Текст книги "Непридуманные космические истории"

Будущее планетной охоты

Билл Бораки покинул свой руководящий пост в 2015 году и, уходя на покой, передал эстафетную палочку новому поколению ученых, которые ищут иные миры.

– Величайшей честью для меня была возможность разработать и возглавить проект «Кеплер». Он доказал, что Галактика полна землеподобными планетами, которые находятся в зонах обитаемости своих звезд. Новые проекты с более широкими возможностями покажут, верно ли, что в Галактике повсюду процветает жизнь, – говорит Бораки. – Я надеюсь, что молодые люди всего мира примут этот научный вызов по изучению нашей Галактики и создадут средства, при помощи которых продолжится поиск внеземной жизни и нашего места среди звезд.

«Кеплер» сумел обнаружить потенциально обитаемые миры, но как же мы можем однозначно заключить, пригодна или нет для жизни конкретная далекая планета и, что самое важное, есть ли на ней уже какая-нибудь жизнь?

Баталья, Баркли и Трауб в один голос говорят, что «Кеплер» лишь чуть коснулся вопроса об изучении различных типов планет в нашей Галактике и следующим шагом будет разработка таких инструментов, которые позволят ответить на вопрос о существовании иной жизни.

– Это волнующее время, – говорит Баркли. – Мы находимся почти что на грани совершения действительно великих открытий.

Сейчас в планах создание нескольких космических аппаратов, нацеленных на изучение экзопланет, и первым из них будет Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS)[48]48
  Транзитный космический телескоп-спутник. – Прим. пер.


[Закрыть], который должен отправиться на орбиту в 2017 году[49]49
  Запуск телескопа TESS не состоялся в 2017 году и планируется к осуществлению на 16 апреля 2018 года при помощи ракеты-носителя Falcon 9. – Прим. пер.


[Закрыть]. Метод поиска, который будет использовать TESS, аналогичен тому, что применяется на «Кеплере», – это поиск планетарных транзитов. Но TESS будет искать планеты у звезд намного ближе к Земле, чем те, которые изучал «Кеплер»: бо́льшая их часть находится на расстояниях от 500 до 3000 световых лет от Земли. Как и «Кеплер», TESS будет стремиться зафиксировать наличие землеподобных планет с твердой поверхностью и подходящими условиями для существования на них жидкой воды и других факторов, благоприятных для жизни. TESS будет сканировать все небо, чтобы отслеживать более полумиллиона звезд в наших галактических окрестностях.

Лучше всего помогает определить, пригоден ли тот или иной мир для жизни, изучение его атмосферы. С нетерпением ожидается, что James Webb Space Telescope[50]50
  Космический телескоп «Джеймс Уэбб». – Прим. пер.


[Закрыть] с его зеркалом диаметром 6,5 м проведет более глубокие наблюдения атмосфер близлежащих планет, обнаруженных K2 и TESS, измеряя содержание молекул таких веществ, как углекислый газ, метан и водяной пар.

«Джеймс Уэбб» намечен к запуску в 2018 году[51]51
  На данный момент планируется запустить космический телескоп «Джеймс Уэбб» на орбиту весной 2019 года. – Прим. пер.


[Закрыть]. Это инфракрасный телескоп (работающий в невидимом глазу диапазоне спектра), и его основные задачи – изучать Галактику, формирование звезд и планет во Вселенной, а также – заглянуть как можно дальше в прошлое, чтобы увидеть, как образовались самые первые галактики и звезды. «Джеймс Уэбб» должен стать главной астрономической обсерваторией предстоящего десятилетия; с этим проектом вы детально познакомитесь в финальной главе этой книги.

Европейское космическое агентство планирует запустить аппарат PLATO[52]52
  PLAnetary Transits and Oscillations – «Планетарные транзиты и колебания». – Прим. пер.


[Закрыть] около 2024 года, чтобы изучать землеподобные планеты с твердой поверхностью в обитаемых зонах похожих на Солнце звезд, расширяя применение метода астросейсмологии.

Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST)[53]53
  Широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп. – Прим. пер.


[Закрыть] – может начать свою работу в середине 2020-х годов. В этом проекте в телескоп будет преобразован неиспользованный спутник-шпион из арсенала американского Национального управления военно– космической разведки, размер главного зеркала которого такой же, как у космического телескопа «Хаббл», – 2,4 м, но поле зрения в 200 раз шире. Это позволит ему обозревать бо́льшую часть неба с более высоким разрешением, чем любая космическая обсерватория до него. Чтобы искать экзопланеты, этот аппарат будет использовать методику микролинзирования.

Схема демонстрирует астрофизические аппараты NASA, предназначенные для поиска жизни вне Земли. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса / Н. Баталья и В. Штенцель

– Когда звезда, более близкая к нам, проходит на фоне более далекой звезды, – рассказывает Трауб, объясняя принцип микролинзирования, – ее гравитация искривляет лучи света и увеличивает далекую область, по причине чего яркость более далекой звезды повышается. Если на орбите вокруг более близкой звезды есть планета, это вызовет появление небольшого всплеска света, который WFIRST сможет измерить.

«Кеплер» способен обнаруживать транзитные планеты на орбитах, пролегающих на расстоянии около 1 астрономической единицы (АЕ, равной расстоянию от Земли до Солнца) от центральной звезды или ближе к звезде, а WFIRST будет обладать достаточной чувствительностью, чтобы обнаруживать планеты меньшего размера, чем Земля, на расстояниях от своих звезд больше 1 АЕ. Используя коронограф для того, чтобы перекрывать свет звезды, телескоп WFIRST также сможет напрямую зарегистрировать отраженный от некоторых крупных планет свет.

– Это послужит дополнением к методам измерения радиальной скорости и обнаружения транзитов, наиболее эффективным для обнаружения планет, обращающихся близко к своим звездам, – объясняет Трауб. – Невозможно экстраполировать данные «Кеплера», чтобы определить, с какой частотой встречаются те или иные планеты вдали от звезд. Необходимо по-настоящему пронаблюдать и измерить, что именно и как создала природа. Бесполезно пытаться это угадать, потому что вы почти наверняка ошибетесь!

– «Кеплер» накапливает статистику по экзопланетам в пределах радиуса земной орбиты, – говорит Баталья. – WFIRST же будет нацелен на определение частоты планет, находящихся на орбитах радиусом с земную и больше. Так что со временем мы получим ясную картину того, какие виды экзопланет существуют.

Есть надежда, что после середины 2020-х годов появится технология, которую можно будет положить в основу прибора, способного красноречиво указать на наличие признаков жизни в атмосферах землеподобных планет с твердой поверхностью, находящихся в системах звезд в наших космических окрестностях.

Экзистенциальные экзопланеты

В начале этой главы Баталья упоминала умопомрачительное число – возможный миллиард планет размером с Землю в обитаемых зонах солнцеподобных звезд. Но ведь это количество планет только лишь в нашей галактике Млечный Путь. Если экстраполировать его на всю остальную Вселенную, то полученная величина поражает воображение. Астрономы утверждают, что в наблюдаемой Вселенной, возможно, более 170 млрд галактик, рассыпанных в области пространства, простирающейся от нас на 13,8 млрд световых лет во всех направлениях.

Поэтому, если умножить количество звезд в нашей Галактике на количество галактик во Вселенной, то получится примерно 10²⁴ звезд. Это единица, за которой тянутся 24 нуля, или септиллион звезд.

Так художник изобразил планеты, открытые при помощи космического телескопа «Кеплер», созданного NASA. Источник: NASA / В. Штенцель

Если другие галактики подобны нашей, во Вселенной может быть поразительное количество обитаемых миров. Так что, при том что работа «Кеплера» важна для науки, она еще и позволяет нам понять, насколько скромно наше место в космическом океане.

Натали Баталья однажды написала: «Как ученый, вы проживаете свою жизнь так, будто бы вам предназначено открыть, понять и разгадать любую тайну». Я спросила, что значит для нее на личном и, может быть, эмоциональном уровне быть причастной к открытиям, которые помогают, по сути, дать ответы на вопросы, веками мучившие человечество.

– В нашей работе присутствует определенный экзистенциальный компонент, – говорит она, – и хотя это лишь часть моей карьеры, я позволяю себе задумываться о таких глобальных вопросах, и тогда я чувствую себя невероятно счастливой и наделенной редкой привилегией. Это меняет мой взгляд на жизнь и мои представления о положении человека в мире.

Кроме того, не стоит забывать о радости первооткрывателя, о том колоссальном удовлетворении и счастье, которое она приносит, – продолжает Натали. – Есть что-то истинно праздничное и волнующее в том, когда все детали головоломки ложатся на место и вы делаете открытие, которое меняет наш взгляд на мир.

Такого рода размышления пронзительно и резко отдаются в душе Батальи в эти дни – ей и ее семье приходится бороться с тяжелой болезнью, которой страдает один из ее детей.

– Так что, да, сейчас в моей голове творится невесть что, – признаётся она, – и приходится сделать шаг назад, подумать о смысле жизни как таковом. Но работа в таком проекте, как этот, придает моей жизни более значительный смысл, потому что так я занимаюсь чем-то вне меня, за пределами моих личных проблем и битв, и я действительно думаю о том месте, которое занимает человечество. «Кеплер» показал нам более широкую картину того, почему мы здесь, в каком направлении мы развиваемся и что еще может ждать нас на просторах Вселенной.

Глава 6
Раскрывая секреты окольцованного мира и его ледяных лун: «Кассини – Гюйгенс»

На последних каплях топлива

В начале 2016 года автоматическая межпланетная станция «Кассини» продолжала свой полет почти без топлива в баках.

Умиротворяющая красота: когда межпланетная станция «Кассини» приближалась к своей цели в мае 2004 года, она сделала этот снимок Сатурна и его колец. Если приглядеться, можно увидеть и несколько ледяных спутников планеты. «Кассини» находился на расстоянии 28,2 млн км от Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

– На приборной доске определенно зажегся индикатор «мало топлива», – говорит Линда Спилкер, научный руководитель проекта длиною в двадцать лет «Кассини – Гюйгенс», целью которого является изучение Сатурна. – Мы просто не знаем точно, когда двухкомпонентное ракетное топливо, с помощью которого мы меняем форму орбиты, совсем закончится.

Несмотря на внешнее спокойствие и дружелюбную улыбку Спилкер, мы понимаем, что ситуация с малым остатком топлива довольно тревожна для нее и ее коллег по международной команде проекта «Кассини». У станции должен быть запас топлива для того, чтобы выполнить маневры для подготовки к страшному, но необходимому концу ее полета.

Иллюстрация того, как может выглядеть «Кассини», совершающий последние орбитальные витки между самыми внутренними кольцами Сатурна и его облачной атмосферой. На этих орбитах будет выполнена последняя программа по проекту «Кассини» под названием «Большой финал», который завершится входом «Кассини» в атмосферу Сатурна в сентябре 2017 года. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения

Начиная с 2004 года «Кассини» находится на орбите Сатурна, изучая великолепную газовую гигантскую планету, лавируя между на удивление разнообразными шестьюдесятью двумя его ледяными лунами и скользя вдоль краев его сложнейших знаменитых колец. Находки «Кассини» перевернули наше представление обо всей системе Сатурна, которая похожа на Солнечную систему в миниатюре. Работа «Кассини» позволила узнать много нового и интересного как о самом Сатурне, так и о секретах, таившихся в его спутниках: например, ожидалось, что Энцелад – это просто большой ледяной шар, а на самом деле на нем фонтанируют гигантские геотермальные гейзеры. А благодаря посадочному модулю «Гюйгенс» мы теперь знаем, что самая большая луна Сатурна Титан пугающе напоминает Землю, но при этом совершенно чужда нам.

Такой огромный, долговременный и беспрецедентный проект и заканчиваться должен эффектно. Весной 2017 года станция «Кассини» перейдет к последнему этапу своего полета, которому дали название «Большой финал», и начнет проходы сквозь небольшой промежуток между верхушками облаков Сатурна и внутренним краем его колец, чтобы сделать завершающую серию наблюдений планеты-гиганта вблизи. Затем 15 сентября 2017 года межпланетная станция упадет на Сатурн и будет полностью уничтожена жаром и давлением в его недрах[54]54
  Завершение программы «Кассини» состоялось в точности по описанному плану. – Прим. пер.


[Закрыть].

Таким образом «Кассини» совершит святой акт самопожертвования, который называют термином «планетарная биологическая защита» – так необходимо поступить, чтобы ни один из потенциально скрывающих местную жизнь спутников Сатурна не оказался бы загрязнен земными микроорганизмами, если когда-либо в будущем дрейфующий без управления и лишенный энергии космический аппарат случайно врежется в его поверхность. Земные микробы все еще могут оставаться к тому времени на деталях «Кассини», а его радиоизотопный генератор энергии может еще долгое время давать тепло. Если бы он упал на ледяную кору одной из лун Сатурна, то мог бы погружаться в ее глубину, растапливая лед вокруг, пока не достиг бы подповерхностного океана – так об этом поведала мне Спилкер.

Иметь запас топлива важно, чтобы «Большой финал» был сыгран по плану. Поэтому на протяжении всех последних месяцев полета, когда бы станция ни производила маневр по изменению траектории, Спилкер остается ждать в своем кабинете (и неважно, который при этом час), пока не узнает точно, что топливо и на этот раз не закончилось.

– Просто мне хочется следить и ждать, когда же придет сигнал, который скажет, что все сработало, как нужно, – говорит она.

Научный руководитель проекта «Кассини» Линда Спилкер и менеджер проекта Эрл Мейзи в тот момент, когда 25 мая 2016 года пришла новость об успешном завершении маневра понижения орбиты «Кассини», и космическому аппарату хватило топлива, чтобы закончить его по плану. При том что точное значение остатка топлива было неизвестно, группа управления полетом рисковала, не имея полной уверенности, хватит ли его «Кассини», чтобы до конца выполнить запланированный маневр. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения

Из-за огромного расстояния между Землей и Сатурном задержка между передачей сигнала с одной планеты и получением его на другой составляет около 90 минут, и, значит, с Земли невозможно управлять аппаратом у Сатурна в реальном времени или оперативно реагировать на непредвиденные ситуации.

– У нас есть запасные планы, – объясняет Линда, – так что, если топливо кончится в середине маневра, мы сумеем насколько возможно быстро перестроиться и завершить начатое при помощи гидразиновых двигателей малой тяги. Однако они так малы, что им потребуется работать несколько часов для компенсации того, что маршевый двигатель делает за минуты.

Не считая того, что Спилкер и команда управления полетом «Кассини» не знают точно, сколько на борту осталось топлива, сценарий всех событий, оставшихся до падения станции на Сатурн, известен им в деталях.

– Мы с точностью до минуты знаем, как будет выглядеть каждая из будущих орбит, поэтому мы хотим оставаться в рамках плана и не переделывать его, – говорит она. – Если бы двухкомпонентное топливо[55]55
  Смесь тетраоксида азота и монометилгидразина. – Прим. пер.


[Закрыть] кончилось раньше времени, научной группе, видимо, пришлось бы отказаться от части наблюдательных планов, потому что у нас не осталось бы возможности выполнить их все.

К тому же довольно неуютно посылать межпланетную станцию, которую ты знаешь и любишь уже почти двадцать лет, в потенциально опасный район вблизи Сатурна, а потом нарочно разбить ее.

– Да, это страшно! – соглашается Линда Спилкер. – Мы посылаем «Кассини» туда, где он еще ни разу не бывал, но это обещает невероятные научные результаты. Мы окажемся настолько близко к планете, что сможем выполнить такие измерения, которые просто нельзя сделать нигде больше. И это действительно поможет нам – наконец – понять внутреннее строение Сатурна.

Вся команда планирует устроить «Кассини» достойные проводы.

– Когда начнется первый виток по близкой орбите, вся научная команда соберется в лаборатории реактивного движения, – говорит Спилкер. – Мы все будем, затаив дыхание, ждать появления сигнала, который скажет нам, что станция прошла промежуток между Сатурном и кольцами, и, как я надеюсь, после этого она повернется к Земле и скажет: «Да я в порядке, ничего такого!» А потом она отправит все собранные данные, и мы увидим восхитительные снимки колец и самой планеты.

На этом разорванном пополам кольцами Сатурна сверхъестественном пейзаже ярко сияет серп Титана, который смыкается в туманное всепланетное кольцо, – лишь маленькая луна Энцелад нарушает его контур. У южного полюса Энцелада слегка виднеются выбросы его ледяных гейзеров. Рассеянный в атмосфере огромного (5150 км в диаметре) Титана свет окаймляет темный силуэт твердой поверхности спутника. На Энцеладе же, диаметром 500 км, небо значительно более ясное, чем на соседней луне, которая по размеру достойна называться планетой. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

О да… Снимки! Фотографии, присланные «Кассини», поистине завораживают. Немыслимые изображения лун, колец и самой газовой планеты – божественные творения, достойные места в художественном музее; при виде их останавливаешься как вкопанный и от восторга забываешь дышать.

Как составить план

Глядя на триумфальный успех проекта «Кассини – Гюйгенс», трудно поверить, что полет этих аппаратов мог бы вовсе не начаться. Исходные планы проекта отвергались дважды. Согласно изначальному замыслу, возникшему в конце 1980-х годов, полет АМС должен был проходить по той же схеме, что и более раннее, невероятно успешное путешествие космических аппаратов Voyager: пара этих аппаратов стартовала в 1977 году и посетила Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Наблюдения, сделанные станциями Voyager на пролетных траекториях, породили столько загадок и вопросов, что был задуман новый полет земного разведчика – с упором на Сатурн и другие тела Солнечной системы.

– Сперва он именовался CRAF/Cassini, – говорит менеджер проекта «Кассини» Эрл Мейзи. – Сокращение CRAF расшифровывалось как comet rendezvous asteroid flyby[56]56
  Встреча с кометой и пролет астероида. – Прим. пер.


[Закрыть]. Идея состояла в том, чтобы послать два одинаковых аппарата в различные места. Конструкция их должна была включать шарнирно-поворотные сканирующие платформы для всех научных инструментов и поворотные антенны. Но из-за сокращения бюджета такой проект сочли чрезмерно дорогим.

От CRAF отказались, и от «Кассини» отказались – почти что. Но совместно с NASA работали Европейское и Итальянское космические агентства, и они уже начали постройку аппарата «Гюйгенс» для изучения Титана. После долгих переговоров и во имя духа международного сотрудничества (всего над проектом работали девятнадцать государств) Конгресс США разрешил NASA построить «Кассини», чтобы запустить его в паре с европейским «Гюйгенсом».

– Но «Кассини» оказался слишком маленьким, – говорит Мейзи, – дошло до того, что все необходимое просто жестко прикручивали болтами к корпусу, и это повлияло на процесс управления полетом. Чтобы понять, как работает эта автоматическая межпланетная станция, представьте себе, что вы решили отправиться на фотосафари, привинтив свою замечательную фотокамеру Hasselblad на капот вашего «Лендровера». Если вы захотите сфотографировать вон того льва, вам придется развернуть в его сторону весь автомобиль.

Но на борту не одна лишь фотокамера. «Кассини» оснащен двенадцатью инструментами, которые в сумме выполняют двадцать семь видов наблюдений и регистрации параметров.

Схема, иллюстрирующая межпланетный перелет АМС «Кассини» по траектории «Венера – Венера – Земля – Гравитационный маневр у Юпитера». «Кассини» потребовалось 6,7 года, чтобы достичь Сатурна. Источник: лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

– Иной раз группа радарного инструмента заказывает одно положение аппарата, тогда как группа получения изображений желает совсем другой ориентации, – говорит Мейзи. – А потом ребята по полям и элементарным частицам просят его повернуть еще куда-нибудь, а специалисты по космической пыли – совсем в другую сторону. Ах да, и еще мы раз в сутки должны развернуть станцию так, чтобы ее антенна большого усиления была направлена на Землю. Все начинают драться за наиболее выгодную для себя ориентацию.

Мейзи сказал, что ученые «Кассини» разработали особый процесс – теперь этой практике следуют и в других межпланетных проектах, потому что она работает, как видно, хорошо, – когда группы отдельных научных приборов собираются вместе и занимаются «нарезкой и разделом» каждого этапа полета с точностью до минуты. Они проектируют и выстраивают в деталях оптимизированные сценарии действий на месяцы вперед, находя моменты, когда каждый инструмент окажется в наилучшей позиции для проведения наблюдений. Когда план операций проходит утверждение и тестирование на Земле, десятинедельная программа необходимых для его выполнения команд отправляется на борт «Кассини», после чего его бортовой компьютер управляет каждым маневром и полетной операцией.

– Это очень сложный процесс, похожий на изготовление швейцарских часов – все части должны подойти идеально, – говорит Эрл. – Но это работает. И мы занимаемся этим делом с 2002 года.