер-2» посетил Нептун. Тем не менее бывшая самая маленькая планета стала крупнейшей карликовой планетой в Солнечной системе, а также крупнейшим транснептуновым объектом (ТНО, грубо говоря, тела Солнечной системы, находящиеся за орбитой Нептуна) по диаметру, так как по массе его обгоняет Эрида, а значит — всё ещё представляла большой научный интерес. Пока аппарат летел к цели, учёные обнаружили ещё четыре спутника Плутона (с 1978 года по 2005-й было известно лишь о Хароне). Они могли свидетельствовать о наличии небольших колец вокруг планеты, что могло повредить зонд при пролёте. Однако колец вокруг Плутона обнаружено не было. 6 декабря 2014 года «Новые горизонты» были выведены из спящего режима, чтобы провести первую серию снимков и корректировку траектории.
Пролёт системы Плутона состоялся 14 июля 2015 года, получены снимки и большой объём иных научных данных о Плутоне, Хароне и четырёх малых спутниках. Была изучена геология и морфология данных космических тел, составлены химические карты их поверхности и проанализирована атмосфера (которая, как оказалось, состоит преимущественно из нитрогена). Было определено, что у Плутона нет магнитного поля. Равнины на поверхности Плутона более чем на 98 % состоят из азотного льда со следами метана и окиси углерода. Горы состоят из водяного льда. Самым интересным открытием стало то, что Плутон — одно из самых контрастных тел в Солнечной системе. Цвет его поверхности варьируется от угольно-чёрного до тёмно-оранжевого и белого.
На границе Солнечной системы: Пояс Койпера
Интересно, что все эти данные учёные получали в течение 14 месяцев. Из-за больших потерь в космическом пространстве, скорость передачи данных на такое огромное расстояние составляла всего 1-2 килобита в секунду, а передать нужно было более 6 гигабайт информации. За это время аппарат также успел совершить последнюю корректировку направления движения на остаток топлива. Он полетел к одному из объектов пояса Койпера. О том, что за орбитой Плутона могут существовать ещё какие-то небесные тела, говорили с самого открытия планеты. Однако обнаруживать их стали с 90-х годов. Как уже говорилось выше, общее название всех тел, у которых среднее расстояние до Солнца больше, чем у Нептуна, — транснептуновые объекты. Сюда входит и Плутон с огромным количеством астероидов, образовывающих пояс Койпера, и Эрида (самый большой известный ТНО), входящая в рассеянный диск, и объекты облака Оорта, включая долгопериодические кометы и так далее.
Так вот, у учёных было три варианта: астероиды 2014 MU69, 2014 OS393 и 2014 PN70. Лишь эти объекты совпадали с траекторией полёта корабля и были достаточно крупными, чтобы представлять научный интерес. Во время финальных просчётов вероятность успешного достижения этих целей оценивалась в 100 %, 7 % и 97 % соответственно. 2014 PN70 был более ярким и предположительно крупным объектом, но учёные выбрали стопроцентный вариант. 2014 MU69 тогда имел неофициальное название «Ультима Туле». С 2016 по 2017 год «Новые горизонты» провели серию снимков некоторых ТНО на подлёте к цели. 16 августа 2018 года начались наблюдения за «Ультима Туле». Максимальное сближение состоялось 1 января 2019 года. Аппарат пролетел на расстоянии 3538 км от астероида. Это событие произошло в 43,4 а.е. от Солнца (1 а.е. = 149 597 870,7 км), что сделало «Ультима Туле» самым удалённым космическим объектом в истории, мимо которого совершил пролёт космический аппарат. Данные, собранные аппаратом, до сих пор до конца не переданы (на лето 2022 года оставалось 10 %, о полной передаче ещё не сообщали). Уже после пролёта «Новых горизонтов» объект получил название Аррокот.
После пролёта Аррокота «Новые горизонты» устремились в межзвёздное пространство, ежегодно удаляясь от Солнца на три астрономические единицы. Станция до сих пор имеет научную ценность. К примеру, её использовали в 2020 году в рамках проекта Parallax Program одновременно с несколькими наземными телескопами, чтобы уточнить расстояние до звёзд Проксима Центавра и Вольф 359. Учёные предполагают, что аппарат сможет проработать до 2035 года, к тому моменту находясь на расстоянии около 90 а.е. от нашей звезды. Но и без этого аппарат уже вошёл в историю в качестве единственного рукотворного объекта, побывавшего возле Плутона. Таким образом, человечество завершило путешествие по всем крупнейшим объектам Солнечной системы.
