New Horizons: исследования «Ультима Туле»

1 января 2019 в 5 часов 33 минуты по всемирному времени межпланетный аппарат New Horizons пролетел в 3,5 тыс. км от объекта пояса Койпера 2014 MU69, также известного под неофициальным именем «Ультима Туле», что в переводе с латыни означает «последний предел». Необычным это событие сделали два обстоятельства. Во-первых, койпероид 2014 MU69 стал самым удаленным небесным телом, которое автоматическому посланцу Земли удалось сфотографировать с близкого расстояния — во время пролета он находился в 43,4 а.е. (почти 6,5 млрд км) от Солнца. Поскольку ни одно космическое агентство пока не планирует подобных миссий «дальнего действия», можно ожидать, что этот рекорд продержится достаточно долго, и больше всего шансов побить его имеет все тот же зонд New Horizons: в данный момент рассматривается возможность направить его к еще какому-нибудь объекту пояса Койпера. Впрочем, скорее всего, сделать это не позволят технические ограничения. Чтобы лучше понять их суть, следует вспомнить о второй особенности «космического свидания»: это был первый в истории случай, когда цель для межпланетного аппарата открыли уже после его старта.

Главной задачей New Horizons было изучение карликовой планеты Плутон (134340 Pluto) и ее спутников, с которыми зонд успешно сблизился 14 июля 2015 г. Исследования проводились с пролетной траектории на скорости более 13 км/с. Чтобы заметно отклониться от нее, необходим ощутимый импульс бортовых ракетных двигателей, требующий большого расхода топлива, а его запасы у подобных аппаратов весьма ограничены. Поэтому следующая потенциальная цель должна была находиться как можно ближе к этой траектории и вдобавок — что также являлось важным условием — располагаться не слишком далеко от Солнца, чтобы перелет к ней не занял много времени. Поиски подходящих объектов с помощью наземных обсерваторий велись более восьми лет, но так и не принесли результатов. В конце концов, к делу подключили орбитальный телескоп Hubble, имеющий наибольшую чувствительность среди всех доступных астрономических инструментов. В 2014 г. за несколько наблюдательных сессий он смог обнаружить три более-менее подходящих койпероида, один из которых (фактически самый близкий) и был выбран в качестве новой цели.

О первых результатах пролета рассказал в своей лекции, прочитанной 9 февраля 2020 г. на ежегодном лондонском «Евроастрофесте», один из членов группы сопровождения миссии New Horizons, доклад которого в адаптированном виде и с любезного согласия автора мы предлагаем вашему вниманию.

В моем докладе пойдет речь о том, как удалось получить изображения объекта пояса Койпера 2014 MU69, известного также под неофициальным названием «Ультима Туле» (Ultima Thule). Это исследование проходило в рамках миссии NASA «Новые горизонты» (New Horizons), основной целью которой была система Плутона, на момент старта еще считавшегося планетой.

Космический аппарат стартовал в январе 2006 г., прошел систему Юпитера в феврале 2007 г., совершил пролет Плутона в июле 2015 г. и затем отправился исследовать пояс Койпера.

New Horizons имеет размеры 2,2×2,1×2,7 м и массу 478 кг. Внутри основного треугольного корпуса расположена двигательная установка, а снаружи — важнейшие сервисные элементы: большая радиоантенна с высоким коэффициентом усиления и радиоизотопный термоэлектрический генератор, предназначенный для выработки электроэнергии. Аппарат часто сравнивают с роялем из-за сходства размеров и формы.

В качестве источника энергии используется тепло от радиоактивного распада плутония, которое конвертируется в электричество с помощью термопар. Плутоний – самое простое решение в данном случае.

Большинство космических аппаратов в наше время оснащаются также гироскопами, позволяющими им менять свою ориентацию в пространстве, не расходуя топлива. Но гироскопы ненадежны и могут выйти из строя, поэтому конструкторы решили использовать для «поворотов» только двигатели малой тяги.

New Horizons оснащен семью научными инструментами. На нем установлена камера LORRY, спектрометр видимого и инфракрасного диапазона Ralph, ультрафиолетовый спектрометр Alice (один из самых серьезных приборов – такой же работал на зонде Rosetta, и сейчас находится на орбите вокруг Луны, так что это действительно качественный инструмент). Прибор REX (Radio Science Experiment) предназначен для измерения температуры и для радиолокации. Он был создан в сотрудничестве с немецкими учеными. SDC – детектор пылевых частиц, сконструированный студентами из Колорадо. Еще два инструмента -SWAP и PEPPSI – имеют целью изучение солнечной погоды, их главная задача – определение параметров солнечного ветра.

Итак, после исследований системы Плутона с пролетной траектории New Horizons начал углубляться в так называемый Холодный классический пояс (Cold Classical Belt). Здесь необходимо отметить, что пояс Койпера состоит из нескольких частей. Основные из них – три. Первая – объекты, находящиеся в орбитальных резонансах с Нептуном.

Вторая – Холодный классический пояс. И наконец – рассеянный диск, объекты которого «обитают» у внешней окраины пояса Койпера. Их траектории имеют весьма разнообразные размеры полуосей, эксцентриситеты и наклонения к плоскости эклиптики. Кстати говоря, когда тела из рассеянного диска проходят вблизи Солнца, мы наблюдаем их как кометы.

Все эти компоненты пояса формировались естественным путем, но вот процессы в них протекали по-разному. Объекты рассеянного диска могли побывать во внутренних областях Солнечной системы, объекты с орбитальными резонансами подвергались воздействию гравитационных сил со стороны больших планет и могли существенно поменять параметры своих орбит – в общем, с ними постоянно что-то происходило. Однако объекты Холодного классического пояса оставались практически нетронутыми. Это наименее изменившаяся область Солнечной Системы: со времен ее формирования с «обитателями» этой области ровным счетом ничего не случилось. Именно поэтому ученые так хотели до нее добраться.

Перед тем, как направить аппарат к 2014 MU69, для уточнения орбиты последнего ученые провели наблюдения звездных оккультаций – событий, в ходе которых этот объект затмевал фоновые звезды. Кроме того, наблюдая за покрытиями с помощью телескопов, находящихся друг от друга на некотором расстоянии, по длительности «исчезновения» звезды в каждом пункте можно было рассчитать форму койпероида. Удалось установить, что его «тень» состоит из двух кругов. Это могли быть два тела, расположенные близко друг к другу, или же обращающиеся друг вокруг друга – просто их «застали» в момент, когда с точки зрения наземных наблюдателей они выстроились в линию (это маловероятно, но все же возможно). А может быть, это сплошное тело, по форме напоминающее картофелину или кеглю. Для того, чтобы это выяснить, нужно было подлететь поближе.

После первой «фиксации» астрономы задались целью выяснить, а нет ли у 2014 MU69 спутников или колец. Для этого пришлось сделать около 300 различных снимков, затем подогнать их под одни физические масштабы, чтобы наложить друг на Друга. Никаких спутников у койпероида обнаружено не было.

Весь канун Рождества, за неделю до долгожданного пролета, я внимательно всматривался в светлое пятно на снимках. Вопрос заключался в том, представляет ли собой наша цель бинарную систему. Но форма центральной точки и характер изменения ее блеска позволили заключить, что, вероятнее всего, это не так.

Следовательно, мы могли осуществить более близкий пролет. У нас было два варианта. Первый — траектория, проходящая в 10 тыс. км от объекта, наиболее безопасная. Но намного интереснее выглядел вариант пролета в 3500 км от 2014 MU69. Почему именно 3500? Дело в том, что, когда производился расчет обстоятельств сближения, мы принимали во внимание, что вести фотосъемку лучше с расстояния 3000 км, а производить спектральные исследования – с 4000. В результате была выбрана средняя оптимальная дистанция.

Баллистики миссии начали составлять график пролета. New Horizons находится в 6 световых часах от Земли – это значит, что передаваемый наземными станциями сигнал достигает его только через 6 часов. Поэтому необходимо заранее прописать ему четкий алгоритм действий, заложить его в бортовой компьютер — и надеяться, что все пройдет успешно. Все нужные команды были отправлены, аппарат их успешно отработал и долгожданный пролет, предоставивший нам первые ценные снимки койпероида, состоялся 1 января. Наверное, заниматься чем-то подобным в новогоднюю ночь — не лучшая идея, но для небесной механики не существует земных праздников.

Непосредственно перед пролетом рабочей группе удалось загрузить два снимка, полученных космическим аппаратом. На них впервые достаточно четко были видны очертания объекта.

Чуть позже было получено следующее изображение. На нем уже отчетливо просматривалась «кеглеподобная» форма 2014 MU69. Теперь участники группы сопровождения могли заключить, что это один объект, состоящий из двух неравных частей. Более крупной из них присвоили имя «Ультима», меньшей – «Туле». Кроме того, хоть разрешение снимков оставалось довольно низким, удалось заметить, что койпероид вращается.

После этого некоторое время никакого фотографирования не производилось. И только после пролета New Horizons «позвонил домой». Когда это случилось, в центре управления был настоящий праздник! Но продолжался он недолго, так как всем не терпелось пойти в Геологическую комнату и увидеть первые снимки объекта. Несложно представить себе наше нетерпение: впервые в истории астрономы получили изображения койпероида с такого близкого расстояния.

Вся команда New Horizons долго рассматривала эти изображения. Одна из сотрудниц, по совместительству прекрасный скульптор, сразу принялась строить модель запечатленного объекта Другие участники группы сопровождения взялись за расчеты, пытаясь понять, как койпероид приобрел такую форму – возможно, первоначально она была более простой.

В общем, вся Геологическая комната была в восторге. Позже с помощью спектрометра удалось получить цветное изображение. На нем хорошо видно, что обе части объекта практически одинакового цвета. Если бы они имели разные цвета, это могло бы означать, что когда-то это были два отдельных тела, впоследствии слившиеся в одно. Но поскольку их окраска совпадает – это значит, что они сформировались вместе. Цвет 2014 MU69 также говорит о том, что это – типичный объект Холодного классического пояса. Довольно интересен и тот факт, что характеристики поверхности койпероида похожи на свойства поверхности Плутона.

Во время приближения аппарата к объекту удалось получить последовательность снимков, отображающих вращение койпероида вокруг своей оси с периодом около 15,9 часов – это также типичный показатель для тел Холодного классического пояса.

Наконец, космический аппарат передал снимок 2014 MU69, полученный с расстояния около 6 тыс. км. На нем уже можно довольно подробно рассмотреть форму объекта и многие детали его рельефа.

Несложно заметить, что поверхность ледяного тела достаточно ровная — на ней практически отсутствуют кратеры. Несколько штук видны лишь у верхней границы освещенного «полушария». Появились ли эти кратеры из-за внешнего воздействия или из-за потери вещества в процессе сублимации, пока сказать невозможно. Левая часть – «Туле» – более округлой формы, и на ней также заметны две больших впадины, в то время как «Ультима» (правая часть) более «равнинная».

Еще интереснее оказались снимки, сделанные с самого близкого расстояния, непосредственно после пролета. На них попала та часть «Ультима Туле», которая в тот момент не освещалась Солнцем. Ее силуэт можно «проследить» в динамике, наблюдая за тем, как объект закрывает фоновые звезды. Изображения, полученные примерно через 10 минут после максимального сближения, во многом изменили наши представления о форме 2014 MU69.

Рассматривая эти серповидные изображения объекта, ученые пришли к выводу, что его большая часть, скорее всего, должна напоминать блин, а меньшая – что-то вроде сплюснутого ореха. Однако, поскольку во время пролета половина тела находилась в тени, судить о ее форме можно только с некоторой погрешностью.

Через три дня после пролета New Horizons скрылся за Солнцем, что, конечно, создало проблемы со связью. Но спустя еще несколько дней он показался с другой стороны светила и продолжил передавать на Землю полученные им данные.

Таковы сведения о койпероиде 2014 MU69 на данный момент. Однако передача информации о результатах пролета с борта межпланетного аппарата продлится еще больше года. Астрономы продолжают исследовать этот объект, пытаясь ответить на вопросы о его происхождении и форме, а в дальнейшем нас, несомненно, ждут еще более интересные открытия.