Дальний космос раскрывает свои тайны
Научные сотрудники Лаборатории реактивного движения надолго лишились спокойного отдыха. Взбудораженные открытиями, они спали урывками, а когда просыпались, снова спешили в Центр управления полетом автоматической межпланетной станции «Вояджер». Здесь со сказочной быстротой действовали цифровые машины, преобразуя тысячи бит информации, искореженные космическими и атмосферными помехами, в кадры телехроники, стройные графики и бесконечные ряды цифр. Люди с затаенным дыханием разглядывали на экранах цветные изображения приближающегося Сатурна.
33 миллиона километров оставалось космическому разведчику до планеты. Прошло 4 года со дня его запуска на космодроме, и долгая дорога протянулась позади «Вояджера» на 2 миллиарда километров. Благополучно пересечен опасный Пояс астероидов с его нескончаемыми потоками метеоритных тел. Хрупкие электронные приборы выдержали жестокий холод мирового пространства и электромагнитные бури в окрестностях крупнейшей планеты Солнечной системы – Юпитера.
А впереди? Риск от столкновений с камнями и льдинами вблизи Сатурна, прежде чем «Вояджер» отправится в свой 8-летний рейс к самым далеким планетам – Урану и Нептуну.
…Перед глазами тех, кто находился в Центре управления, представала грандиозная картина. Сатурн, увенчанный огромным «ожерельем», уже занимал почти весь кадр телевизионного изображения. Золотисто-желтая планета с сероватыми шапками полюсов и едва различимыми в тумане пестрыми поясами неслась и вертелась в черной бездне неба.
Исследователи устремляют свой взор на знаменитые кольца Сатурна, которые вот уже несколько столетий не дают покоя астрономам.
Великий Галилей первым заметил что-то странное во внешности Сатурна. Телескоп Галилея был слишком слаб, и ученому казалось, что у Сатурна имеются ручки, как у сахарницы. Лишь полвека спустя Христиан Гюйгенс доказал, что странные полукружия по сторонам планеты не что иное, как тонкие, но очень широкие кольца.
Расстояние до планеты 33 миллиона километров. На экране – три кольца Сатурна, давно открытые с помощью телескопов: А, В и С. Однако на кадрах космической съемки можно заметить и нечто такое, что невозможно увидеть с Земли. Прежде всего, сложность строения колец и их потрясающая окраска.
Самое большое кольцо – наружное – искрится серебристым цветом, среднее – чуть красноватое, и внутреннее темно-голубое, оно полупрозрачно, точно сделано из тонкой, едва осязаемой, материи.
8 миллионов километров. На телевизионном изображении умещается только четвертая часть полушария Сатурна. Сбоку планеты засияли две тесно прижавшиеся друг к другу луны – Тефия и Диона. Но ученые настойчиво возвращаются к исследованию колец. Просматриваются уже не три, а семь колец, вложенных одно в другое. Вот они, вновь открытые: F – снаружи старого А, G – снаружи нового F, Е – наиболее удаленное от планеты широкое кольцо, D – самое близкое к Сатурну.
Но что это такое? Сравнивая фотографии, специалисты видяти, что каждое из больших колец распадается на множество узких еле заметных «обручей». На одной фотографии их насчитали 95! Даже в черном «провале» шириной 4 тысячи километров между кольцами А и B, который всегда признавался пустым, ученые насчитали десятки тонких «обручей».
2 миллиона километров. Приборы «Вояджера» нацелены на быстро приближающийся Титан – самый большой спутник Сатурна. По размерам он превосходит планету Меркурий. Возбуждение астрономов легко понять. Титан – единственный спутник во всей Солнечной системе, обладающий мощной атмосферой, которая в 10 раз толще земной. «Вояджер» пролетел мимо Титана на расстоянии 6,5 тысяч километров - в 60 раз ближе, чем расстояние от Земли до Луны. И все же ученые мало что увидели на экране – помешал густой туман атмосферы Титана, похожий на химический смог.
1 миллион километров. На экране ослепительно яркая Рея – вторая по величине луна Сатурна. Она вся изрыта кратерами – непрерывная космическая бомбардировка продолжалась миллиарды лет. В поле зрения камеры попал еще один сверкающий в бархатной черноте космоса спутник. Это Диона, которая больше других объектов системы Сатурна похожа на нашу Луну, вот только «моря» на Дионе покрыты отнюдь не застывшей лавой. Всюду виден водяной лед, прочный, как камень. Сеть белых «жгутов» говорит о местах, где вырвавшаяся из недр вода мгновенно застывала, объятая лютым морозом. Температура поверхности Дионы минус 180°С – здесь солнце светит в 900 раз более тускло, чем на орбите Земли.
Поверхность спутника Энцелад. Всего у Сатурна 62 луны
Перед глазами исследователей проплывает неизвестный ранее спутник «Сатурн-12» (S-12). Удивительно: он находится на той же орбите, что и Диона. При этом S-12 всегда летит впереди Дионы на удалении 1/6 доли окружности орбиты. В небесной механике такое явление принято называть орбитальным резонансом.
300 тысяч километров. Скоро свидание с Сатурном. С левого борта разведчика, словно приветствуя его прилет, появился Мимас. Странный у него вид. Миллиарды лет назад этот спутник столкнулся с крупным небесным телом – колоссальной силы взрыв вырвал из тела Мимаса столько льда и камня, что образовался кратер глубиной 9 и шириной в 130 километров. Кратер занимает четвертую часть полушария спутника!
101 тысяча километров. На таком расстоянии встретились и разошлись гигантская планета и посланец Земли. Сатурн столь велик, что в часы наибольшего сближения, в кадре телевизионного изображения можно было увидеть лишь небольшой участок облачного покрова. Всюду непроницаемые для глаза облака желто-бурого цвета. Среди колеблющихся белых полос, вихрей и ореолов бегут какие-то сине-зеленые пятна, величиной с Гренландию или Австралию – это «окна», сквозь которые пробиваются газовые вихри из глубин планеты.
Земля на фоне исполинской планеты
Из всех планет солнечной системы Сатурн уступает по размеру только Юпитеру. Внутри него хватило бы места для трех сотен земных шаров. Но средняя плотность гиганта очень мала – если бы где-нибудь существовал фантастический бескрайний океан, то Сатурн плавал бы на его поверхности, как пробка.
Согласно новой модели, созданной по приборам «Вояджера», планета представляется нам сплюснутым у полюсов шаром из водорода и гелия. Мощная газовая оболочка Сатурна, при все возрастающем давлении, ближе к центру переходит в жидкое состояние. Жидкая планета до самого ядра!
А что же твердое ядро? Оно величиной с Землю, но имеет массу в 15-20 раз больше. Настолько велика плотность вещества в центре планеты, где давление - 50 миллионов земных атмосфер! И температура + 20 000 градусов! Жидкий шар кипит, а в верхнем ярусе облаков планеты царит жестокий холод. Как возникает этот огромный перепад температур? При обширности недр планеты и ее колоссальной гравитации, газовым потокам требуется сотни лет, чтобы перенести тепло глубин на верхний слой облаков атмосферы Сатурна.
Странный дождь
Сатурн излучает в пространство втрое больше энергии, чем сам получает от Солнца. Во-первых, тепло создается благодаря постепенному сжатию газового великана – его диаметр уменьшается на миллиметры в год. Кроме того, у Сатурна существует другой фантастический источник энергии. Раскаленный шар Сатурна остывал с самого рождения Солнечной системы. По расчетам астрофизиков, 2 миллиарда лет назад на большой глубине планеты давление недр упало ниже критической точки сгущения гелия. И пошел дождь… Странный дождь, который льет и по сей день. Капли гелия падают на многие тысячи километров в толще жидкого водорода, при этом возникает трение и появляется тепловая энергия.
Бурная погода
Под действием быстрого вращения планеты (любая точка на экваторе Сатурна движется в 14 раз быстрее чем на экваторе Земли) в загадочном мире дуют ветры чудовищной силы – в одном месте аппаратура «Вояджера» зафиксировала скорость движения облаков 1600 км/ч. Как вам такой освежающий бриз?
Объективы телекамер «Вояджера» скользят в южное полушарие Сатурна. Вдруг на экранах Центра управления полетом появилось овальное пятно длиной в десяток тысяч километров – копия Великого Красного пятна на Юпитере. Внутри пятна может свободно поместиться планета Земля. Но это всего лишь бушующий атмосферный вихрь в атмосфере Сатурна, которому нет конца.
Авария
«Вояджер» продолжал полет мимо Сатурна, когда вдруг прекратилась радиосвязь. Ученые не волновались – согласно расчетам аппарат скрылся в «радиотени» планеты. Когда разведчик «вынырнул» с обратной стороны Сатурна, ситуация стала по-настоящему серьезной. Заклинило механизм наведения поворотной платформы с приборами. Неужели не удастся сфотографировать ночную сторону планеты?! Очень жаль, что из-за технической неисправности придется отменить запланированную встречу с большими спутниками - Энцеладом и Тефией.
Северное сияние над полюсом Сатурна
Из Центра управления посыпались сигналы бортовому компьютеру межпланетной станции. Контроль за ремонтом механизма осложнялся космическим расстоянием – время задержки радиосигнала между Землей и Сатурном составляет 1,5 часа. В конце концов, цифровой мозг «Вояджера» разблокировал приводы наведения телекамер, но время было потеряно и близкое знакомство состоялось только с Тефией.
Когда аппарат уже удалялся от Сатурна со скоростью 22 км/с, ученые увидели электрическую бурю в кольцах Сатурна. Молнии, озаряя теневую сторону, бросали красные блики на ночные облака планеты…
Финал космической пьесы
Описанные выше события происходили в 1980-1981 годах, когда мимо Сатурна пролетели две автоматические межпланетные станции «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Чтобы избежать повторений, я решил не рассказывать о них по отдельности - все новости о системе Сатурна, переданные на Землю двумя аппаратами, условно «вложены в уста» одного под именем «Вояджер» (без номера).
Становится немного обидно, от осознания того, что спустя три десятилетия, наши космические технологии, остались на том же уровне.
АМС "Вояджер", предстартовая подготовка, 1977 г.
Каждую ночь, когда заходит Солнце и темнеющий небосклон покрывается россыпью звезд, мы видим Космос. Для исследований космического пространства требуется фантастически сложная техника, созданная на основе передовых достижений ракетостроения, электроники, ядерных технологий и других наукоемких отраслей науки и техники. Поэтому полеты межпланетных зондов, несмотря на свою кажущуюся нереалистичность и отсутствие какой-либо практической пользы, требуют решения многочисленных прикладных задач: создание мощных и компактных источников энергии, развитие технологий дальней космической связи, совершенствование конструкций и двигателей, разработка новых способов гравитационных маневров, в т.ч. с использованием точек Лагранжа. Весь этот фронт исследований может стать «локомотивом» современной науки, а полученные результаты смогут принести пользу в решении более насущных задач. И тем не менее, большинство проблем остаются нерешенными.
Все современные робкие попытки исследовать внешние планеты (миссии Улисс, Кассини, Новые Горизонты) – все они основаны на тех же технологиях и разработках, которые использовались в проекте «Вояджер». За 30 лет не было создано ни одного нового типа двигателя, пригодного для межпланетных полетов. Например, ионные двигатели японского исследовательского зонда «Хаябуса», которые преподносятся как ультрасовременный хай-тек, на деле – хорошо забытые разработки середины ХХ века – ионные двигатели широко использовались в системах ориентации советских метеорологических спутников «Метеор». Во-вторых, ионные двигатели – достаточно специфическое средство: у них действительно потрясающе низкий расход топлива (считанные миллиграммы в секунду), но и, соответственно, они создают тягу в несколько миллиньютонов. На разгон космического аппарата уходят долгие годы и никакой реальной выгоды в итоге не получается.
Ионный двигатель космического аппарата Deep Space 1
Обычные жидкостные реактивные двигатели (ЖРД), мало того, что очень прожорливы – их работа ограничена десятками (сотнями) секунд, ко всему прочему не способны разогнать космический корабль до требуемой скорости, например, для достижения орбиты Сатурна. Фундаментальная проблема – слишком низкая скорость истечения газов. И никаким образом поднять ее не удается.
Пик моды 50-х годов – ядерный реактивный двигатель развития не получил, ввиду отсутствия каких-либо существенных преимуществ. Несмотря на неугосимое пламя ядерного реактора, такому двигателю требуется рабочее тело – т.е. по сути, это обычный жидкостный ракетный двигатель со всеми вытекающими отсюда последствиями и недостатками.
Оригинальный способ передвижения в космосе с помощью импульсов ядерных взрывов, предложенный Фрименом Дайсоном в 1957 году (проект «Орион») так и остался на бумаге – слишком смелая, и, честно говоря, сомнительная идея.
«Покорители космоса» (здесь иронично по отношению ко всему Человечеству) за 50 лет Космической Эры так и не смогли создать эффективного двигателя для перемещения в межпланетном пространстве. Мы бы никогда не увидели ни Юпитера, ни Сатурна, если бы не подсказка со стороны специалистов по небесной механике – использовать для разгона АМС гравитацию планет. «Межпланетный бильярд» позволяет не используя двигатель набрать огромную скорость (15-20 км/с) и исследовать окраины Солнечной системы. Единственная проблема жестко ограниченные «окна запусков» - считанные дни (недели) один раз в несколько лет. Без права на малейшую ошибку. Долгие годы полета и считанные часы на рандеву с объектом исследования.
С помощью гравитационных маневров летали «Вояджеры», по этой же схеме летит к Плутону современный зонд «Новые горизонты», но только для пересечения Солнечной системы ему потребуется 9 лет. А потом у экспедиции будет всего один день на исследование далекой планеты! Зонд промчится мимо Плутона на огромной скорости и навсегда исчезнет в межзвездном пространстве.
Затмение Солнца Сатурном. Фотография с борта АМС "Кассини"
Информация