В межзвездное пространство «вояджеры» начали передавать сигналы, которые сильно заинтересовали и озадачили ученых

Оснащение зондов

Оба эти аппараты представляли собой полностью автономные роботы, способные работать самостоятельно, с учетом больших расстояний до Земли и большой задержки радиосигнала. В число оборудования входила такая аппаратура:

• Широкоугольная и узкоугольная телекамеры, в которых использовались видиконы с памятью и четкостью 800 строк. Да, цифровых камер тогда не было, но видикон – предок цифровой матрицы тех времен.
• Инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры для изучения химического состава всего, что попадется на пути.
• Фотополяриметр.
• Плазменный комплекс, в состав которого входили различные датчики – магнитометр, детекторы плазмы, заряженных частиц, космических лучей.

Такого набора вполне достаточно для получения большого количества полезной информации. Кстати, «Вояджеры» сделали немало открытий, пользуясь этими приборами.

Из-за большой удаленности от Солнца конструкторы посчитали, что солнечные батареи не обеспечат зонды достаточным количеством энергии, и оснастили каждый тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, работающими на плутонии-238. Именно благодаря этому аппараты работают до сих пор, хотя мощность генераторов уже сильно упала. Износ других элементов тоже даёт о себе знать, поэтому сейчас на зондах отключена почти вся аппаратура в целях экономии энергии, а скоро они вообще перестанут работать. Примерно в 2025 году энергии станет недостаточно для поддержания радиосвязи.

Странности Япета

Ледяной комок, немного меньший по площади, чем Австралия – это спутник Сатурна Япет. Этот объект имеет много странных особенностей.

Япет открыл Джованни Кассини в 1671 году

Астроном сразу же обратил внимание на то, что объект виден лишь несколько месяцев в году. Он предположил, что Япет приливно заблокирован

И одна сторона спутника всегда обращена к Сатурну. И эта сторона намного ярче обратной. Именно поэтому мы не видим Япет, когда он обращен к нам темной стороной.

Современные исследования показали, что это предположение было верным. Темная сторона Япета темнее древесного угля. А его светлая сторона сияет, как хорошо освещенный лед. Считается, что первоначальный темный материал возник где-то за пределами Япета. Однако большая часть того, что мы видим сегодня, представляет собой более поздние отложения.

Разница температур (темная сторона сильнее нагревается) приводит к сублимации водяного льда и перемещению его с темной стороны на светлую. По прошествии огромного количества времени этот процесс сделал одну сторону сверкающую льдом, а другую очень темной из-за минеральных остатков, которые вода оставляет после себя.

Япет также отличается тем, что является крупнейшим объектом в Солнечной системе, не находящимся в гидростатическом равновесии. Так произошло потому, что его гравитация недостаточно сильна, чтобы он принял примерно сферическую форму. В результате спутник больше похож на грецкий орех, чем на шар.

Япет имеет сильно наклоненную орбиту. И расположен намного дальше от Сатурна, чем другие большие спутники. Хотя астрономы понятия не имеют, почему так произошло, это дает ему огромное преимущество. Ведь Япет является единственным большим спутником Сатурна, с поверхности которого наблюдатель может хорошо видеть систему колец Сатурна. Представляете, какое это перспективное место для будущего космического отеля с панорамным видом на Сатурн?

Когда зонд «Кассини» исследовал Япет, он обнаружил, что форма спутника в виде грецкого ореха подчеркивается темным гребнем пиков, охватывающим полушарие. Эти пики достигают 20 км в высоту! На светлой стороне Япета нет хребта. Но есть отдельные горы с аналогичной массой. Хребет аккуратно повторяет экватор Япета со сверхъестественным совершенством. Было предложено несколько гипотез для объяснения природы хребта. Но все они не могут объяснить, почему он присутствует только на темной стороне спутника.

Где заканчивается Солнечная система?

Как всегда, это вопрос терминологии — все зависит от того, что именно считать Солнечной системой.

В привычном понимании она состоит из вращающихся вокруг нашей звезды восьми планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), их спутников, пояса астероидов (между орбитами Марса и Юпитера), множества комет, а также пояса Койпера.

В нем находятся в основном малые тела, оставшиеся от образования Солнечной системы, и несколько карликовых планет (в их числе Плутон, который чуть более десятилетия назад был разжалован в эту категорию из обычных планет). Пояс Койпера по сути похож на пояс астероидов, но значительно превосходит последний в размерах и массе.

Image captionКосмический аппарат, улетевший с Земли дальше всех, был запущен 40 лет назад

Чтобы представить себе масштабы этой части солнечной империи, принято использовать астрономические единицы (а.е.) — одна единица равняется примерному расстоянию от Земли до Солнца (около 150 млн км или 93 млн миль).

Последняя планета — Нептун — удалена от звезды на расстояние около 30 а.е. До пояса Койпера — 50 а.е.

Прибавьте к этому еще чуть более 70 астрономических единиц — и мы подходим к первой условной границе Солнечной системы, которую и пересек «Вояджер», — внешней границе гелиосферы.

Все вышеописанное — планеты, пояс Койпера и пространство за ним — находится под влиянием солнечного ветра — непрерывного потока заряженных частиц (плазмы), исходящего от солнечной короны.

Этот постоянный ветер формирует вокруг нашей системы некое подобие вытянутого пузыря, который «вытесняет» межзвездную среду и называется гелиосферой.

По мере удаления от Солнца скорость движения заряженных частиц снижается, поскольку они сталкиваются со все большим противодействием — натиском межзвездной среды, в основном состоящей из облаков водорода и гелия, а также более тяжелых элементов, например углерода, и пыли (всего около 1%).

Когда солнечный ветер резко замедляется и его скорость становится меньше скорости звука, наступает первая граница гелиосферы, называемая границей ударной волны (по-английски — termination shock). «Вояджер-1» пересек ее еще в 2004 году (его брат-близнец «Вояджер-2» — в 2007) и, таким образом, вошел в область под названием гелиощит (heliosheath) — некое «преддверие» Солнечной системы. В пространстве гелиощита солнечный ветер начинает взаимодействовать с межзвездной средой, и их давление друг на друга сбалансировано.

Image captionНа этом графике НАСА показано, что «Вояджер-1» преодолел стадии ударной волны и гелиопаузы

Однако по мере продвижения дальше сила солнечного ветра начинает ослабевать еще больше и в конечном итоге полностью уступает внешней среде — эту условную внешнюю границу называют гелиопаузой. Преодолев ее в августе 2012 года, «Вояджер-1» вошел в межзвездное пространство и — если брать в качестве границ пределы наиболее ощутимого влияния солнечного ветра — покинул Солнечную систему.

Но на самом деле, согласно общепринятому в научной среде толкованию, зонд не проделал еще и половины пути.

Image captionPale Blue Dot (бледно-голубая точка) — одна из самых знаменитых фотографий, сделанных «Вояджером». В 1990 году аппарату дали команду «оглянуться назад» и сфотографировать нашу планету

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» — их основная миссия и открытия, которые они подарили миру

Миссии «Вояджер-1» и «Вояджер-2» были запущены НАСА еще в 1977 году. Благодаря этим двум космическим кораблям у нас теперь есть высококачественные изображения Сатурна, Нептуна, Юпитера, Урана.

Именно благодаря путешественникам ученые Земли узнали, что
Действующие вулканы существуют на спутнике Ио, и именно они позволили обнаружить 24 спутника вблизи далеких планет Солнечной системы.

В 2012 году произошло историческое событие — «Вояджер-1», первый космический корабль в истории человечества, который вышел в межзвездное пространство.

Иллюстрация, показывающая положение зондов НАСА «Вояджер-1» и «Вояджер-2» за пределами гелиосферы. Фото NASA / JPL-Caltech

Но уже при подходе к условной границе «Вояджеры» начали передавать на Землю необычные данные. Установленные на приборах датчики начали регистрировать короткие радиоимпульсы одинаковой амплитуды, повторяющиеся одновременно.

Кроме того, спектрометры передавали данные о том, что потенциально обитаемые миры могут быть расположены рядом с космическими кораблями.

На данный момент оба устройства передали на Землю около 700 гигабайт уникальных данных (неплохо для компьютеров, созданных более 40 лет назад). На данный момент аппараты уже вышли на так называемую «магнитную дорожку» — область, где магнитное поле Солнца связано с космическим пространством.

Миссия «Вояджер»

Оба аппарата были созданы в лаборатории НАСА и являлись практически однотипными, то есть были похожи друг на друга, как близнецы. Задачей миссии «Вояджер» было изучение планет — гигантов – Юпитера и Сатурна, не более.

Однако как раз сложилась удачная ситуация – так называемый «парад планет», когда планеты оказываются практически на одной линии, с одной стороны от Солнца. Это позволило разработать такую траекторию полета, когда зонды, пролетая мимо планеты, используют её гравитацию для разгона и могут по кратчайшему пути достичь следующей планеты. Поэтому в итоге «Вояджеры» посетили не только Юпитер и Сатурн, но и все остальные внешние планеты, кроме Плутона, после чего отправились дальше, в открытый космос.

Полет «Вояджера-2» к Урану и Нептуну

Дальше путь зонда лежал к Урану, куда он и прибыл 24 января 1986 года. Благодаря удачному расположению планет зонд воспользовался гравитацией Юпитера и Сатурна для разгона, и достиг Урана за 9 лет после старта. Не будь такого случая, путь занял бы около 30 лет, то есть зонд лишь недавно побывал бы там, а до Нептуна еще не долетел.

На удачный исход этой операции шансы оценивались всего в 60-70%, особенно после проблем с поворотной платформой. Из-за большого расстояния для связи начали применять 64-метровые антенны, расположенные на разных материках. Скорость передачи данных также снизилась, поэтому бортовой компьютер был перепрограммирован под более эффективные алгоритмы сжатия. Однако к тому времени мощность радиоизотопных генераторов уже сильно упала, и для экономии энергии приборы использовались поочередно.

Посещение Урана

Уран при подлете оказался повернут к «Вояджеру-2» южным полушарием. В программу было включено обзорное фотографирование планеты и пролет мимо спутника Миранды. Однако в итоге были открыты еще 2 кольца Урана, помимо известных, и спутник Пак. Затем было открыто еще около десятка мелких спутников, размером всего в несколько десятков километров. Была детально изучена магнитосфера планеты, что дало много новой информации.

Снимок Урана, сделанный Вояджером-2 после его пролета.

Здесь тоже не обошлось без приключений. За 6 дней до максимального сближения с планетой было обнаружено, что снимки поступают с искажениями в виде черно-белой сетки. Выяснилось, что в одном байте один бит всегда имел значение 1 и не менялся. Программисты переписали программу, чтобы исключить дефектный бит, и успели передать её за 4 дня до сближения.

Всего «Вояджер-2» передал примерно 6000 снимков Урана его колец и спутников. Далее его ожидал очередной маневр и длинный путь к следующему пункту – Нептуну, которого он и достиг 24 августа 1989 года, спустя 12 лет после старта, и всего за 3.5 года от Урана. До сих пор так далеко не долетал ни один аппарат с Земли.

Посещение Нептуна

Из-за большой удаленности ручное управление было бесполезным – радиосигнал шел от Земли до аппарата более 4 часов, и столько же обратно. За это время зонд успел бы пролететь более 200 000 км. Поэтому работал он самостоятельно, всю информацию записывая на специальный цифровой магнитофон, а уже потом, после удаления от планеты всю её передал. Скорость передачи на таком расстоянии тоже была очень медленной, чтобы фильтровать слабый полезный сигнал от помех.

«Вояджер-2» впервые сфотографировал Нептун с близкого расстояния, изучил его атмосферу и магнитосферу. Был обнаружен гигантский антициклон, подобный Большому Красному пятну на Юпитеру, но этот получил название Большое Темное пятно. Были сняты полярные сияния на Нептуне, причем не только у полюсов, но и везде, а также на его спутнике Тритоне.

Нептун, Большое Темное пятно и облака в атмосфере.

Тритон, вопреки ожиданиям – на нем царит экстремальный холод до -236 градусов, оказался геологически активным. На нем были обнаружены не только действующие вулканы, но и гейзеры. Такой тип вулканизма называется жидкостно-ледяным, и он уникален. Тритон имеет очень разреженную атмосферу, однако зонд обнаружил в ней тонкие облака, вероятно, из азотного инея.

Кроме множества других открытий, «Вояджер-2» обнаружил у Нептуна 6 мелких спутников и кольца.

После Нептуна аппарат, как и «Вояджер-1», ушел к югу от эклиптики под д углом 48 градусрв. На этом его планетная миссия закончилась. Скорость полета его к тому времени достигла 15.9 км/с.

Гелиосфера и солнечный ветер

Гелиосфера, как выяснили ученые, неожиданно велика, что говорит о том, что межзвездная среда в этой части галактики менее плотна, чем считалось раньше. Солнце прорезает путь через межзвездное пространство, словно корабль, движущийся по воде, создавая «носовую волну» и протягивая за ней след, возможно, с хвостом (или хвостами) в форме, подобной форме комет. Оба Вояджера прошли через «нос» гелиосферы, и поэтому не предоставили никакой информации о хвосте.

Так, в представлении художника, выглядит солнечная буря, обрушившаяся на Марс.

И хотя всплески солнечного ветра могут предоставить ученым интересные данные о том, что происходит в межзвездном пространстве, они, по-видимому, оказывают удивительно небольшое влияние на общий размер и форму гелиосферы.

Солнечный ветер может нарастать или ослабевать с течением времени, не оказывая существенного влияния на пузырь. Но если этот пузырь переместится в область галактики с более плотным или менее плотным межзвездным ветром, то он начнет сжиматься или расти. Ну что же, надеемся, что «Вояджеры» еще долго будут отправлять на Землю данные о том, что их окружает, а мы с вами наконец подробнее узнаем о том, что именно происходит в этом таинственном межзвездном пространстве.

10 фактов, которые необходимо знать о За пределами Солнечной системы

1. Наша Вселенная расширяется. Ученые считают, что около 14 миллиардов лет назад Вселенная была сжата в одной точке пространства.
2. Существует, по крайней мере, 100 миллиардов галактик во Вселенной. Галактика полна звезд: Солнце — лишь одна из 100 миллиардов звезд в нашей собственной галактике Млечный Путь, и каждая из этих звезд может иметь свою собственную планетную систему.
3. Около 68 процентов Вселенной состоит из темной энергии. Темная материя составляет около 27 процентов. Все остальное составляет менее 5 процентов Вселенной.
4. Теперь мы знаем, что Вселенная приобретает структуру пены. Галактики, которые составляют Вселенную, сосредоточены в огромных листах и нитей, окружающие космические пустоты.
5. Галактика Млечный Путь находится в Местной группе, в которой располагаются около 30 галактик. Ближайшей к нам галактикой является Андромеда.
6. Существую более 1700 внесолнечных планет (или экзопланет), существование которых были подтверждены. Есть еще тысячи потенциальных экзопланет, которые требуют подтверждения.
7. Другие планетные системы могут иметь потенциальную жизнь, но к настоящему моменту нет никаких доказательств.
8. Две трети галактик во Вселенной имеет форму спирали, в том числе Млечный Путь. Существуют еще эллиптические галактики, некоторые имеют необычные формы, например зубочистки или кольца.
9. Космический телескоп Хаббл на фото наблюдал крошечный участок неба (одна десятая диаметра Луны) в течение 11,6 дней и обнаружил около 10000 галактик различных размеров, форм и цветов.
10. Черные дыры не являются пустым местом пространства во Вселенной. Черная дыра представляет собой большое количество вещества, упакованного в очень небольшую площадь, что приводит к наличию настолько сильного гравитационного поля, что ничто, даже свет, не может избежать его.

Классификация экзопланет

Для удобства классификации, открытые экзопланеты ученые, условно, разделили на группы:

• горячие Юпитеры – сходные с одноименным гигантом, но расположеные на близкой орбите к своему светилу;
• пульсарные – небесные тела, вращающиеся вокруг пульсара – остатков сверхновой звезды, обладающей источником мощнейшего электромагнитного излучения;
• суперземля –гигант земного типа, превышающих Землю более чем в десятки раз;
• эксцентрические – тела с довольно растянутой эллипсовидной орбитой, что приводит к серьезным годовым температурным колебаниям;
• горячие Нептуны – сходные с одноименной планетой тела, расположенные близко к местному светилу;
• планета-океан – полностью заполненные водой или льдом объекты,
• хтоническая планета –расположена очень близко к звезде и представляет собой раскаленную субстанцию, покрытую лавой;
• планета-сирота – блуждающие в пространстве шарообразные тела, не примкнувшие ни к одной звезде.

Конечно, изучая пространство за пределами нашей звездной системы, человек пытается найти подобные себе формы жизни и хоть на немного приблизиться к разгадкам тайн Вселенной.

Полет «Вояджера-1»

Траектория полета Вояджеров

Хотя «Вояджер-1» стартовал немного позже «Вояджера-2», однако он быстро опередил его. Дело в том, что он совершил несколько гравитационных маневров и набрал более высокую скорость. Целью его были Юпитер и Сатурн, поэтому и путь его оказался более прямым, в итоге он обогнал сородича и к Юпитеру прибыл даже на 4 месяца раньше – 5 марта 1979 года.

Впервые крупным планом были получены уникальные фотографии Юпитера, в частности Большого красного пятна. Были обнаружены полярные сияния и мощные грозы. Были проведены спектрографические исследования атмосферы Юпитера с близкого расстояния и более точно определен её состав.

«Вояджер-1» сделал снимки спутника Юпитера Амальтеи, где было хорошо заметно, что этот спутник имеет не шарообразную, а эллиптическую форму. Также зонд сделал удивительное открытие – наличие у Юпитера тонкого (30 км), кольца шириной около 8000 км, которое просто невидимо с Земли.

Также «Вояджер-1» посетил галилеевские спутники, в частности, пролетел рядом с Ио на расстоянии 13000 км и сделал детальные фотографии поверхности. Аппаратура зафиксировала наличие большого количества серы, а камеры запечатлели 8 действующих вулканов, которые извергались на высоту до 400 км. Именно «Вояджер-1» первым сделал множество удивительных открытий на спутнике Ио.

Другой спутник Юпитера – Европа, оказался не по пути зонда, поэтому дальше он направился к Ганимеду. И там удалось сделать множество фотографий с расстояния всего 5270 км, благодаря которым мы и знаем теперь о наличии на этом спутнике большого количества воды, и возможном существовании там подледного океана.

А вот от Каллисто аппарат пролетел на расстоянии 126 000 км, однако и здесь удалось получить немало детальных фотографий, и обнаружить множество деталей, которые нельзя увидеть с Земли.

После Юпитера «Вояджер-1» отправился к Сатурну, которого он достиг 12 ноября 1980 года. Научный руководитель проекта Эд Стоун говорил, что каждый день они получали множество потрясающих фотографий и прочих данных, открывающих Сатурн с неведомой стороны, ведь до этого про планету было не так уж и много известно.

Например, именно «Вояджер-1» открыл кольцо F и показал волнистую структуру в кольцах, которую создают спутники Прометей и Пандора. Были открыты так называемые «спицы» в кольцах планеты. На переданных фотографиях были видны бури невиданной силы, которые просто нельзя увидеть с Земли. На полюсах были заметны странные структуры шестигранной формы. Было открыто 6 неизвестных ранее спутников и получены детальные снимки Энцелада.

Диона, спутник Сатурна. Снимок Вояджера-1, сделанный 12 ноября 1980 г с расстояния 240 тысяч км.

«Вояджер-1» пролетел около Титана и передал много информации о составе его атмосферы и детальных фотографий.

Во многом благодаря полету «Вояджеров» мы знаем о планетах то, что знаем. Дальнейшие полеты лишь уточнили данные и передали дополнительную информацию. «Вояджеры» были первыми там.

После Сатурна «Вояджер-1» изменил направление полета, поднялся над эклиптикой и продолжил полет, но на пути его уже не было никаких планет. Еще в 2013 году было официально признано, что он вышел за пределы Солнечной системы и теперь полет его продолжается в межзвездном пространстве. Расстояние до него теперь более 20 млрд. км, или 134 астрономических единиц, а проходит он сейчас более 3.3 а.е. в год (примерно 500 млн. км).

Понимание энергетической загадки

Такая же ситуация выглядит совершенно иначе, если вы смотрите с точки зрения планеты. По отношению к планете скорость космического аппарата постепенно увеличивается при приближении к ней за счет гравитации. Точно так же скорость постепенно уменьшается таким же образом, когда он удаляется от нее. Таким образом, скорость аппарата по отношению к планете до и после встречи с ней одинакова. Это фактически сохранение энергии.

Но, если смотреть с точки зрения Солнца, космический корабль получает дополнительную скорость из ниоткуда, по-видимому, нарушая сохранение энергии. Так откуда же получается дополнительная скорость?

Дополнительная скорость исходит от самой планеты. Стоит вспомнить, что у космического корабля тоже есть масса, даже если она незначительна по сравнению с планетой. Поскольку гравитация работает в обоих направлениях, космический корабль немного притягивает планету и замедляет ее движение по своей орбите вокруг Солнца. Из-за сохранения энергии потерянная энергия планеты — это энергия, получаемая космическим аппаратом. Потери скорости для планеты из-за этого незначительны, но скорость, получаемая космическим аппаратом, весьма значительна, как мы можем видеть в наших расчетах выше.