За поясом астероидов
Исследования внешних планет Солнечной системы велись исключительно NASA и начались 2 марта 1972 года с запуска американской автоматической межпланетной станции (АМС) «Пионер-10» весом в 259 килограмм. 4 декабря 1973 года станция пролетела возле Юпитера на расстоянии 132 000 км. Брат-близнец той станции «Пионер-11» стартовал 6 апреля 1973 года, приблизился к Юпитеру 2 декабря 1974 года на расстояние 43 000 км и отправился к Сатурну, мимо которого промчался 31 июля 1979 года на расстоянии 20 600 км от облачного слоя.
АМС «Пионер-10»
Сравнительно простые и легкие «Пионер-10» и «Пионер-11» доставили немало научной информации и доказали, что пыль в поясе астероидов не представляет опасности для космических аппаратов. Тем самым они проложили дорогу более совершенным и тяжелым аппаратам «Вояджер». Первый «Вояджер» весом в 825 кг стартовал 5 сентября 1977 года, достиг Юпитера 5 марта 1979 года и Сатурна — 12 ноября 1980 года. Его близнец «Вояджер-2» вылетел раньше — 20 августа 1977 года, но прилетел к Юпитеру лишь 9 июля 1979 года, а к Сатурну — через четыре года, приблизившись к его поверхности на 101 000 км.
«Вояджеры» отправили на Землю ошеломляющее количество информации, включая десятки тысяч фотографий хорошего разрешения. В 1981 году я закончил университет и на 15 лет окунулся в море космических данных, присланных «Вояджерами». Сильнее всего впечатляли фотографии сатурнианских колец, которые показали их расслоенность на более узкие колечки с масштабом от одного километра до тысячи. Это был совершенно неожиданный феномен. Впрочем, как позже выяснилось, его предсказывал еще Иммануил Кант», — вспоминает ведущий аналитик компании «Science Systems and Applications» Николай Горькавый.
АМС «Вояджер»
«Вояджер-2» сумел выдержать многолетнее путешествие настолько хорошо, что его направили к Урану, возле которого он проследовал 24 января 1986 года на расстоянии 81500 км. Потом аппарат отправился к Нептуну, куда прибыл 25 августа 1989 года, скользнув над нептунианскими облаками на высоте всего 4951 км. Системы Урана и Нептуна давно интриговали ученых своими загадочными кольцами: у Урана еще в 1977 году было открыто 9 узких колец, стабильность и расположение которых были непонятны. А у Нептуна кольца вовсе оказались разорванными, что казалось немыслимым с точки зрения небесной механики. «Вояджеры» исследовали системы всех четырех планет-гигантов, открыв целый ряд новых спутников, разреженное кольцо Юпитера и арки Нептуна, серный вулканизм на юпитерианском спутнике «Ио», а также получив прекрасные фотографии самих планет и их крупных спутников, включая Титан с густой атмосферой и Тритон с азотными гейзерами. Оба аппарата до сих пор функционируют, исследуя межзвездное пространство.
«Вояджеры» навсегда останутся в истории планетологии как самый успешный космический проект. Им на смену 18 октября 1989 года в зону внешних планет отправился «Галилео» — огромный аппарат весом в 2560 кг, который спустя шесть лет вышел на орбиту Юпитера, сбросив в его атмосферу спускаемый аппарат. Он проработал возле Юпитера до 2003 года и сгорел в юпитерианской атмосфере», — продолжает Николай Горькавый.
Космический аппарат «Кассини» в помещении Лаборатории реактивного движения НАСА
15 октября 1997 года к Сатурну был отправлен «Кассини», который вышел на орбиту Сатурна через семь лет. Посадочный зонд «Гюйгенс», построенный Европейским космическим агентством, отделился от «Кассини» и сел на Титан 14 января 2005 года, получив первые фотографии поверхности Титана, скрытой от внешних наблюдателей плотной атмосферой. «Кассини» проработал возле Сатурна, изучая его кольца и спутники, до сентября прошлого года, после чего закончил свою миссию, войдя в атмосферу.
Иллюстрация приближения «Новых горизонтов» к 2014 MU69. Источник: NASA
Структура атмосферы Титана
Иллюстрация космического аппарата НАСА «Juno»
5 августа 2011 года к Юпитеру отправился аппарат «Juno» («Юнона»), который в 2016 году вышел на орбиту вокруг самой большой планеты Солнечной системы и до сих пор продолжает работать. Фактически это первая за много лет миссия, которая целиком посвящена Юпитеру, а не системе его спутников.
Есть еще один объект, миссии к которому постоянно прорабатываются и обсуждаются, — Титан. На этом спутнике Сатурна размером примерно с Луну чрезвычайно интересная климатическая система: очень плотная азотная атмосфера, метановые озера и дожди, органическая дымка очень сложного химического состава. Это первый объект в зоне планет-гигантов, на который была совершена мягкая посадка — ESA в сотрудничестве с NASA посадили зонд «Гюйгенс» больше десяти лет назад.
По следам Войны миров
«Среди миссий текущего десятилетия в первую очередь приходят на ум направленные на исследование Марса. Эта беспрецедентная эпопея началась в конце 80-х годов с пары неудачных запусков. В начале 90-х был утерян американский «Mars Observer». В 1996-м потерпел неудачу «Марс-96» — первая попытка постсоветской России и последний проект, сделанный еще в СССР. Был перерыв, после чего началась эпоха современного исследования Марса, которая на наших глазах заканчивается. За это время около полутора десятков аппаратов было запущено к Марсу. Стоит отметить миссию «Марс-Экспресс». Российские ученые были идеологами проекта. Это фактически была реинкарнация миссии «Марс-96» на новом борту, но с очень схожими научными задачами», — рассказывает руководитель лаборатории прикладной ИК-спектроскопии МФТИ Александр Родин.
Миссия «Марс-Экспресс»
Иллюстрация аппарата «Марс-96»
На аппарате «Марс-96» стояло несколько европейских приборов, и их руководители, огорченные неудачей запуска, попытались убедить ESA организовать другую миссию к Марсу, сохранив научную основу «Марс-96». Эта идея воплотилась в проект «Марс-экспресс», который в 1997 году был принят Европейским космическим агентством, и в 2003 году аппарат уже был готов и стартовал с Байконура.Научные задачи этой миссии перекрывали едва ли не все возможные области исследования: от поверхности до самых высоких слоев атмосферы. Это один из последних аппаратов, которые не фокусируется на какой-то определенной научной задаче.
«На «Марс-экспресс» был установлен «Beagle-2» — посадочный аппарат с достаточно простой научной нагрузкой, однако это была первая попытка Европы произвести посадку на поверхность Марса. Она была неудачной: связь с аппаратом была потеряна, и никто не знал, что произошло, потому что в процессе спуска не было никакой телеметрической информации. Недавно американскому аппарату с камерой высокого разрешения удалось найти «Beagle-2» на снимках. И похоже, что он почти достиг цели: аппарат приземлился, но у него не открылись солнечные батареи», — вспоминает Project Scientist миссии «Марс-экспресс», выпускник МФТИ Дмитрий Титов.
В то же время орбитальный модуль «Марс-экспресса» уже в течение 15 лет успешно работает. Один оборот вокруг Марса занимает у него около 7 часов. Он исследует марсианскую поверхность, для чего на него установлена камера с разрешением порядка 10 метров с возможностью картировать в цвете и получать стереоизображение. Это очень важно для исследования топографии поверхности. Также на орбитере есть инструмент, который позволяет получить распределение различных минералов по поверхности Марса: глин, гипса, базальтов.
«На орбитальном модуле стоит спектроскопический комплекс для исследования атмосферы: изучения газовых составляющих, пыли, аэрозолей, ледяных облаков, — рассказывает Дмитрий Титов, — Эти приборы работают в надир, то есть могут смотреть непосредственно на планету под космическим аппаратом. Также они проводят и затменные наблюдения: прибор смотрит на солнце, лучи заходящего солнца проходят через слои атмосферы на разных высотах, и фактически мы получаем высотный профиль того или иного параметра. Это может быть и плотность атмосферы, и содержание водяного пара, и высотное распределение пыли, и что-то другое».
Поверхность Марса
Еще один прибор, стоящий на орбитере — радар, который может как зондировать верхние слои марсианского грунта, так и определять плотность электронов в ионосфере. Плазменный комплекс дает возможность исследовать ионы и электроны, которые находятся в верхней атмосфере, что помогает определить, какой материал планета теряет, в каком количестве и в каких местах. И когда все эти данные обрабатываются, получается довольно большая статистика, благодаря которой можно уже заглянуть в прошлое планеты. Например, ответить на вопрос о том, как много воды потерял Марс за свою историю.
Согласно полученным данным примерно 4 миллиарда лет назад Марс был достаточно влажным, потом постепенно происходило замерзание. Об этом говорят обнаруженные гидратированные минералы, которые могли образоваться только при наличии воды на поверхности красной планеты. Наличие сульфатов означает, что были эпизоды вулканической активности, в ходе которой вулканы выбрасывали серу, которая оседала из-за дождей и попадала в грунт. Постепенно Марс становился все более сухим и холодным. Последние 2,5 миллиарда лет поверхность планеты представляет собой сухую пустыню, модифицируемую ветрами и окислением присутствующего железа.
Таким образом, первое достижение миссии «Марс-экспресс» — формирование новой картины эволюции планеты. Второе — исследование климатологии Марса: то, как год от года меняются условия в атмосфере. Это эволюция температур и эволюция содержания пыли в атмосфере, циклы водяного пара и циклы озона. Поскольку орбитер работает уже 15 лет, он проводит один из самых длительных непрерывных наблюдательных циклов с орбиты. Благодаря этому можно проследить годичные изменения в разных климатических параметрах на планете. Еще одно достижение — плазменные наблюдения верхней атмосферы. 15 лет — это больше, чем солнечный цикл, который длится около 11 лет. Все процессы в верхней атмосфере очень сильно зависят от активности солнца. И продолжительность наблюдений «Марс-экспресса» очень важна для понимания того, каким образом верхняя атмосфера планеты реагирует на изменение количества солнечных пятен, магнитные бури и корональные выбросы массы.
«Космический аппарат находится по-прежнему в хорошей форме. И сейчас мы работаем над разработкой научных задач на следующие два года. Миссия уже продлена до конца 20-го года, но мы будем обсуждать ее продление и до конца 22-го года. Это нужно для того, чтобы побольше поработать с «Trace Gas Orbiter» миссии «ЭкзоМарс» и с американской миссией «MAVEN» по исследованию верхней атмосферы», — делится планами Дмитрий Титов.
Иллюстрация орбитального аппарата миссии «Марс-экспресс»
Русская планета. Миссия «Венера-Экспресс»
«Следует также отметить миссию «Венера-Экспресс». Это запасной аппарат, идентичный тому, который был отправлен к Марсу в рамках миссии «Марс-Экспресс». Бережливые европейцы, вместо того чтобы поставить его в музей, объявили конкурс — искали этому запасному аппарату еще какое-то применение. Было несколько самых разных предложений — от исследования околосолнечной плазмы до астрофизических задач. Выиграла группа, идеологом которой был Дмитрий Титов и поддержавшие его европейские специалисты. Они убедили ESA, что эта миссия может быть похожа на миссию «Марс-Экспресс», — говорит Александр Родин.
Иллюстрация аппарата «Венера-Экспресс»
Перспектива венерианской поверхности
У аппарата укоротили в два раза солнечные панели, потому что Венера ближе к Солнцу, и сменили обшивку, чтобы он меньше грелся. В результате получилась очень продуктивная миссия, которая впервые за 20 лет позволила получить принципиально новые данные о Венере.
«Венера-экспресс» оказался самым быстрым проектом в ESA: от момента принятия решения до запуска с Байконура прошло всего 4 года. Основными задачами миссии было исследование динамики и состава атмосферы, как подоблачной, так и надоблачной, а также исследование температурной структуры. Мы сделали небольшую камеру, которая в определенном спектральном интервале видела поверхность и подоблачную атмосферу ниже 50 км. Хотели провести еще и подповерхностное зондирование Венеры, но по разным причинам этого сделать не удалось», — рассказывает Дмитрий Титов.
Аппарат работал с 2006 года по 2015 год. За это время была исследована мезосфера: газовый состав, высотные профили, важные для построения химических моделей. Изучена морфология облачного слоя. Проведено плазменное наблюдение убегающих газов. До этой миссии бытовало сложившееся представление, что магнитное поле, которое на Земле достаточно сильное, оберегает нашу планету от солнечного воздействия и от интенсивной потери атмосферы под действием Солнца. Данные по убеганию вещества из атмосферы натолкнули исследователей на один вопрос.
«Когда мы начали измерять убегание газов из атмосферы Венеры, — а Венера не обладает магнитным полем, и атмосфера напрямую атакуется солнечным ветром, — с удивлением увидели, что эта планета теряет меньше вещества, чем Земля. Получается, что Земля, которая обладает магнитным полем, теряет больше вещества, чем Венера, которая такая же по массе, такая же по размеру, но не обладающая магнитным полем», — продолжает рассказ Дмитрий Титов.
Панорама поверхности, снятая аппаратом «Венера-13»
Остались и неразгаданные загадки. Например, неизвестный ультрафиолетовый поглотитель. В ходе миссии было получено его распределение, исследовано его поведение, но понять химическую природу этого вещества не удалось.
«Мы хотим понять эволюцию планеты. Мы видим убегание водорода и убегание дейтерия. По-видимому, раньше эти процессы должны были быть гораздо более интенсивными. На Земле океан — в среднем приблизительно трехкилометровая толща. А на Венере, если взять всю воду, собрать ее из атмосферы, мы наберем от силы несколько сантиметров. Это означает, что огромное количество воды было потеряно. Каким образом? Земля смогла сформировать большое количество жидкой воды на своей поверхности просто потому, что она была чуть дальше от Солнца. Из-за этого вся вода находилась близко к поверхности планеты и далеко от зоны убегания, то есть верхней атмосферы. Венера, по-видимому, была по другую сторону от границы, где жидкая вода еще может существовать у поверхности. Поэтому произошли два взаимосвязанных процесса», — комментирует Дмитрий Титов.
Старт ракеты-носителя с аппаратом «Акацуки» на борту
«Венера-Экспресс» — не единственная миссия к Венере последних лет. Успешно отработала японская миссия «Акацуки». Японцы в этом смысле настоящие самураи: произошла ошибка навигации аппарата, после чего его годами аккуратно возвращали на орбиту, где он мог работать и получать очень интересные данные. «Акацуки» — довольно простой аппарат, но его орбита позволяет охватывать планету в целом. Для получения глобальной картины климатической системы планеты эта миссия оказалась интересной и продуктивной», — считает Александр Родин.
Атмосфера Венеры в УФ-диапазоне
Вся вода на Венере оказалась в атмосфере, из-за чего она была всегда очень близко к уровню убегания. Солнечный ветер сдувал эту воду из верхней атмосферы. И, как представляется, несколько миллиардов лет назад большое количество воды было потеряно, Венера фактически высохла. К тому же из-за отсутствия жидкой воды на поверхности планеты углекислый газ (СО2) не смог уйти в осадочные породы. То есть, грубо говоря, вся двуокись углерода, которая была получена планетой при формировании, так и осталась в атмосфере. СО2 — очень сильный парниковый газ, поэтому поверхность Венеры разогрелась до высоких температур и не смогла остыть.
Во глубине планетных недр
На сегодняшний день про недра планет Солнечной системы из-за нехватки экспериментальных данных известно очень мало. Сейсмические методы — единственные прямые методы, которые позволяют определить, что происходит внутри планеты. Такие эксперименты проводились на Луне и на Марсе, но практически безуспешно. Поэтому ученые вынуждены полагаться либо на теоретические модели, либо на какие-то внешние проявления внутренней структуры.
За последние годы был сделан гигантский рывок — теоретики научились, напрямую решая уравнения квантовой механики, рассчитывать свойства вещества при гигантских давлениях и крайне трудно реализуемых в эксперименте условиях, которые существуют в недрах планет. Важную роль в этом прорыве сыграла лаборатория компьютерного дизайна материалов МФТИ Артема Оганова.
Сегодня у ученых вызывают большой интерес планеты-гиганты, которые состоят из водорода и гелия в жидком состоянии (Юпитер и Сатурн) или же из смеси воды, метана и аммиака (Нептун и Уран).
«Химия Нептуна и Урана очень сложная. Что там происходит, не совсем понятно. До сих пор люди пытаются выяснить, почему Нептун излучает гораздо больше тепла, чем получает от Солнца. Превалирующей является гипотеза о том, что под давлением метан распадается с образованием алмазов и водорода. Алмазы, опускаясь в жидкие недра Нептуна, за счет превращения потенциальной энергии в тепловую, его разогревают. Это очень красивая и интересная гипотеза: огромное количество алмаза, тонущее в глубинах планеты. И если бы Нептун состоял только из метана, то так оно и должно было бы быть, но поскольку там большое количество воды и аммиака, ситуация может оказаться сложнее», — рассказывает Артем Оганов.
В случае Юпитера и Сатурна тоже имеется парадокс, связанный с тепловым потоком: на Сатурне он аномально большой, на Юпитере этот эффект выражен менее ярко, но тоже есть. Превалирующая точка зрения сейчас такова, что при высоких давлениях и температурах смесь водорода и гелия, из которой состоят эти планеты, становится несмесимой, от нее отделяется гелий в виде более тяжелых капель, которые падают в глубь планеты. И этот процесс опять же переводит гравитационную энергию в тепловую.
***
«Сегодня науки о планетах — очень живая и актуальная область геофизики. Фактически мы научились рассматривать Землю в контексте окружающих нас планет. Исследование объектов Солнечной системы приводит ко все новым результатам по мере появления новых технологических возможностей. Так, за последние 20 лет не было момента, когда на Марсе не работал ни один космический аппарат. Можно с полным основанием говорить, что Марс активно осваивается роботами. Думаю, что со всем нашим ближайшим космическим окружением рано или поздно это произойдет. Очень хотелось бы, чтобы наша страна и Физтех принимали в этом процессе достойное участие», — заключает Александр Родин.
