Зовнішня Сонячна система чекає. Але як ми будемо до неї добиратися?

Через рік з невеликим почнеться нове десятиліття, а разом з ним відкриється абсолютно новий потік ідей для місій NASA, деяких ближче — начебто Марса, деяких подалі. Деяких зовсім далеких. Окремі люди розраховують, що для нас відкриється епоха роботизованих подорожей в світи, які знаходяться не просто в мільйонах — в мільярдах кілометрів від нас. Серед них Уран і Нептун (планети, які ми відвідували в 1986 і 1989 роках, відповідно), а також сотні крижаних тіл за межами області, відомої як пояс Койпера.

Пояс Койпера — будинок для Плутона і тисяч інших світів різних розмірів. Більшість тел там складаються з будівельних блоків нашої Сонячної системи, давним-давно отконвоированных в далекі обмерзлі краю. Відвідування поясу Койпера може відкрити нам підказки до питань, як сформувалася наша планета і її сусіди, чому тут так багато води та інших загадок.

На кордонах Сонячної системи

Уран і Нептун також зберігають багато загадок самі по собі. Чим більше ми дізнаємося про планетарних системах, тим частіше ми бачимо, що більшість світів не такі великі, як , і не такі маленькі, як Земля. Багато хто з них, як правило, за розмірами близькі до Урану і Нептуну, «крижаних гігантів», які отримали назву за екзотичне стан водяного льоду, який лежить глибоко під хмарними шарами. Вивчення Урану і Нептуна не тільки допоможе нам зрозуміти планети нашої Сонячної системи — воно допоможе нам зрозуміти планети, які обертаються навколо інших зірок.

Багато з цих місій залежать від часу. Майбутнє Decadal Survey — «десятирічний огляд» NASA, коли агентство відправляти космічні апарати в 2020-х і 2030-х роках — може створити або зруйнувати ці далекосяжні плани з освоєння зовнішньої Сонячної системи.

Decadal Survey: як буде проходити десятирічний огляд

Починаючи з 2020 року група з Національної академії наук (за участю кількох зацікавлених сторін з космічного співтовариства) буде збиратися і складати список пріоритетних цілей для дослідження. Науковці будуть пропонувати свої варіанти у вигляді прописаних рекомендацій, відомих як «white papers» (читай: технічний документ).

З цих рекомендацій виникне загальний консенсус щодо того, якими мають бути пріоритетні завдання. Ці цілі служать як орієнтири для пропозицій місій середнього класу в категорії New Frontiers (New Horizons і Juno були в цій категорії). NASA спочатку збирає список запропонованих місій, а потім звужує їх поступово до одного-двох фіналістів. Як тільки фіналіст отримує зелене світло, команда, що стоїть за ним, може розпочати планування і конструювання — і на це йдуть роки.

Все це може ускладнити потрапляння в конкретне вікно, в яке можна буде досліджувати Уран або Нептун, а також зазирнути до об'єкта з поясу Койпера. Ось чому точні графіки складати ризиковано.

Відвідування крижаного гіганта

Одна з груп, зокрема, розглянула варіант місії відвідування Урану і Нептуна одночасно. Остання ітерація включає обліт Урану і вихід на орбіту Нептуна. Під керівництвом Марка Хофштадтера і Емі Саймон, вчені планують завітати на іншу сторону Урану, відмінну від тієї, яку «Вояджер-2» спостерігав в 1986 році, і вивчити Нептун і його найбільший супутник Тритон. Тритон обертається задом наперед, що може бути пов'язано з тим, що він коли-то був найбільший об'єктом пояса Койпера — до того, як Нептун притягнув Тритон до себе, викинувши безліч своїх вихідних супутників.

Саймон говорить, що ці місії мають бути повернуті протягом 15 років, включаючи час в дорозі і в дослідженнях. Це пов'язано з тим, як довго окремі частини апарату можуть зберігатися в космосі з відносною впевненістю. У той час як космічний апарат може прожити довше, 15 років — це мінімум, в ході якого можна бути впевненим, що місія виконає свої наукові завдання повною мірою Але як зробити так, щоб подорож не витратив занадто багато ресурсів в актуальній фазі дослідження? Один із способів розігнати космічний апарат — використовувати гравітаційну силу планети для розгону.

«Звичайно, щоб дістатися туди менше ніж за 12 років, вдаються до облетам планет, як правило, включаючи Землю і Венеру», говорить Саймон. В таких сценаріях ви занурюєтеся в гравітаційний колодязь планети, сподіваючись на ефект рогатки, який розжене ваш апарат і заощадить максимум палива. «Кращі з варіантів використовують також Юпітер, оскільки він самий масивний і може сильно розігнати космічний апарат».

«Нові горизонти», наприклад, використовував допомогу Юпітера для досягнення Плутона. «Кассіні» використав чотири окремих обльоту для розгону за допомогою Сатурна після запуску із Землі, отримання розгону від Венери двічі, повернення на Землю і, нарешті, остаточного стрибка з Юпітера.

Саймон говорить, що для того, щоб дістатися до Урану в стислий термін, можна було б використовувати обліт Сатурна — наприклад, у вікно між 2024 і 2028 роком, щоб зловити газовий гігант в потрібному місці на його 29-річної орбіті. Така місія вимагатиме швидкого міркування за мірками NASA — зазвичай місії плануються десять років перед запуском, потім плануються, конструюються і запускаються протягом п'яти років — так що доведеться розраховувати вже на наступне вікно, обліт Юпітера в період з 2029 за 2032 рік, з подальшим виходом до Нептуна. Наступний шанс з'явиться не раніше, ніж через десять років.

Місія на Уран може використовувати традиційні паливо і двигуни, щоб дістатися до точок розгону швидше— будь то ракета Atlas V або Delta IV Heavy. Але з-за того, що Нептун знаходиться так далеко і точна траєкторія не вибудовується так ідеально, як хотілося б, місія на цю планету буде покладатися на Space Launch System, ракети NASA наступного покоління із збільшеною вантажопідйомністю (а вона ще навіть не літала). Якщо вона не буде готова вчасно, нам доведеться покладатися на іншу технологію наступного покоління: сонячну електротягу, яка використовує сонячну енергію для запалювання іонізованого газу для прискорення руху транспортного засобу. Досі вона використовувалася лише на космічному апараті Dawn в місіях на Весту і Цереру і в двох місіях до невеликих астероїдів.

«Навіть у випадку з сонячним електрикою все ще потрібні хімічні двигуни, на випадок, якщо сонячна енергія перестане бути ефективною, а також для гальмування на орбіті», говорить Саймон.

Таким чином, графік досить щільний. Але якщо ми будемо рухатися активніше, обидві ці місії можуть послужити іншої мети: дістатися до незвіданих світів поясу Койпера.

Велика невідомість

Інша робота, написана трьома учасниками команди «Нових горизонтів», розглядає можливості повернення до поясу Койпера після успішної прогулянки зонда до Плутона. «Ми побачили, наскільки це було цікаво, і захотіли дізнатися, що там є ще», говорить Тіффані Фінлі, головний інженер Південно-Західного науково-дослідного інституту (SWRI) і співавтор статті, опублікованій в Journal of Spacecraft and Rockets.

Пояс Койпера містить крижані залишки, що залишилися від утворення Сонячної системи, а об'єкти в ньому включають колосальне безліч різних матеріалів. Плутон, наприклад, трохи більше Еріди. Але Плутон складається з льоду, тому він має меншу масу. Еріда складається з порід по більшій частині, тому вона більш щільна. Деякі світи, по всій видимості, складаються з метану, в той час як інші містять багато аміаку. Десь на задвірках нашої Сонячної системи є безліч карликових планет і малих світів, які зберігають ключові моменти для нашого розуміння того, як з'являються планети — і чи можуть інші планетарні системи бути схожими на нашу.

Вчені використовували вузькі обмеження: вони обмежили місію 25-річним терміном і розглянули 45 найяскравіших об'єктів пояса Койпера, порівнявши їх щодо різних сценаріїв планетарних обльотів. Юпітер, як не дивно, відкрив велику частину цілей у списку. Але вікно Юпітера відкривається раз на 12 років, що робить місії з його участю залежними від часу. Прості обльоти Сатурна надають цілком непоганий список цілей з поясу Койпера.

Але коли ви ставите ці світи в пару з Ураном або Нептуном, ви отримуєте шанс виявити нові факти про наших загадкових, самих далеких планетах і навіть деяких карликових планет одним махом.

Дістатися до цих світів допоможе ефект рогатки, спершу від Юпітера, а потім і від іншої планети. Кожна з цих планет вирівнюється в лінію з Юпітером у вузькому вікні в 2030-х роках, і акуратно вкладається у різні частини цього десятиліття. Наприклад, щоб перейти до списку світів на шляху з Нептуном, потрібно дістатися до Юпітера на початку 2030-х років, а дістатися до пояса Койпера через Уран зажадає запуску в середині 2030-х років. Юпітер і Сатурн вирівнюються як раз для «рогатки» в пояс Койпера в кінці 2030-х.

Список цілей обіцяє багато цікавих можливостей. Варуна, довгастий світ, який знайшов таку форму із-за швидкої швидкості обертання, прекрасно підходить для обльоту Юпітера-Урану. Нептун, як вже згадувалося, дає можливість поглянути на Еріду. Місія через Юпітер-Сатурн дозволить спостерігати Седну, велику карликову планету з орбітою, яка може вказати шлях до ще не відкритої десятої планеті. Юпітер-Сатурн дозволять зробити остановочку у одній з найцікавіших карликових планет: Хаумеа.

Подібно Варуні, Хаумеа відрізняється яйцевидної форми, в той час як більшість великих карликових планет поясу Койпера зазвичай круглі. Але Хаумеа отримала таку форму з-за давнього зіткнення, яке подарувало їй два місяця, систему кілець і хвіст зі сміття. Коли астероїди мають схожим складом, їх називають «сімейством зіткнення». Хаумеа справила єдине відоме сімейство зіткнень в поясі Койпера.

«Хаумеа, звичайно, самий крутий об'єкт. Всі хочуть на Хаумеа», кажуть вчені.

Що б ми не вибрали, часу у нас буде не так багато. Тому, якщо ми хочемо побачити кільця Хаумеа або навіть червоний, інопланетний світ Седны, роботу потрібно починати вже найближчим часом. Ці світи настільки малі, що є тільки один спосіб дізнатися їхні таємниці: дістатися до них.

А який об'єкт хотіли б відвідати ви? Розкажіть в нашому