Внешняя Солнечная система ждет. Но как мы будем до нее добираться?

Через год с небольшим начнется новое десятилетие, а вместе с ним откроется совершенно новый поток идей для миссий NASA, некоторых поближе — вроде Марса, некоторых подальше. Некоторых совсем далеких. Отдельные люди рассчитывают, что для нас откроется эпоха роботизированных путешествий в миры, которые находятся не просто в миллионах — в миллиардах километров от нас. Среди них Уран и Нептун (планеты, которые мы посещали в 1986 и 1989 годах, соответственно), а также сотни ледяных тел за пределами области, известной как пояс Койпера.

Пояс Койпера — дом для Плутона и тысяч других миров различных размеров. Большинство тел там состоят из строительных блоков нашей Солнечной системы, давным-давно отконвоированных в далекие обледенелые края. Посещение пояса Койпера может открыть нам подсказки к вопросам, как сформировалась наша планета и ее соседи, почему здесь так много воды и другим загадкам.

На границах Солнечной системы

Уран и Нептун также хранят много загадок сами по себе. Чем больше мы узнаем о планетарных системах, тем чаще мы видим, что большинство миров не такие большие, как Юпитер, и не такие маленькие, как Земля. Многие из них, как правило, по размерам близки к Урану и Нептуну, «ледяным гигантам», которые получили название за экзотическое состояние водяного льда, который лежит глубоко под облачными слоями. Изучение Урана и Нептуна не только поможет нам понять планеты нашей Солнечной системы — оно поможет нам понять планеты, которые вращаются вокруг других звезд.

Многие из этих миссий зависят от времени. Предстоящее Decadal Survey — «десятилетний обзор» NASA, когда агентство отправлять космические аппараты в 2020-х и 2030-х годах — может создать или разрушить эти далеко идущие планы по освоению внешней Солнечной системы.

Decadal Survey: как будет проходить десятилетний обзор

Начиная с 2020 года группа из Национальной академии наук (при участии нескольких заинтересованных сторон из космического сообщества) будет собираться и составлять список приоритетных целей для исследования. Ученые будут предлагать свои варианты в виде прописанных рекомендаций, известных как «white papers» (читай: технический документ).

Из этих рекомендаций возникнет общий консенсус относительно того, какими должны быть приоритетные задачи. Эти цели служат в качестве ориентиров для предложений миссий среднего класса в категории New Frontiers (New Horizons и Juno были в этой категории). NASA сначала собирает список предложенных миссий, а затем сужает их постепенно до одного-двух финалистов. Как только финалист получает зеленый свет, команда, стоящая за ним, может начать планирование и конструирование — и на это уходят годы.

Все это может затруднить попадание в конкретное окно, в которое можно будет исследовать Уран или Нептун, а также заглянуть к объекту из пояса Койпера. Вот почему точные графики составлять рискованно.

Посещение ледяного гиганта

Одна из групп, в частности, рассмотрела вариант миссии посещения Урана и Нептуна одновременно. Последняя итерация включает облет Урана и выход на орбиту Нептуна. Под руководством Марка Хофштадтера и Эми Саймон, ученые планируют заглянуть на другую сторону Урана, отличную от той, которую «Вояджер-2» наблюдал в 1986 году, и изучить Нептун и его крупнейший спутник Тритон. Тритон вращается задом наперед, что может быть связано с тем, что он когда-то был крупнейший объектом пояса Койпера — до того, как Нептун притянул Тритон к себе, выбросив множество своих исходных спутников.

Саймон говорит, что эти миссии должны быть развернуты в течение 15 лет, включая время в пути и в исследованиях. Это связано с тем, как долго отдельные части аппарата могут сохраняться в космосе с относительной уверенностью. В то время как космический аппарат может прожить и дольше, 15 лет — это минимум, в ходе которого можно быть уверенным, что миссия выполнит свои научные задачи в полной мере Но как сделать так, чтобы путешествие не истратило слишком много ресурсов в актуальной фазе исследования? Один из способов разогнать космический аппарат — использовать гравитационную силу планеты для разгона.

«Обычно, чтобы добраться туда меньше чем за 12 лет, прибегают к облетам планет, как правило, включая Землю и Венеру», говорит Саймон. В таких сценариях вы погружаетесь в гравитационный колодец планеты, надеясь на эффект рогатки, который разгонит ваш аппарат и сэкономит максимум топлива. «Лучшие из вариантов используют также Юпитер, поскольку он самый массивный и может сильно разогнать космический аппарат».

«Новые горизонты», например, использовал помощь Юпитера для достижения Плутона. «Кассини» использовал четыре отдельных облета для разгона при помощи Сатурна после запуска с Земли, получения разгона от Венеры дважды, возвращения на Землю и, наконец, окончательного прыжка с Юпитера.

Саймон говорит, что для того, чтобы добраться до Урана в сжатый срок, можно было бы использовать облет Сатурна — например, в окно между 2024 и 2028 годом, чтобы поймать газовый гигант в нужном месте на его 29-летней орбите. Такая миссия потребует быстрого соображения по меркам NASA — обычно миссии планируются десять лет перед запуском, затем планируются, конструируются и запускаются в течение пяти лет — так что придется рассчитывать уже на следующее окно, облет Юпитера в период с 2029 по 2032 год, с последующим выходом к Нептуну. Следующий шанс появится не раньше, чем через десять лет.

Миссия на Уран может использовать традиционные топливо и двигатели, чтобы добраться до точек разгона побыстрее — будь то ракета Atlas V или Delta IV Heavy. Но из-за того, что Нептун находится так далеко и точная траектория не выстраивается так идеально, как хотелось бы, миссия на эту планету будет полагаться на Space Launch System, ракеты NASA следующего поколения с увеличенной грузоподъемностью (а она еще даже не летала). Если она не будет готова вовремя, нам придется полагаться на другую технологию следующего поколения: солнечную электротягу, которая задействует солнечную энергию для зажигания ионизированного газа для ускорения движения транспортного средства. До сих пор она использовалась только на космическом аппарате Dawn в миссиях на Весту и Цереру и в двух миссиях к небольшим астероидам.

«Даже в случае с солнечным электричеством все еще нужны химические двигатели, на случай, если солнечная энергия перестанет быть эффективной, а также для торможения на орбите», говорит Саймон.

Таким образом, график достаточно плотный. Но если мы будем двигаться активней, обе эти миссии могут послужить другой цели: добраться до неизведанных миров пояса Койпера.

Большая неизвестность

Другая работа, написанная тремя участниками команды «Новых горизонтов», рассматривает возможности возвращения к поясу Койпера после успешной прогулки зонда к Плутону. «Мы увидели, насколько это было интересно, и захотели узнать, что там есть еще», говорит Тиффани Финли, главный инженер Юго-Западного научно-исследовательского института (SWRI) и соавтор статьи, опубликованной в Journal of Spacecraft and Rockets.

Пояс Койпера содержит ледяные остатки, оставшиеся от образования Солнечной системы, а объекты в нем включают колоссальное множество различных материалов. Плутон, например, чуть больше Эриды. Но Плутон состоит из льда, поэтому он имеет меньшую массу. Эрида состоит из пород по большей части, поэтому она более плотная. Некоторые миры, по всей видимости, состоят из метана, в то время как другие содержат много аммиака. Где-то на задворках нашей Солнечной системы есть множество карликовых планет и небольших миров, которые хранят ключевые моменты для нашего понимания того, как появляются планеты — и могут ли другие планетарные системы быть похожими на нашу.

Ученые использовали узкие ограничения: они ограничили миссию 25-летним сроком и рассмотрели 45 ярчайших объектов пояса Койпера, сравнив их относительно различных сценариев планетарных облетов. Юпитер, как не удивительно, открыл большую часть целей в списке. Но окно Юпитера открывается раз в 12 лет, что делает миссии с его участием зависящими от времени. Простые облеты Сатурна предоставляют вполне неплохой список целей из пояса Койпера.

Но когда вы ставите эти миры в пару с Ураном или Нептуном, вы получаете шанс обнаружить новые факты о наших загадочных, самых далеких планетах и даже некоторых карликовых планетах одним махом.

Добраться до этих миров поможет эффект рогатки, сперва от Юпитера, а затем и от другой планеты. Каждая из этих планет выравнивается в линию с Юпитером в узком окне в 2030-х годах, и аккуратно укладывается в разные части этого десятилетия. Например, чтобы перейти к списку миров на пути с Нептуном, нужно добраться до Юпитера в начале 2030-х годов, а добраться до пояса Койпера через Уран потребует запуска в середине 2030-х годов. Юпитер и Сатурн выравниваются как раз для «рогатки» в пояс Койпера в конце 2030-х.

Список целей сулит много интересных возможностей. Варуна, продолговатый мир, который обрел такую форму из-за быстрой скорости вращения, прекрасно подходит для облета Юпитера-Урана. Нептун, как уже упоминалось, дает возможность взглянуть на Эриду. Миссия через Юпитер-Сатурн позволит наблюдать Седну, большую карликовую планету с орбитой, которая может указать путь к еще не открытой десятой планете. Юпитер-Сатурн позволят сделать остановочку у одной из самых интересных карликовых планет: Хаумеа.

Подобно Варуне, Хаумеа отличается яйцевидной формой, в то время как большинство крупных карликовых планет пояса Койпера обычно круглые. Но Хаумеа получила такую форму из-за древнего столкновения, которое подарило ей две луны, систему колец и хвост из мусора. Когда астероиды обладают схожим составом, их называют «семейством столкновения». Хаумеа произвела единственное известное семейство столкновений в поясе Койпера.

«Хаумеа, конечно, самый крутой объект. Все хотят на Хаумеа», говорят ученые.

Что бы мы ни выбрали, времени у нас будет не так много. Поэтому, если мы хотим увидеть кольца Хаумеа или даже красный, инопланетный свет Седны, работу нужно начинать уже в ближайшее время. Эти миры настолько малы, что есть только один способ узнать их тайны: добраться до них.