Когда-нибудь в середине 21-го века, если все пойдет по плану, детище Ральфа Макнатта покинет Солнечную систему. Это потенциальная миссия НАСА, условно называемая Межзвездным зондом, которую Макнатт в той или иной форме создает в течение последних пятидесяти лет — с тех пор, как он был школьником с горящими глазами и размышлял о будущем человечества после того, как астронавты Аполлона прогулялись по Луне. 

Сегодня Макнатт — 65-летний физик из Лаборатории прикладной физики Университета имени Джона Хопкинса (APL) и главный исследователь проекта по созданию Межзвездного зонда. По его подсчетам, около 200 ученых и инженеров по всему миру сейчас активно работают над тем, чтобы сделать миссию реальностью, и многих из них он завербовал лично.

«Межзвездный зонд может стать новым «гигантским скачком для всего человечества», — говорит Макнатт. «Это может быть наш первый осознанный шаг к звездам. Выбор за нами».

Если все пойдет гладко, миссия может начаться в первой половине 2030-х годов с запуска примерно полтонного космического корабля с ядерной установкой на самой быстрой на тот момент ракете. Зонд пройдет мимо Юпитера и, возможно, позже опасно сблизится с Солнцем, в обоих случаях отбирай часть импульса у каждого объекта в гравитационном маневре, тем самым набирая скорость для побега из Солнечной системы. 

Затем, когда Солнце и основные планеты быстро останутся позади, корабль влетит в облако Оорта, находящееся на окраине нашей звездной системы. Продвигаясь вперед, он может пролететь мимо одного или нескольких ледяных неизведанных миров, которые, как теперь известно, существуют за Плутоном. И, глядя назад, он может отыскать бледно-голубую точку Земли, ища намеки на жизнь, которые можно было бы увидеть с ближайших звезд.

Однако все это будет лишь прелюдией к тому, что Макнатт и другие ученые считают основной научной целью зонда. Примерно через десять лет после запуска он вылетит из гелиосферы — коконоподобной области вокруг нашей Солнечной системы, созданной солнечным ветром — чтобы достичь и изучить космические лучи и облака плазмы, которые составляют межзвездную среду — темные пространства между звездами.

Продолжая свой полет, к 2080-м годам он, возможно, преодолеет путь в 1000 астрономических единиц (а.е., расстояние между Землей и Солнцем), достигнув, наконец, своей главной цели: беспрецедентного взгляда извне на гелиосферу, который мог бы революционизировать понимание нашего места в космосе.

«Мы видели гелиосферы — астросферы — вокруг других звезд, но мы слабо знаем ее структуру у нас», — говорит Елена Проворникова, исследователь из APL, занимающаяся гелиофизикой. «Итак, представьте, что вы сидите в своем доме, и кто-то спрашивает вас, как он выглядит снаружи. Вы должны выйти на улицу, чтобы увидеть. [Межзвездный зонд] будет первым, у которого будут инструменты для того, чтобы показать вид извне на Солнечную систему».

Посещение гелиосферы

Это будет не первый работающий космический аппарат, который попал в межзвездное пространство: зонд НАСА Вояджер-1 вышел из гелиосферы в 2012 году, а затем это сделал его близнец Вояджер-2 в этом году. Но Вояджеры, запущенные еще в 1970-х годах, были случайными посетителями гелиосферы.



Они предназначались для 4.5-летних миссий по изучению внешних планет Солнечной системы, а не того, что лежит за ее пределами. Только большая удача и изобретательность ученых позволили им выжить и достичь гелиосферы работоспособными — с очень немногими действующими старыми приборами, которым еще хватает энергии для работы.

Скудные измерения Вояджеров выявили сложную динамическую структуру, созданную взаимодействием солнечного ветра с более сильными встречными потоками частиц из межзвездной среды. Оба Вояджера пролетели через пограничную область, так называемую гелиопаузу, где давление солнечного ветра и межзвездной среды находится в хрупком равновесии.

За пределами гелиопаузы территория остается в основном неизведанной. Наша гелиосфера под воздействием галактических магнитных полей и потоков частиц от древних сверхновых может по своей форме напоминать каплю, закругленная область которой направлена по движению Солнечной системы в Млечном пути.

И, наоборот, она может быть похожа на что-то более сложное — например, на гантель. Никто точно это не знает. Но несомненно то, что гелиосфера защищает нас от большинства высокоэнергетических космических лучей, которые заполняют каждый уголок галактики — лучей, которые, поражая нашу хрупкую планету, могут изменить климат и даже нашу собственную ДНК.

«Все эти связи каким-то образом объединяются, образуя нашу обитаемую астросферу», — говорит Проворникова. В каком-то смысле часть ответа на загадку возникновения и существования жизни на одной маленькой планетке вокруг одной ничем не примечательной желтой звезды может быть найдена невообразимо далеко, за неизвестными краями Солнечной системы.

Вояджер-1, нынешний рекордсмен по скорости полета среди космических аппаратов, путешествует со скоростью 3.6 а.е. в год. Макнатт уверен, что Межзвездный зонд сможет двигаться по крайней мере в два раза быстрее — это нижний предел скорости, который позволит космическому аппарату пройти чуть более трети пути к желаемой цели в 1000 а.е. в течение 50 лет после его запуска. «Всем хотелось бы, чтобы итоговое число было больше этого», — говорит Макнатт, добавляя, что более скромная скорость даст больше времени для научных наблюдений за любой заданной целью на пути миссии.

«Чтобы представить это в перспективе, мы могли бы добраться туда, куда Вояджер-1 летел 50 лет, примерно через десятилетие после запуска», — говорит Майкл Пол, инженер космических систем в APL и один из исследователей проекта Межзвездного зонда.


Вояджер.

Большие ракеты, большие риски

Впервые идея чего-то вроде Межзвездного зонда была предложена еще в 1958 году на заседании Национальной академии наук. Увы — с тех пор ученые постоянно откладывали ее в долгий ящик из-за банального недостаточного развития технологий, главным образом из-за отсутствия достаточно мощной ракета-носителя.

Макнатт может рассказать длинную мрачную историю сорванных межзвездных миссий, перечисляя исследование за исследованием, во многих из которых он участвовал за последние несколько десятилетий, и все из них в конечном итоге были отменены на разных стадиях развития.

Ситуация начала меняться с разработкой НАСА системы Space Launch System (SLS), чрезвычайно дорогой мегаракеты, которую постоянно откладывали, но все же в итоге должны запустить в 2021 году. И если все пройдет гладко, то в мире появится ракета-носитель, вдвое мощнее любых других современных аналогов.

Хотя SLS в первую очередь предназначается для доставки астронавтов на Луну и Марс, ее также можно использовать для разгона относительно небольших зондов до огромных скоростей. Правда, ученым придется привести очень убедительные аргументы в пользу такой дорогостоящей ракеты: по последним оценкам, SLS сможет летать только один раз в год, а стоимость запуска составит более 2 миллиардов долларов.

Главной научной целью НАСА для SLS является миссия Europa Clipper, предназначенная для поиска признаков жизни на Европе, загадочной луне Юпитера. Но из-за постоянных переносов первого запуска инженеры могут использовать для этой миссии меньшую, более медленную и более дешевую коммерческую ракету-носитель. Однако у Межвездного зонда нет такого выбора: для быстрого выхода за пределы Солнечной системы даже мощностей могучего SLS хватит с натяжкой.

«Это прямо на грани того, что технологически выполнимо, и выглядит не так хорошо, как в Star Trek, но SLS единственный вариант для нашей миссии», — говорит Макнатт. «[SLS] имеет высокую цену, но я знаю, куда пойти, чтобы купить эту чертову штуковину».

С этой целью подразделение гелиофизики НАСА, которое вместе с отделами наук о Земле, планетологии и астрофизики составляют четыре столпа Директората научных миссий, предоставят Макнатту и его коллегам в течение следующих трех лет 6.5 миллионов долларов для доработки научной и технической сторон их предполагаемой миссии. 

Полученные в результате материалы будет рассмотрены на Гелиофизическом десятилетнем собрании в 2021 году, цель которого — определить бюджет на космические области на следующую декаду. И если все пройдет как надо, то на Межзвездный зонд вполне могут выделить деньги. В противном случае придется ждать еще десятилетие.


Space Launch System.

Тем не менее, даже если Межзвездный зонд получит заветное благословение, Макнатт и его коллеги считают, что он все еще нуждается в «заинтересованности» от таких подразделений НАСА, как отделы планетарной науки и астрофизики, чтобы максимизировать свои шансы на фактический полет. Отсюда и насыщенная предварительная программа миссии: междисциплинарные научные наблюдения на пути из Солнечной системы, которые охватывают весь спектр от изучения карликовых планет до сбора света далеких галактик.

В идеале, для каждого исследования нужно использовать свой набор приборов и уникальный профиль полета. Но, очевидно, это невозможно на самом быстром зонде, который должен быть максимально легким, поэтому все устройства на нем будут многоцелевыми, и даже незначительные изменения в траектории полета могут иметь значительные последние.

Хвост виляет собакой

Возникшая в результате этого напряженность между различными исследовательскими сообществами, надеющимися извлечь выгоду из этой миссии, была уже очевидна на недавнем семинаре, посвященном межзвездному зонду, состоявшемся в Клубе исследователей в Нью-Йорке. В итоге было принято решение сфокусироваться на гелиофизике.

«Если главная цель миссии — узнать форму гелиосферы, это должно превалировать над чем-либо еще», — говорит участник семинара Том Кримигис, главный исследователь миссии «Вояджер» в APL. «Мы не должны делать межзвездный зонд «рождественской елкой». Если каждый захочет повесить свое собственное «украшение», то в итоге «елка» просто рухнет под их весом».

Еще одним важным моментом обсуждения является то, куда в итоге должен полететь космический корабль. Можно проследовать по следам Вояджеров и выйти из «носовой» части гелиосферы — это самый быстрый доступ к межзвездной среде, который к тому же позволит уточнить данные двух предшественников. 

Выход из солнечной системы в боковом направлении — из «фланга» гелиосферы — мог бы обеспечить лучшее общее представление о форме гелиосферы и провести исследования межзвездной пыли, проносящейся вдоль ее турбулентного края. Другим фактором в пользу фланга является потенциальный план китайского космического агентства по выполнению собственной гелиосферной миссии, предложенной Цю Ган Цзуном из Пекинского университета. Предложение Цзуна предусматривает создание двух «межзвездных экспресс-зондов», один из которых будет направлен к носу, а другой — к хвосту гелиосферы уже в 2024 году, причем оба они могут пролететь около 100 а.е. к 2049 году.

«Было бы интересно увидеть эти результаты», — говорит Кэтлин Мандт, научный сотрудник проекта Межзвездного зонда в APL. «Если мы выйдем с фланга, то в итоге у нас будут все три направления».

Ученые, изучающие скопления карликовых планет и других ледяных обломков за пределами Плутона, были, пожалуй, единственными участниками семинара, которым было практически все равно на траекторию зонда. «Какой бы маршрут не выбрали гелиофизики, на нем гарантированно найдется один или несколько очень интересных [объектов]», — говорит Уильям Маккиннон, ученый-планетолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. 

Однако этот агностицизм может прекратиться, если астрономы все-таки обнаружат пятую гигантскую планету, которая, согласно косвенным свидетельствам, может скрываться далеко в темных глубинах Солнечной системы. Ведущие теоретические модели, основанные на предполагаемом влиянии планеты на орбиты более мелких объектов, предполагают, что она может быть в пять раз массивнее Земли и располагаться где-то между 400 и 500 а.е. от Солнца, в хвосте гелиосферы.


Таинственная Девятая планета.

«Если будет обнаружена пятая гигантская планета, это будет очень веским основанием для изменения траектории, чтобы изучить ее», — говорит Кирби Рунион, исследователь из APL, который возглавляет планетарное научное планирование для миссии Межзвездного зонда. «Изменение траектории все еще позволит заниматься гелиофизикой. Просто мы, образно говоря, должны позволить хвосту вилять собакой».

Отправка Межзвездного зонда в полет к новой гигантской планете почти наверняка завоюет интерес планетарного научного подразделения НАСА, потенциально увеличивая бюджет миссии и обеспечивая ее путь к стартовой площадке. Однако это также может изменить первоочередную цель миссии, связанную с гелиофизикой. 

«Если гелиосфера имеет форму вытянутой капли, сможем ли мы вообще добраться до межзвездной среды, если мы полетим к ее хвосту?» — говорит Проворникова. «Некоторые модели предсказывают, что хвост может простираться на несколько тысяч а.е. Если это правда, космический корабль теоретически сможет попасть туда за столетие, но не факт что в рабочем состоянии».

Путешествие в пространстве и времени

По правде говоря, даже если Межвездный зонд действительно будет запущен в начале 2030-ых, длительные временные рамки миссии в дальний космос открывают мрачные перспективы для всех, кроме самого младшего из планировщиков Межзвездного зонда.

«Большинство людей, планирующих его, будут мертвы к тому времени, когда миссия закончится», — говорит Джанет Вертези, социолог из Принстонского университета, который занимается формированием команд для МКС. «Ни одна из миссий, которые мы когда-либо запускали, не была рассчитана на такую долгую работу. Межзвездный зонд с самого начала нужно планировать как планомерную работу нескольких поколений. Запускать его скорее всего будет поколение 90-ых. Миллениалы будут управлять им, когда он достигнет гелиопаузы. И, возможно, лишь наши дети смогут получить с него информацию, когда он достигнет межзвездной среды».

Некоторые из проблем Вертези носят чисто технический характер: например, как структурировать научные наблюдения в разных поколениях, ведь технический прогресс не стоит на месте, и получать и сохранять данные с полувекового космического корабля может быть проблемой. 

Но большая часть проблем, по ее словам, будут чисто психологическими: как вы сможете гарантировать, что с трудом полученные знания одного поколения будут переданы следующему и выдержат испытание временем? Как вы можете гарантировать, что люди, всю жизнь занимающиеся зондом и понимающие, что они уже не увидят финала, спокойно отойдут от дел, а не станут вредить? 

«Мы осознанно готовим эту миссию не только для того, чтобы достичь гелиосферы, но и к тому, чтобы передать лидерство от одного поколения к другому», — говорит Пол. «Мы понимаем, что мы не увидим финала — мы лишь инструменты, с помощью которых будет реализован Межзвездный зонд».

Все это радует Макнатта, который в своих многолетних стараниях по созданию Межзвездного зонда иногда сравнивает себя с Сизифом из греческих мифов, обреченным вечно толкать падающий валун в гору. «Я продолжаю пытаться закатить этот камень на гору», — говорит он. «Но я также отчаянно пытаюсь убедить всех, что это на самом деле реально, если делать все вместе».




iGuides в Telegram — t.me/igmedia
iGuides в Яндекс.Дзен — zen.yandex.ru/iguides.ru
У нас есть подкаст и его видео-версия