Текст книги "За новыми горизонтами"

1
Мечты о большом путешествии

Эта книга рассказывает историю о маленькой, но очень умной машине, проделавшей огромный путь (4,8 млрд км), чтобы сделать то, что вошло в историю, – провести первое исследование Плутона. Она достигла этой цели благодаря настойчивости, изобретательности и удачливости знакомых с новыми технологиями мечтателей, которые, родившись в Америке космической эры, выросли с дерзкой идеей о том, что могут исследовать неизвестные миры на самом далеком рубеже Солнечной системы.

У экспедиции «Новые горизонты» к Плутону была длинная предыстория. Она восходит к поразительно трудному открытию Плутона в 1930 г. Далее, почти полвека спустя, она расширяется до потрясающего открытия целой группы других миров, обращающихся на краю нашей планетной системы, и доходит до не самого популярного предложения, внесенного целеустремленной командой молодых ученых в NASA, которых влекли новые знания и имеющие историческое значение исследования.

Ученые не всегда верят в судьбу, но они верят в то, что бывает подходящее время. Поэтому мы начнем с 1957 г., когда на орбиту Земли был запущен первый космический аппарат, названный «Спутник-1».

Начальный пинок

Сол Алан Стерн появился на свет в Новом Орлеане, штат Луизиана, в ноябре 1957 г. Он был первым из троих детей в семье Джоэль и Леонарда Стернов. Его родители вспоминают, что беременность проходила очень легко, за исключением нескольких последних недель, когда ребенок неожиданно начал пинаться, как сумасшедший. Во время празднования 50-го юбилея сына его отец утверждал, что Алан явно услышал, как люди говорят о запуске «Спутника-1», и ему не терпелось выбраться наружу и отправиться исследовать космическое пространство.

С самого раннего детства Алан интересовался естественными науками, космосом и астрономией, о которых он читал все, что только попадало ему в руки, но в конце концов фонды местной библиотеки исчерпались, даже во взрослом отделе.

Когда Алану было 12 лет, он смотрел телевизионные репортажи Уолтера Кронкайта, где репортер рассказывал о первых посадках «Аполлонов», при этом в руках у него был подробный план полета, разработанный NASA. «Конечно, с помощью телевизора читать я не мог, – вспоминал Алан, – но я видел, что план состоит из сотен страниц и наполнен всеми деталями, с описанием каждого вида деятельности по минутам. Я мечтал о таком плане, потому что хотел знать, как на самом деле планируют космические полеты. Я подумал, что если уж Кронкайту удалось раздобыть его в NASA, то и у меня тоже получится его заполучить».

И Алан написал в NASA. Когда ему ответили, что он не может получить копию плана, поскольку не является «аккредитованным журналистом», мальчик решил пойти ва-банк и исправить положение дел. За год он провел большую работу и написал рукописную книгу в 130 страниц. Она называлась «Непилотируемый космический аппарат: взгляд изнутри», что – как Алан первым признает – было «достаточно забавным заглавием для ребенка, который целиком и полностью находился вне космической индустрии и учился в процессе написания».

Но это сработало. Алан не только заполучил весь комплект полетных планов программы «Аполлон», он еще и попал «под крылышко» к Джону МакЛэйшу, начальнику управления NASA по связям с общественностью в Хьюстоне, который часто выступал с рассказами о полетах «Аполлонов» по телевидению. МакЛэйш действительно начал пересылать Алану бесконечный поток технической документации по программе «Аполлон», не только полетные планы, но и руководства по операциям командного модуля, описания действий астронавтов лунного модуля на поверхности Луны и многое другое. Алан начал мечтать о карьере, связанной с космосом, но понимал, что ему предстоит еще 10 лет учебы, прежде чем он приобретет достаточно технических навыков, чтобы после колледжа присоединиться к тем, кто трудится над космическими программами.

Большое путешествие

Примерно в то же время, когда зародилась их дружба с Джоном МакЛэйшем, Алану в руки попал номер National Geographic за август 1970 г. На обложке журнала был изображен Сатурн – так, как он мог бы выглядеть с одного из своих спутников. На рисунке гигантская, окруженная кольцом планета лежала под углом, проплывая через черноту космоса над изрезанным кратерами, ледяным чужим пейзажем, который выглядел одновременно и реальным, и совершенно фантастическим. Многие планетологи одного с Аланом возраста вспоминают, что в детстве листали заглавную статью этого номера под названием «Путешествие к планетам». В ней было нечто вроде магии – полеты автоматических аппаратов, и дети зачитывались ею, как сегодняшние подростки – историями о Гарри Поттере.

В статье описывалось, как в следующие десятилетия NASA планирует запустить ряд автоматических аппаратов, которые исследуют все планеты и превратят знания о них из научно-фантастических фантазий в настоящие фотографии известных миров.

Изучение Солнечной системы представлялось как непрерывная череда путешествий. Статья сопровождалась биографическими справками о первом поколении ученых-планетологов, среди которых был Карл Саган, задумывающих полеты, запускающих космические зонды и обрабатывающих информацию, полученную в первых экспедициях. К 1970 г. NASA удалось запустить только семь аппаратов к другим планетам: три к Венере и четыре к Марсу. Все эти первые межпланетные полеты были «пролетами», когда аппарат просто приближается к планете и не имеет возможности замедлиться, чтобы выйти на орбиту или совершить посадку. В течение нескольких часов при минимальном сближении он делает так много фотографий, как только возможно, и собирает всю доступную информацию. (Надо отметить, что мы сказали «просто», но на следующих страницах этой книги вы увидите, что на самом деле ничего простого в этом нет.)

Статья в National Geographic рассказывала, что 1970-е гг. обещают стать «десятилетием исследования планет», и приводила многообещающий список запланированных и ожидаемых экспедиций NASA, которые открывали человечеству неизвестную часть Солнечной системы. На 1971 г. был намечен выход двух автоматических станций на орбиту вокруг Марса. Далее должны были состояться первые полеты в «неизведанное королевство», как тогда называли внешние планеты Солнечной системы. «Пионеру-10» и «Пионеру-11» предстояло добраться до Юпитера в 1973 и 1974 гг., а затем отправиться дальше, чтобы в далеком 1979-м достичь Сатурна.

Вскоре после этого «Маринер-10» должен был нанести первый визит Меркурию, по пути пролетев мимо Венеры, где ему впервые предстояло совершить гравитационный маневр – изящный трюк, который с тех пор стал обязательным для перемещения по Солнечной системе. При таком маневре космический аппарат посылают по траектории, проходящей очень близко к планете, что придает ему приращение скорости и направляет к следующей цели. Это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, как будто мы получаем что-то из ничего, но на самом деле все работает – уравнения небесной механики не лгут. На планету крохотная потеря орбитальной скорости, которой она делится с космическим аппаратом, не оказывает заметного эффекта, но аппарат получает колоссальный толчок в нужном направлении. Планировалось, что «Пионер-11» использует такой трюк во время пролета мимо Юпитера, что позволит ему отправиться к Сатурну.

Если все эти экспедиции пройдут успешно, то еще до конца десятилетия космические аппараты с Земли посетят все пять планет, известных с древних времен, – от Меркурия до Сатурна. И более того, «Пионер-10» и «Пионер-11», набрав достаточную скорость, могли бы в конце концов вырваться из плена притяжения Солнца, став первыми построенными людьми аппаратами, покинувшими Солнечную систему (вместе со своими верхними ракетными ступенями).

А что же дальше? Оставалось еще три неисследованные внешние планеты, но огромное расстояние от Солнца до Урана, Нептуна и Плутона делало путешествие к ним неосуществимо долгим. Если только не…

Статья в National Geographic описывала дерзкий план совершить «большое путешествие», в котором можно было использовать несколько гравитационных маневров, чтобы посетить каждую из этих планет. Теоретически есть возможность запустить космический аппарат к Юпитеру, разогнать у Сатурна, а потом снова разгонять у каждой более отдаленной планеты. Такая экспедиция позволяла посетить все планеты, даже далекий Плутон, менее чем за десять лет, а не тратить на путешествие несколько десятилетий.

Но такой трюк невозможно осуществить в любое время и даже в любой случайно взятый год или столетие. Планеты, каждая из которых обращается по своей собственной орбите вокруг Солнца, должны выстроиться в правильном порядке, как бусины, нанизанные на нитку, от Земли до Плутона. Как секретный проход, открывающийся раз в два столетия, движение планет создает такую возможность раз в 175 лет.

Так случилось, что эта редкая возможность вскоре должна была появиться, и, таким образом, рождался шанс на «большое путешествие». Используя его, космический аппарат, запущенный в конце 1970-х гг., мог быстро пролететь через всю Солнечную систему, посетив по очереди каждую из внешних планет, и прибыть к Плутону в конце 1980-х гг. По счастливой случайности, эта редкая удача выпала именно в тот момент истории в конце ХХ в., когда люди как раз научились запускать аппараты к иным мирам.

Статья давала юному читателю очень важные уроки: законы физики могут стать нашими друзьями. Их можно использовать для того, чтобы достичь тех мест, которые иначе были бы недостижимы. И иногда все складывается именно так, что появляются шансы, которые, если их не использовать, снова не выпадут очень долгое время.

Публикация в National Geographic была проиллюстрирована первыми фотографиями, которые автоматические межпланетные станции сделали около Марса и Венеры, а также рисунками художников, изображающими еще не исследованные планеты. Кроме того, там была таблица, где собрали известные факты обо всех девяти планетах, среди которых одна стояла особняком как совершенно таинственная. В колонке для Плутона бо́льшая часть граф была заполнена вопросами. Приводились только данные о его огромной и далекой орбите (ему требуется 248 земных лет, чтобы совершить полный круг) и о продолжительности дня (один оборот вокруг своей оси планета делает за 6,4 земных дня). Количество спутников? Неизвестно. Размер? Неизвестен. Атмосфера? Структура поверхности? Неизвестны. Не было ничего, что могло бы дать нам представление о том, что действительно происходит на Плутоне. Алан запомнил, как, читая эту статью, увидел таблицу и подумал о космических зондах, которые в один прекрасный день исследуют таинственный Плутон, самую далекую и неизвестную из всех планет.

«Вояджеры»

В те времена большинство межпланетных автоматических станций запускались парами, чтобы застраховаться от возможной поломки одного из аппаратов. В этом была определенная логика, потому что стоимость постройки второй, полностью идентичной АМС намного снижалась благодаря тому, что можно было использовать конструкторские разработки и планы по первой. Например, «Маринер-9», аппарат, вышедший на орбиту Марса и показавший поверхность Красной планеты во всех деталях, совершил успешный полет. Но его близнец «Маринер-8» потерпел катастрофу над Атлантическим океаном из-за отказа разгонного блока. Подобная судьба постигла и «Маринер-1», при этом «Маринер-2» добрался до Венеры. «Маринер-3» потерпел поражение, но «Маринер-4» выполнил у Марса возложенные на него задачи.

NASA планировало «большое путешествие» к планетам-гигантам с помощью двух пар одинаковых автоматических станций, которые должны были посетить по три планеты каждая. Первая пара, готовящаяся к запуску в 1977 г., пролетала мимо Юпитера, а потом «отскакивала» к Сатурну и Плутону. Другой паре предстояло стартовать в 1979 г., чтобы посетить Юпитер, Уран, Нептун и Плутон. «Большое путешествие» должно было завершить то, что Карл Саган называл «первым знакомством с Солнечной системой».

Это был замечательный план, но послать четыре аппарата, чтобы каждый из них посетил по три планеты, было слишком дорогим удовольствием. Предполагаемая цена разработки, строительства и полета АМС для этой экспедиции, которая должна была продолжаться более 10 лет и добраться дальше, чем любой космический аппарат в истории, составляла более 6 млрд долларов по нынешнему курсу. К несчастью, в то время бюджет NASA был урезан, и в такой обстановке столь дорогая экспедиция была обречена на провал. Грандиозный большой тур был отменен еще до того, как сошел с чертежных досок.

Понимая, что на протяжении их жизни другой такой возможности не представится, ученые постарались снизить цену и спасти «большое путешествие», разработав урезанную версию под названием «Экспедиция АМС "Маринер" к Юпитеру и Сатурну». Она ставила перед собой более скромную цель – исследовать только две самые крупные и более близкие к Солнцу внешние планеты: Юпитер и Сатурн. Два аппарата-близнеца стоимостью около 2,5 млрд долларов по нынешнему курсу получили одобрение в 1972 г. Был проведен конкурс по выбору официального названия АМС, и за несколько месяцев до старта в августе и сентябре 1977 г. их окрестили «Вояджер-1 и 2».

Хотя «большое путешествие» в своем первоначальном виде было отменено, даты пуска «Вояджеров» и их траектории были тщательно выбраны так, чтобы аппараты могли продолжить движение от Сатурна, использовав гравитационный маневр, чтобы добраться до всех внешних планет. Источник энергии, основанный на радиоактивном распаде, был разработан так, чтобы аппараты могли лететь еще много лет после выполнения основной миссии. Таким образом, потенциально эти АМС могли продолжить путь до Урана, Нептуна и Плутона, если позднее появятся средства оплачивать продолжение полета.

Экспедиция «Вояджеров» считалась бы полностью успешной в том случае, если будет проведено исследование систем Юпитера и Сатурна. Тем не менее ее разработчики планировали – при определенной доле удачи и будущих ресурсах, на которые они не могли рассчитывать, – продолжать полет на многие годы дольше и на миллиарды километров дальше, посетив, в конце концов, все цели большого путешествия. И, наконец, «Вояджеры» сделали именно это. Они были запущены в конце 1970-х гг., к 1981 г. каждый успешно выполнил свою основную миссию у Юпитера и Сатурна, и оба управляются по сей день, через четыре десятилетия после старта. «Вояджер-2» достиг Урана и Нептуна, но никогда не доберется до Плутона, потому что двигается в другом направлении. Но «Вояджер-1» летел в нужном направлении.

Так почему же «Вояджер-1» не направился к Плутону? Одним из его самых больших достижений и официальным мерилом успеха всей программы было исследование Титана – уникального и загадочного гигантского спутника Сатурна. Если учесть, что это единственный спутник в Солнечной системе, обладающий плотной атмосферой (даже плотнее, чем у Земли), состоящей, как и воздух, которым мы дышим, в основном из азота, то Титан всегда вызывал большой интерес у ученых. Также на нем в очень маленьких количествах имеются органические химические соединения (те самые соединения с углеродом, которые сделали возможной жизнь на Земле), а в его атмосфере содержится метан, в составе которого есть углерод. Атмосфера была открыта в 1944 г. астрономом Джерардом Койпером, одним из основателей современной планетологии, имя которого мы вскоре встретим снова.

Тем не менее существовала проблема, из-за которой приходилось делать трудный выбор. «Вояджер-1» мог как следует изучить Титан только в том случае, если сделает близкий пролет сразу после того, как пролетит мимо Сатурна. Выполнение такого маневра навсегда сводило космический аппарат с траектории большого путешествия, разворачивая «Вояджер-1» к югу и резко отклоняя от плоскости орбит планет. Это направление полета от Сатурна делало невозможным продолжение путешествия к Плутону. В то время никто не смог привести веских аргументов в пользу того, что «Вояджер-1» должен пропустить Титан. По сравнению с Плутоном это небесное тело находилось, можно сказать, под рукой, и для ученых исследование Титана было просто увлекательным. Напротив, пятилетнее путешествие к далекому Плутону было очень рискованным, к тому же об этой планете имелось настолько мало информации, что никто не мог сказать, будет ли оно стоить затраченных усилий. Отдать предпочтение Титану перед Плутоном было хорошим, логичным выбором. И даже сегодня никто не жалеет об этом решении, особенно сейчас, после того, как Титан показал себя миром чудес с метановыми облаками, дождями, озерами и органическими соединениями, обнаруженными в обширных песчаных дюнах. Это действительно одно из самых интересных мест, которое людям довелось исследовать. Решение в самом деле было правильным, но одновременно оно лишало человечества шанса посетить Плутон в ХХ в. Если вблизи него вообще суждено было побывать, то это путешествие приходилось откладывать до другого времени и другого поколения.

Школьные годы

Алан окончил Техасский университет в декабре 1978 г. В январе 1979 г., как раз тогда, когда «Вояджер-1» приближался к Юпитеру, он начал постдипломное обучение в области аэрокосмической техники. Стерн по-прежнему увлекался исследованием космоса, но ученым себя не видел. Даже сегодня он помнит, как услышал о решении по поводу того, что «Вояджер-1» должен изучить Титан и не предпринимать попытки совершить более длинное и рискованное путешествие к Плутону: «Помню, тогда я подумал: „Они сделали разумный выбор, но это плохо – возможно, нам никогда не выпадет шанс увидеть Плутон“».

Алан сохранил глубокий интерес к тому, как осуществляются экспедиции АМС, но его программа подготовки магистра, сосредоточенная на небесной механике, была выбрана со стратегической целью: сделать себе резюме, которое позволило бы пройти в программу отбора астронавтов NASA. Какой шаг следовало сделать дальше, чтобы добиться этой цели?

Алан хотел продемонстрировать NASA свое разностороннее образование, поэтому выбрал еще одну магистерскую программу в другой области – изучение атмосфер планет. Этот выбор оказался решающим. Алан вспоминает:

В Техасском университете был молодой и очень крутой преподаватель планетологии Ларри Трафтон, который тоже хотел стать астронавтом. Он окончил Калифорнийский технологический институт и сделал несколько достаточно крупных открытий. Также он приобрел себе определенную репутацию за свою строгость и суровость. Помню, как я пришел в кабинет Трафтона, и, хотя чувствовал себя перепуганным из-за того, что́ о нем говорили, сказал, что могу работать на него бесплатно, если у него есть какие-то идеи проекта, который мы могли бы сделать вместе. Он рассказал мне о статье, посвященной Плутону, которую недавно написал и в которой были некоторые расчеты насчет атмосферы Плутона, очень быстро улетучивающейся в космос. Согласно им, Плутон должен был полностью испариться за время существования Солнечной системы. Конечно, смысла в этом никакого не было, потому что Плутон по-прежнему был на своем месте, следовательно, это указывало на то, что происходит что-то еще, чего мы не понимаем. Когда в конце 1980 г. я постучал к Трафтону в дверь и попросил дать мне интересную исследовательскую задачу, он как раз размышлял над этой проблемой. Поэтому он сказал: «А почему бы вам не поработать с Плутоном?», и это, в конце концов, стало темой моей магистерской диссертации. Мы провели некоторые исследования основных физических процессов, которые могли бы происходить в атмосфере Плутона. По сегодняшним меркам такое компьютерное моделирование было очень простым, но для своего времени оно многое проясняло.

Полтора года спустя, получив вторую магистерскую степень, Алан переехал в Колорадо, где стал инженером в NASA, работая над проектами для гиганта аэрокосмической отрасли – компании Martin Marietta. Но через полтора года он оставил эту работу ради Университета Колорадо, где стал научным сотрудником программы (главным ассистентом руководителя проекта, который, по терминологии NASA, назывался «научным руководителем») по запуску с помощью шаттла спутника для изучения состава кометы Галлея во время одного из ее редких появлений в 1986 г. Также он работал над суборбитальными научными миссиями и занимался аппаратурой, которую должны были шесть раз запустить с космического челнока, чтобы получить изображения кометы Галлея из космоса. Это был первый проект аппарата, в котором Стерн был научным руководителем.

Пока все это продолжалось, Алан задавался вопросом, как далеко ему удастся продвинуться без докторской степени. Он уже был женат, имел дом, делал карьеру и думал о том, что, возможно, упустил свой шанс, не вернувшись в докторантуру Техасского университета.

Затем, в январе 1986 г., произошла трагедия. Космический челнок «Челленджер» взорвался через 73 секунды после старта, унеся жизни семи астронавтов. Этот взрыв уничтожил и оба проекта, которыми Алан занимался в течение трех предыдущих лет: спутник для изучения состава кометы Галлея и его первый проект как научного руководителя – фотографирование кометы. Помимо того, что оба проекта Алана погибли, расстроились и многие другие планы NASA, а само будущее шаттлов оказалось под вопросом.

Почти все, кто имел тогда какое-то отношение к исследованиям космоса, вспоминают, где они находились, когда взорвался шаттл, и некоторые из нас до сих пор со слезами на глазах говорят о Кристе Маколифф, первой «учительнице в космосе», и других членах экипажа, которые расстались с жизнью тем холодным флоридским утром. Многие из нас смотрели репортаж о старте «Челленджера» в прямом эфире по телевидению; Алан был на мысе Канаверал и вместе с коллегами наблюдал этот пуск.

После катастрофы он был раздавлен: «От этого некуда было деться – это транслировалось по телевидению и выходило во всех газетах. Многие недели и даже месяцы я снова и снова видел взрыв в СМИ». Крушение заставило Алана задуматься о жизни и карьере. Две следующие межпланетные экспедиции NASA – орбитальная АМС «Магеллан» к Венере и орбитальная АМС «Галилео» к Юпитеру – должны были стартовать с шаттла и их временно отложили. То же самое происходило буквально со всеми научными миссиями NASA. Решив, что в области исследований космоса ничего принципиально нового не произойдет до конца 1980-х гг., когда возобновятся полеты шаттлов, Алан решил вернуться в университет и получить докторскую степень.

Итак, в январе 1987 г., ровно через год после катастрофы «Челленджера» он поступил на докторскую программу по астрофизике в Университет Колорадо. Для своей диссертации Стерн проводил исследования в области происхождения комет. Но Плутон уже коснулся интересов Стерна. Он дал ему первый настоящий опыт научных исследований, и даже в конце 1980-х гг., в докторантуре, Алана волновал вопрос о возможности послать туда экспедицию. Почему NASA больше не интересуется этой проблемой?

Также Алан понимал, что, избрав кружной путь к докторской степени, он потерял несколько лет по сравнению со своими сверстниками, которые двигались к ней по прямой. Те его одногодки, которые вовремя окончили постдипломное обучение или хотя бы учились в аспирантуре в то время, застали общее воодушевление, связанное с проектом «Вояджер». Не упустил ли он последнюю возможность стать первым исследователем новой планеты? Едва ли он сможет принять участие в экспедиции к Плутону.

Когда Стерн впервые поднял этот вопрос в сообществе именитых ученых-планетологов, ответ был не очень вдохновляющим. Алан:

Думаю, я отличался от большинства людей в нашей отрасли тем, до какой степени меня воодушевляли сами исследования, независимо от научных результатов. Когда я работал над докторской диссертацией, у меня впервые зародилась идея об экспедиции к Плутону. Мне подумалось: «Мы так много знаем о Нептуне. А почему бы не слетать к Плутону?» Я был очень разочарован, узнав, что именитые ученые упорно считают, что польза для науки от такой экспедиции не окупит затраты на нее.

С тех пор Алан постоянно сталкивался с разрывом между тем, как NASA действительно принимало решения о том или ином исследовании, и тем, как зачастую попытки агентства преподносились общественности. Когда NASA работает на публику, оно часто подчеркивает, какое воодушевление вызывают новые проекты и какую подлинную ценность они несут: «Мы просто отправляемся туда, где до нас еще никто не бывал».

Но комитеты, устанавливающие очередность АМС в рамках ограниченного бюджета NASA, вовсе не озабочены поисками самых интересных экспедиций в неизведанные места. Скорее, они хотят знать, какие именно научные исследования будут проводиться, на какие совершенно определенные научные вопросы первостепенной важности даст ответы этот полет, а также практические подробности того, как каждая возможная миссия может способствовать прогрессу какой-либо отрасли знания. Таким образом, даже если научное сообщество действительно хочет отправиться куда-то ради чуда открытия, трудность состоит в том, чтобы найти этой идее научное рациональное объяснение, настолько веское, чтобы пройти любую проверку.

Алан вспоминает, как в конце 1980-х гг. «кто-то из маститых ученых сказал мне: "Ты никогда не продашь NASA полет на Плутон как проект. Тебе нужно найти способ привлечь научную общественность, чтобы заявить, что такая экспедиция имеет чрезвычайную важность для определенной области знания, что она принесет свои плоды"».