В новом выпуске StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его постоянный соведущий, комик Чак Найс, обсуждают тонкости межпланетных перелетов. Главная тема беседы — как человечество научилось запускать космические аппараты за пределы Солнечной системы, используя гравитацию планет в качестве «бесплатного» топлива.
🚀 Секрет космических скоростей: гравитационная «рогатка» 0:00
Практически ни один современный космический зонд не достигает своей цели, полагаясь исключительно на то ракетное топливо, с которым он стартовал с Земли . По словам Нила Деграсса Тайсона, для полетов в глубокий космос ученые используют так называемый эффект «рогатки» или гравитационный маневр .
Суть метода заключается в следующем:
- Космический аппарат запускается по траектории, проходящей позади планеты по направлению её движения.
- Зонд начинает «падать» на планету, ускоряясь под действием её гравитации .
- Огибая планету, аппарат вылетает с другой стороны, обладая значительно большей энергией, чем в начале маневра .
Однако Тайсон подчеркивает, что во Вселенной ничего не дается даром . Энергия, которую получает зонд, не берется из ниоткуда — аппарат фактически «крадет» часть орбитальной энергии самой планеты . В результате планета незначительно замедляется на своей орбите, хотя из-за разницы масс это влияние ничтожно. Тайсон приводит наглядную аналогию: это похоже на то, как если бы комар на полной скорости врезался в слона — слон технически получит толчок, но на практике этого никто не заметит .
🛰️ Первые посланники: Pioneer 10 и 11 1:21
Первыми аппаратами, получившими достаточно энергии для выхода за пределы Солнечной системы, стали «Пионер-10» (Pioneer 10) и его близнец «Пионер-11» . Поскольку эти устройства стали первыми рукотворными объектами, которые никогда не вернутся назад, ученые решили разместить на них послание для внеземных цивилизаций в виде золотой таблички, защищенной от коррозии на миллиарды лет .
Основные элементы этого «космического письма»:
- Карта пульсаров. Своеобразный «обратный адрес», указывающий направление и расстояние до известных пульсаров в Галактике. По мнению Тайсона, это позволяет инопланетянам триангулировать положение Земли .
- Молекула водорода. Изображение атома водорода с переворотом спина электрона (spin flip). Это служит универсальной единицей измерения: излучаемая при этом радиоволна длиной 21 см является «линейкой» для всех остальных расчетов на табличке .
- Изображение людей. Фигуры мужчины и женщины на фоне силуэта самого аппарата, чтобы показать масштаб человеческого тела .
- Схема Солнечной системы. На ней показано Солнце и девять планет, а также траектория «Пионера», вылетающего от третьей планеты (Земли) и совершающего гравитационный маневр у Юпитера .
Интересную деталь Тайсон отмечает в связи с Плутоном, который на момент запуска (начало 70-х) считался планетой . Хотя позже Плутон был понижен в статусе, на табличке он присутствует. Астрофизик шутит, что эта неточность может стать «спасением человечества»: инопланетяне будут искать систему с девятью планетами, не найдут её среди восьмипланетных систем и пролетят мимо, посчитав людей слишком глупыми для контакта .
🌌 Великое путешествие: Voyager и New Horizons 5:29
Следующими аппаратами, покинувшими систему, стали знаменитые «Вояджер-1» и «Вояджер-2» (Voyager) . Ученым повезло: конфигурация планет в конце 70-х годов была настолько удачной, что аппараты смогли последовательно получить ускорение от нескольких планет-гигантов подряд, что позволило им развить колоссальную скорость для выхода в межзвездное пространство .
Пятым аппаратом в этом списке стал New Horizons, отправленный к Плутону. Его миссия отличалась особым подходом:
- Максимальная легкость. Конструкторы сделали аппарат настолько легким, насколько это возможно .
- Мощный старт. Его запустили на самых мощных ракетах, доступных на тот момент, что сразу дало ему огромную начальную скорость .
- Гравитационные маневры. Дополнительное ускорение позволило ему стать самым быстрым аппаратом, обгоняющим предшественников по мере удаления от Солнца .
Тайсон с иронией замечает, что в науке существует «первое правило экспериментов»: ученый хочет, чтобы эксперимент завершился до того, как он умрет . Именно поэтому руководитель миссии Алан Стерн (которого Тайсон называет «Мистером Плутоном») сделал ставку на максимальную скорость — полет занял всего около 5-6 лет .
☀️ Парадокс полета к Солнцу 8:08
Вопреки интуиции, упасть на Солнце гораздо сложнее, чем улететь из Солнечной системы. Проблема заключается в том, что Земля движется по орбите со скоростью около 30 км/с (18 миль в секунду) . Если просто запустить ракету в сторону Солнца, она промахнется, так как сохранит эту огромную боковую (орбитальную) скорость .
Чтобы «упасть» на Солнце, аппарат должен полностью избавиться от этой энергии движения . Для этого снова используется эффект рогатки, но в обратную сторону:
- Вместо того чтобы заходить за планету «сзади», аппарат направляется так, чтобы встретить планету «в лоб» (со стороны её движения) .
- В этом случае планета не ускоряет зонд, а, наоборот, забирает его энергию .
- После нескольких таких маневров аппарат теряет скорость и может совершить падение в центр системы .
Тайсон завершает объяснение тем, что орбитальная механика полна таких тонкостей, которые делают космическую навигацию одновременно сложной и элегантной наукой .
