Текст книги "Непридуманные космические истории"

Другие открытия

 Кремнезем. Марсоход совершил абсолютно непредвиденное открытие камней с высоким содержанием кремнезема на подступах к горе Шарпа.

– Это значит, что остальные химические соединения были удалены из этих камней или каким-то образом замещены, в них добавился дополнительный кремнезем, – комментирует Васавада, – и оба этих варианта очень интересны, к тому же раньше мы не наблюдали подобных минералов. Это настолько многогранное и любопытное открытие, что нам понадобится время, чтобы понять причины такой метаморфозы.

 Метан. Как правило, присутствие метана – это признак наличия органической материи – или даже потенциально жизни. На Земле около 90 % атмосферного метана является продуктом разложения органических остатков. На Марсе метан обнаруживался в ходе работы других межпланетных аппаратов и путем многолетних наблюдений с помощью телескопов, но данные о его наличии были неубедительными – показания его концентрации разнились, порой сходили на ноль, и их было очень сложно подтвердить. В 2014 году настраиваемый лазерный спектрометр в составе бортовой химической лаборатории Curiosity SAM зарегистрировал десятикратное повышение концентрации метана на протяжении двух месяцев и более. Что вызвало этот кратковременный и резкий всплеск? Curiosity продолжает наблюдения за уровнем метана в марсианской атмосфере и, как можно надеяться, сумеет положить конец длящимся десятилетия научным дебатам по этому вопросу.

 Представляющая опасность для человека радиация. И во время своего полета к Марсу, и находясь на его поверхности, ровер измерял уровень излучения высокоэнергичных частиц, приходящих от Солнца и из глубин космоса, – такая радиация представляет угрозу для будущих астронавтов. NASA использует данные бортового детектора радиации RAD для того, чтобы планировать безопасные для людей-исследователей условия будущих пилотируемых полетов на Марс.

Как управлять марсоходом

Откуда Curiosity знает, куда и как ехать по рельефу Марса? Возможно, вы рисуете в своем воображении инженеров лаборатории реактивного движения, сидящих с джойстиками наподобие тех, с помощью которых контролируют движения моделей на радиоуправлении или персонажей в видеоиграх. Но в отличие от тех, кто пилотирует радиоуправляемую модель или играет в компьютерную игру, водители марсианского планетохода не могут напрямую и сразу же наблюдать на видеоэкране, куда он едет. И точно так же, как во время посадки, всегда есть та или иная задержка по времени между посылом роверу команды и приемом ее на борту.

– Это не похоже на управление в реальном времени, потому что имеется задержка прохождения сигнала, – объясняет Джон Майкл Морукян, возглавляющий команду специалистов – «водителей» ровера.

По-настоящему должность Морукяна и членов его группы называется планировщик движения, что и является описанием сути того, что они делают. Вместо того чтобы заниматься вождением ровера как таковым, они заранее планируют его маршрут, потом вносят план в специальную программу, которая затем отправляет сформированный набор инструкций Curiosuty.

– Мы используем фотоснимки окружающей обстановки, которые присылает нам марсоход, – говорит Морукян. – У нас имеется набор стереоснимков с четырех черно-белых навигационных камер, фотографии с камер предотвращения столкновений с препятствиями (Hazcam), и все это дополняется цветными снимками высокого разрешения с камеры Mastcam, которые раскрывают для нас подробности строения грунта впереди по курсу и дают основания предполагать, камни и минеральные отложения какого типа мы можем найти в той или иной точке. Это помогает нам отыскивать структуры, которые выглядят интересно для ученых.

Используя все доступные данные, планировщики движения создают трехмерную визуализацию рельефа местности при помощи специальной компьютерной программы под названием «Программа создания последовательностей и визуализации маршрута ровера»[28]28
  Rover Sequencing and Visualization Program, RSVP. – Прим. пер.


[Закрыть].

– По сути, это симулятор Марса, в котором мы помещаем виртуальную модель Curiosity в панорамную сцену, чтобы наглядно увидеть, как ровер может преодолеть свой маршрут, – разъясняет Морукян. – Еще мы можем надеть стереоочки, которые позволяют нашему зрению воспринимать сцену в трех измерениях, как если бы мы находились там, рядом с нашим марсоходом.

В виртуальной реальности «водители» марсохода могут манипулировать сценой и ровером, чтобы проверить все возможные варианты путей, выбирая лучшие и отсекая те, которых следует избегать. Здесь они имеют право совершать любые ошибки (увязнуть в дюнных песках, опрокинуть ровер, врезаться в большой камень, свалиться с обрыва) и таким образом выработать идеальную последовательность точек маршрута, а настоящий ровер при этом остается на Марсе в безопасности.

– Ученые тоже просматривают фотоснимки в поисках интересных для исследования особенностей и консультируются с планировщиками движения ровера, чтобы совместно проложить наилучший путь. Потом мы составляем подробные команды, которые необходимы, чтобы Curiosity проследовал из пункта А в пункт Б по заданному пути, – объясняет Морукян. – Мы можем добавить инструкции, необходимые роверу, чтобы воспользоваться рукой-манипулятором и выполнить определенные действия на нужных участках.

А каждую ночь марсоходу отдается команда отключиться на восемь часов, чтобы подзарядить свои электрические аккумуляторы от ядерного источника энергии. Но сперва Curiosity отправляет на Землю собранные данные, в том числе – снимки местности и накопленные научные сведения. На Земле планировщики движения принимают эти данные, учитывают их при обновлении программы создания последовательностей и пересылают сформированные инструкции обратно на Марс. Потом Curiosity «просыпается», загружает новые инструкции и приступает к работе. И далее весь цикл повторяется.

Кроме того, Curiosity оснащен системой автоматической навигации, которая позволяет марсоходу пересекать области, еще не зафиксированные на снимках. Поэтому он может перевалить через вершину холма и спуститься по другой стороне, следуя по не нанесенной на карту территории самостоятельно, а система автоматической навигации будет помогать ему избегать потенциальных опасностей.

На этом селфи марсоход Curiosity показан на участке под названием «Большое небо», где он пробурил глыбу песчаника (виднеется в левом нижнем углу). Фотография является комбинацией снимков микрокамеры на манипуляторе (MAHLI), сделанных на 1126-м соле (6 октября 2015 года). Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Malin Space Science Systems

– Мы не слишком часто пользуемся автоматической системой, потому что она требует большого количества вычислений, а это отнимает много времени, – рассказывает Морукян. – Часто оказывается гораздо выгоднее просто подождать до завтра, посмотреть полученные изображения и ехать до того места, которое мы можем видеть.

Показывая мне различные помещения, которые использовали группы планировщиков движения в лаборатории реактивного движения, Морукян объяснил, как им приходится действовать, имея дело с различными сроками.

– Мы должны распланировать не только маршрут движения на каждый день, – говорит он, – но также провести долгосрочное стратегическое планирование, используя орбитальные фотографии, сделанные камерой высокого разрешения HiRISE на Mars Reconnaissance Orbiter, и выбирать маршруты, основанные на характерных особенностях местности, заметных с орбиты. Наши команды вырабатывали стратегию, определяя наилучшие пути движения аппарата на много месяцев вперед.

Еще один процесс назвали «сверхтактическим» прогнозом на несколько следующих недель. Он включает согласование научных планов и уточнение видов деятельности, которой роверу предстоит заниматься в ближайшее время. И поскольку никто из команды больше не живет по марсианским часам, по пятницам планировщики разрабатывают задания на несколько дней.

– Поскольку по выходным мы не работаем, в пятницу приходится планировать деятельность на несколько солов вперед, – рассказывает Морукян. – Две работающие параллельно команды решают, в какие дни ровер будет двигаться, а в какие – заниматься другой деятельностью, например работать с роботизированным манипулятором или другими инструментами.

Тем не менее данные, которые поступают с марсохода в выходные, отслеживаются. Если возникает проблема, то вызывают членов команды, чтобы они рассмотрели ситуацию более детально. Морукян отметил, что несколько раз им приходилось по выходным собирать группу для экстренной работы, но пока что серьезных проблем не было. «Хотя ровер и держит нас в постоянном напряжении», – признал Джон.

Среди характерных особенностей марсохода – способность проводить определенные проверки на безопасность, такие как отслеживание общего наклона платформы аппарата и соединения системы подвеса колес. Благодаря этому, если ровер наедет на слишком большой предмет, он тут же останавливается.

Навигационные камеры Curiosity каждый день делают черно-белые фотографии и отсылают их на Землю, а группы планировщиков совмещают их с другой информацией с марсохода, чтобы создать объемные модели территории. Добавив в них трехмерную модель аппарата, они могут лучше понять его положение, а также масштаб характерных особенностей ландшафта и расстояние до них. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

Curiosity построили не ради достижения большой скорости. Аппарат был спроектирован для того, чтобы проезжать до 200 м в день, но ему редко удается одолеть такое расстояние за один сол. К середине 2016 года ровер прошел по поверхности Марса всего лишь около 13,2 км.

На этой фотографии мы видим изображение крупным планом следов, оставленных марсоходом Curiosity. Заметные на этом снимке отверстия в колесах ровера оставляют отпечатки, которые можно использовать для более точного управления аппаратом. Эти отпечатки являются написанными азбукой Морзе буквами сокращения JPL – «лаборатория реактивного движения» и помогают отслеживать, как далеко проехал марсоход. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

Есть несколько способов определить, насколько далеко проехал Curiosity, но самые точные измерения позволяет провести метод, который называется визуальной одометрией. В колесах ровера есть специальные отверстия в форме символов азбуки Морзе, которые выводят на марсианской почве первые буквы слов «лаборатория реактивного движения» – дань уважения месту, ставшему домом для марсоходов и всех инженерных коллективов, работающих с ними.

– Для проведения визуальной одометрии сравнивают два самых последних стереоизображения из тех, которые получают примерно через каждые несколько метров продвижения, – рассказывает Морукян. – Отдельные характерные черты пейзажа сравниваются и отслеживаются, чтобы измерить, как камера (а вместе с ней и ровер) передвигается и поворачивается в трехмерном пространстве за время между двумя фотографиями. Это дает нам очень реалистичное ощущение того, как далеко прошел Curiosity.

С помощью тщательного изучения следов ровера можно определить тип сцепления колес с поверхностью, и, если они, например, скользят, это говорит о большом наклоне или песчаной почве.

К сожалению, теперь в колесах Curiosity появились новые отверстия, которых там вовсе не должно быть.

Проблемы роверов

И Морукян, и Васавада говорили о своем огромном облегчении и удовлетворении от того, что у Curiosity в целом не было серьезных неполадок – по крайней мере до сих пор. Практически вся научная программа сейчас выполняется почти в полном объеме. Но сотрудники команды инженеров держат на контроле несколько проблем.

– Примерно в 400-й сол мы поняли, что колеса изнашиваются быстрее, чем мы ожидали, – рассказывал Васавада.

И этот износ представлял собой не просто маленькие дырочки. Команда начала замечать проколы и выглядевшие угрожающе дыры. Инженеры поняли, что они возникают из-за езды по твердым, зазубренным камням, целое поле которых ровер преодолевал в тот момент.

– Мы не могли однозначно предсказать, какие именно острые камни могут нанести роверу ущерб, – говорит Васавада. – Мы провели испытания и увидели, что одно колесо может толкать другое на камень, делая повреждения еще более значительными. Теперь мы управляем марсоходом куда более осторожно, не так, как раньше. Мы вполне способны свести вред к куда более приемлемому уровню.

Чтобы проверять состояние колес, через определенные промежутки времени команда, управляющая марсоходом Curiosity, использует камеру для микрофотосъемки (MAHLI), находящуюся на роботизированной «руке». Эта фотография левого среднего и левого заднего колес ровера была сделана в ходе проверки, проходившей 18 апреля 2016 года во время 1315-го сола от начала работы Curiosity на Марсе. На снимке можно заметить отверстия в колесах. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Malin Space Science Systems

Ранее во время миссии компьютер Curiosity несколько раз уходил в безопасный режим, что означает: если программное обеспечение ровера обнаруживает проблему, его деятельность прекращается и следует «звонок домой».

Специальное программное обеспечение, защищающее от сбоев, присутствует на всех модулях и инструментах, и, когда возникает проблема, ровер останавливается и посылает на Землю информацию о событии. Эта информация может иметь различные категории срочности. В начале 2015 года ровер прислал сообщение, в сущности, говорившее о том, что «все очень и очень плохо». В буре на роботизированной «руке» произошло нечто вроде короткого замыкания.

– Программное обеспечение Curiosity может обнаруживать короткие замыкания примерно как обычный земной прерыватель короткого замыкания, стоящий у вас в ванной комнате, – объяснил Морукян. – Только вместо того, чтобы зажечь желтую лампочку, оно сообщает вам: «Все очень и очень плохо».

Поскольку инженеры не могут отправиться на Марс и все починить, ремонт приходится производить, либо посылая на ровер обновления программного обеспечения, либо изменяя порядок выполнения процедур.

Бур Curiosity, расположенный на турели в конце роботизированной «руки» вместе с другими инструментами, пришел в соприкосновение с каменистой поверхностью. Это первое бурение в экспедиции состоялось на 170-й сол от начала работы Curiosity на Марсе (27 января 2013 года) в Йеллоунайф-бей. Фотография была сделана камерой предотвращения столкновений с препятствиями (Hazcam). Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

– Теперь мы просто используем бур более осторожно, – говорит Васавада, – и не сверлим сразу со всей мощностью, а наращиваем ее постепенно. Произошло примерно то же самое, что и с управлением марсоходом: мы делаем все деликатнее, но тем не менее добиваемся поставленной цели. Невосполнимого вреда пока что не было.

Более осторожное обращение с буром также необходимо, когда ровер наталкивается на более мягкие сланцы или песчаники. Морукян рассказал, что инженеры беспокоились, годится ли стандартный протокол бурения для слоистых пород. Поэтому они изменили методику так, чтобы использовать самые низкие параметры, которые только позволяют буру проходить сквозь камень.

Но, когда Curiosity начал свое путешествие в гору, появилось больше возможностей воспользоваться буром. Ровер сейчас двигается по местности, которую Васавада называет «богатой целями и очень интересной территорией», а команда ученых работает, чтобы связать общим геологическим контекстом все, что они видят на фотографиях.

Найти равновесие на Марсе

Хотя крюк через Йеллоунайф-бей позволил научной команде сделать несколько важных открытий, ученым все сильнее хотелось отправиться на гору Шарпа, поэтому, как сказал Васавада, они «целый год чертовски торопились».

Теперь, когда марсоход уже находится на горе, требуется другое – выполнить основную цель экспедиции, пройти по крайней мере через четыре разных вида каменистых образований – или слоев – на горе Шарпа. Каждый из этих слоев может стать целой главой в книге по истории Марса.

– Исследовать гору Шарпа очень увлекательно, – рассказывает Васавада, – и мы пытаемся найти равновесие между по-настоящему великими открытиями, которые – хотя мне неприятно об этом говорить – замедляют нас, и продвижением выше в гору. Если вы будете внимательно разглядывать каждый камень перед вами, это может означать, что вы никогда не сможете пройти дальше и посмотреть на другие, не менее интересные камни.

И Васавада, и Морукян говорят о том, что соблюдать это равновесие в ежедневной работе – задача непростая. Нужно найти то, что обычно называют «золотой серединой», в выборе оптимального решения между продвижением ровера вперед и остановками в научных целях.

А еще требуется найти равновесие между остановками для наблюдения с использованием всех инструментов и менее полными наблюдениями по пути.

– Мы проводим все наблюдения, которые можем, и выдвигаем все гипотезы в реальном времени, – говорит Васавада. – Даже если у нас остается сто вопросов, на которые нет ответов, мы знаем, что сможем найти эти ответы позже, когда наберем достаточное количество информации.

Основной целью Curiosity является не покорение горы Шарпа, но исследование территории на высоте примерно 400 м, где геологи ожидают найти границу между камнями, которые когда-то испытывали на себе воздействие большого количества воды, и теми, что с водой не знакомы. Это разделение позволит узнать, как Марс превратился из влажной планеты в сухую, и заполнить пробелы в понимании истории планеты.

Здесь возникает такое впечатление, что своим селфи Curiosity сознательно портит фотографию горы Шарпа. Это панорама, созданная из нескольких кадров, сделанных камерой MAHLI. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института

Но на деле никто не знает, как долго продержится Curiosity и сумеет ли он удивить нас так же, как его предшественники: Spirit и Opportunity. Ровер уже отработал на Марсе срок своей основной экспедиции – один марсианский год (или два земных), и теперь, после увеличения продолжительности похода, многое стало зависеть от характеристик источника питания – радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГа). Хотя доступная мощность постепенно понижается, ни Васавада, ни Морукян не ожидают каких-либо проблем, по крайней мере, в следующие четыре земных года, а при правильном «уходе» энергии может хватить лет на двенадцать и даже на более долгий срок.

Но ученые знают, что невозможно предсказать, как долго проработает Curiosity и какая неожиданность может положить конец экспедиции.

Зверь

Есть ли у Curiosity личность, как у роверов, которые побывали на Марсе до него?

– Нет, кажется, мы не склонны придавать этому марсоходу человеческие черты, как это было со Spirit и Opportunity, – сказал Васавада. – Эмоционально мы к нему не привязаны. На самом деле, социологи уже занимались изучением этого феномена.

Он качает головой, весело улыбаясь.

Васавада намекнул, что это может быть как-то связано с размерами Curiosity.

– Я думаю об этом ровере как о гигантском звере, – говорит он с самым серьезным видом. – Но этот зверь вовсе не злой.

По словам Васавады, самой характерной чертой этой экспедиции является ее сложность во всех отношениях: к ней привлечены 500 человек, которые работают и взаимодействуют с друг другом, при этом необходимо найти оптимальное соотношение их способностей, каждый день заботиться о безопасности и «здоровье» ровера и использовать десяток инструментов, иногда для выполнения никак не связанных друг с другом научных задач.

– Каждый день мы переживаем наши собственные «семь минут ужаса», когда так много разных вещей должны слаженно работать так, как надо, – говорит Васавада. – Существует миллион потенциальных проблем и взаимосвязей, и приходится постоянно думать о том, как все может пойти не так, потому что есть миллион способов наделать ошибок. Это очень затейливый танец, но, к счастью, у нас великолепная команда.

Потом он добавляет с улыбкой:

– Эта экспедиция просто потрясающая, хотя нам и приходится иметь дело со зверем.

Глава 3
Изменить все: знаменитый космический телескоп «Хаббл»

Созерцание звезд

Как ребенок, который привстает на цыпочки, чтобы видеть дальше, астрономы всегда тянулись ввысь и карабкались вверх, поднимая свои телескопы все выше и выше: на крыши домов, вершины холмов, а позднее – и на вершины гор, – чтобы лучше видеть небеса. Астрономы старались изо всех сил, но, куда бы на Земле они ни отправились, им не удавалось полностью избавиться от эффектов, которые создает великолепная, пышная атмосфера нашей планеты. Тогда как большинство из нас радуется тем ее качествам, что дают нам жизнь, для любого, кто заглядывает в окуляр телескопа, толстое одеяло, в которое укутана наша планета, оказывается проклятием.

Неоднородности воздуха могут искривлять свет звезд и направлять его случайным образом, создавая то, что называют атмосферным искажением. Именно оно заставляет звезды мерцать, что, конечно, нравится людям, но такое мерцание мешает ясно видеть звезды и другие астрономические объекты. Разработаны различные методы преодоления этих атмосферных эффектов, но тем не менее облачность и дожди самым очевидным образом препятствуют работе телескопа. Атмосфера частично блокирует или поглощает свет с определенной длиной волн, который астрономы считают чрезвычайно интересным, – например, ультрафиолетовое излучение, гамма-лучи и рентгеновские лучи. Тем не менее подобное излучение может оказаться губительным для людей, так что еще раз скажем спасибо нашей атмосфере.

На этой фотографии, сделанной после второй экспедиции обслуживания в 1997 году, космический телескоп «Хаббл» парит на границе Земли и космоса. Его орбита имеет высоту в 552 км над поверхностью Земли. На такой высоте телескоп не подвержен влиянию атмосферы и четко «видит» объекты в космосе. Источник: NASA

Уже на заре космической эры астрономы поняли, что все связанные с атмосферой проблемы можно решить, поместив телескоп на самую высокую вершину мира, где вовсе никакой атмосферы нет, – в космос.

– Полагаю, все понимали, что космический телескоп «Хаббл» на самом деле совершит революцию в астрономии, – сказал Гельмут Йенкнер, временно исполняющий обязанности руководителя отдела исследований с помощью космического телескопа «Хаббл» в научном институте космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд. – Но я не думаю, что кто-то ожидал, что он будет оставаться такой полезной обсерваторией мирового класса спустя четверть века после запуска.

«Хаббл», как для краткости называют телескоп, выведенный на орбиту Земли в 1990 году, не был первым космическим телескопом, но многие воспринимают его как лучший из них и, несомненно, самый известный. Попросите людей назвать какой-нибудь телескоп, и, скорее всего, они скажут: «Хаббл». Зайдите в школьный класс, и вы, по всей вероятности, увидите на стене фотографию, выполненную при помощи «Хаббла». Назовите любую астрономическую проблему, и окажется, что «Хаббл» наверняка изучал ее, а возможно, и решил. Самый известный космический телескоп стал одним из самых известных космических проектов – и с точки зрения научных достижений, и по своему воздействию на общественность.

Одна из самых узнаваемых фотографий, сделанных космическим телескопом «Хаббл», – это «Столпы творения», где мы видим газовые образования в туманности Орла. Эти жутковатые образования, напоминающие колонны, на самом деле являются скоплениями холодного межзвездного водорода и пыли, в которых зарождаются новые звезды. Туманность Орла находится примерно в 6500 световых лет от Земли, и самая высокая «колонна» тянется приблизительно на четыре световых года от основания до конца. Фотография была сделана 1 апреля 1995 года широкоугольной и планетарной камерой № 2 (WFPC-2) на борту «Хаббла». Источник: NASA / ESA (Европейское космическое агентство) / Научный институт космического телескопа / Дж. Хестер и П. Скоуэн (Университет Аризоны)

Но в истории «Хаббла» были моменты, когда казалось, что десятилетия усилий и миллиарды долларов налогоплательщиков могут пойти прахом. На определенном этапе этот телескоп считали потерянным.

История «Хаббла» – это история исправления ошибок и преодоления препятствий: эти усилия дали возможность увидеть потрясающие космические картины и пролить свет на самые необычайные тайны Вселенной.

– Этот проект похож на американские горки, со всеми взлетами и падениями, – сказал Кен Сембах, директор научного института космического телескопа, дома для 650 астрономов, технического и административного персонала, которые работают с «Хабблом» и выполняют другие операции. – Но, кажется, «Хаббл» находит способ преодолевать любые трудности, и мне нравится говорить, что, когда все вроде бы идет очень плохо, унывать не стоит, потому что все обязательно наладится.

Как сказал Сембах, проект «Хаббл», возможно, давным-давно бы отменили, закрыли и оставили бы телескоп умирать на орбите, если бы все пошло так, как планировалось вначале.