Рассказ о 35 годах полёта двух исследовательских зондов

35 лет назад были запущены два зонда, целью которых было исследование гигантских планет нашей системы. «Вояджер-1» и «Вояджер-2» выполнили свои задачи, но работают до сих пор. За то время, пока они находятся в полёте, на Земле успело появиться несколько новых поколений, а эти аппараты, несущиеся на фантастических скоростях сквозь пространство, только приблизились ко границе Солнечной системы. Редактор ПостНауки Владислав Преображенский расспросил о них астронома, доктора физико-математических наук Леонида Васильевича Ксанфомалити.

Расскажите, пожалуйста, немного о зондах «Вояджер» и их миссии.

Аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были предназначены для полетов к планетам-гигантам, о которых на тот момент было известно очень мало. Этот пуск был одним из самых ярких космических экспериментов, что когда-либо выполняли люди. Аппараты были запущены в 1977 году, когда еще не существовало даже ПЗС, вместо которых использовались телевизионные трубки. Математическое обеспечение, заложенное в программу компьютера, тоже находилось на уровне почти сорокалетней давности, однако техника была очень тщательно отлажена. У американцев есть хорошая поговорка: «Не надо чинить то, что работает». И работало всё прекрасно, несмотря на то, какими несовершенными средствами это было сделано.

В 1979 году аппараты достигли Юпитера, в 80-81-м (они летели немного разными траекториями) Сатурна. Потом выполнялась программа, которая сначала не считалась обязательной, но аппараты были в хорошем состоянии и могли продолжать работу. В 1986-м году «Вояджер-2» достиг Урана, в 1989 – Нептуна. После этого аппараты направились за пределы Солнечной системы и сейчас приближаются к гелиопаузе (позже я объясню, что это такое).

У них были предшественники?

Перед «Вояджерами» полетели аппараты «Пионер» – они были на самом деле пионерскими. Эти зонды достигли Сатурна и передали оттуда снимки. Планеты-гиганты устроены совсем иначе, чем наша Земля. Все планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс – обладают большой плотностью. Для Земли это в среднем 5.5 г/см³, примерно такой же плотностью обладают Венера, Меркурий, немного меньше – 4 г/см³ – Марс. А вот планеты-гиганты очень неплотные. Скажем, у Сатурна плотность 0.6 г/см³ – по сравнению с водой в полтора раза меньше.

То есть они практически газообразны?

Они так называемые «газожидкие». Нельзя говорить о том, что это газ, потому что под гигантским давлением, которое там есть, водород, например, превращается в металл – уже на уровне 80% радиуса Юпитера.

Первое, что аппараты должны были сделать – это исследовать планеты-гиганты вблизи, узнать, каков спектр, в котором отражает солнечные лучи их облачный покров, из чего этот покров состоит. Была также поставлена очень интересная задача – магнитное поле. Это одна из фундаментальных характеристик планет. Кстати, магнитосферщики сейчас считают, что мы приближаемся к магнитной катастрофе.

Расскажите, пожалуйста, что это за катастрофа.

Континенты Земли продолжаются и под океаном. Это плиты, которые разъезжаются в разные стороны или сталкиваются друг с другом. В зависимости от того, куда они движутся, они оставляют те или иные следы. На дне Атлантического океана как раз посредине между Африкой и Америкой находится зона разлома, в которой все время расползается кора. Оттуда извергается горячая магма, которая, остывая, слегка намагничивается. По характеристикам этого намагничивания было установлено, что направление земных полюсов много раз менялось. То есть то устойчивое магнитное поле, которым нас защищает магнитосфера Земли от космических влияний, не постоянно.

С каким периодом оно меняется – сказать трудно, потому что это происходит хаотически. Во всяком случае, таких изменений уже были тысячи за историю Земли. Похоже, что и сейчас приближается пора смены полюсов. Процесс этот длительный, может идти несколько тысяч лет, пока Северный полюс не станет Южным, а Южный – Северным.

Почему вообще возникает это магнитное поле?

На этот счет, несмотря на то, что это кажется очевидной истиной, существует масса разных идей. Одно из парадоксальных явлений состоит в том, что Венера и Земля – планеты-сестры, но у Земли мощное поле (30000 нанотесла), а у Венеры поля нет вообще. Теоретики говорят, что это связано с токами в ядре. Так оно и есть, но это не единственная причина, и объяснять так просто не удается.

Что люди знали о магнитных полях Юпитера и Сатурна до полёта «Вояджеров»?

Было известно, что планеты-гиганты обладают мощными магнитными полями. Магнитосферы порождают магнитные шумы (наша Земля тоже сильно «шумит») в разных частях электромагнитного диапазона. В частности, такие шумы можно принимать с Юпитера. Они очень странные: структурированы, похожи на излучения частотно-модулированных радиостанций Земли. Во всяком случае, на длине волны 30 м вы можете принимать радиоизлучение Юпитера, если у вас есть хороший радиоприемник. По характеристикам этого излучения было определено, что, во-первых, поле достаточно мощное, во-вторых, что оно неравномерное, т.к. оно модулируется с периодом вращения Юпитера, а все планеты-гиганты вращаются с периодом примерно 10 часов: он остался со времён образования Солнечной системы. У Земли период сильно заторможен из-за Луны, хотя не все тут ясно. Еще менее понятно, куда делся момент вращения Венеры: год и сутки на ней примерно одно и то же.

А что нового о полях планет стало известно в результате миссии?

При сближении «Вояджеров» с Юпитером выяснилось, что у него много полюсов (потом то же явление было обнаружено на Сатурне, хотя в меньше степени). На Земле есть Северный и Южный, а там существует квадрупольная составляющая, октупольная и т.д. На мощное дипольное, центральное магнитное поле, накладывается еще множество других.

Какие ещё задачи стояли перед «Вояджерами»?

Было совершенно непонятно, как устроена атмосфера гигантов. Я уже говорил, что эти планеты обладают странными свойствами, и их можно назвать газожидкими только с определенной степенью условности. Гигантское давление есть и в центре Земли, при нём даже твердое вещество сжимается настолько, что плотность достигает 13 г/см³ (на поверхности 2.5 г/см³). У Юпитера ещё более чудовищное сжатие, и при нём не только в центре, но и на достаточно большом радиусе появляется фазовый переход, т.е. одно состояние вещества меняется на совершенно другое. Я описал это в своей книжке «Парад планет»: хорошо известные нам вещи выглядят совсем иначе. Например, мы привыкли к тому, что лед – это когда холодно, вода – когда тепло. Но, оказывается, при высоких давлениях лед может возникать при очень высоких температурах, и в некоторых слоях планет-гигантов присутствует вода в виде льда.

Потом, уже после исследования «Вояджеров» стало понятно, что Уран и в большей степени Нептун являются планетами-океанами (в учебниках до сих пор пишут, что они являются планетами-гигантами, а на самом деле гиганты – только Юпитер и Сатурн). Но это не значит, что можно прийти и поплавать в этом океане: в воде, которая составляет больше половины массы Урана и Нептуна, происходит фазовый переход. Мы привыкли к двум фазовым состояниям: льду и воде, а их десять – в зависимости от давления и температуры.

Далее, до полетов «Вояджеров» никому в голову не приходило, что с излучением планет могут быть быть связаны некоторые странные явления, например, планета излучает больше, чем получает.

А какое у планет обычное излучение?

Солнце посылает нам энергию в коротковолновом диапазоне – это видимый свет. Земля захватывает огромное количество этой энергии, и, так как Земля день ото дня и не разогревается, и не охлаждается, можно понять, что энергия куда-то уходит. А отправляется она обратно в космос, но излучается уже в инфракрасном диапазоне. Если Земля главным образом получает волны длиной около половины микрона, то излучает в диапазоне около 10 микрон. Человеческое тело тоже светит в десятимикронном (инфракрасном) диапазоне как 100-ваттная лампочка.

Можно было предположить, что планеты-гиганты точно так же захватывают энергию и излучают ее. Благодаря «Вояджерам» выяснилось, что нет: они излучают в два-два с половиной раза больше, чем получают. Как это может быть? Оказалось, что тепло, которое возникло когда-то при образовании планет-гигантов, до сих пор излучается, т.к. их масса огромна.

«Вояджеры» фотографировали эти планеты в видимом диапазоне?

Да, это было интересной задачей. Фотографии можно получить, если у вас хорошая камера, а камеры были построены на основе тогдашних телевизионных трубок, которые отбирали очень интересным образом. Вы замечали, наверное, что разные экземпляры одной и той же модели работают по-разному: одни лучше, другие хуже, третьи совсем не работают. Это всегда получается, потому что есть какие-то случайные факторы. И вот как отбирали телевизионные трубки для «Вояджеров»: сначала взяли 400 штук, включили все на полный режим работы и прогнали весь официальный срок. Подавляющее большинство сломалось, осталось немного. Их прогнали еще на один срок, а после третьего срока осталось всего четыре трубки. Вот их взяли, и они так и работали. И могут работать, по-видимому, до сих пор; правда, они давно выключены.

Как вообще устроены «Вояджеры»?

Если бы сейчас делали такие аппараты, их бы создавали целиком на основе полупроводниковой техники. Чтобы теперь организовать свою собственную радиостанцию, можно купить транзисторный блок, который работает на определенной частоте, зарегистрировать его, и он будет давать мощный сигнал, который мы можем излучать через антенну. Тогда не было таких устройств, и понадобилось построить передатчик на основе электронных вакуумных ламп. Это были длинные колбы, назывались они «лампами бегущей волны». Отбирали их по тому же самому принципу, что и телевизионные трубки.

Они очень сильно нагружены тем, что, когда работает передатчик, мощные токи генерируют частоту, которая направляется в модулятор, на неё накладывается сигнал, который нужно послать, и, наконец, через параболическую антенну он отправляется на Землю. Естественно, бесконечно долго работать такая деталь не может, и там был установлен автомат, который, когда лампа начинала «умирать», менял её на запасную. А ведь сегодня хорошо сделанные полупроводниковые устройства – например, часы – вы можете использовать всю жизнь, да еще передадите своему сыну, а он передаст внуку, потому что там в принципе нет ничего, что могло бы сломаться.

Полупроводниковая электроника на «Вояджерах» не использовалась?

Конечно, использовалась. Но сейчас электронные реле устройства базируются на полупроводниковой технике, а там использовались электромеханические реле. И вот они щёлкали… Была, например, интересная проблема, которая возникла с «Вояджером-2» – моим любимым аппаратом. «Вояджер-1» отснял Юпитер и Сатурн и ушел из Солнечной системы: в такую цену обошлось его сближение с одним из спутников Сатурна – Титаном; было решено пожертвовать дальнейшими исследованиями аппарата. А второй пошел дальше, к Урану и Нептуну.

Мы живем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. Это значит, что Солнце на каждый квадратный метр присылает нам полтора киловатта своей энергии. Но если вы уходите от Солнца дальше, становится темнее пропорционально квадрату расстояния. Когда аппараты приблизились к Юпитеру, не было проблем – сняли; Сатурн тоже сняли. А с Ураном возникли трудности. Чувствительность камер с этими самыми телевизионными трубками была значительно меньше, чем чувствительность современных ПЗС, и выяснилось, что для того, чтобы сфотографировать планету, не хватает света. Что было делать? Что бы вы сделали?

Если бы я фотографировал на Земле, то поставил бы фотоаппарат на штатив и подождал достаточно долго, чтобы накопить свет.

Т.е. увеличили бы экспозицию. Тогда тоже хотели бы увеличить экспозицию, но аппарат же несется с колоссальной скоростью! Каждый кадр потом обрабатывали и накладывали на другие. Но необходимо было, как вы говорите, «установить все на штативе», а переключения реле вызывали ничтожное, но все же смещение аппарата, и их нельзя было включать. Представляете? У Нептуна было еще сложнее: он в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и света там в 903 раза меньше. Это побольше, чем от Луны, но все-таки не слишком светло.

А как проходил сам полёт?

Вскоре после запуска возникли проблемы. Первый зонд как-то исправили, а второй на втором месяце полета перестал отвечать. Что с ним только ни делали – молчит, и все. Я думаю, что во многих странах (и у нас тоже) какой-нибудь «Главкосмос» сказал бы, мол, вот, потеря аппарата, и предъявил бы счет страховой компании. Американцы прекрасно понимали, что к чему, но продолжали настаивать на попытках оживить зонд. Я как раз был у них вскоре после того, как это произошло, и они мне очень ярко обо всём рассказывали. Они назначили большую премию тому, кто догадается, что случилось и как можно вернуть аппарат в строй (потом премию не выплатили, между прочим). Пошел вал предложений, что можно попробовать. Пробовали одно, другое, третье, четвертое…

И какой нашли выход?

Вы обращали внимание, что с ручной настройкой приёмника можно не очень точно настраиваться на станцию? Это происходит благодаря захвату частоты, системе её автоподстройки. Все современные радиоприемники – это супергетеродины, там есть внутренний генератор частоты. И вот, когда вы приближаетесь к нужной волне, система начинает чувствовать, что станция принимается, но она немного не там, где надо, и гетеродин подстраивается так, чтобы разность сигналов на выходе в электронной схеме давала ноль. Иными словами, в приемнике меняется собственная частота: то, что вы не докрутили собственной рукой, делает электроника.

Но одно дело, если вы это делаете у себя на кухне, а другое, если в космосе. Во-первых, скорость аппарата колоссальна, в частоте возникают доплеровские сдвиги. Второе: радиоприемник стоит у нас на Земле, а Земля вращается относительно аппарата, и также происходит сдвиг частоты. На пути распространения сигнала стоит наша земная атмосфера со своей ионосферой, которая тоже вносит искажения. Короче говоря, если бы не было подстройки частоты, аппарат бы не работал. Вот кто-то и подумал, что, может быть, он не отвечает, потому что отказала подстройка частоты, и предположил, что на какой-то частоте он еще работает. Стали посылать сигналы постепенно меняющейся частоты, и на одной из частот аппарат ответил. После этого была создана команда, которая умела рассчитывать частоту, потому что зонд уже не мог сам подстраиваться. 13 лет им управляли вот таким методом, но иногда аппарат все же уходил куда-то сам по себе. Старели какие-то элементы, температура менялась… И у американцев была команда старичков-корифеев, которые «нутром чувствовали», куда ушел аппарат.

А откуда «Вояджеры» берут энергию?

Они были оснащены генераторами на радиоактивных изотопах – это по существу что-то вроде печки, которая благодаря распаду радиоактивных изотопов нагревает один из спаев термопары. Второй спай прислонен к радиатору, который обращен в космос. Там очень холодно: температура 3 абсолютных градуса, и на этой разности генераторы вырабатывают необходимую энергию. Процесс этот, естественно, не вечный, потому что расходование радиоактивного материала определяется временем его полураспада. Вначале каждый зонд имел по полкиловатта энергии, и они уходили не только на передатчик, но также на научные приборы, управление аппаратом и обогрев. Сейчас, я думаю, осталось не более 25%, может быть, даже 20%. Уже когда аппарат подошел к орбите Нептуна, энергию пришлось экономить. Постепенно отключали все больше и больше приборов, и сейчас там проводится разве что измерение полей и плотности заряженных частиц, которые окружают зонд.

Но эти приборы продолжают работать на обоих аппаратах?

Да, на обоих. Любопытно, что полет «Вояджеров» недавно вызвал большой переполох у научной общественности. Дело было в том, что аппараты оказались немного не там, где ожидалось. Похоже – эти данные вроде бы подтверждаются, – что есть какой-то очень слабый фактор, который чуть-чуть влияет на их движение. Высказывались разные предположения: может быть, это влияние темной материи, которая сосредоточена вокруг Солнца, может, еще что-то. Это небольшое отклонение от теоретического предсказания положения аппарата, и регистрируется оно на грани обнаружимости, поэтому трудно сказать точно.

Вообще информация поступает с аппаратов в ограниченном объёме и замедленном темпе. Уже когда «Вояджер-2» приближался к Урану, а потом к Нептуну, были придуманы новые программы, которые позволяли передать намного больше информации, чем можно было ожидать. Но возникла дилемма. Математики говорят: «Давайте перепрограммируем бортовое устройство!». Им отвечают: «А если вы все испортите? Тогда вообще ничего не получим!» В общем, смелость победила. В последние часы перед сближением с Ураном послали новые программы, которые были записаны в компьютер. Причем в самый последний момент выяснилось, что одна из ячеек в памяти не работает. Что было делать? Программу перевернули так, чтобы эта ячейка, которая была «нулём», стала «единицей».

А самое яркое впечатление от этой миссии – это использование так называемых «гравитационных маневров». Вы когда-нибудь слышали об этом?

Да, гравитационные поля планет используются для того, чтобы ускорить или замедлить аппарат.

Если нарисовать векторную диаграмму, как что и куда движется, можно понять, что при обмене моментами с планетой можно добиться как бы ускорения движения аппарата (на самом деле он просто меняет свое направление). А предложил это когда-то один из студентов НАСА. Вначале ему сказали, что это чушь, но потом стали вникать в суть идеи и выяснили, что в природе гравитационные маневры используются очень широко. Кометы в своем движении, случайно сближаясь с планетами, то ускоряют свое движение, то замедляют. Кстати, единственное тело, которое недостижимо в Солнечной системе без гравитационных маневров – близкое Солнце. По простой причине: Земля движется по своей орбите со скоростью 30 км/сек. Если вы хотите попасть на Солнце, вы должны просто остановиться, но нет таких средств, которые сообщили бы аппарату скорость минус 30 км/сек. Сейчас на орбите у Меркурия работает аппарат «Мессенджер», и понадобилась масса гравитационных маневров, чтобы как-то погасить скорость. «Вояджер-2» достиг Нептуна в 1989 г. Если бы не гравитационные маневры, он бы летел в три раза дольше.

Расскажите, что с «Вояджерами» сейчас. Вы сказали, что они подходят к гелиопаузе – что это такое?

Солнце живет в своем собственном мире. В этот мир входят планеты и окружающее пространство, в котором оно является властелином и хозяином поведения частиц и полей. Солнце выбрасывает большое количество материи; временами возникают магнитные бури – это Солнце дышит и посылает мощный заряд частиц – иногда очень большой массы, – который проходит мимо Земли, а иногда пересекает её путь. Это одна из иллюстраций, как Солнце управляет всем окружающим пространством.

На окраине Солнечной системы давление, которое создает это влияние Солнца, все еще остается достаточно большим. Из галактики к нам приходят какие-то другие частицы, волны – и на каком-то уровне они сравниваются с влиянием Солнца. Там и расположена гелиопауза. Границу Солнечной системы можно определить по тому, что влияние Солнца и внешней среды будет одинаково. Ещё два года назад были предположения, что один из аппаратов уже начал ее пересекать, потом высказывались сомнения на этот счет. Так или иначе, «Вояджеры» находятся вблизи этой границы.

Сейчас они удалились от нас на расстояние нескольких радиусов орбиты Нептуна. Солнце оттуда видно как просто очень яркая звезда.