Текст книги "Непридуманные космические истории"

Проблемы с Титаном

В 1999 году орбитальный аппарат «Кассини» и укрепленный на нем снаружи посадочный модуль «Гюйгенс» путешествовали по своему извилистому маршруту, конечной точкой которого была система Сатурна. Этот космический дуэт стартовал в 1997 году, но, вместо того чтобы сразу же устремиться к шестой планете от Солнца, пара аппаратов начала двигаться по траектории «Венера – Венера – Земля – Гравитационный маневр у Юпитера», дважды совершив пролет Венеры и один раз – Земли спустя два года после начала полета.

При том что все эти пролеты помогли станции набрать дополнительную скорость, нужную, чтобы достичь Сатурна, пролет Земли также позволил всем занятым в управлении полетом командам устроить проверку различных систем и приборов и сразу же получить отклик.

– Европейская группа хотела протестировать приемник «Гюйгенса» путем проверки приема передаваемых с Земли данных, – говорит Мейзи. – Это замечательный способ провести испытание в полете, поскольку есть старое изречение авиационных бортинженеров: «Проверяй, когда летишь, и лети, когда проверяешь».

Посадка модуля «Гюйгенс» на Титан в изображении художника. Источник: Европейское космическое агентство

По прибытию в систему Сатурна «Гюйгенсу» предстояло отделиться от «Кассини» и пройти сквозь плотную и непрозрачную атмосферу Титана наподобие парашютиста в свободном падении, передавая данные на всех этапах спуска. У модуля «Гюйгенс» не было достаточно энергии и большой антенны, пригодной для прямой передачи собранных данных на Землю, поэтому «Кассини» предстояло в это время служить ретранслятором. Было необходимо убедиться, что этот способ передачи данных сработает, иначе критически важная часть программы осталась бы не выполнена.

Титан, по размеру намного превосходящий земную Луну и уступающий только спутнику Юпитера Ганимеду, настоящая кладезь загадок. В 1655 году астроном Христиан Гюйгенс работал над улучшением новомодного технического изобретения под названием «телескоп». Применив новые линзы, Гюйгенс обнаружил, что по соседству с Сатурном есть большой, выглядящий слегка размыто спутник. Много веков астрономы спорили, обладает ли Титан атмосферой, подобной земной. Ни одна другая луна в Солнечной системе не наделена атмосферой, так, может быть, на Титане есть жизнь?

Когда Voyager 1 совершил пролет Титана в 1980 году, он обнаружил богатую азотом атмосферу, действительно напоминающую земную. Но она была заполнена настолько плотным органическим смогом оранжевого цвета, что станции Voyager не удалось заснять ни одной детали на поверхности луны. Что же там служило источником этой плотно окутывающей спутник атмосферы? Некоторые ученые предсказывали наличие океанов, но Титан настолько холоден – средняя температура на нем составляет –180 °C, – что моря и океаны на нем могут состоять только из жидких углеводородов, таких как метан и этан. Как может выглядеть поверхность Титана в этих условиях, никто не мог себе даже вообразить.

Посадочный аппарат «Гюйгенс» готовился к спуску на поверхность Титана, чтобы наконец позволить людям заглянуть в этот чуждый мир.

– По плану должно было происходить так: «Гюйгенс» двигался бы впереди в сторону Титана, а «Кассини» следовал бы сразу позади него, принимая данные, – рассказывает Мейзи. – Поэтому, чтобы проверить такую последовательность во время пролета Земли, «Гюйгенс», «Кассини» и Голдстоунский комплекс дальней космической связи были совместно запрограммированы на имитацию спуска модуля на Титан. Все прошло замечательно.

Кроме одной маленькой детали: «Кассини» не получил практически ничего из имитационных данных, а то, что им было получено, не поддавалось расшифровке. И никто не мог понять почему.

После шести месяцев скрупулезного расследования источник проблемы удалось найти. Разница в скоростях двух космических аппаратов была принята в расчет неправильно, из-за этого возникал сбой связи. Похоже на то, как если бы оба космических аппарата пытались связываться друг с другом на разных частотах.

– Европейцы пришли к нам и сказали, что у нас ничего не получится с Титаном, – рассказывает Мейзи. – Но мы стали собирать команды для мозгового штурма, чтобы найти какой-то выход.

Если говорить коротко, «болячка» системы связи была задана самим физическим устройством оборудования. Теперь межпланетная станция находилась за много миллионов миль, и ничего нельзя было изменить. Но инженерам пришла в голову остроумная идея, как можно использовать известный в физике эффект Доплера.

Эрл Мейзи предпочитает описывать это в виде метафоры: представьте себе, что вы сидите на берегу моря и видите катер, мчащийся вдоль берега близко к вам. Для вас он будет двигаться быстро. Но если бы тот же самый катер с той же самой скоростью шел бы вдоль горизонта, то казалось бы, что он еле ползет.

– Так как мы не могли изменить сигнал «Гюйгенса», единственное, на что можно было повлиять, – это траектория полета «Кассини», – говорит Мейзи. – Если бы нам удалось удалить «Кассини» на большое расстояние и сделать так, чтобы с его точки зрения «Гюйгенс» перемещался бы медленно, он бы начал принимать радиоволны с посадочного модуля на более низкой частоте, что решало проблему.

Мейзи сказал, что выработка окончательной процедуры заняла два года «причудливых модификаций кода и запутанных расчетов траекторий».

Но, из-за того что «Кассини» должен находиться достаточно далеко, он рано или поздно уходил за предельную возможную дальность приема, не успевая получить все данные с «Гюйгенса». Астрономы ввели в действие план, по которому большие радиотелескопы по всему миру должны согласованно прислушиваться к слабым сигналам «Гюйгенса», чтобы не упустить все то, что не удалось получить при помощи «Кассини».

Зонд «Гюйгенс» отделился от станции «Кассини» на западное Рождество 2004 года и прибыл на Титан 14 января 2005 года. Он начал передачу данных на «Кассини» через четыре минуты спуска сквозь сумрачную атмосферу Титана, делая фотографии и записывая данные измерений по пути. Затем он мягко коснулся поверхности – таков был первый раз, когда земной аппарат совершил посадку на небесное тело из внешних окраин Солнечной системы.

Посадочный модуль «Гюйгенс» сделал эту цветную фотографию поверхности Титана во время спуска в атмосфере спутника Сатурна в январе 2005 года. Источник: Европейское космическое агентство / NASA / лаборатория реактивного движения / Университет штата Аризона

Из-за вышеописанной проблемы со связью «Гюйгенс» не мог собрать столько информации, сколько планировалось изначально, потому что ему пришлось вести передачу лишь на одном канале вместе двух. Но, что удивительно, «Кассини» удалось записать абсолютно все переданные «Гюйгенсом» данные до того, как он вышел за предельную дальность приема.

«Место летчика-аса»: Михаэль Штауб, инженер группы управления полетом «Кассини», работает на терминале «летчика-аса» в Центре управления полетами (Space Flight Operations Facility, SFOF) лаборатории реактивного движения: как он говорит, это то же самое, что и «находиться в кабине» самой межпланетной станции. SFOF служил центром слежения и управления для всех ближних и дальних межпланетных беспилотных полетов NASA и других международных комических агентств, начиная с 1964 года, и заслужил звание Национального памятника культуры США. Зал управления, который также называют «темной комнатой», заполнен огромными дисплеями, где отображается состояние передачи и приема в обмене данными с далекими космическими аппаратами. Также в ней есть многочисленные индивидуальные терминалы, привязанные к конкретным программам. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения/ Билл Инголлс

– Это было блистательно, – говорит Эрл Мейзи. – Я никогда не забуду тот день. У нас получилось все, и наша работа стала великолепным примером международного сотрудничества. Сам факт того, что девятнадцать стран смогли договориться об общей координации и состоялся старт, уже поражает, но это мелочи по сравнению с той всемирной мобилизацией, которая потребовалась, чтобы спасти программу «Гюйгенса». С инженерной точки зрения это может быть на голову выше всего остального, что мы делали в нашем проекте.

Научная и фотодокументальная программа

Связке аппаратов «Кассини – Гюйгенс» потребовалось почти семь лет, чтобы достичь Сатурна, и с момента ее появления там программа полета должна была продлиться всего лишь четыре года. Но вместо этого к 2017 году, когда она действительно закончится, «Кассини» проведет на орбите окольцованного мира более тринадцати лет, сделав вокруг него более 300 оборотов. Он станет свидетелем бессчетных захватывающих чудес и передаст на Землю невиданной красоты снимки и результаты точных измерений.

– Эпопея «Кассини», скорее всего, будет потом вспоминаться благодаря общей ее продолжительности и исполинскому объему научных открытий, совершенных с помощью станции, – говорит Мейзи. – Это был абсолютно необходимый космический аппарат в нужное время и в нужном месте, чтобы не упустить огромное количество явлений на Сатурне и в его окрестностях.

И Мейзи, и Спилкер утверждают, что работа станции «Кассини» продолжается так долго благодаря всем тем, кто конструировал и строил ее, а также усилиям всех специалистов, которые заботятся о ней. Этот стойкий аппарат испытал очень мало сбоев за весь период своего полета, и, как говорит Мейзи, вдобавок к тому, что «Кассини» отлично умеет диагностировать собственные неисправности, его талантливая инженерная команда прекрасно знает свое дело.

«Кассини» совершает научные открытия одно за другим, и, в частности, поэтому срок окончания проекта все сдвигается.

– Здесь, куда бы вы ни повернулись, вы можете увидеть что-то новое и удивительное, и это поддерживает постоянное воодушевление в команде, – говорит Спилкер.

Около 260 ученых из 17 стран работали над этим проектом, а Спилкер и Мейзи представляют ту часть команды, которая с «Кассини» от начала и до конца. Но все эти годы в проект шел постоянный приток молодых научных и инженерных умов, которые «отбывают свой срок воинской службы у нас, а затем отправляются завоевывать мир куда-нибудь еще», говорит Мэйзи.

– То, что нашу школу прошло целое поколение космических инженеров и ученых, заставляет меня чувствовать гордость и помогает нам не потерять целеустремленность и энергию.

Мало какие виды в Солнечной системе так невыразимо прекрасны, как Сатурн и его кольца. В 2005 году, когда был сделан этот снимок, угол падающих на кольца солнечных лучей создавал для «Кассини», находившегося в определенной точке наблюдения, систему кольцевых теней, отброшенных на северное полушарие планеты. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

График работы «Кассини» всегда плотно забит: каждую неделю случаются встречи с той или иной луной, а в промежутках выполняются маневры.

– Мы никогда не сидим без дела, – говорит Спилкер.

Лунное «яблочко»: похоже, Энцелад и Тефия решили вместе сыграть в огромную космическую мишень и почти идеально выровнялись перед камерой «Кассини», паря над плоскостью сатурнианских колец. Размер «яблочка»-Энцелада составляет 500 км, а Тефии – 1062 км. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Благодаря длительному полету межпланетной станции удалось пронаблюдать, как на Сатурне меняются времена года. «Кассини» провел на его орбите чуть менее полугода, почти два полных климатических сезона. Это позволило с его помощью проследить изменения в различных объектах – в частности, в кольцах – под воздействием разных углов падения солнечного света и температур.

Открытки с Сатурна

Удивительные изображения, которые присылает «Кассини», помогают нам как бы отправиться в совместное с аппаратом путешествие и представить, что это мы сами находимся там и наблюдаем неправдоподобной красоты виды колец, лун, гейзеров и других чудес. И, хотя Сатурн и его окрестности, может быть, и одни из самых фотогеничных пейзажей в Солнечной системе, надо отдать должное и камерам аппарата, и сотрудникам группы обработки изображений.

Набор камер для фотосъемки называется научной подсистемой построения изображений[57]57
  Imaging Science Subsystem, ISS. – Прим. пер.


[Закрыть] и состоит из узкоугольной камеры для съемки отдельных объектов в высоком разрешении и широкоугольной камеры для захвата большего поля обзора при низком разрешении.

Руководитель группы подсистемы построения изображений Кэролайн Порко говорит, что их камеры – это «чудодейственные приборы, потому что они превращают быстропротекающие и ко всему безразличные флюктуации электрических и магнитных полей в могучие эмоции».

Но на некоторых снимках кольца и луны словно бы позируют специально: так что же это за снимки? Просто результат удачных совпадений или заранее хорошо спланированные наблюдения?

– Некоторые из них действительно получились сами собой, а съемки проводились для решения других научных задач, – говорит Роберт Уэст, представитель группы обработки изображений «Кассини» при лаборатории реактивного движения. – Но по большей части, как и научные наблюдения, все снимки в нужных ракурсах планируются заранее.

В основном автор этих фотографий со множеством лун, Сатурном и кольцами – Майк Эванс из Корнелльского университета, который работает совместно с Карлом Мюррэем (Лондон) из нашей группы, – объясняет Уэст. – Некоторые снимки заблаговременно спланировала Кэролайн Порко, желая создать наибольший эффект потрясения.

Откуда же команда заранее знает, что у них будет возможность сделать тот или иной снимок?

– Раз в два месяца мы посылаем на «Кассини» тысячи команд, и планирование, куда именно следует повернуть камеру, начинается примерно за полгода до самой фотосъемки, – говорит Уэст. – Чтобы это можно было сделать, нам надо предусмотреть, где в точности будет находиться наш космический аппарат и где будут находиться сами луны Сатурна. Все это задачи небесной механики, а заключаются они в проведении очень точных измерений с Земли, ранее запущенных аппаратов и с самого «Кассини». Для вычислений используются уравнения законов механики Ньютона, модифицированные с учетом эффектов теории относительности Эйнштейна.

С этими точными вычислениями и прекрасными компьютерными программами группа управления полетом не только может руководить Кассини, но еще и знать заранее, где будет находиться станция и спутники Сатурна с точностью до десяти километров, иногда на несколько лет вперед. Такие расчеты нужны, чтобы получать великолепные фотографии и захватывающие научные результаты. Уэст говорит, что предельно точное определение параметров движения спутников по орбитам также дает информацию о других процессах, например о внутреннем разогреве на Энцеладе.

Кроме того, чем больше «Кассини» проводит времени в окрестностях Сатурна, тем объемнее становятся эти данные.

– Накопив сотни таких фотоснимков, мы можем поместить всю эту информацию в компьютерную обработку и очень точно рассчитать орбиты всех лун, – говорит он.

А это дает возможность делать еще более прекрасные снимки. Посмотрим лишь на несколько открытий и изумительные фотографии, сделанные в ходе полета «Кассини».

«Гюйгенс» на поверхности Титана

– Как сказал один из наших ученых, первым в чем-то вы можете быть лишь однажды, – саркастически усмехается Эрл Мейзи, – и это чудесно, что мне удалось поучаствовать в первой посадке на Титан.

Поверхность Титана: на цветном снимке мы видим область, окружающую точку посадки зонда «Гюйгенс» на Титане. Два похожих на камни предмета ниже середины снимка размером около 15 см (левый) и 4 см (средний) находятся на расстоянии около 85 см от камеры «Гюйгенса». Вероятно, поверхность состоит из смеси водородосодержащих льдов, и на ней есть признаки действия флювиальных (происходящих из-за течения жидкости) процессов. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Европейское космическое агентство / Университет штата Аризона

После удачного возвращения к возможности выполнить задание и исторической посадки на Титан «Гюйгенс» обнаружил, что выглядит эта луна удивительно похоже на Землю, но там действует совсем другая химия. По мере снижения «Гюйгенс» делал четкие снимки поверхности Титана, начиная с высоты 40 км, и демонстрировал живописные картины гор с яркими вершинами, окруженных темными равнинами и каньонами. Кроме того, были явно заметны признаки эрозии рельефа из-за течения жидкости или погодных явлений, похожих на дождь. Но Титан холоден – на нем около –180 °C, так что дождь этот – не из воды, а из жидкого метана. Измерения состава атмосферы подтвердили наличие сложного «супа» из органических веществ, с большой долей метана и различных аэрозолей. Это подкрепляет идею, что Титан может напоминать Землю в самый ранний период ее существования.

Эта мозаика из трех кадров, сделанных установленной на «Гюйгенсе» десантной фотокамерой и спектральным радиометром (DISR), показывает беспрецедентно детальный вид поверхности Титана, где видно гористую возвышенность и русло большой реки, которая питается несколькими притоками. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Европейское космическое агентство / Университет штата Аризона

Специальное аналогичное микрофону устройство записало «звуковой спектр» (хотя это не то же самое, что обычная звукозапись), и анализ данных позволил различить такие звуки, как свист ветра, гроза, выпуск тормозных парашютов «Гюйгенса» и, возможно, шелест метанового дождя.

Фотоснимки с места посадки показали россыпь округлой гальки, которую изначально посчитали руслом ручья. Теперь ученые полагают, что «Гюйгенс» прибыл в местность, похожую на земную пойму речной долины, которая в это время была не затоплена. Коснувшись поверхности Титана в первый раз, «Гюйгенс» подскочил и соскользнул, пробороздив траншею 12 см глубиной, и не ударился, а скорее, шлепнулся в момент посадки. Последующий анализ показал, что поверхность Титана сравнима с грязным, обледенелым снегом, покрытым настом, и, упав, «Гюйгенс» проломил эту корку и частично погрузился в снег.

Передача данных посадочным модулем велась все время по мере его спуска продолжительностью 2 часа и 27 минут и еще 72 минуты с поверхности Титана после посадки, что намного дольше, чем ожидалось.

– Потрясающе, что «Гюйгенс» пережил все невзгоды при посадке и проработал так долго, – говорит Мейзи. – Не было ни единого сбоя, даже в момент удара.

Зонд «Гюйгенс» впервые напрямую сфотографировал истинный вид Титана, показав, что там идут геологические и метеорологические процессы, больше похожие на земные, чем что-либо еще в Солнечной системе.

Активные ледяные гейзеры на спутнике Сатурна Энцеладе

– Одной из самых больших неожиданностей проекта стал Энцелад – маленький спутник с активными гейзерами у южного полюса, – рассказывает Линда Спилкер.

С диаметром всего лишь в 500 км, покрытый ярким льдом Энцелад слишком мал и далек от Солнца, чтобы проявлять какую-либо активность. Но как оказалось, эта маленькая луна – один из самых геологически активных объектов в Солнечной системе.

Завораживающие снимки этого спутника с его ночной стороны показывают фонтаны вещества, которые извергаются из напоминающих тигровые полосы разломов на его поверхности и похожи на гейзеры в Йеллоустоунском национальном парке. Открытие гейзеров приобрело еще бо́льшую важность, когда позже «Кассини» определил: в этих выбросах содержится вода и органические вещества. Поскольку известные нам формы жизни основаны на воде, эта маленькая, но энергичная луна оказалась в коротком списке возможных мест в Солнечной системе, где может существовать жизнь.

Несмотря на то что фотографии фонтанов Энцелада невероятно броские, первым «заметил» кое-что странное при близком пролете Энцелада другой инструмент «Кассини» – магнетометр.

– Обычно, – объясняет Спилкер, – силовые линии магнитного поля Сатурна достигают поверхности безатмосферных тел. Однако во время первых двух сближений с Энцеладом группа магнетометра доложила о том, что сатурнианское магнитное поле «глушится» вблизи Энцелада, как если бы на него действовала атмосфера. Это новое открытие подало нам идею при следующей встрече пролететь намного ближе к спутнику.

Колоссальные фонтаны, большие и маленькие, выбрасывают смесь водяного льда и пара из множества точек вдоль знаменитых «тигровых полос» вблизи южного полюса Энцелада, спутника Сатурна. Тигровые полосы – это четыре ярко выделяющихся разлома в южном полярном регионе около 150 км длиной. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Последующие наблюдения при помощи композитного инфракрасного спектрометра «Кассини» показали, что южный полюс Энцелада гораздо теплее, чем ожидалось, а тепло выделялось вдоль всей длины нескольких 150-километровых разломов ледяной коры и в два раза превышало энергетический выход всех горячих источников в местности Йеллоустоун на Земле.

Ученые «Кассини» насчитали более ста активных гейзеров (иногда называемых криовулканами), а это означает, что в недрах Энцелада должен находиться огромный резервуар жидкой воды. Сейчас ученые полагают, что на Луне размером со штат США Аризона имеется глобальный десятикилометровой глубины водяной океан, превосходящий североамериканское озеро Верхнее.

– То, что океан глобальный, означает, что он существовал давно, может быть, с самого момента формирования Энцелада, и вот «Кассини» обнаружил признаки гидротермальной активности, – говорит Спилкер. – Теперь у нас есть доказательства наличия среды, которая может быть пригодна для жизни, так что мы обязательно когда-нибудь вернемся со специальным аппаратом для исследования Энцелада и поиска ответов на все связанные с возможностью жизни вопросы.

Схема строения спутника Сатурна Энцелад в разрезе: показан глобальный океан жидкой воды, находящийся между скальным ядром и ледяной корой. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

Поскольку о гейзерах никто ничего не знал до того, как «Кассини» прибыл к Сатурну, эта АМС не оснащена подходящим для их исследования оборудованием. Но научная команда выжала все возможное из очень богатого и разнообразного набора инструментов, которые на ней были, раз за разом заставляя «Кассини» сближаться с луной, проходить даже на высоте менее 50 км над утесами Энцелада и пролетать сквозь выбросы ледяных гейзеров. Это позволило бортовым приборам «лизнуть» и «понюхать» частицы, выносимые фонтанами.

– Это открытие действительно сместило фокус наших усилий на протяжении остатка программы, – говорит Мэйзи. – Вместо изначально запланированных трех пролетов Энцелада мы провели в общей сложности двадцать два. Мы смогли наблюдать спутник снова и снова, и в этом достоинство такого продолжительного и продлеваемого проекта, как «Кассини».

Сатурн отбрасывает большую тень на свои кольца на этой выполненной в естественных цветах мозаике снимков, сделанных «Кассини» в 2007 году. Здесь же можно увидеть три спутника: Мимас (диаметр 397 км) в положении на два часа, Янус (размером 181 км) в положении на четыре часа и Пандора (размером 84 км) в положении на восемь часов. Пандора видна как маленькая светлая точка непосредственно снаружи тусклого и тонкого кольца F. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Что является внутренним источником тепла Энцелада? Главный источник пока остается загадкой, но ученые полагают, что силы гравитационного взаимодействия между Энцеладом, Сатурном и еще одним спутником, Дионой, заставляют сжиматься и вытягиваться недры Энцелада. Эти приливные силы производят движения, порождающие внутри маленькой луны трение, а значит, и тепло.

Выброс льда и частиц из глубин Энцелада настолько велик по объему, что в результате вокруг Сатурна возникло дополнительное кольцо.

– Энцелад создал внешнее кольцо E главной системы колец Сатурна – самое широкое и наиболее удаленное от планеты, – говорит Спилкер. – Это просто замечательное открытие, особенно для ученого моего профиля, который отчаянно интересуется происхождением планетарных колец. Не так-то в Солнечной системе много активных объектов, и доказанная способность одного из них создавать планетарное кольцо очень наглядна.