Межзвездное пространство – преодоление космической пустоты

За всю историю человечества еще ни один его представитель не покинул сферу притяжения родной планеты (и даже лунные экспедиции на самом деле не выходили за ее пределы). Причина этого — не только отсутствие технологий перемещения больших масс на межпланетные расстояния за разумное время, но и неприспособленность человеческого тела к условиям дальнего космоса с преобладающими в нем опасными излучениями, космическим вакуумом и прочими неблагоприятными факторами.

Пути решения этих проблем можно разделить на две группы: конструирование космических кораблей, условия в которых должны быть максимально приближены к земным (защищенная искусственная биосфера), и приспосабливание человека к новой враждебной среде, вплоть до существенной «реконструкции» самой человеческой природы. Не снят с повестки дня и вопрос, а нужно ли вообще людям «лично» исследовать дальний космос — возможно, туда было бы оптимальнее посылать электронные «органы чувств» или даже полностью возложить задачу космических исследований на роботов с продвинутым искусственным интеллектом.

Все эти вопросы активно обсуждаются на семинарах, регулярно проводимых в Институте космических исследований Кека (Keck Institute for Space Studies). В них участвуют специалисты в самых разных отраслях науки — физики, астрономы, биологи, социологи…

На одном из семинаров, проходившем под руководством профессора Калифорнийского технологического института Эдварда Стоуна (Edward Stone, California Institute of Technology), инженера Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене доктора Леона Алкалаи (Leon Alkalai, JPL, Pasadena, California) и сооснователя Планетного общества Луиса Фридмана (Louis Friedman, The Planetary Society), Леон Алкалаи прочел доклад под названием «Наука и технологии, обеспечивающие исследование межзвездной среды» (Science and Enabling Technologies for the Exploration of the Interstellar Medium), в котором подводились промежуточные итоги работ в данном направлении и очерчивались их перспективы.

Начало пути

В 2012 г. произошло знаменательное событие в истории развития земной цивилизации: созданный людьми космический аппарат Voyager 1 покинул солнечный «магнитный пузырь» и вышел на межзвездные просторы. Вскоре это сделает и его «близнец» Voyager 2. Зонд New Horizons, детально исследовав с пролетной траектории карликовую планету Плутон, продолжает изучать области, населенные холодными ледяными телами на окраинах Солнечной системы, а далее последует за своими собратьями.

На Земле и околоземных орбитах продолжается работа над поисками и реализацией методов, которые помогут нам преодолевать большие космические расстояния. Торжественная дегустация астронавтами салата-латука, выращенного на Международной космической станции, возможно, является первым историческим опытом проведения банкетов на борту пилотируемых аппаратов, бороздящих просторы Солнечной системы или направляющихся в глубокий космос.

На данный момент отправка людей к другим звездам остается прерогативой научной фантастики — как в фильме «Пассажиры» (Passengers), когда пребывающие в анабиозе межзвездные путешественники пробуждаются к концу полета. NASA пока не организует новых миссий за пределы гелиосферы, но в тоже время ученые и инженеры продолжают усиленные поиски технологий, которые могли бы однажды помочь землянам оказаться там.

Анонсированная NASA программа «Путешествие на Марс» (Journey to Mars) — это, прежде всего, план роботизированных миссий, целью которых является подготовка экспедиции людей на Красную планету. Пилотируемый полет на Марс станет первым шагом на пути осуществления более грандиозного замысла — выхода человека за пределы Солнечной системы. Практика межпланетных полетов позволит накопить опыт для выработки общих подходов и решения сложнейших технических задач, которые, несомненно, возникнут на первых этапах реализации этого масштабного проекта и в более отдаленном будущем.

«Силовые установки, энергетика, жизнеобеспечение, производство, связь, навигация, робототехника… проект Journey to Mars предполагает прогресс в каждой из этих областей, — прокомментировал это эпохальное предприятие ведущий инженер директората космических технологий NASA в Вашингтоне Джеффри Шии (Jeffrey Sheehy). — Возможностей этих систем пока будет недостаточно, чтобы осуществить межзвездную миссию. Но Марс вынуждает нас идти дальше и дальше в Космос. Это шаг по пути к звездам».

Контуры неизвестного

Возвращаясь к фильму «Пассажиры» и рассматривая его применительно к полету до ближайшей к Солнцу звезды Проксимы Центавра, следует сказать, что это путешествие потребует преодоления беспрецедентно больших расстояний. При этом придется использовать по-настоящему экзотические технологии — такие, как анабиоз или жизнеобеспечение нескольких поколений. В настоящее время подобные проекты представляются неосуществимыми.

Сейчас перед учеными стоит задача детального исследования переходной зоны между Солнечной системой и межзвездной средой, переполненной высокоэнергетическим излучением, потоками заряженных частиц солнечного ветра и космическими лучами, а для этого необходимо запустить по возможности больше разведывательных аппаратов в эти пока еще «неизведанные дали».

В рамках концепции Design Reference Mission должны быть сформулированы основные технические требования к проекту межзвездного зонда. В соответствии с этим концептуальным сценарием в конце 2020-х годов будет запущен автоматический разведчик, который благодаря точно рассчитанным маневрам в гравитационных полях Земли, Юпитера и Солнца сможет достичь границы «сферы влияния» нашего светила всего за 10 лет (для сравнения: космическому аппарату Voyager 1 потребовалось 36 лет, чтобы, ускорившись в ходе гравиманевров вблизи Юпитера и Сатурна, пересечь гелиосферу, гелиопаузу и выйти на границу межзвезднго пространства). Для обеспечения электропитания бортовой аппаратуры предполагается использовать радиоизотопные термоэлектрические генераторы нового поколения, представляющие собой более эффективные версии устройства, установленного на борту марсохода Curiosity. Зонд оснастят десятками различных сенсоров и приборов для исследования межзвездной среды в пограничной зоне Солнечной системы, а, возможно — еще и для изучения одного из объектов Пояса Койпера при тесном сближении.

В рамках дальнейших исследований будет рассмотрена возможность использования для ускорения зонда электрореактивных двигательных установок, а также солнечных или электрических парусов.

Гравитационный «соларскоп»

Существует еще один экзотический проект, не относящийся напрямую к межзвездным полетам, но требующий для своей реализации отправки космического аппарата за пределы Солнечной системы.

Многие читатели, вероятно, знают, что в начале прошлого столетия были предприняты эксперименты, позволяющие доказать правильность теории Эйнштейна. Во время солнечного затмения 29 мая 1919 г., когда диск нашего светила полностью закрыла Луна, астрономы убедились, что лучи далеких звезд, проходящие вблизи Солнца, отклоняются его гравитацией. Подобный эффект используется для наблюдений очень удаленных галактик, свет от которых по пути к земному наблюдателю проходит через гравитационные поля более близких массивных галактических скоплений. При этом усиленные гравитационным линзированием изображения удаленных объектов могут дробиться, вытягиваться в дуги, а если искажение пространства однородно (вызвано компактным сверхмассивным объектом) — наблюдается так называемое «кольцо Эйнштейна».

Из этого следует, что на определенном расстоянии от Солнца его гравитация способна фокусировать изображения более далеких объектов. «Фокусное расстояние» гравитационной линзы, создаваемой нашей звездой, равно примерно 550 а.е. Если на таком расстоянии будет размещен космический аппарат, он сможет принять эти увеличенные изображения, а если на оптической оси этого гигантского телескопа окажется экзопланета, у нас появится возможность рассмотреть детали на ее поверхности. Современные наземные и космические обсерватории такой возможности не дают — для них все экзопланеты занимают один пиксель светочувствительной матрицы.

Изображения, получаемые гравитационным телескопом, будут представлять собой «кольца Эйнштейна». Для восстановления истинной картины потребуется трудоемкая компьютерная обработка. При этом детализация итогового изображения окажется такой, что мы сможем различить особенности рельефа или облачного покрова планет иных звезд примерно так же, как на знаменитой фотографии Земли, сделанной астронавтами Apollo 8 с окололунной орбиты в конце 1968 г.

Очевидно, что космический аппарат, играющий роль приемника излучения «сверхтелескопа», может наблюдать с большим увеличением только те объекты, которые находятся с его точки зрения прямо за солнечным диском (который с такого расстояния будет выглядеть просто очень яркой точкой, но ее все равно нужно будет экранировать). Поэтому наведение такого инструмента на желаемый объект связано с немалыми трудностями: для этого нужно перемещать «окуляр» (зонд-приемник) вокруг Солнца по сфере радиусом 550 а.е., что потребует огромных затрат времени и топлива бортовых двигателей.

Двигаясь к звездам…

После того, как мы подготовимся сделать гигантский шаг к другой звезде, на первое место выйдет проблема преодоления огромных космических расстояний. Транспортировка громоздких топливных баков может увеличить массу межзвездного корабля до пределов, выходящих далеко за рамки технико-экономических возможностей человечества.

Вообще реализация межзвездных перелетов за время, соизмеримое с продолжительностью человеческой жизни, требует достижения скоростей порядка одной десятой скорости света. А это принципиально невозможно с использованием химических ракетных двигателей, на которых основана современная космонавтика.

Пока реально существует только одна технология, позволяющая в обозримом будущем отправить автоматические зонды к ближайшим звездам. Она основана на эффекте светового давления. Мощный массив лазеров, установленных на поверхности Земли либо на околоземной орбите, может быть использован для ускорения космических аппаратов, оснащенных «световыми парусами», до скоростей, составляющих десятки процентов скорости света.

Если земляне когда-нибудь пустятся в космические путешествия, длящиеся многие десятилетия или даже столетия, возможно, потребуется проведение каких-то медицинских процедур, касающихся отдельных органов или всего организма, которые помогут поддерживать жизнь человека в течение нескольких поколений. Может быть, участники межзвездных перелетов даже внешне будут отличаться от нас… а цели достигнут, скорее всего, их дети или внуки. Но, тем не менее, на протяжении всего времени полета они должны чем-то питаться!

Выращивать в космосе растения мы уже почти научились, однако этот процесс требует наличия большого герметичного пространства на космическом корабле. Значительно более перспективное направление — создание 3D-принтеров, способных «печатать» трехмерные объекты слой за слоем, в том числе и продукты питания из отдельно выращенных клеток. Но в любом случае потребуется создание несуществующих пока технологий — в том числе систем жизнеобеспечения, включающих в себя полную переработку абсолютно всех отходов жизнедеятельности для получения и дальнейшего повторного использования кислорода, питьевой воды и питательных веществ.

Поэтому Леон Алкалаи, основываясь на результатах труда многих ученых, пока считает пилотируемый полет к иным звездам чрезвычайно отдаленной перспективой. Отправка людей за пределы Солнечной системы в наши дни весьма далека от практической реализации. В наиболее научно обоснованном фантастическом сюжете речь может идти не о строительстве Star Trek Enterprise, а о том, как освоить и «оборудовать» астероид для межзвездных перелетов.

Тем не менее, серьезные проблемы, возникающие при посылке автоматических зондов к звездам, должны быть мотивирующими для человечества, а вовсе не обескураживающими. Алкалаи считает, что всегда и везде мы должны оставаться людьми и постоянно чему-то учиться, даже если это лишь мимолетный эпизод с преодолением очередного горного хребта. Мы всегда находим то, что может нас удивить.