Автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1»

Тысячи лет звезды манят человека своим светом. Но пройдет еще Бог знает сколько времени, пока земляне смогут увидеть их вблизи. Лишь создание принципиально новых космических кораблей, движущихся со скоростями, сопоставимыми со скоростью света, может сделать межзвездные путешествия реальными. А пока… Пока еще ни одному земному аппарату не удалось покинуть Солнечную систему. Ближе всего к этому находится зонд «Вояджер-1». Периодически мировую прессу будоражат «смелые» заявления о том, что он уже вышел в межзвездное пространство. Так было, например, в конце марта 2013 года. Правда, сенсация просуществовала всего несколько часов, и «Вояджер-1» вновь «возвратился» в Солнечную систему. Но когда-нибудь этот космический аппарат все-таки вырвется на галактические просторы. И вот тогда…

Запуск автоматической межпланетной станции «Вояджер-1» состоялся 5 сентября 1977 года. В рамках программы полетов к внешним планетам по времени это был второй старт (зонд «Вояджер-2» отправился в путь на полмесяца раньше), но станция получила первый порядковый номер, так как шла по более «быстрой траектории» и должна была обогнать своего брата-близнеца. Это и произошло довольно скоро, в декабре того же года, когда аппарат находился на удалении от Земли в 125 миллионов километров.

Главной задачей «Вояджера-1» являлись исследования Юпитера и Сатурна. С помощью бортовой аппаратуры планировалось изучить общий состав атмосфер газовых гигантов, «Большое красное пятно» Юпитера, кольца Сатурна, самые большие спутники обеих планет и многое другое.

Масса станции составляла 798 килограммов, из них 86 весили научные приборы. На «Вояджер-1» (так же как и на «Вояджер-2») была установлена медная граммофонная пластинка в комплекте с вращающимся диском, звукоснимателем и наглядной инструкцией по проигрыванию. На пластинке записаны «звуки Земли», которые должны дать представление о нашей планете представителям внеземной цивилизации, если к ним попадут станции. Продолжительность звучания пластинки 110 минут. На ней есть обращения тогдашних Генерального секретаря ООН Курта Вальдхайма и Президента США Джимми Картера, приветствия на 60 языках, включая мертвые, азбука Морзе, музыкальные отрывки, крик ребенка, звуки прибоя, дождя, извержения вулкана и так далее. Пластинка несет также видеозапись 115 изображений.

Срок миссии был определен первоначально в пять лет. После этого предполагалось поддерживать связь со станцией столько, сколько будет возможно. Тридцать пять лет назад никто даже не подозревал, что «Вояджер-1» продержится так долго и улетит так далеко. В 1978 году он успешно преодолел пояс астероидов, а 5 марта 1979-го выполнил первую из своих основных задач — пролетел около Юпитера. Минимальное расстояние до газового гиганта составило 280 тысяч километров.

Сначала зонд прошел почти над самым экватором Юпитера, несколько южнее его, а затем около его спутников — Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто. Это те самые спутники, которые четыре сотни лет назад открыл итальянский астроном Галилео Галилей и которые с тех пор носят название «галилеевых спутников». Кстати, чтобы взглянуть на эти небесные тела, не обязательно отправляться в многолетнюю космическую экспедицию. Достаточно взять театральный бинокль — и четверка галилейцев предстанет перед вами во всей своей красе.

Но основное внимание во время рандеву «Вояджера-1» и Юпитера было уделено, конечно, самой гигантской планете. Слишком много вопросов накопилось у ученых за сотни лет предыдущих наблюдений. И на некоторые они надеялись получить ответы. Или хотя бы приблизиться к этому, если собранной информации окажется недостаточно, чтобы во всем разобраться.

При исследовании атмосферы Юпитера особое внимание уделялось «Красному пятну». Это явление наблюдалось очень давно, и специалистам хотелось понять природу этого уникального и завораживающего по своей красоте образования в атмосфере крупнейшей планеты Солнечной системы. Еще до того, как первые космические аппараты приблизились к Юпитеру, большинство ученых были склонны считать «Большое красное пятно» и его собратьев гигантскими ураганами, бушующими в ином мире. Исследования с «короткой дистанции» подтвердили эти предположения.

Во время пролета «Вояджера-1» протяженность «Красного пятна» с востока на запад составляла 21 тысячу километров (в свое время, по данным наземных наблюдений, эта величина достигала 32 тысяч километров), а с севера на юг — 11 тысяч километров. Положение пятна по широте практически не изменялось, но по долготе оно смещается. Во внешних областях пятна происходит циркуляция в направлении против часовой стрелки. Во внутренней области подобной циркуляции не наблюдается.

«Вояджер-1» зарегистрировал завихрения вокруг «Красного пятна», простирающиеся вплоть до его краев. Однако прошедший спустя несколько месяцев мимо Юпитера «Вояджер-2» этих завихрений не обнаружил, что свидетельствует о временном их характере. На снимках, полученных «Вояджером-1», прослеживаются белые пятна, движущиеся в восточном направлении вдоль «Красного пятна». Эти пятна часто захватываются потоками, движущимися в западном направлении, и под их влиянием примерно за шесть суток огибают «Красное пятно».

При пролете станции велись наблюдения и трех меньших по размеру овальных белых пятен в южном полушарии Юпитера. Хотя белые пятна появились приблизительно в 1940 году, считают, что они образуют своего рода единую систему с «Красным пятном», наблюдаемым уже в течение нескольких веков. По мнению некоторых специалистов, сходство «Красного пятна» и овальных белых пятен — одно из главных открытий, сделанных с помощью «Вояджеров».

Измерения, проведенные с применением инфракрасного спектрометра-радиометра, подтвердили, что атмосфера Юпитера состоит в основном из водорода и гелия с очень небольшим содержанием аммиака, метана, этилена, ацетилена, этана, паров воды и некоторых других химических элементов.

Телевизионная камера «Вояджер-1» зарегистрировала молнии на ночной стороне Юпитера, а также полярные сияния. Почти как в земной атмосфере. Правда, гораздо мощнее. Что и не удивительно — Юпитер во много раз больше нашей планеты. Ну и все проявления стихии там, естественно, во много раз масштабнее.

Станция «Вояджер-1» открыла кольца Юпитера. Правда, возможности аппаратуры станции позволили говорить только об одном открытом кольце. Его толщину определили менее чем в 30 километров, ширину — 6500–8700 километров, внешний край — на расстоянии около 57 тысяч километров от видимой верхней границы облачного покрова Юпитера, то есть внутри орбиты Амальтеи, ближайшего к планете из наблюдаемых спутников Юпитера.

Исследования, проведенные спустя много лет с помощью межпланетного зонда «Галилео», смогли выявить многие подробности этого открытия. Например, удалось изучить их структуру. Всего было выявлено три кольца.

Госсамер, самое большое из колец, фактически состоит из двух, примыкающих одно к другому. Некоторые участки одновременно являются частью обоих колец. Оно простирается на расстояние до 221 тысячи километров от центра планеты.

Мэн — самое яркое кольцо на расстоянии до 128 940 километров от Юпитера. Хало — до 122 500 километров.

На фотографиях, переданных с «Галилео» на Землю, кольцо Хало напоминает нимб, окружающий Юпитер. Все кольца очень разрежены и состоят из мельчайших камней, часто микроскопического размера. Средняя плотность колец — один объект на 25 кубометров. По мнению ученых, кольца возникли в результате столкновения спутников Юпитера с астероидами. Выбитый с поверхности спутников грунт под действием поля тяготения Юпитера был распылен по орбите вокруг планеты и образовал кольца.

С помощью телекамер удалось получить первый снимок Амальтеи (на снимках с Земли этот спутник виден как святящаяся точка). Сделанный с расстояния 410 000 километров, он показал, что спутник имеет красноватый цвет и форму эллипсоида: большая ось 200–220 километров, малая — 130 километров. На поверхности спутника различимы кратеры ударного происхождения.

Самым поразительным открытием «Вояджера-1» следует считать действующие вулканы на поверхности юпитерианского спутника Ио. Это небесное тело стало вторым (помимо Земли) в Солнечной системе, где можно было наблюдать это явление.

«Вояджер-1» обнаружил на Ио восемь действующих вулканов. Сегодня их известно больше сотни, в чем заслуга уже упоминавшегося «Галилео». Наличие вулканов объясняет отсутствие на Ио видимых ударных кратеров: продукты вулканической деятельности заполняют и скрывают их.

Были проведены наблюдения и других спутников Юпитера, что позволило получить новые данные о них. Оказалось, что Европа имеет беловато-светло-коричневый цвет, причем различимы более светлые области (вероятно, отложения льда) и более темные (видимо, скальные породы). Наиболее интересные элементы поверхности Европы — пересекающиеся линейные образования длиной до 2500 километров, шириной до 50 километров и глубиной не более нескольких сот метров. Эти образования дали повод горячим головам предположить наличие на Европе техногенной цивилизации. Но правильнее считать все это трещинами или разломами, связанными с приливными явлениями на поверхности спутника.

Когда удаляющаяся от Юпитера станция пересекла границу между магнитосферой планеты и солнечным ветром (на расстоянии около 5 миллионов километров от планеты), детектор заряженных частиц низкой энергии обнаружил плазменную оболочку, частицы в которой имеют температуру 350–400 миллионов градусов по Цельсию, что на два порядка выше температуры Солнечной короны. При таких температурах не может ничего существовать — ни живого, ни мертвого. Такую энергию частицы, очевидно, получают вследствие взаимодействия быстро вращающегося магнитного поля планеты с солнечным ветром, и, по-видимому, подобная оболочка характерна для всей магнитосферы Юпитера. К счастью, она оказалась столь разреженной, что «Вояджер-1» при проходе через нее не подвергался никаким повреждениям. Он ее «просто не заметил». Возможно, эта плазма — самое горячее образование в Солнечной системе. Во всяком случае, пока ничего «горячее» не найдено.

За счет тяготения Юпитера «Вояджер-1» несколько изменил направление своего движения и перешел на траекторию полета к Сатурну. Окольцованного гиганта аппарат достиг 12 ноября 1980 года. Минимальное расстояние от планеты во время рандеву составило 124 тысячи километров. Были проведены исследования околопланетного пространства, колец Сатурна, самой планеты и некоторых ее спутников.

Уже первые снимки колец, переданные межпланетным зондом, позволили увидеть много интересного. В частности, ученые обнаружили, что кольцо В имеет «спицы» — радиальные темные образования, пересекающие некоторые участки кольца, и очень похоже на колесо от телеги. Правда, таким оно казалось не всегда. Бывали моменты, когда «спицы» исчезали.

Ученые предположили, что такое непостоянство связано с большой скоростью вращения «спиц» вокруг планеты. Косвенно эту гипотезу подтвердили наблюдения, сделанные с «Вояджера-2», пролетевшего мимо Сатурна на несколько месяцев позже, так как он «спиц» не обнаружил. Хотя, может быть, это были просто фотографии с изъяном.

Снимки показали, что каждое из наблюдавшихся ранее колец Сатурна состоит из большого числа (500–1000) узких колец. Несколько таких было обнаружено и в «щели Кассини», которую ранее считали пространством, относительно свободным от вещества.

Съемка при рассеивании света вперед показала, что частицы в кольцах имеют размеры от нескольких микронов до нескольких метров. На основании характера прохождения радиосигналов станции через кольцо С был сделан вывод, что размер частиц в нем составляет от 10 сантиметров до 10 метров, причем на каждую частицу размером около 10 метров приходится примерно 1000 частиц размером около 1 метра и примерно миллион мелких частиц. Мелкие частицы, по-видимому, состоят из льда, а более крупные — из снега со льдом. Однако данные радиозондирования показали, что средний размер частиц в кольце С около 1 метра, а некоторые достигают 10 метров. Частицы являются кусками льда или силикатами с ледяным покрытием.

Кольцо С — наименее яркое из трех «классических»(А, В и С). По-видимому, там вещество более рассредоточено. Самое яркое — кольцо В, где должна быть наибольшая плотность вещества. Кольцо F, судя по снимкам, может иметь несколько эллиптическую форму — некоторые его участки расположены ближе к планете, чем другие. Это кольцо, вероятно, образовано двумя, а возможно, и тремя свободно переплетенными «прядями».

Вокруг кольца F обнаружены сгустки вещества. Один из них был настолько плотным, что его первоначально приняли за спутник. Последующий анализ показал, что это — область концентрации вещества, имеющая характерный размер 100–200 километров.

Обнаружено и еще одно кольцо, которому было присвоено обозначение G. Орбитальный радиус его — около 150 тысяч километров.

Весьма интересными оказались снимки атмосферы Сатурна, сделанные «Вояджером-1». Были обнаружены пятна, как в атмосфере Юпитера. Самое большое достигало протяженности 11 тысяч километров. А пятен размером 2–3 тысячи километров ученые насчитали несколько сот.

Несмотря на некоторую внешнюю схожесть, атмосферы Юпитера и Сатурна оказались очень различны. Например, на Юпитере наибольшие скорости ветра зарегистрированы вдоль границ полос, а на Сатурне — вдоль их центральной части, в то время как на границах полос и зон ветер практически отсутствует. В поясах и зонах атмосферы Юпитера чередуются западные и восточные потоки, которые разделяются областями сдвига. А на Сатурне обнаружен западный поток в очень широкой полосе от 40-го градуса северной до 40-го градуса южной широты. Максимальные скорости ветра в этом потоке зарегистрированы на экваторе планеты, где они достигают 400 метров в секунду, то есть в четыре раза больше, чем на Юпитере.

При пролете около Сатурна станция «Вояджер-1» обнаружила явления, которые, по-видимому, представляют собой интенсивные всплески радиоизлучения в районе планеты. Всплески происходили во всем регистрируемом частотном диапазоне и, возможно, исходят от колец планеты. Согласно другим предположениям, всплески могли быть порождены молниями в атмосфере планеты. Приборы станции регистрировали скачок напряжения, в миллион раз превышающий то, что обусловила бы столь же удаленная вспышка молнии в земной атмосфере.

Во время пролета через систему Сатурна «Вояджер-1» провел изучение некоторых сатурианских спутников. Самой важной задачей были наблюдения Титана, единственного из известных спутников планет Солнечной системы, имеющего плотную атмосферу. Траектория полета аппарата была выбрана таким образом, чтобы он прошел на расстоянии всего около 4000 километров от поверхности Титана. Правда, плотный облачный покров спутника не позволил увидеть на снимках его поверхность. Это было сделано только спустя два десятилетия, когда на Титан совершил посадку европейский зонд «Гюйгенс». Однако инфракрасные и ультрафиолетовые приборы, а также радиозондирование дали возможность получить информацию о составе атмосферы, температуре и давлениях, а также о размерах Титана.

Оказалось, что он окружен слоем дымки, которая, по-видимому, образует в северном полушарии выпуклую полярную шапку. У южного полюса такого нет. Толщина слоя дымки составляет не менее 280 километров, причем над основным слоем дымки имеются еще три четко различимых отделенных друг от друга слоя.

Исследования Титана показали, что его атмосфера состоит в основном из азота, а не из метана, как предполагали ранее. Содержание метана в атмосфере не превышает 1 процента. В атмосфере обнаружен также цианистый водород, который, возможно, и придает Титану красновато-коричневый цвет. Высота атмосферы Титана в 10 раз больше высоты атмосферы Земли, а плотность атмосферы Титана у поверхности в пять раз больше.

Были проведены исследования и других спутников Сатурна, которые позволили получить ряд интересных результатов. Оказалось, что на поверхности Тефии очень много кратеров. Правда, находятся они только на одной стороне небесного тела. Другая покрыта разветвленной системой борозд. Кто «вспахал» Тефию, до сих пор непонятно.

У Мимаса обнаружилась почти идеальная сферическая форма. Кратеры покрывают едва ли не всю его поверхность, иногда накладываясь друг на друга. Один кратер поперечником 130 километров простирается более чем на четверть диаметра спутника. Это пока самый большой кратер по отношению к величине небесного тела, обнаруженный на спутниках планет Солнечной системы. Судя по измерениям тени, глубина кратера от дна до бровки вала составляет около девяти километров. Кратер имеет центральную горку. На противоположной стороне спутника видны борозды, которые могли возникнуть под воздействием ударных волн при образовании кратера.

Энцелад имеет небольшое число кратеров. Очевидно, на его поверхности произошли какие-то процессы, скрывшие древние следы метеоритной бомбардировки.

На полушарии Дионы, обращенном по орбитальному движению, поверхность относительно однородная, с большим числом ударных кратеров поперечником до 100 километров. Некоторые кратеры имеют центральные горки, сравнимые по высоте с глубиной кратера. Другое полушарие покрыто сравнительно темным материалом с пучками светлых полос, которые представляют собой хребты или борозды, возникшие при образовании большого кратера на другой стороне спутника. Сравнительную гладкость поверхности одного из полушарий считают следствием «переформирования» поверхности под воздействием ударных волн. На Дионе обнаружены такие же борозды, как на Тефии.

На поверхности Реи видны кратеры поперечником до 300 километров. Некоторые из них очерчены четко, другие имеют размытые валы, что указывает на относительно большой возраст. На отдельных кратерах обнаружены белые пятна, возможно, это недавно обнаженный лед на крутых склонах. В кратерах четко различимы центральные горки. В светлых областях спутника кратеры в некоторых случаях покрывают поверхность сплошь. Это указывает на то, что Рея — одно из самых древних тел Солнечной системы (возраст около 4,5 миллиарда лет).

На поверхности Япета обнаружено круглое образование поперечником около 200 километров с темным пятном в центре. Вероятно, это большой ударный кратер.

Полагают, что Тефия, Мимас, Диона и Рея имеют ядро из скальных пород, окруженное ледяной оболочкой. Плотность этих спутников 1,0–1,4 грамма на кубический сантиметр. Эти значения примерно равны плотности ядер комет. Поэтому вполне возможно, что спутники образовались из кометного материала не у Сатурна.

Помимо девяти «классических» спутников Сатурна, у планеты обнаружено несколько новых. «Вояджер-1» подтвердил существование спутников Янус, Эпиметея, Телесто, Елены, Калипсо (названия они получили спустя много лет, а после открытия им просто присваивали номера) и открыл пятнадцатый спутник — Атлас.

Янус и Эпиметея обращаются по очень близким орбитам на удалении около 150 тысяч километров от центра планеты. Очевидно, именно эти два спутника наблюдал Дольфюс в 1966 году и, приняв их за один спутник, назвал Янусом. Они имеют неправильную форму, и их большие оси направлены на центр Сатурна. Видимо, оба представляют собой глыбы водяного льда. Предполагают, что ранее они могли составлять одно тело. Расстояние между орбитами (около 50 километров) этих двух спутников меньше их радиуса.

Елена обращается на удалении 142 тысяч километров от центра планеты, на 2000 километров дальше внешнего края кольца F, а Калипсо на удалении 139,5 тысячи километров от центра планеты, на 5000 километров ближе внутреннего края кольца F. Высказывается предположение, что эти два спутника определяют размеры кольца. По-видимому, оба представляют собой смесь льда и скальных пород.

Атлас обращается по орбите, пролегающей у внешнего края кольца A. Период обращения спутника 14 часов 20 минут. Это самый близкий из всех известных спутников. Его поперечник 80 километров. Именно он может определять внешнюю границу кольца.

За три десятка лет после пролета «Вояджера-1» мимо Сатурна астрономы нашли еще несколько десятков спутников окольцованного гиганта. На сегодня эта планетарная система является самой многочисленной в Солнечной системе.

После прохода около Сатурна «Вояджер-1» продолжал удаляться от Солнца. Так как его маршрут лежал вдалеке от других внешних планет Солнечной системы, то провести их подробное изучение не удалось. Да это и не предполагалось.

Как не предполагалось и то, что «Вояджер-1» проживет так долго. Максимум, на что надеялись специалисты, — десять лет. Но космический аппарат жив до сих пор и передает на Землю информацию об отдаленных уголках нашей звездной системы, благодаря изотопному термоэлектрическому генератору, установленному на его борту. Информации, конечно, «кот наплакал» — несколько десятков бит ежесуточно. Но это те биты, которые по своей значимости сравнимы с гигабайтами информации, курсирующей по сети Интернет.

Нынешняя цель «Вояджера-1» — покинуть Солнечную систему и выйти в межзвездное пространство. Предполагалось, что он сделает это еще в конце ХХ века. Но прогнозы оказались ошибочными. И хотя «Вояджеру-1» принадлежит мировой рекорд удаленности от Солнца (сейчас он на расстоянии около 19 миллиардов километров от светила), он по-прежнему внутри системы. Это говорит о том, что Солнечная система гораздо больше по своим размерам, чем считалось несколько десятилетий назад. Еще и о том, что мы пока очень мало знаем об окружающем нас космосе.

С июня 2010 года бортовая аппаратура зарегистрировала значительное ослабление солнечного ветра. Его скорость стала стремительно приближаться к нулю и достигла таковой в декабре того же года. Это случилось на удалении от Солнца в 17,5 миллиарда километров.

Спустя год «Вояджер-1» достиг так называемого района стагнации — последнего рубежа, отделяющего аппарат от межзвездного пространства. Область стагнации представляет собой регион с довольно сильным магнитным полем: давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Кроме этого аппарат зарегистрировал рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства.

В середине 2012 года аппарат вышел на границу межзвездного пространства. Датчики зафиксировали резкий рост уровня галактических космических лучей и резкое снижение количества заряженных частиц, исходящих от Солнца. Однако все эти признаки не позволяют говорить о том, что космический аппарат уже «на пути к звездам». Согласно современным представлениям, последним индикатором выхода за пределы Солнечной системы должна стать смена направленности магнитного поля, чего еще не произошло. И когда это случится, пока никто сказать не может. Как ожидается, радиоизотопный генератор на борту позволит нам получать информацию «Вояджера-1» еще лет десять-пятнадцать. В любом случае, к середине двадцатых годов нынешнего века будет какая-то определенность. К тому времени «Вояджер-1» удалится от Солнца на 22,5 миллиарда километров.

Маловероятно, что даже миллионы лет спустя «Вояджер-1» долетит до какой-либо звезды. От него этого и не ждут. Пройдут годы, и другие космические аппараты обгонят его, покоряя все новые и новые галактические рубежи. Но при этом люди на земле обязательно вспомнят «Вояджер-1», который отправился в неизведанное первым.

Дата публикации: 17 июля 2013