Безымянный.png
Художественное изображение пояса Койпера

До нового десятилетия осталось чуть больше года, и с ним приходит новый пласт идей для миссий НАСА, некоторые из которых ориентированы на Марс, а другие дальше. Куда дальше. На самом деле, некоторые люди надеются на роботизированные путешествия в миры не только за миллионы, но и за миллиарды километров от Земли. Сюда входят Уран и Нептун (планеты, которые мы посетили в 1986 и 1989 годах соответственно), а также сотни ледяных тел в поясе Койпера — области за пределами орбит планет нашей Солнечной системы.

Пояс Койпера является домом для Плутона и тысяч других миров различного размера. Большинство тел там сделаны из мусора, оставшегося после образования планет, замороженного вдали от Солнца. Посещение пояса Койпера может дать подсказки к тайнам о том, как формировалась наша планета и ее соседи, почему здесь так много воды и так далее.

Уран и Нептун также довольно загадочны сами по себе. Когда мы узнали больше об экзопланетах, мы увидели, что большинство миров не такие большие, как Юпитер, или маленькие, как Земля — многие из них, как правило, размером с Уран и Нептун, которых называют «ледяными гигантами» из-за экзотического состояния водного льда, который существуют глубоко под их облачными слоями. Изучение Урана и Нептуна не только поможет нам понять эти планеты нашей Солнечной системы — оно также может помочь нам понять их экзопланетных родственников, которые вращаются вокруг близлежащих к нам звезд.

Но многие из этих миссий зависят от времени. Предстоящий Decadal Survey (обзор на десятилетие — прим. перев.) НАСА, где агентство задаст тон того, куда мы отправим космические корабли в 2020-ых и 2030-ых годах, может подтвердить или разрушить эти далеко идущие планы.

Как проходит Decadal Survey

Начиная с 2020 года группа из Национальной академии наук (с участием нескольких заинтересованных сторон в космическом сообществе) соберется для создания списка приоритетных целей для исследования. Различные ученые и группы исследователей будут предлагать свои миссии.

Из этих предложений сформируется соглашение в отношении того, какими должны быть наиболее приоритетные цели. Эти цели служат в качестве руководящих принципов для новых миссий среднего класса серии «Новые рубежи» (сюда входили «Новые горизонты» и зонд Юнона для изучения Юпитера). В дальнейшем НАСА выберет одного или двух финалистов, которым дадут зеленый свет, и команды, стоящие за ними, смогут, наконец, начать планирование и строительство зондов, что часто занимает годы.


Уран и Нептун.

Все это зачастую затрудняет попадание в окна по времени, необходимые для наиболее дешевого и быстрого полета к Урану или Нептуну (или еще дальше, в пояс Койпера). Вот почему важно правильно подобрать время для запуска.

Посещение ледяных гигантов

Одна группа, в частности, занимается разработкой концепции двойной миссии для посещения Урана и Нептуна одновременно. Их последнее предложение включает облет Урана и выход на орбиту Нептуна. Цель миссии, возглавляемой Марком Хофстедером и Эми Саймон, состоит в том, чтобы заглянуть на другую сторону Урана, которую не видел Вояджер 2 при своем пролете рядом с ледяным гигантом в 1986 году, и изучить Нептун и его самый большой спутник — Тритон. Тритон вращается в обратную сторону от других спутников, возможно из-за того, что в свое время Нептун «выдернул» его из пояса Койпера, поэтому его вдвойне интересно изучить.

Саймон говорит, что время выполнение миссии — 15 лет, включая время в пути и исследование. В то время как космический корабль вполне может функционировать такой срок, 15 лет — это минимум для того, чтобы миссия могла полностью выполнить свои научные цели. Но как уменьшить время в пути в сравнении с временем на исследования? Один из способов ускорить космический корабль — использовать гравитационную силу планеты для увеличения его скорости.


Гравитационный маневр рядом с планетой для ускорения космического корабля. Красная линия на графике — скорость.

«Как правило, вам нужно использовать гравитационные маневры, чтобы добраться туда меньше чем за 12 лет, и мы, обычно, используем для этого Землю и Венеру», — говорит Саймон. В этих сценариях вы погружаетесь в гравитационное поле планеты, надеясь на «эффект рогатки», который ускоряет ваш корабль, требуя минимальное количество топлива. «В лучших случаях также используют Юпитер, так как он очень массивен и действительно может сильно ускорить зонд».

Новые горизонты, например, использовал гравитацию Юпитера, чтобы ускориться для полета к Плутону. Кассини использовал целых четыре отдельных гравитационных маневра для ускорения до Сатурна после запуска с Земли, дважды получая импульс от Венеры и снова возвращаясь к Земле, чтобы набрать большую скорость, прежде чем получить окончательный «гравитационный пинок» от Юпитера.

По словам Саймон, чтобы добраться до Урана с минимальными потерями по времени, можно использовать Сатурн, который как раз будет расположен в нужном месте своей орбиты с 2024 по 2028 годы. Это потребовало бы довольно быстрой работы по стандартам НАСА — миссии обычно разрабатываются порядка десяти лет, хотя некоторые из них (например, Новые горизонты) перешли от планирования к строительству для запуска в течение пяти лет, поэтому мы, вероятно, будем стремиться к следующему окну, которое предоставит Юпитер между 2029 и 2032 годами, которое также позволит быстро добраться до Нептуна. Увы, если пропустить и это окно, то следующий шанс появится не ранее чем через десяток лет, ибо планеты-гиганты делают один оборот вокруг Солнца за десятилетия.

По словам Саймон, миссия только до Урана могла бы использовать обычное топливо и привычные ракеты типа Atlas V или тяжелой Delta IV, чтобы добраться до «гравитационных рогаток». Но поскольку Нептун намного дальше, и точная траектория не выстраивается так идеально, миссия на эту планету будет больше зависеть от системы запуска в космос, что потребует тяжелых ракет следующего поколения — а их НАСА только разрабатывает. Если они не будут готовы вовремя, нам придется полагаться на другую технологию следующего поколения: солнечную электрическую силовую установку, которая использует солнечную энергию для воспламенения ионизированного газа. До сих пор она использовалась только на космическом корабле Dawn для полета к Весте и Церере, а также в двух небольших миссиях к астероидам.


Художественное изображение зонда Dawn с новым типом двигателя на фоне Цереры.

«Даже используя солнечную электрическую тягу вам все еще понадобятся химические двигатели, так как для того, чтобы выйти на орбиту планеты и затормозиться, солнечной энергии уже не хватит», — говорит Саймон.

Так что время немного поджимает. Но если мы выполним все подготовительные работы достаточно быстро, эта двойная миссия может послужить еще одной цели: добраться до неизведанных миров пояса Койпера.

Великая неизвестность

Другая возможная миссия, возглавляемая тремя членами команды Новых горизонтов, рассматривает возможности возвращения в пояс Койпера после их успешного полета на Плутон. «Мы увидели, насколько это интересно, и мы хотим узнать, что еще там есть», — говорит Тиффани Финли, главный инженер Юго-Западного исследовательского института (SWRI) и соавтор статьи, которая будет опубликована в журнале «Космические корабли и ракеты».

Пояс Койпера содержит ледяные остатки формирования Солнечной системы, а объекты внутри сделаны из самых разных материалов. Например, Плутон, бывшая планета, по большей части состоит из льда. Эрида же имеет большую долю каменистых пород, что делает ее более плотной. В некоторых мирах, кажется, много метана, в то время как в других полно аммиака. Все они являются ключом к пониманию того, как появились наши планеты, и как другие планетарные системы могут или не могут напоминать нашу собственную Солнечную систему.

Команда использует достаточно жесткие ограничения: срок миссии составляет целых 25 лет, цель — исследование до 45 самых ярких объектов пояса Койпера, в зависимости от различных сценариев полета. Гравитационный маневр рядом с Юпитером, неудивительно, позволяет достичь большую часть карликовых планет из списка. Но окно для маневра у Юпитера открывается раз в 12 лет, что делает миссию крайне зависимой от времени. Простой облет Сатурна также даст возможность пролететь рядом со многими целями из списка.

Но если вы объедините миссии по изучению пояса Койпера вместе с миссиями по изучению Урана или Нептуна, вы получите шанс узнать новые знания о наших таинственных внешних планетах и возможность посетить несколько удаленных карликовых планетах одним махом.

Картинки по запросу хаумеа
Художественное изображение Хаумеа — пожалуй, самой необычной карликовой планеты в поясе Койпера.

Чтобы попасть в эти миры, требуется гравитационный маневр сначала с Юпитером, а затем с одной из планет-гигантов. Например, чтобы достичь объектов в поясе Койпера, пролетев рядом с Нептуном, вам нужно добраться до Юпитера в начале 2030-ых годов, а если лететь через Уран — в середине 2030-ых годов. Юпитер и Сатурн образуют окно для «выстрела из рогатки» в пояс Койпера в конце 2030-х годов.

Список миров для изучения включает множество интересных вариантов. Варуна, продолговатый мир, вытянутый быстрой скоростью вращения, является идеальным местом для посещения с помощью гравитационных маневров у Юпитера и Урана. Если заменить Уран на Нептун, то можно посетить Эриду, а если использовать Сатурн — Седну, далекую карликовую планету с орбитой, которая может указать путь к неоткрытой десятой планете. Так же Сатурн позволит побывать рядом с одной из самых захватывающих карликовых планет — Хаумеа.

Как и Варуна, Хаумеа имеет более яйцевидную или овальную форму, чем большинство крупных карликовых планет пояса Койпера, которые, как правило, круглые. Но Хаумеа, вероятно, получила такую форму из-за древнего столкновения, что дало ей две луны, систему колец и следы мусора, летящие за ней. Когда астероиды имеют одинаковый состав, они называются «семейством столкновений» (collision family). Хаумеа произвела единственное известное семейство столкновений в поясе Койпера.

«Хаумеа, без сомнения, самая классная», — говорит Аманда Зангари, одна из членов команды миссии «Новые горизонты». «Все хотят полететь к Хаумеа».

Куда бы мы ни отправились, любой полет может быть доступен только ограниченное время. Поэтому, если мы хотим увидеть кольца Хаумеа или даже красный диск Седны, работа должна начаться в ближайшее время. Эти миры, эти строительные блоки нашей Солнечной системы, настолько малы, что есть только один способ узнать о них в все: нам нужно добраться до них.