8. Плутон

8.1. New Horizons: свидание с Плутоном

14 июля происходила самая важная встреча 2015 года, а может и всего десятилетия. Космический аппарат NASA New Horizons находился в самой активной фазе своей миссии – встречи с Плутоном и изучении этой карликовой планеты с ее окрестностями. Космический аппарат за сутки промчался через систему Плутона и его спутников, собрал несколько гигабайт научных данных и улетел дальше – в пояс Койпера, облако Оорта и к другим звездам.

История Плутона началась еще до его открытия. В 40-е гг XIX в. ученые определили, что за орбитой Урана есть другие планеты. На это указывали его особенности орбитального вращения. В результате, почти сразу открыли Нептун, но поведение Урана указывало на то, что должен быть еще один возмутитель гравитационного спокойствия. Когда, наконец, в 1930 г. нашелся Плутон, ученые решили – вот оно! Очередной триумф науки. Правда, по первоначальным прикидкам выходило, что найденная планета должна быть никак не меньше Юпитера.

New Horizons

На протяжении всего XX в. масса Плутона пересчитывалась в сторону уменьшения, пока, наконец, ученые не пришли к выводу, что Плутон никакого отношения к поведению Урана не имеет. В конце прошлого века возможности астрономической техники позволили открыть целое семейство транснептуновых объектов. Большинство занептуновых тел оказались астероидами и кометами, которые наполняют пояс Койпера. Но некоторые тела оказались не многим меньше самого Плутона, поэтому у астрономов возникла проблема: объявлять ли их планетами или лишить этого звания Плутон?

В 2006 году вопрос решился не в пользу Плутона. С тех пор правильный ответ на вопрос «Сколько планет в Солнечной системе?» таков: «восемь планет и пять карликовых планет».

После «разжалования» интерес к Плутону только возрос. Он все еще остается самым крупным телом в поясе Койпера, и, кроме всего прочего, он вместе со своим спутником Хароном представляет собой уникальное в Солнечной системе тело – двойную планету. Ближайшая аналогия такой системы – Земля и Луна. На третьем месте – Солнце и Юпитер. Дело в соотношении масс основного тела и спутника. Фактически, Харон не вращается вокруг Плутона, а оба они вращаются вокруг точки пространства между ними, которая является центром их масс.

Физику такого вращения можно представить, наблюдая за метателем молота перед броском.

У Земли и Луны тоже имеется такой общий центр масс, но он не выходит за пределы Земли, поэтому мы не считаемся двойной планетной системой. Хотя астрономы пока так и не договорились о том, что считать двойной планетой.

В январе 2006 года к Плутону стартовала миссия New Horizons. Ее создатели стремились максимально сократить время достижения карликовой планеты, поэтому сделали относительно маленький и легкий аппарат около 650 килограмм (и стоимостью около 650 миллионов долларов), который сильно разогнали у Земли. На торможение топливо просто не предусматривалось, поэтому изучение Плутона предполагалось с пролета по прямолинейной траектории.

Причин такого решения несколько. Задачу выхода на орбиту можно решить различными путями, которые потребуют гораздо больше времени, увеличения массы аппарата, дополнительных средств на его разработку и управление. Плутон слишком легкий, чтобы его гравитация помогала выходу на орбиту, а атмосфера ничтожна, чтобы пытаться использовать ее для торможения. Ключевым параметром остается время полета. Можно было загрузить побольше топлива и разгонять не так быстро, используя экономичные траектории и гравитационные маневры, как, например, летела Rosetta или Juno. Но это потребовало бы намного больше времени.

Можно понять ученых, которые хотели поскорее увидеть далекий Плутон, но, мне кажется, девятилетний полет был удобен и чиновникам, распределявшим бюджет. Было бы гораздо сложнее объяснить им перспективность миссии, которая даст результат только через двадцать лет, когда большинство утвердивших ее людей уйдет, как минимум, на пенсию.

Несмотря на прямолинейность траектории New Horizons, из его полета удалось выжать дополнительную научную информацию – изучить систему Юпитера через год после старта (для сравнения: Juno, используя экономичные орбиты, добирался до Юпитера 5 лет). New Horizons пронесся на расстоянии 2,3 миллиона километров от планеты-гиганта и провел тренировку будущей основной работы у Плутона.

Особенно удачно получились упражнения со спутником Юпитера Ио. По многим параметрам он похож на Плутон, поэтому ему уделялось особое внимание.

Съемка «дальнобойной» камерой LORRI показала феноменальную картину извержения гигантского вулкана.

Вулкан Тваштар выбрасывает лаву на 300 километров. Но он там такой не один. Наблюдение теневой стороны Ио с длинной выдержкой тремя оптическими приборами New Horizons показало множество горячих пятен, выдающих необычайную геологическую активность спутника Юпитера.

Вулканическая активность Ио – результат гравитационного взаимодействия с Юпитером. Возможно, похожие процессы происходили и между Плутоном и Хароном, так что, недра карликовой планеты тоже могут быть разогреты, а на коре могут быть обнаружены прорывы горячих гейзеров. Если бы они были на Плутоне, то инфракрасные камеры их нашли бы.

Про оптические приборы New Horizons надо сказать отдельно. Главный его калибр – LORRI – это зеркальный телескоп схемы Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала в 20,8 см и фокусным расстоянием в 2630 мм. Поле его зрения 0,29 градуса – это значит, что он увидел бы только 1/2 Луны, если бы посмотрел с Земли. Камера LORRI оборудована одномегапиксельной CCD панхроматической матрицей. Наилучшее разрешение на поверхности Плутона, полученное этой камерой, составляет чуть более 100 м на пиксель.

Второе устройство Ralph представляет собой, фактически, два прибора, использующие один телескоп. Фокусное расстояние Ralph в четыре раза меньше LORRI, поэтому и все видимые объекты получаются хуже качеством в сравнении с «дальнобойной камерой». Зато широта видимого поля больше в 20 раз (5,7 градуса). К тому же, Ralph – это не камера, так как вместо матрицы используются сканирующие линейки.

Цветным сканером является прибор MVIC, который имеет семь сканирующих линеек, выполненных по технологии TDI CCD. Четыре цветных сканирующих линейки видят инфракрасный, красный, синий цвета, и свечение метана в ближнем инфракрасном диапазоне. То есть простым сложением полученных снимков невозможно создать изображение в видимом диапазоне.

LEISA имеет теллурид-кадмиево-ртутный инфракрасный датчик, на котором размещено 256х256 чувствительных элементов. Элементы расположены в линии по 256 штук и работают в режиме пуш-брум, то есть каждая линия датчика воспринимает свою длину инфракрасной волны (свой отдельный цвет). Это делает LEISA инфракрасным гиперспектрометром, так как он видит в большом спектральном разрешении. Такие возможности позволят провести качественное геологическое сканирование Плутона и определить породы, из которых сложена кора карликовой планеты.

После пролета Юпитера New Horizons был отправлен в гибернацию для сохранения ресурсов оборудования. Лишь изредка его пробуждали для перепроверки работоспособности и техобслуживания. Иногда будили его и для работы: снимать пролетающие в отдалении астероиды или Нептун.

В 2015 году наступила пора возвращаться к активной работе. Уже с января New Horizons приступил к съемке системы Плутона и Харона, но его разрешающая способность еще не дотягивала до возможностей космического телескопа Hubble. С этого околоземного телескопа еще в 2012 году открыли последний из известных пяти спутников Плутона, но ученые не оставляли надежды обнаружить еще спутники или кольца. Показательно, что стартовал New Horizons, когда у Плутона знали только три спутника.

5 мая 2015 года оптические возможности камеры LORRI сравнялись с возможностями Hubble, и с этого момента научная значимость New Horizons стала расти. Практически каждый новый снимок позволял уверенно говорить «этого мы не видели ранее». Хотя, на первый взгляд снимки так и оставались малоразличимыми. Только сократив расстояние в несколько раз, New Horizons стал радовать новыми подробностями.

Как и ожидалось, поверхность Плутона оказалась очень разнородной. Ярко белые пятна на нем соседствуют с угольно черными. Такой дисбаланс наблюдается не часто в Солнечной системе. Можно только вспомнить спутник Сатурна Япет, у которого ледяная поверхность частично засыпана пылью из кольца Сатурна. Или яркие пятна Цереры приходят на ум.

Ученым еще предстоит узнать происхождение различных типов поверхности и причины появления сложных форм рельефа. Но нынешняя гипотеза столкновения прото-Плутона и прото-Харона уже указывает на катастрофические события, которые здесь произошли на заре Солнечной системы.

На спутнике Плутона Хароне, тоже не все так просто. Он оказался очень похож на нашу Луну: у него тоже два полушария отличаются друг от друга, а на том, что развернуто к Плутону, тоже видно темное «море».

New Horizons должен был изучить не только поверхность Плутона и спутников, но искать атмосферу у обоих. Для этого аппарат оборудован ультрафиолетовым спектрометром Alice. Зонд наблюдал атмосферу Плутона, чтобы определить ее состав, происхождение, распространение и динамику потери. Для более подробного изучения атмосферы, траектория пролета предусматривала полет New Horizons через тень сначала Плутона, потом Харона. Это позволило не только искать горячие точки на телах карликовой планеты и спутника, но и увидеть рассеяние солнечного света газовой оболочкой этих тел. Alice сможет определить газовый состав атмосферы или атмосфер, если таковая найдется у Харона.

Помимо оптических средств изучения New Horizons оборудован приборами для регистрации плазмы, ионизированных частиц и космической пыли, на аппарате предусмотрено даже использование радара…

После пролета системы Плутона New Horizons постарается «перехватить» еще 1 или 2 астероида из пояса Койпера, чем немало расширит границы познания человечества об этом далеком и ледяном регионе Солнечной системы. Далее путь космического аппарата проляжет в облако Оорта, а через тысячи или десятки тысяч лет полета он, возможно, посетит и какую-нибудь соседнюю звездную систему. Только мы об этом никогда не узнаем. Энерговыделение радиоизотопного термоэлектрического генератора New Horizons продолжится еще около 15 лет, а потом людям придется с ним только попрощаться. Зато на просторах Вселенной останется частичка праха первооткрывателя Плутона Клайда Томбо, как единственное представительство человечества в дальнем космосе. (А плутоний-238 РИТЭГа New Horizons станет самой далекой частичкой России).