Концепт миссии к Энцеладу, ледяной луне Сатурна.
Если бы у вас были несколько миллиардов долларов и группа самых талантливых ученых и инженеров в области космоса, куда бы вы отправились?
На самом деле на этот вопрос нет неправильного ответа. Даже если вы сузите круг до внешней части Солнечной системы — планет, лун, колец и других космических обломков — вам точно никогда не надоест их исследовать. Но у этого изобилия есть ожидаемый недостаток: у ученых мало шансов когда-либо совершить все миссии, о которых они могут мечтать. Однако продумывание этих миссии в любом случае является важной частью исследования космоса, и ученые делают это регулярно.
Во время недавнего виртуального собрания Группы по оценке внешних планет (OPAG), научно-консультативной группы, сосредоточенной на исследовании всего, что находится за поясом астероидов, ученые разобрали с аудиторией три различных концептуальных исследовательских миссий, которые затем попадут в Десятилетний обзор планетарных наук, которым будет руководствоваться НАСА для выбора миссий с 2023 по 2032 годы.
Десятилетний обзор, проводимый Национальной академии наук, дает НАСА независимую оценку приоритетов научного сообщества и рекомендации, куда направлять космические миссии. А OPAG, составляющей Десятилетний обзор, легче выставить приоритеты, имея представление о том, какие исследования предполагается проводить в различных местах.
«Честно говоря, я был бы шокирован, если бы точные воплощения этих исследовательских миссии действительно запустили в космос», — говорит Шеннон МакКензи, планетолог из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Мэриленде и ведущий автор одной из концепций миссий. «В действительности они предназначены для демонстрации возможностей и масштабов и не являются прямыми предложениями».
Во всех трех концептуальных исследованиях рассматривалась категория миссий, которую НАСА называет флагманской — такие проекты, как марсоходы Curiosity и Perseverance, миссия Galileo к Юпитеру или миссия Cassini к Сатурну. Это крупные миссии с космической стоимостью («Настойчивость» обошлась НАСА в 2,7 миллиарда долларов) и развернутыми научными программами, а это означает, что НАСА определенно не сможет выполнить все три задачи одновременно.
Но даже если ни одна из этих конкретных миссий не полетит, они все равно могут определить, куда отправятся космические корабли в будущие десятилетия, просто дразня тем, что можно изучить в космосе.
Итак, давайте рассмотрим самые смелые научные миссии во внешние области Солнечной системы.
Поиски жизни на Энцеладе
Концепт миссии к Энцеладу.
Первая остановка — ледяной спутник Сатурна, Энцелад, который является одной из главных целей ученых для поиска жизни в Солнечной системе. Миссия Кассини, завершившаяся в 2017 году, обнаружила убедительные доказательства того, что из его ледяной оболочки выплескиваются соленые гейзеры, что, во-первых, подтверждает, что у Энцелада есть подповерхностный океан, а, во-вторых, значительно упрощает сбор проб из него.
Но ни одна миссия никогда не ставила во главу угла этот маленький спутник, поэтому ученые разработали концепцию миссии, получившую название Enceladus Orbilander (Орбитальный аппарат Энцелада). Во главе с МакКензи исследователи предложили отправить миссию, которая потенциально сможет рассказать ученым, есть ли на этой луне жизнь.
Orbilander представляет собой две миссии в одной. В начале он будет вращаться вокруг Сатурна, чтобы лучше исследовать его систему спутников, а затем переместится на орбиту Энцелада, чтобы в течение 200 дней изучать этот мир на близком расстоянии и собирать материал, выплевываемый характерными гейзерами луны, чтобы проанализировать его в своих внутренних химических лабораториях.
«Каждый раз, когда мы пролетаем через шлейф, у нас накапливается определенное количество образцов», — сказал МакКензи. «Как только мы наберем достаточное количество материала, мы рассчитаем, куда лучше посадить зонд».
Да, вы все верно поняли — ученые планируют посадить Orbilander на Энцелад для второго этапа исследований, чтобы он собрал материал, который образует ледяную корку луны, и изучил его на протяжении еще 150 дней. Такой двойной подход к миссии позволит Orbilander изучить материал в ледяных плюмах Энцелада в различных формах — более крупные и мелкие частицы, более свежий материал и тот, который был на поверхности дольше.
Гипотетически миссия может быть запущена в конце 2030-х годов, достигнуть системы Сатурна в середине 2040-х годов, выйти на орбиту вокруг Энцелада к 2050 году и приземлиться на его поверхность еще через год. Зонд будет набит множеством инструментов, предназначенных для того, чтобы сообщить ученым, есть ли жизнь на этой далекой луне, включая масс-спектрометры, которые могут идентифицировать материалы, и микроскоп, чтобы лучше изучить образцы. Как сообщил МакКензи во время встречи, команда оценила миссию примерно в 2,5 миллиарда долларов.
Полет к Нептуну и Тритону
Нептун с кольцами и его спутник Тритон. Картинка не в масштабе.
Если вы рискнете углубиться еще дальше в Солнечную систему, вас ждет другая приятная возможность: шанс посетить малоизученную планету и ее странную украденную луну.
Ученых интересует не только сам ледяной гигант Нептун, но и его спутник Тритон. Исследователи подозревают, что самая большая луна Нептуна — это объект, выловленный гравитацией планеты из пояса Койпера, далекой области Солнечной системы, где остались обломки со времен ее образования. Так что Тритон — не родной сын Нептуна, поэтому его интересно изучить, ибо он находится куда ближе к нам, чем остальные объекты пояса Койпера.
«Это важный вариант из доступного нам шведского стола возможностей, поскольку у нас есть шанс посетить единственный класс планет в нашей Солнечной системе, у которого еще не было специальной орбитальной миссии», — говорит Эбигейл Раймер, космический физик из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса.
В концепте миссии зонд должен будет прибыть на Тритон, когда Солнце освещает его южное полушарие, поскольку именно с такого ракурса заснял луну Нептуна «Вояджер-2», когда пролетал мимо этой планеты в 1989 году, и ученые хотят иметь возможность сравнивать ту же местность с течением времени. «Вояджер-2» увидел на Тритоне несколько активных и много бывших гейзеров, и ученые хотят понять, благодаря чему они там работают.
В дополнение к изучению Нептуна, его колец и Тритона, миссия, которую команда назвала «Одиссеей», также должна будет изучить странное магнитное поле, созданное Нептуном, и то, как оно взаимодействует с его спутниками.
По словам Раймера, «Одиссея» проведет четыре года, путешествуя по системе Нептуна, изучая как сам ледяной гигант, так и Тритон, и будет стоить около 3,4 миллиарда долларов. Путешествие к Нептуну займет около 16 лет, в течение которых космический корабль может заняться изучением Солнечной системы, а также пролететь мимо некоторых астероидов.
К Плутону и дальше
Двойная система Плутон-Харон, а также ее спутники.
Третий концептуальный проект нацелен на бывшую самую отдаленную планету, Плутон, и ее соседей. Основываясь на наследии облета карликовой планеты зондом «Новые горизонты» в 2015 году, эта миссия, получившая название «Персефона», будет вращаться вокруг карликовой планеты, в частности, чтобы сообщить ученым, скрывает ли она внутренний океан. Такой подповерхностный океан, который обычно не ассоциируется с ледяными внешними краями Солнечной системы, может быть индикатором потенциальной обитаемой той недружелюбной среды.
«Если крошечный Плутон на краю нашей Солнечной системы является океаническим миром, то, возможно, они более распространены, чем мы ожидали», — сказал Карли Ховетт, планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Колорадо и ведущий автор миссии Персефоны.
Пролет «Новых горизонтов» позволил получить четкие фото поверхности Плутона и его крупнейшего спутника Харона. Но ученым потребуется более длительное пребывание рядом с этой двойной системой, чтобы собрать достаточно данных для понимания того, как эти два тела выглядят прямо сейчас и как они попали туда. Также интересно изучить атмосферы этих тел, которыми они обмениваются, а также попытаться найти у Плутона магнитное поле и попробовать установить, как карликовая планета может выглядеть под поверхностью.
Как и предшественница, «Персефона» будет спланирована так, чтобы пролететь потом мимо одного или нескольких объектов пояса Койпера. Пролет New Horizons рядом со странным гантелеобразным астероидом Аррокот был первым взглядом ученых на то, как может выглядеть такой древний космический объект на краю Солнечной системы.
Из трех концептуальных миссии «Персефона» стоимостью в 3 миллиарда долларов потребует, пожалуй, наибольшего терпения: если ее запустить в 2030 году, то потребуется не менее 26 лет, чтобы добраться до Плутона, после чего зонд проведет на его орбите чуть больше трех лет. Далее, в зависимости от запасов топлива, ученые надеются отправить космический корабль в глубь пояса Койпера, до интересных объектов которого он может добраться аж к 2070-ым годам, спустя 40 лет путешествия в космосе!
Огромные расстояния создают большие проблемы
Траектория зонда «Кассини», который приобрел гравитационное ускорение сначала у Венеры, потом у Юпитера.
Энцелад, очевидно, является самым простым местом назначения, тогда как концепции миссий «Одиссея» и «Персефона» подчеркивают две ключевые проблемы, с которыми потенциальные зонды во внешнюю часть Солнечной системы столкнутся в ближайшие десятилетия. Во-первых, типичный подход к путешествию на такие расстояния — облет Юпитера, чтобы набрать дополнительную скорость — перестанет хорошо работать для запусков после начала 2030-х годов из-за того, как Юпитер выравнивается с другими планетами.
Это неудобство означает, что либо ученым придется дать одобрение для начала разработки миссий прямо сейчас, чтобы успеть запустить их до конца 2020-ых, либо космическим кораблям потребуются более мощные двигатели и более длительное время полета, чтобы добраться до места назначения, а это, очевидно, увеличит и без того немалую стоимость проектов.
Вторая проблема, стоящая перед будущими полетами к внешним планетам, заключается в том, что космические аппараты, направляющиеся в глубь Солнечной системы, обычно не могут получать необходимую энергию от Солнца. Это означает, что ученым придется использовать ядерные батареи для питания своих зондов. Проект орбитального корабля к Энцеладу предусматривает два таких ядерных генератора, называемых радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. «Одиссее» потребуется уже три, а «Персефоне» — не менее пяти штук.
Проблема здесь в том, что США только недавно возобновили производство подходящего для космических кораблей плутония после десятилетий отказа от этой практики, и текущие планы не включают достаточно быстрое наращивание производства, чтобы удовлетворить желания всех ученых-планетологов.
Поэтому исследователи сейчас думают над тем, как с меньшими затратами решить эти две проблемы. И если их удастся преодолеть, то через десятилетие с Земли будут запущены одни из самых грандиозных миссий за всю историю космических полетов.
