Voyager – путешествие к звездам

В этом году мы отметим 43-летие запуска зондов Voyager. Я расскажу вам историю о том, как разрабатывалась и организовывалась миссия, и о том, как нам удалось ее реализовать. Сначала представьте, каким был мир в то время: не было «твиттера», социальных сетей, Интернета. Не существовало даже факсимильной связи, а компьютеры только начинали создаваться.

Решающее событие, давшее начало всему процессу, состоялось в 1961 г. В то время я только собирался окончить школу и поступить в университет. С помощью древнего — по сравнению с сегодняшними технологиями — компьютера тогда было получено решение одной из наиболее сложных и фундаментальных задач небесной механики: задачи трех тел. Новое решение касалось случая, когда третье тело проходит мимо [меньшего из двух других – прим. переводчика]. Именно это решение дало представление о том, каким образом можно реализовать подобную космическую миссию.

Еще в 60-е годы было отправлено несколько аппаратов к Марсу, предпринимались попытки осуществить посадку на Венеру… По словам ученых, советские зонды садились на поверхность, но для точного представления о месте посадки полученных данных было недостаточно. Помните о том, что в те годы мы не имели точной информации ни о температуре поверхности Венеры, ни о каких-либо других ее особенностях.

Однако нами двигала жажда понимания истоков жизни, а для этого необходимо было иметь представление о процессе формирования Солнечной Системы. NASA ставила перед собой именно такие цели. Но как же землянам сконструировать аппарат, способный пройти нашу планетную систему насквозь и передать данные о ее внешних регионах?

В Лаборатории реактивного движения (JPL), научно-исследовательском центре NASA, как раз рассматривали возможность использовать «эффект пращи», чтобы направить космический аппарат от одного объекта к другому. Некий ученый, вооруженный лишь карандашом, листком бумаги и набором линеек, обнаружил, что в определенные эпохи планеты-гиганты оказываются по одну и ту же сторону от Солнца. Явление это достаточно редкое, и ближайшее должно было произойти в конце 1970-х годов. Неожиданно появился шанс отправить миссию ко всем внешним планетам Солнечной системы.

В 1970 г. был проведен анализ технической осуществимости миссии по изучению внешних регионов нашей системы: оказалось, что послать космический аппарат к Юпитеру, Сатурну, Урану, Нептуну и Плутону вполне реально — у нас действительно имелась возможность увидеть все планеты-гиганты с близкого расстояния. Однако мы столкнулись со всем известной тривиальной проблемой — отсутствием финансирования. Президент Никсон не был вдохновлен этой идеей. Спустя несколько лет средства все же выделили, но, представьте себе, план бюджетирования предполагал, что окончательным местом назначения миссии должен стать Сатурн. Именно с этого начинался проект.

Как многим известно, Лаборатория реактивного движения находится в штате Калифорния, а для этого региона характерна значительная сейсмическая активность. В 1971 г. там произошло сильнейшее землетрясение, но, к счастью, Лаборатория достаточно укреплена и пострадала несущественно. Таким образом, были и другие сопутствующие факторы, которые нам приходилось брать в расчет.

Решив реализовать миссию Voyager, NASA открыла конкурс и начала рассматривать предложения различных вариантов конструкции оборудования, необходимого для сбора научных данных. В числе приборов, которыми предполагалось оснастить аппараты, были ультрафиолетовый и инфракрасный спектрометры, а также система формирования и обработки изображений. На рассмотрение было представлено более 500 вариантов последней. И мне повезло оказаться единственным победителем.

Ранее космические исследовательские аппараты были оборудованы камерами, получавшими аналоговые фотографии. Отбирая членов рабочей группы, NASA проводила собеседование. Они хотели удостовериться в том, что команда будет преследовать четкие научные цели. По образованию я — физик. Что же именно заинтересовало меня в этой миссии? Предметом моего интереса стало создание высокотехнологичной системы, способной делать цифровые снимки. Итак, мне посчастливилось стать членом команды по
получению и обработке изображений, насчитывавшей 9 талантливых ученых.

Зонды Voyager — роботизированные космические аппараты нового поколения, построенные из специально разработанных материалов. Траектории их движения тщательно выбирались и рассчитывались с беспрецедентной точностью. Кроме того, ожидаемые невероятные результаты миссии стали предметом многочисленных дискуссий в прессе, на телевидении и радио — и это особенно важный факт.

До того, как аппараты передали на Землю бесценную информацию о газовых гигантах, наши знания даже о Юпитере — самом большом и близком из них — были весьма скудны. Еще меньше мы знали о Сатурне, не говоря уже об Уране и Нептуне.

Но, поскольку путь к далеким планетам очень долог, требовалось разработать специальную программу испытаний, чтобы убедиться, что в жестких условиях открытого космоса наше творение сумеет справиться с ожидающими его трудностями.

Одним из первых вопросов была сама возможность добраться до Юпитера: сможет ли аппарат в целости и сохранности пройти сквозь пояс астероидов? Ведь при столкновении на такой скорости даже небольшие пылинки размером в несколько микрон могут представлять угрозу работоспособности оборудования. Другим вопросом было излучение. То, что Юпитер скрывает в своих недрах мощнейший источник магнитного поля, было давно известно. Хотя мы не имели представления о структуре и форме магнитосферы гиганта, этот фактор тоже требовалось принять в расчет. Учитывая все возможные условия и доступные данные, было отобрано всего две траектории из 10 тысяч.

Как физик, занимающийся изучением атмосферы, я не всегда соглашался с методами, которые мои коллеги выбирали для проведения наблюдений. В то время как многие предлагали повторно пронаблюдать один и тот же объект для получения более детального изображения, я предпочитал следить за картиной в движении и использовать данные, полученные с применением других инструментов. Таким образом, отбор объектов для исследований был непростым процессом. После возникновения идеи следовало согласовать график наблюдений. Потом предстояло рассчитать, каким образом должна быть повернута камера, и загрузить данные в компьютерную систему для передачи.

Сегодня почти у каждого из нас есть мобильный телефон, и всем известно, насколько они мощны как вычислительные системы. В памяти компьютера, которым оборудован Voyager, находится около 60 килобайт информации — это лишь крохотная доля того объема, которым обладают современные смартфоны. Если сравнить скорость передачи данных, то компьютеры зондов Voyager могли передавать лишь несколько сотен тысяч сигналов в секунду, в то время как аналогичный показатель для современных систем связи измеряется триллионами. По сегодняшним меркам, электроника того времени весьма примитивна.

Итак, в длительных диспутах и столкновениях мнений выбирались объекты для наблюдения, затем составлялись графики и планы, а после — формировались команды и передавались на космический аппарат. Бывало и такое, что приходилось оперативно вносить коррективы в ранее утвержденную программу, учитывая новую полученную информацию. Иногда астрономам-наблюдателям доводилось сталкиваться с ранее неизвестными явлениями или обстоятельствами, и особенно часто подобные ситуации возникали на завершающих этапах миссии.

Для того, чтобы наверняка знать, что же запечатлела камера, необходимо определить ориентацию зонда в пространстве — понять, где именно он находится и как повернут. Сделать это можно путем фотографирования определенных звезд, поэтому на многих кадрах, переданных аппаратами, на первый взгляд видно лишь темное небо: такие снимки используются для определения их местоположения и ориентации.

NASA обладает сложной системой наземных станций дальней космической связи. Она состоит из трех ключевых элементов. Один из них — антенный комплекс в Голдстоуне (штат Калифорния). Еще два элемента системы — Мадридский центр космической связи в Испании и аналогичный комплекс в Канберре (Австралия). Такое расположение обеспечивает охват всего неба и возможность поддерживать постоянный контакт с космическими аппаратами, несмотря на вращение Земли вокруг своей оси. Все центры связаны между собой, а получаемая с их помощью информация консолидируется и направляется различными способами в Лабораторию реактивного движения в США.

Запуски аппаратов Voyager, как известно, состоялись в августе и сентябре 1977 г. Стоит обратить внимание, что отбор членов команды сопровождения, о котором я говорил ранее, происходил в 1972-м — таким образом, на подготовку миссии отводилось всего около четырех с половиной лет. Соответственно график нашей работы был более чем плотным.

Voyager 2 стартовал в августе 1977 г. Наверняка многие из вас знают, насколько волнующим и ответственным является момент запуска и первые минуты полета — все, кто связан с подготовкой миссии, затаив дыхание, надеются, что старт пройдет гладко и не возникнет ошибок или неполадок. Однако, к нашему ужасу, в случае зонда Voyager 2 проблемы все-таки возникли. Вскоре после запуска он должен был раскрутиться и занять нужное положение в пространстве… но раскрутка оказалась недостаточной. Я отлично помню атмосферу нарастающего смятения среди членов группы сопровождения в эти минуты. На выручку пришли инженеры и направили аппарату серию команд, благодаря чему отклонение от намеченного сценария удалось ликвидировать.

В сентябре того же года стартовал следующий зонд — Voyager 1. По случаю успешного запуска сотрудники устроили небольшую вечеринку, но несколько инженеров, к сожалению, не смогли насладиться ею: их неустанное внимание было приковано к аппаратам, ведь в случае возникновения каких-либо проблем им пришлось бы срочно предпринимать все возможные меры, чтобы не дать многолетнему труду всей команды пойти насмарку.

Итак, траектории обоих аппаратов были выбраны заранее. Однако нам приходилось вносить коррективы в планы, разработанные в 1972-77 гг., в соответствии с новыми обстоятельствами, о которых мы раньше не подозревали. Например, до начала миссии у нас имелись представления о магнитном поле Юпитера, но они оказались далекими от истины. Фактические показатели примерно в тысячу раз превышали расчетные. Это новое открытие повлекло за собой существенный пересмотр программы. С другой стороны, для обеспечения успешного выполнения научных задач следовало принять во внимание положение на орбитах Ио и других галилеевых спутников — траектория зонда должна была пролегать не слишком далеко от них, чтобы он мог собрать как можно больше полезной информации.

Первостепенными объектами изучения являлись Юпитер и Сатурн, а также системы их спутников. Мне запомнилось томительное ожидание и получение долгожданных первых данных. Это было удивительное время предстоящих открытий. Лично для меня, занимавшегося физикой атмосферы, конечно же, наибольший интерес представляла динамика атмосферных масс Юпитера и знаменитое Большое Красное Пятно. Методология наблюдений, которую мы разработали для зондов Voyager, заложила основу для эффективного сбора научной информации в рамках последующих миссий, поскольку наш метод предполагал использование цифровых технологий и различных инструментов для получения сведений не только о горизонтальных скоростях газовых потоков, но и о скорости вертикальных перемещений газов, переносе водяного пара и других важных особенностях юпитерианской атмосферы.

Еще одним сюрпризом оказалась вулканическая активность галилеевого спутника Ио. Планетологи предполагали, что он должен быть скучным пустынным миром, где ничего не происходит — но, к всеобщему удивлению, на его поверхности мы нашли первый внеземной активный вулкан.

Не менее интригующим открытием стало обнаружение многочисленных длинных трещин на ледяной поверхности Европы — другого крупного спутника Юпитера. Дальнейшие исследования позволили сделать вывод, что под ее толстой ледяной корой может скрываться мощный океан соленой воды, потенциально пригодный для зарождения в нем жизни. Таким образом, система юпитерианских спутников оказалась более замысловатой и разнообразной, чем ученые предполагали ранее. Благодаря данным, полученным аппаратами Voyager при сближении с Юпитером и его спутниками в 1979 г., у нас впервые в истории появилась возможность увидеть чудеса других миров.

Несомненно, сближение с Сатурном в следующем, 1980-м году принесло не меньше интригующих открытий. Пожалуй, самым значимым из них стала структура загадочных сатурнианских колец. Долгое время мы смотрели на них в телескопы, не зная наверняка, из чего же они состоят и как устроены. На изображениях, полученных камерами зондов Voyager, перед нами предстало огромное количество узких линий, опоясывающих планету — оказалось, что колец множество, и издалека мы бы никогда не смогли рассмотреть их сложную тонкую структуру. Кроме того, в атмосфере самого гиганта мы наблюдали вихри, пятна и волнообразные перемещения газовых масс — многочисленные неожиданные и удивительные явления.

Одним из основных предметов интереса в системе Сатурна был, несомненно, его крупнейший спутник Титан. Однако нас ждало разочарование: на фотографиях он выглядел окутанным бледно-оранжевым смогом, и доступное нам разрешение снимков не давало возможности найти ни единого просвета, чтобы увидеть, что лежит под плотной атмосферой. Тем не менее, благодаря зонду Voyager 1 (и впоследствии Voyager 2) Титан приковал к себе внимание ученых и стал объектом пристального изучения в рамках последующих миссий.

Аппараты Voyager позволили рассмотреть причудливую форму сатурнианского спутника Мимаса, напоминающую «Звезду Смерти» из фильма «Звездные Войны», блестящую поверхность Энцелада и другие достопримечательности окрестностей окольцованного гиганта.

Важнейшим результатом миссии, наравне с бесценной научной информацией, полученной благодаря ее реализации, стало налаживание отношений между учеными и широкой публикой. Не только граждане США, но и многие представители других стран мира впервые проявили интерес к космическим исследованиям и выразили желание быть в курсе последних новостей с переднего края науки. Я считаю, что это — важнейшая составная часть успеха программы Voyager.

Как я уже упоминал ранее, Сатурн должен был стать финальной целью миссии — во всяком случае, по мнению американских властей. Однако мы снова обратились в Вашингтон с просьбой продлить проект и предоставить финансирование для исследований Урана и Нептуна. Изменить траектории, по которым двигались аппараты, уже не получалось, и представители власти спросили нас, как мы собираемся исследовать газовые гиганты, если зонды невозможно вывести на необходимую траекторию… но тут-то мы им и сообщили, что они изначально были запущены в нужном направлении. Таким образом, финансирование было получено, а миссия продолжила радовать нас новыми открытиями и невероятными фотографиями доселе неизведанных миров.

Усилия стоили того. Уран удивил ученых неожиданно мощным магнитным полем, превосходящим самые смелые предположения. Еще сильнее нас потрясла Миранда — небольшой спутник Урана размером менее 300 км, но с поразительно витиеватым ландшафтом. Разнообразие форм ее рельефа, вероятно, свидетельствует о древнем столкновении с другим телом. По мере того, как аппараты удалялись от родной планеты, время, необходимое для обмена сигналами с ними, неуклонно возрастало. Команды из центра управления добирались до них все дольше, и соответственно больше времени требовалось на передачу данных обратно на Землю.

Наконец, Voyager 2 достиг самой далекой из планет, обращающихся вокруг Солнца — Нептуна. На первых же его фотографиях мы сразу заметили Большое Темное Пятно. Внутри этого образования (представляющего собой, как БКП на Юпитере, шторм колоссальной площади и интенсивности), были зарегистрированы скорости ветра, рекордные для Солнечной системы. Пятью годами позже Большое Темное Пятно исчезло — это показали снимки космического телескопа Hubble.

Тритон — самый большой спутник Нептуна — тоже преподнес неожиданный сюрприз: оказалось, что на нем, как на юпитерианском спутнике Ио, наблюдается вулканическая активность, но из его недр извергается в основном вода (это явление назвали криовулканизмом).

На данный момент Voyager — единственная миссия, которая побывала у самых далеких планет, передав уникальные снимки ледяных гигантов и их спутников. Всего в рамках программы было получено около 80 тыс. фотографий различных объектов Солнечной Системы. Все они доступны для широкой публики — сегодня каждый может их рассматривать, анализировать или обрабатывать. У нас в Университетском колледже Лондона созданы специальные методы обработки изображений, но доступ к ним также может получить любой энтузиаст, жаждущий рассмотреть нечто такое, чего до него никто не видел, и сделать открытие.

Как я уже говорил ранее, одной из основных целей миссии являлось детальное изучение динамики атмосфер гигантских планет. Я считаю, что нам удалось справиться с этой задачей: были получены данные о скорости и направлении движения атмосферных масс Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Кроме того, мы выяснили, что же представляет собой загадочное юпитерианское Большое Красное Пятно. Оказалось, что это — огромный шторм, бушующий в турбулентной атмосфере гиганта не одну сотню лет. Поглощая соседние штормовые системы, БКП подпитывается энергией — предположительно в этом и кроется разгадка такого долгожительства уникального антициклона.

Стоит отметить, что благодаря миссии Voyager мы смогли наблюдать схожие процессы и в атмосферах других планет-гигантов. Это кардинально поменяло наши представления о газовых оболочках внешних планет: то, что ранее считалось отличительной чертой, теперь могло рассматриваться как типичные процессы для этого класса небесных тел.

Даже после пролетов мимо планет миссия далека от завершения: космическим аппаратам Voyager было суждено стать первыми рукотворными объектами, покинувшими пределы Солнечной системы. Тем не менее, за орбитами гигантов нас ожидали все новые открытия — например, эффект пульсации гелиосферы. Оказалось, что солнечная активность распространяется намного дальше, чем предполагалось ранее.

Voyager 1 сделал легендарную фотографию, известную как «Бледная Голубая Точка». На снимке среди черноты космоса едва различимо светится голубоватое пятнышко — это наша родная Земля с расстояния в 6 млрд км. Уже больше четверти века это изображение крохотной пылинки, висящей в бескрайней пустоте, заставляет человечество задуматься о том, как мал и хрупок наш дом, и напоминает о необходимости любить и беречь его.

Название «Бледная Голубая Точка» предложил американский астроном Карл Саган, которому принадлежала идея создания этого снимка. Он же руководил составлением послания для внеземных цивилизаций, установленного на борту обоих аппаратов Voyager. Послание представляет собой позолоченную пластинку, содержащую звуковое сообщение и видеозапись. На пластинке записано приветствие на всевозможных земных языках, музыкальные произведения из разных уголков планеты и звуки Земли. Кроме того, на ней выбиты имена и подписи инженеров и главных членов команды, благодаря которым миссия была реализована (в том числе и мои). Послание также содержит «карту пульсаров» — описание расположения Солнца относительно 14 ближайших пульсаров и зашифрованную частоту их вращения. Поскольку она со временем снижается, потенциальные получатели сообщения сумеют вычислить не только место происхождения аппарата, но и время, когда он был запущен.

Несомненно, миссия Voyager стала особенной. Ее влияние как на развитие науки, так и на мировую популярную культуру сложно переоценить. Все мы любим научно-фантастические фильмы — такие, как «Звездный путь» (Star Trek) и «Звездные Войны» — но далеко не все знают, что при работе над ними голливудским режиссерам помогают специалисты и консультанты из Лаборатории реактивного движения, а им — уникальный опыт, полученный благодаря программе Voyager. Добытые в ходе ее реализации сведения и специально разработанные технологии внесли свой вклад в создание различных современных систем, начиная записью на оптические носители с помощью CD-ROM и заканчивая методиками предсказания погоды, которые теперь повсеместно используются гидрометцентрами для составления телевизионных прогнозов. Отдельного внимания заслуживает рывок в развитии технологий обработки изображений — им мы также обязаны миссии Voyager.

Суммарный бюджет проекта составил 850 млн долларов, или по 10 центов с каждого налогоплательщика США в год. По моему мнению, самым важным уроком, который мы получили за эту цену, стало наше умение совместно работать над общими задачами, не бояться вызовов и эффективно справляться с возникающими проблемами, вносить посильный вклад для достижения желаемого результата. Но не менее значимым стало культурное влияние миссии. Я бесконечно рад, что так много людей по всему миру проявили активный интерес и стремление узнать что-то новое о нашей родной планетной системе. И за это вам всем — большое спасибо!