Путешествие среди спутников Солнечной системы. Главные открытия зондов "Вояджер"
Программа "Вояджер" была и остается одной из самых сложных (и наиболее плодотворных с научной точки зрения) программ, когда-либо разработанных НАСА. Два зонда, "Вояджер-1" и "Вояджер-2", были запущены в 1977 году и, совершив "Большое путешествие" по внешней Солнечной системе (посетив Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), покинули гелиосферу и вышли в межзвездное пространство, где продолжают свои исследования по сей день.
Во время своего путешествия оба "Вояджера" собрали огромное количество научных данных о наиболее удаленных от Земли планетах, но особенно об их спутниках. Это может показаться странным, но именно исследование спутников внешних планет привело к сенсационным открытиям, которые произвели революцию в наших знаниях о Солнечной системе.
Инструменты "Вояджера"
Два зонда были оснащены одними и теми же научными приборами и экспериментами. Это связано с тем, что наблюдения, которые они должны были сделать, были абсолютно одинаковыми, а также с тем фактом, что наличие двух одинаковых зондов позволило значительно ограничить затраты на и без того чрезвычайно дорогостоящую миссию. Еще одна причина дублирования аппаратуры заключалась в том, что второй зонд будет работать как резервный для первого в случае возникновения проблем. На борту было 10 научных инструментов, большинство из которых были посвящены изучению атмосфер и поверхности планет, например, две камеры, два спектрометра и фотополяриметрическая система (которая не работала на "Вояджере-1").
Другие приборы были посвящены изучению "космической погоды". Эти приборы регистрировали количество радиации и заряженных частиц в различных регионах Солнечной системы. Для этого использовались плазменный спектрометр, система низкоэнергетических заряженных частиц и система космических лучей. Эти инструменты оказались крайне важными, когда два зонда покинули Гелиопаузу и вышли в межзвездное пространство (в 2012 и 2018 годах, соответственно). В этом регионе, по сути, научные эксперименты, ответственные за сбор данных о космической погоде, дали им возможность впервые изучить характеристики пространства за пределами Солнечной системы.
Вулканические извержения на спутнике Ио
Во время облета системы Юпитера в 1979 году "Вояджер-1" раскрыл ученым секрет, что Ио, первый спутник Юпитера, скрывается в тени газового гиганта. На спутнике Ио наблюдалась чрезвычайная вулканическая активность, самая интенсивная во всей Солнечной системе. Изображения, сделанные двумя камерами высокого разрешения, открыли ученым мир относительно молодой поверхности, усеянной ямами странной формы, горами выше Эвереста и потоками вулканической лавы.
Вскоре после близкого пролета "Вояджера-1" инженер НАСА Линда Морабито заметила на одном из снимков, переданных зондом, шлейф, похожий на дым, выходящий из поверхности. Это открытие вызвало большое волнение у команды "Вояджера-1", и сразу же начались поиски новых доказательств. Анализ других фотографий спутника Юпитера позволил обнаружить в общей сложности девять шлейфов, рассеивающихся в атмосфере Ио на высоте до 300 км, что окончательно доказывает вулканическую активность спутника. Еще одним подтверждением нового открытия стали данные, полученные в ходе исследования тонкой атмосферы и поверхности спутника, которые, как выяснилось, состоят в основном из серы и диоксида серы — химических соединений, связанных с вулканическими явлениями.
Наблюдения "Вояджера-1" были подтверждены четыре месяца спустя, когда "Вояджер-2" также совершил близкий пролет над Ио, хотя и на большем расстоянии, чем первый зонд. Благодаря двум пролетам на небольшом расстоянии друг от друга, можно было также изучить эволюцию вулканической активности во времени. Поверхность Ио значительно изменилась за четыре месяца между двумя встречами. Во время второго пролета было отмечено, что только семь из девяти вулканов, обнаруженных первым зондом, все еще извергаются. Последующие исследования позволили предположить, что экстремальная геологическая активность Ио была вызвана приливным нагревом в результате трения, вызванного гравитационным напряжением Юпитера и других спутников.
Открытие стало еще более сенсационным, когда ученые поняли, что вулканическая активность на Ио оказывает влияние на всю систему Юпитера. Продукты вулканической деятельности, такие как сера, кислород и натрий, поднимаются на километры силой извержений и остаются во взвешенном состоянии в верхних слоях атмосферы. Оттуда эти частицы разрываются в результате взаимодействия с интенсивным магнитным полем Юпитера. Затем они располагаются вокруг системы Юпитера в виде ряда поясов, которые имеют важные последствия для магнитных полей и плазмы, окружающей систему газового гиганта.
Титан: сердце миссии
Одной из главных целей программы "Вояджер" было исследование Титана, самой большого спутника Сатурна. Большая часть миссии была посвящена исследованию этого массивного каменистого тела. Поэтому инженеры НАСА разработали траекторию "Вояджера-2" таким образом, чтобы его можно было модифицировать для замены "Вояджера-1", если он не сможет пролететь над Титаном. Причиной такого интереса стала его атмосфера. Титан - единственный в Солнечной системе спутник с плотной атмосферой, и снимки, сделанные несколькими годами ранее зондом "Пионер-1", выявили сложный состав, достойный изучения.
Пролет "Вояджера-1" прошел без проблем, но исследование Титана оказалось частично неудачным. Ни один прибор не смог проникнуть в плотные слои атмосферы для наблюдения за поверхностью, которая оставалась под большим вопросом. Тем не менее, были получены важные данные о составе самой атмосферы, которая, как выяснилось, состоит в основном из азота, как и земная, и усеяна облаками метана и этана. Плотность, температура и давление атмосферы также были изучены во время пролета, а масса была оценена путем оценки ее влияния на траекторию зонда.
Хотя "Вояджер-1" не смог непосредственно наблюдать поверхность Титана, скрытую за его плотной атмосферой, данные, собранные во время пролета, имели фундаментальное значение, поскольку позволили сформулировать гипотезы о возможном наличии углеводородных озер на поверхности. На основе этих предположений были заложены основы для другой исторической миссии - "Кассини-Гюйгенс", которая в 2005 году доставила на поверхность Титана посадочный аппарат. Эта миссия подтвердила гипотезы, основанные на данных "Вояджера-1", и Титан был признан единственным небесным телом в Солнечной системе (помимо Земли), способным постоянно поддерживать жидкие озера на своей поверхности.
Ледяные спутники: Европа и Тритон
Самые интересные спутники Солнечной системы, несомненно, ледяные спутники. На самом деле наличие водяного льда может стать важным ключом к поиску жизни за пределами Земли. Во время своего длительного марафона по Солнечной системе зонды "Вояджер" пролетели мимо двух замерзших тел: Европы и Тритона. Соответственно спутники Юпитера и Нептуна.
Первые изображения Европы с низким разрешением были получены в результате пролета "Вояджера-1" в 1979 году. Ученые столкнулись с коркой водяного льда, характеризующейся сложной сетью линейных полос. Сначала они думали, что это глубокие трещины, образовавшиеся в результате разлома земной коры или тектонических процессов. Когда вскоре после этого на Землю пришли снимки с более высоким разрешением, сделанные "Вояджером-2", ученые были шокированы, обнаружив отсутствие топографических особенностей, таких как горы или кратеры.
Это новое открытие позволило предположить, что на глубине нескольких километров под поверхностью кора была молодой и горячей, возможно, из-за тех же приливных явлений, которые лежат в основе вулканической активности Ио. Наблюдения "Вояджера" за Европой дали значительные указания на наличие океана жидкой воды под ледяной корой. Если эта гипотеза подтвердится, то Европа станет одним из лучших кандидатов для размещения внеземной жизни. В последующие годы это привело к созданию еще двух миссий для исследования спутников Юпитера: Galileo и Europa Clipper.
Путешествие к Урану и Нептуну
В то время как "Вояджер-1" после встречи с Титаном был выброшен в межзвездное пространство, второй зонд продолжил свое путешествие к окраинам Солнечной системы, посетив сначала Уран, а затем Нептун. Именно на последнем теле были проведены самые важные наблюдения, в частности, на его крупнейшей луне Тритон. По сей день "Вояджер-2" остается единственным зондом, который когда-либо посещал систему Нептуна, что делает его открытия абсолютно уникальными.
Тритон оказался одной из самых интересных спутников не только в системе Нептуна, но и во всей Солнечной системе. Это самое холодное тело, вращающееся вокруг Солнца, с температурой поверхности, измеренной "Вояджером-2", около -235 градусов Цельсия. Также были обнаружены свидетельства исключительной геологической истории, а снимки, сделанные камерой зонда, показали наличие извержений гейзеров, которые подняли замороженный азот и темную пыль на высоту до нескольких километров над полярной шапкой Тритона. Наблюдения также опровергли любые предположения об атмосфере Тритона, которая оказалась очень тонкой (около 800 километров) и чрезвычайно разреженной, вопреки теоретическим представлениям.
Что принесли открытия "Вояджера" и что они принесут в будущем
Программа "Вояджер" была одной из самых плодотворных программ в истории освоения космоса благодаря огромному количеству данных, которые она произвела, и широкому разнообразию тел, которые она посещала. Двойная миссия не только позволила получить информацию о небесных телах, о которых мы знали, но и открыть другие, о существовании которых даже не подозревали. Изучив данные и просмотрев бесчисленное количество сделанных фотографий, удалось идентифицировать множество других спутников. Среди новых спутников, каталогизированных благодаря данным "Вояджера", - Теба и Метис, вращающиеся вокруг Юпитера, а также Прометей, Пандора и Атлас вокруг Сатурна.
Благодаря двум зондам "Вояджер" знания о нашей Солнечной системе сделали огромный шаг вперед, но очевидно, что еще многое предстоит открыть и понять. И именно здесь необходимо отметить еще одну заслугу двух зондов НАСА: благодаря своему невероятному путешествию они дали возможность техникам и ученым заложить фундамент для последующих миссий с целевыми задачами, которые были построены таким образом, чтобы ответить на точные вопросы, возникшие во времена "Вояджеров". В качестве примера можно привести миссию Cassini Huygens, родившуюся из необходимости разгадать тайну поверхности Титана, или миссии Galileo и Europa Clipper, запущенные с конкретной задачей проверить наличие жидкого океана под поверхностью Европы.
Спустя годы после запуска данные, собранные "Вояджером", продолжают изучаться и обрабатываться, совершаются новые открытия, и, несомненно, этот инженерный шедевр будет и дальше вдохновлять будущие миссии в Солнечную систему.