«Новые горизонты»: 20 лет

Перед вами фотография северной части Плутона, сделанная американской автоматической межпланетной станцией (АМС) «Новые горизонты» в июле 2015 года. Возвышенности окрашены в бежевый цвет, низменности — в серо-голубой. «Новые горизонты», стартовавшие 20 лет назад, 19 января 2006 года, стали первой и пока единственной АМС, созданной для исследования Плутона (см. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия, «Элементы», 20.01.2006). Станция пролетела мимо планеты спустя 9,5 лет, в июле 2015 года, но и сегодня продолжает работать, находясь в 10 миллиардах километров от Солнца — почти вдвое дальше, чем Плутон.

Первые идеи отправки станции к Плутону появились в середине 1960-х годов, когда НАСА запланировало «Большое путешествие» (Grand Tour) четырех зондов к внешним планетам Солнечной системы. Два из них должны были исследовать Юпитер, Уран и Нептун, еще два — Юпитер, Сатурн и Плутон. В начале 1970-х по соображениям экономии число аппаратов сократили до двух. Обе станции, названные «Вояджер», стартовали в 1977 году. После пролета Юпитера и Сатурна их пути разошлись: «Вояджер-2» направился к Урану и Нептуну, в то время как «Вояджер-1» предполагалось направить к Плутону или же к спутнику Сатурна Титану (см. статьи Величайший вояж и «Вояджеры» 46 лет спустя). Окончательный выбор был сделан в пользу Титана, который на тот момент казался более интересным объектом исследования. Это означало, что экспедиция к Плутону откладывается на неопределенное время.

Траектории полета «Вояджеров». Положения планет даны на момент их пролета аппаратами. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Исследования Плутона с Земли во второй половине 1970-х и 1980-е годы принесли новые результаты и показали, что он не похож на остальные планеты Солнечной системы и потому представляет немалый интерес для науки. Например, на поверхности Плутона обнаружили замерзший метан: в то время ни на одном другом объекте Солнечной системы не наблюдалось ничего подобного. В 1989 году НАСА под влиянием ученых-планетологов начало проработку экспедиции к Плутону. Первый проект станции «Плутон-350» был готов в конце 1990 года; число в его названии означало массу аппарата (в килограммах).

В 1989 году Плутон прошел перигелий и начал удаляться от Солнца. Орбита планеты сильно вытянута: в афелии Плутон получает в 2,8 раза меньше солнечного света, чем в перигелии. Поэтому предполагалось, что с удалением от Солнца атмосфера Плутона сильно охлаждается и практически исчезает, так как составляющие ее газы замерзают. Поскольку одной из целей экспедиции к Плутону было исследование его атмосферы, исследователи торопились успеть до того, как она замерзнет. Были и другие причины спешить. Во-первых, с конца 1980-х до конца 2020-х всё большая часть южного полушария Плутона оказывалась недоступной для наблюдения и фотографирования, погружаясь в область полярной ночи. Во-вторых, траектория аппарата предусматривала гравитационный маневр у Юпитера, что позволяло значительно сократить время в пути: с 14 до 9,5 или даже 7,5 лет; но относительное расположение планет не позволяло воспользоваться этой возможностью, если бы станция стартовала к Плутону позже 2006 года.

Анимированная схема полета «Новых горизонтов» (траектория обозначена фиолетовым цветом) вплоть до 2030 года. Синим показана орбита Земли, желтым — астероида (132524) APL (первого объекта, сфотографированного зондом), красным — Юпитера, голубым — Плутона, зеленым — астероида (486958) Аррокот. Схема с сайта commons.wikimedia.org

Но проект забуксовал. На протяжении всех 90-х годов руководство НАСА выдвигало новые и новые требования, вынуждая разработчиков многократно переделывать проект станции, пока, наконец, в сентябре 2000 года не объявило об отмене экспедиции (к тому моменту на работу над проектом было истрачено 300 миллионов долларов). Впрочем, всего через несколько месяцев НАСА под давлением общественности снова включило в свои планы экспедицию к Плутону, объявив конкурс проектов. Победитель стал известен в ноябре 2001 года: им стала команда Лаборатории прикладной физики. К тому моменту уже родилось окончательное название станции — «Новые горизонты».

В состав научного оборудования «Новых горизонтов» входят семь приборов: ультрафиолетовый спектрометр Alice для исследования химического состава атмосферы; два телескопа для картографирования Плутона и его спутника Харона (см. картинку дня Каньон Арго на Хароне) — черно-белый LORRI с высоким разрешением и цветной Ralph, в состав которого также входит инфракрасный спектрометр LEISA; радиоспектрометр REX для определения температуры и давления атмосферы (путем определения того, как испущенный с Земли радиосигнал искажается при прохождении через нее); два детектора плазмы (измеритель солнечного ветра SWAP и детектор ионов и электронов PEPSSI) и детектор космической пыли SDС, измеряющий ее концентрацию. В небольшом контейнере на борту станции находится часть праха Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона.

«Новые горизонты» в Космическом центре Кеннеди, сентябрь 2005 года. Красным обведены телескоп Ralph (под белой крышкой) и спектрометр Alice (над ним). Фото с сайта commons.wikimedia.org

В момент прибытия «Новых горизонтов» к Плутону он должен был находиться в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получать почти в тысячу раз меньше солнечного света. По этой причине солнечные батареи не смогли бы обеспечить зонд достаточным количеством энергии. Поэтому, как и практически все остальные аппараты, направлявшиеся к внешним планетам Солнечной системы, «Новые горизонты» оснастили радиоизотопным термоэлектрическим генератором (РИТЭГ): при распаде радиоактивных изотопов (в данном случае — плутония-238) в нем выделяется тепловая энергия, далее преобразуемая в электрическую. Производством оксида плутония для РИТЭГ занималась Лос-Аламосская Национальная лаборатория. В середине 2004 года ее работа была приостановлена из-за пропажи двух носителей секретных данных. После завершения расследования работы возобновились, но вскоре снова были остановлены — на этот раз из-за несчастного случая. Хотя оба происшествия не имели никакого отношения к «Новым горизонтам», остановка распространялась на всю деятельность лаборатории, в том числе и на производство топлива для экспедиции. Становилось ясно, что Лос-Аламос не сможет произвести необходимое количество плутония в срок. Экспедиция оказалась под угрозой срыва. Конструкторам пришлось пересмотреть алгоритмы работы аппарата, чтобы сократить потребление энергии. Выручило и НАСА, «припрятавшее» небольшой запас топлива с предыдущих миссий. В итоге в «Новые горизонты» было загружено примерно 90% от первоначально рассчитанного количества оксида плутония. К концу лета 2005 года аппарат был готов. Он весил 478 кг — примерно на треть тяжелее, чем спроектированный за 15 лет до того первый вариант зонда, «Плутон-350».

Схема размещения научного оборудования «Новых горизонтов». Черный контейнер справа — РИТЭГ. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Когда «Новые горизонты» проектировались, был известен только один спутник Плутона — Харон. Но за полгода до старта экспедиции, когда аппарат был уже практически готов, телескоп «Хаббл» обнаружил еще два небольших спутника — Никту и Гидру (см. статью Телескоп имени Э. Хаббла: 20 лет на орбите). Это еще больше подогрело интерес к экспедиции. А в 2011–2012 годах, когда «Новые горизонты» уже преодолели половину пути к Плутону, были открыты спутники Кербер и Стикс.

Запуск аппарата с мыса Канаверал, намеченный на 16 января 2006 года, дважды переносился. Сначала во время предстартовой подготовки не открылся топливный клапан, потом обнаружились проблемы с системами связи, а когда все неполадки были устранены, усилившийся ветер вынудил отложить пуск на следующий день. Однако ночью ветер оборвал провода, снабжавшие электричеством центр управления полетом «Новых горизонтов». Питание переключили на дизель-генераторы, но руководитель программы Алан Стерн (Alan Stern) распорядился отложить старт до тех пор, пока не будет восстановлена штатная линия электропередачи. Третья попытка состоялась 19 января 2006 года. Она оказалась успешной: «Новые горизонты» начали свой путь к Плутону.

Старт «Новых горизонтов» на борту ракеты «Атлас V». Фото с сайта apod.nasa.gov

Во время создания аппарата слоганом экспедиции стала фраза «Первая экспедиция к последней планете». Она перестала быть верной через полгода после старта, в августе 2006 года, когда Международный астрономический союз «разжаловал» Плутон, переведя его в разряд карликовых планет (см. Астрономы навели порядок в Солнечной системе, «Элементы», 28.08.2006). Однако важность исследования Плутона от этого не уменьшилась. Через год после старта «Новые горизонты» пролетели на расстоянии 2,3 млн километров от Юпитера; зонд успешно совершил запланированный гравитационный маневр и выполнил несколько исследований, которые представляли научную ценность и к тому же дали возможность протестировать приборы. На протяжении нескольких недель «Новые горизонты» наблюдали за вулканической активностью на спутнике Юпитера Ио, изучали процессы в атмосфере самого Юпитера и поведение частиц в магнитосфере планеты.

Извержение вулкана на Ио, заснятое «Новыми горизонтами». Фото с сайта www.space.com

После пролета Юпитера большинство систем зонда перевели в спящий режим, чтобы сэкономить их ресурс: до встречи с Плутоном, намеченной на июль 2015 года, оставалось еще больше восьми лет. Впрочем, зонд должен был приступить к выполнению научной программы за полгода до пролета планеты, в январе. Но самая активная фаза исследований начиналась за неделю до максимального сближения с Плутоном. Готовясь к ней, в 2012 году команда сопровождения «Новых горизонтов» начала репетиции научных операций на наземных макетах, полностью идентичных запущенному в космос аппарату. Моделировались и нештатные ситуации: был составлен список из 264 возможных отказов космического аппарата или наземного оборудования, в ответ на каждый из которых разработали план действий.

Первое в истории цветное изображение Плутона, сделанное телескопом Ralph 9 апреля 2015 года с расстояния более 100 млн км. Рядом с Плутоном — его крупнейший спутник Харон. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Полет «Новых горизонтов» проходил в целом успешно, хотя и не без накладок. Так, вскоре после старта оказалось, что из-за ошибок при проектировании двигатели ориентации вынуждены включаться в несколько раз чаще запланированного, и их ресурса может не хватить до Плутона. Была разработана новая программа управления ориентацией, требующая более редких включений. Другая неприятность была связана с телескопом LORRI, объектив которого случайно оказался в течение нескольких секунд направлен на Солнце из-за логической ошибки в программном обеспечении; к счастью, прибор не пострадал. А при пролете Юпитера бортовой компьютер несколько раз самопроизвольно перезагружался (вероятно, под действием радиационных поясов планеты).

Но самое серьезное происшествие, поставившее под вопрос успех всей миссии, произошло всего за трое суток до начала «ядра» — наиболее интенсивной части научной программы. Днем 4 июля 2015 года неожиданно пропала связь с аппаратом. Причиной стало отключение бортового компьютера, который оказался перегружен из-за одновременного выполнения двух задач: приема программы исследований и сжатия фотографий Плутона для их передачи на Землю. После перезагрузки связь восстановилась, но предстояло еще переключиться на основной канал связи, перейти с резервного компьютера на основной, восстановить его конфигурацию и заново передать программу исследований — предварительно проверив все эти шаги на наземных симуляторах. И всё это с учетом того, что сигнал с Земли преодолевал расстояние до зонда за долгие 4,5 часа. Последующие три дня наземная команда работала практически в круглосуточном режиме. Передача всех необходимых данных завершилась всего за 4 часа до начала «ядра».

Центр управления полетом «Новых горизонтов». Фото с сайта washingtonpost.com

«Новые горизонты» достигли максимального сближения с Плутоном 14 июля 2015 года, пролетев на расстоянии 12,5 тысяч км от его поверхности. Исследуя планету, зонд полностью выполнил программу исследований и получил много важных результатов. Он снял Плутон и Харон в высоком разрешении (см. картинки дня Темная сторона Плутона и Ветреное сердце Плутона), что позволило разглядеть многие детали их поверхности и сделать выводы о геоморфологии, строении и геологической истории этих небесных тел.

Дудл поисковой системы Google, посвященный пролету «Новых горизонтов» мимо Плутона 14 июля 2015 года. Сердце на поверхности Плутона символизирует открытую зондом область Томбо, своими очертаниями действительно напоминающую стилизованное сердце. Фото с сайта doodles.google

Плутон оказался куда более интересной и разнообразной планетой, чем это считалось до экспедиции. В частности, ученых удивило, что в его недрах до сих пор происходят активные геологические процессы. Неожиданным оказалось наличие на Плутоне самых разных форм рельефа, включая высокие (до 3,5 км) крутые горы и протяженные горные цепи, состоящие, по-видимому, из водяного льда. Собранные сведения позволяют предположить, что раньше на Плутоне были водоемы, а под его корой предположительно скрывается слой жидкой воды, как и у крупных спутников Юпитера — Ганимеда, Европы и Каллисто, или у спутника Сатурна Энцелада. Любопытным открытием стала полярная шапка Плутона — только состоящая не из водяного льда, как на Земле и Марсе, а из замерзших метана и азота.

«Новые горизонты» собрали немало сведений и об атмосфере Плутона. Происходящие в ней явления весьма разнообразны: на планете можно наблюдать и приповерхностные туманы, и слоистую дымку, состоящую из одного-двух десятков концентрических слоев, и, возможно, облака. Измерения показали, что температура верхних слоев атмосферы Плутона меньше, чем предполагалось, из-за чего интенсивность диссипации азота из атмосферы в 10 тысяч раз ниже, чем считалось ранее.

Пейзаж Плутона, снятый с высоты 18 тысяч километров. Слева на переднем плане — горы Тенцинга, на заднем плане — горы Хиллари; эти массивы носят имена альпинистов — Тенцинга Норгея и Эдмунда Хиллари, — первыми покоривших Эверест в 1953 году. В правой части снимка — равнина Спутника, названная в честь первого искусственного спутника Земли; она сформирована замерзшими азотом, окисью углерода и метаном. Над поверхностью планеты видны слои атмосферы. Фото с сайта apod.nasa.gov

«Новые горизонты» исследовали и спутники Плутона. Интересным открытием стал Мордор — большое красноватое пятно близ Северного полюса Харона. Предположительно, оно сформировано толинами — органическими соединениями, образовавшимися из метана и азота, которые утекли из атмосферы Плутона. А все четыре маленьких спутника Плутона, как оказалось, очень хорошо отражают свет — вероятно, потому, что их поверхность покрыта водяным льдом. «Новые горизонты» установили, что Гидра напоминает по форме две неравных картофелины, соединенных короткой перемычкой; так же выглядит и Кербер. Вероятно, эти спутники — контактно-двойные, то есть образовались слиянием двух отдельных небесных тел (см. статью Поцелуй двух комет).

Харон, сфотографированный «Новыми горизонтами» 14 июля 2015 года, в день максимального сближения с Плутоном и его спутниками. В верхней части снимка хорошо виден Мордор. Фото с сайта nasa.gov

Подробнее о результатах изучения Плутона и его спутников «Новыми горизонтами» можно узнать из статей Дмитрия Вибе «Мимолетная встреча с Плутоном» и Алексея Паевского «Постфактум: все о Плутоне и миссии „Новые горизонты“», написанных сразу после пролета Плутона.

Исследовав планету и ее спутники, «Новые горизонты» направились к только-только открытому астероиду 2014 MU₆₉. Этот астероид, позже получивший имя Аррокот, тоже оказался контактно-двойным телом. Зонд сфотографировал астероид, измерил температуру и исследовал состав его поверхности. Помимо Аррокота, «Новые горизонты» провели наблюдения и других небольших тел из пояса Койпера (см. картинку дня Самая далекая фотография).

Фотография Аррокота, сделанная «Новыми горизонтами» 1 января 2019 года, на обложке журнала Science. Фото с сайта nasa.gov

Хотя «Новые горизонты» давно выполнили свою основную задачу, зонд, удаляясь от Солнца и Земли, продолжает служить науке и сегодня. Например, в 2025 году была опубликована карта спектральных линий водорода Лайман-альфа нашей Галактики, составленная по результатам измерений спектрометра Alice. Исследования продолжаются: энергии для работы оборудования «Новых горизонтов» хватит по меньшей мере до начала 2030-х годов.

Фото с сайта apod.nasa.gov.

Алексей Деревянкин