Человечество давно вышло за пределы своей колыбели, отправив во все уголки Солнечной системы и за её пределы технологических аватаров — роботов, марсоходов и орбитальные телескопы. На панельной дискуссии Всемирного фестиваля науки (World Science Festival) ведущие специалисты NASA обсудили, как миссии Parker Solar Probe, InSight, TESS и Landsat 8 раздвигают границы неизведанного. Учёные и инженеры поделились уникальными деталями управления космическими аппаратами, рассказали о поиске экзопланет и объяснили, почему изучение далёкого космоса жизненно важно для спасения нашей собственной планеты.
🌌 Эмоции за кулисами космических миссий 6:40
Создание и запуск космического аппарата — это высокорискованное предприятие, требующее многолетней работы сотен специалистов, из-за чего моменты достижения целей всегда сопряжены с колоссальным эмоциональным напряжением. Как отметил ведущий дискуссии астрофизик Калеб Шарф, люди часто забывают, сколько времени требуется аппарату, чтобы добраться до места назначения в Солнечной системе. Например, после запуска зонда Juno к Юпитеру учёные годами ждали первых данных.
Астрофизик Нур Рауафи признался, что участие в миссии к Солнцу Parker Solar Probe — это сбывшаяся мечта, реализации которой научное сообщество ждало долгие 60 лет из-за отсутствия нужных технологий. По его словам, специфика этой миссии заключается в невероятной динамике: каждый виток вокруг светила занимает от трёх до четырёх месяцев, поэтому каждые три месяца команда переживает периоды огромного нервного напряжения.
Инженер космических систем Фара Алибей, работающая с марсианскими миссиями в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA, с иронией заметила, что специалисты по Марсу получают «мгновенное удовлетворение» по сравнению с коллегами, изучающими Юпитер или Сатурн. Окна для запуска к Красной планете открываются каждые 26 месяцев, а сам полёт занимает всего полгода. Однако самый страшный этап любой марсианской миссии — это посадка, известная как «семь минут ужаса».
Последовательность посадки на Марс выглядит следующим образом:
- Аппарат врезается в разреженную марсианскую атмосферу на скорости в тысячи миль в час.
- За семь минут системы должны затормозить капсулу до скорости всего в несколько футов в секунду у самой поверхности.
- Радиосигнал от Марса до Земли идёт дольше семи минут, поэтому к моменту получения первого сигнала команда на Земле понимает, что аппарат уже находится на поверхности — либо в виде работающей станции, либо в виде груды обломков.
Фара Алибей призналась, что во время посадки зонда InSight в ноябре она буквально забыла как дышать, ведь результаты многолетнего труда огромной команды зависели от точности каждого знака после запятой в расчётах.
Руководитель проекта TESS Патти Бойд описала волнение перед запуском как ни с чем не сравнимый опыт, ведь на вершине ракеты-носителя находятся годы надежд и симуляций. После успешного старта начинается не менее ответственный этап — вывод на рабочую орбиту. Для телескопа TESS потребовалось совершить опасный гравитационный манёвр в непосредственной близости от Луны. По мнению Бойд, выход на научную орбиту приносит новый вид страха: исследователи замирают в ожидании того, подтвердит ли реальная Вселенная их теоретические модели.
Директор Отделения наук о Земле в Центре космических полётов имени Годдарда Джим Айронс добавил, что в сфере исследования Земли главные поводы для гордости проходят без лишнего пафоса. Учёный работал над спутником Landsat 8 в течение 14 лет. Для его команды момент истинного триумфа — это не сам запуск ракеты с тоннами взрывоопасного топлива, а день, когда все приборы успешно откалиброваны, проверены и данные официально открываются для широкой публики. В качестве свежего примера он привёл запуск спутника IceSat-2 в сентябре, данные которого о толщине морского льда стали общедоступными как раз на неделе проведения дискуссии.
☀️ Прикосновение к Солнцу: миссия Parker Solar Probe 14:45
Зонд Parker Solar Probe, запущенный 12 августа 2018 года, стал самым быстрым рукотворным объектом в истории авиации и космонавтики, развив скорость в 213 тысяч миль в час (около 343 тысяч км/ч) во время первых сближений со звездой. Программа миссии предусматривает выполнение 24 витков вокруг Солнца.
Для постепенного сужения орбиты Parker использует гравитацию Венеры, совершая вокруг неё в общей сложности 7 облётов за всё время работы. Через пять лет аппарат подойдёт к Солнцу на рекордное расстояние — менее 4 миллионов миль от его видимой поверхности. Нур Рауафи привёл наглядную аналогию: если представить расстояние от Земли до Солнца (93 миллиона миль) как один ярд, то Parker Solar Probe приблизится к светилу на расстояние пары дюймов, фактически «коснувшись» звезды.
Фантастическая скорость зонда обусловлена законами гравитационной механики: чем ближе объект к массивному телу, тем быстрее он должен двигаться. На пике сближения Parker летит со скоростью 120 миль в секунду (около 193 км/ч). Калеб Шарф подсчитал, что с такой скоростью можно долететь от Сан-Франциско до Нью-Йорка за 20 секунд, а путь от Нью-Йорка до Токио занял бы всего одну минуту.
🛠️ Устройство автономной защиты зонда
Солнце сосредоточило в себе 99,98% всей массы Солнечной системы, обладая колоссальной энергией и непредсказуемым магнитным полем, способным мгновенно уничтожить незащищённый аппарат. Чтобы выжить, Parker укомплектован уникальной системой тепловой защиты (TPS).
Параметры и условия работы теплового щита:
- Температура на внешней стороне: сторона, обращённая к Солнцу, нагревается до температуры свыше 2500 °F (около 1370 °C).
- Температура внутри аппарата: за щитом, где расположены научные приборы, поддерживается комфортная комнатная температура.
- Габариты щита: диаметр составляет 2,3 метра, а толщина — всего 4,5 дюйма (около 11,4 см).
- Точность наведения: отклонение щита от направления на Солнце не должно превышать 1 градус, иначе незащищённые узлы мгновенно сгорят.
Из-за задержки сигнала на минимальном расстоянии от Солнца Parker Solar Probe обязан быть на 100% автономным. Если произойдёт сбой, бортовой компьютер должен устранить его сам — инженеры с Земли ничем не смогут помочь в режиме реального времени.
Инженер Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса Бетси Конгдон продемонстрировала реальный образец материала, из которого изготовлен теплозащитный щит зонда. Она назвала конструкцию «восьмифутовым фрисби», отметив, что при внушительных размерах щит весит всего около 150 фунтов (68 кг), что крайне важно для экономии массы при запуске.
Щит устроен по принципу сэндвич-панели. Две внешние тонкие пластины состоят из углерод-углеродного композита (похожего на материал для высокотехнологичных теннисных ракеток или клюшек для гольфа), а между ними проложен слой углеродной пены.
В ходе демонстрации Конгдон раскалила внешнюю сторону образца газовой горелкой до ярко-красного свечения, после чего спокойно прикоснулась к обратной стороне голой рукой, доказав, что пена эффективно блокирует тепло и сохраняет комнатную температуру на тыльной стороне. Однако Нур Рауафи предупредил, что этот материал довольно хрупок и может расколоться при механическом ударе. Именно поэтому по заказу NASA специалисты изучали и тестировали эти композиты за много лет до официального утверждения миссии.
🚀 За пределы Солнечной системы: наследие Voyager и охота за экзопланетами 31:40
Человечество вышло за границы нашей планетной системы благодаря аппаратам-близнецам Voyager 1 и Voyager 2, запущенным в 1977 году. Несколько лет назад Voyager 1 официально вошёл в межзвёздную среду, покинув пределы гелиосферы — зоны прямого влияния солнечного ветра. Джим Айронс назвал этот факт невероятным источником вдохновения для всех земных учёных.
Фара Алибей подчеркнула, что оба аппарата до сих пор выходят на связь раз в день, используя технологии 40-летней давности. Данные поступают в Центр космической связи JPL через Сеть дальней космической связи (Deep Space Network). По словам Алибей, сигнал от Voyager 2 сегодня настолько слаб, что он полностью скрыт под уровнем белого шума, напоминающего шипение ненастроенного радиоприёмника. Чтобы расшифровать послание, компьютер заставляет аппарат повторять сигнал несколько раз, после чего из шума вычленяется полезная информация.
Нур Рауафи выразил восхищение инженерами ХХ века, чьи устройства продолжают работать спустя десятилетия, имея на борту вычислительные системы слабее, чем самый примитивный современный калькулятор. Запись данных на «Вояджерах» до сих пор производится на старую магнитную ленту.
🪐 Революция в изучении экзопланет и телескоп TESS
Когда аппараты Voyager покидали Землю в 1977 году, наука не располагала доказательствами существования планет у других звёзд. Найти их казалось невозможным, ведь звёзды ярче своих планет примерно в 10 миллиардов раз. Ситуация кардинально изменилась в середине 1990-х годов.
Первые подтверждённые экзопланеты, открытые в 1995 году, перевернули представления учёных, поскольку они оказались так называемыми «горячими Юпитерами». Эти огромные газовые гиганты вращаются в экстремальной близости от своих родительских звёзд — их орбитальный период составляет всего несколько дней, что полностью противоречит структуре нашей Солнечной системы. По словам Патти Бойд, к 2019 году астрономы подтвердили существование около 4000 экзопланет. Статистический анализ показывает, что в нашей Галактике планет больше, чем звёзд, — их число превышает 100 миллиардов.
Новым шагом в этой области стал запуск космического телескопа TESS, имеющего скромные размеры (с бытовую стиральную машину) по сравнению со знаменитым телескопом Hubble размером со школьный автобус. TESS движется по сильно вытянутой эллиптической орбите и каждые две недели сбрасывает массив накопленных данных на Землю во время сближения с планетой.
Принцип работы TESS строится на методе транзитов:
- Телескоп непрерывно в течение 27 дней следит за определённым сектором неба, напоминающим дольку апельсина.
- Приборы фиксируют микроскопические падения яркости звёзд, когда перед их диском проходит планета (аналогично транзиту Венеры по диску Солнца, который жители Земли наблюдали в 2012 году).
- Величина падения яркости прямо пропорциональна размеру экзопланеты относительно её солнца.
- Повторяемость транзитов позволяет рассчитать её орбитальный период и понять, находится ли планета в зоне обитаемости, где возможно существование жидкой воды.
Легендарный телескоп Hubble, отметивший в апреле 29 лет работы на орбите, также внёс огромный вклад в изучение планет у далёких звёзд. Используя метод трансмиссионной спектроскопии, Hubble анализирует свет звезды, прошедший сквозь атмосферу экзопланеты во время транзита. Это позволяет выявлять химические «отпечатки пальцев» далёких миров, включая следы водяного пара.
Кроме того, Hubble показал человечеству звёздные ясли. Патти Бойд продемонстрировала знаменитый снимок «Столпы Творения» (Pillars of Creation) в видимом спектре, где мощные ветра от молодых гигантских звёзд выдувают полости в облаках газа и пыли, формируя причудливые структуры.
Комбинация фильтров позволяет увидеть распределение химических элементов. Однако настоящим прорывом стало использование инфракрасной камеры телескопа: на инфракрасном снимке той же области пелена пыли исчезает, обнажая десятки скрытых внутри новорождённых протозвёзд. Учёные возлагают большие надежды на будущий космический телескоп James Webb (JWST), запланированный к запуску на 2021 год, который заглянет в инфракрасный диапазон ещё глубже. Инженеры рассчитывают продлить работу Hubble как минимум до середины 2020-х годов, чтобы обеспечить совместную работу двух мощнейших обсерваторий.
Фара Алибей уточнила структуру Сети дальней космической связи (DSN), которая обеспечивает бесперебойный приём сигналов от всех аватаров человечества. Сеть состоит из гигантских радиоантенн диаметром от 34 до 70 метров, размещённых в трёх точках планеты: Голдстоуне (Калифорния, США), Мадриде (Испания) и Канберре (Австралия). Такое географическое распределение в обоих полушариях гарантирует, что при вращении Земли космические аппараты всегда остаются в поле зрения хотя бы одной из станций.
🛰️ Проблема космического мусора и планетарная защита 49:39
Обратной стороной освоения космоса стало его загрязнение отработавшими элементами ракет и спутников. В показанном на дискуссии видеоролике отмечается, что космический мусор формируется из ступеней ракет, обтекателей и обломков взорвавшихся аппаратов, за которыми долгое время никто не следил.
Сегодня человечество столкнулось с эффектом Кесслера — феноменом каскадного столкновения объектов. При столкновении крупных обломков образуются тысячи мелких неконтролируемых частиц, которые повышают риски для действующих миссий, превышая опасность от естественных метеороидов. По текущим моделям, столкновения крупных объектов на низкой околоземной орбите происходят примерно раз в 10 лет. Эксперты предупреждают: даже если человечество полностью прекратит запуски, количество мусора на орбите продолжит расти за счёт взаимных соударений, пока всё не превратится в мелкую пыль. Ситуация усугубляется геополитическими рисками. В случае военного конфликта спутники связи станут первоочередной мишенью для уничтожения, что мгновенно парализует гражданскую инфраструктуру.
Джим Айронс рассказал, что операторы NASA круглосуточно отслеживают так называемые конъюнкции — опасные сближения работающих спутников с мусором. В таких случаях инженеры используют двигатели аппаратов для корректировки орбиты и увода их на безопасное расстояние.
На Марсе проблемы космического мусора пока нет, хотя Фара Алибей признала, что люди оставляют на планете посадочные платформы, тепловые экраны и парашюты. В шутку она добавила, что марсиане вряд ли рады такому лому на своих задних дворах, но ради науки трижды в десятилетие этим можно пренебречь. Куда строже NASA относится к правилам «планетарной защиты». Все марсоходы проходят жесточайшую стерилизацию, чтобы случайно не занести на Красную планету земные бактерии, способные там выжить и нарушить чистоту будущих поисков марсианской жизни.
Комментируя громкие заявления миллиардеров Джеффа Безоса и Илона Маска о скорой колонизации Марса и отправке туда 10 000 человек, Патти Бойд выразила скепсис относительно близких сроков реализации этих планов. По её мнению, колонизация — невероятно сложная задача, которую ни одна частная компания не решит в одиночку без государственно-коммерческого партнёрства. В качестве промежуточного и логичного шага Бойд назвала Луну, которая должна послужить отличным полигоном для отработки технологий выживания.
🌍 Взгляд на Землю и поиски внеземной жизни 56:32
Изучение Солнца и других звёзд имеет сугубо практическое значение для выживания человечества. Нур Рауафи напомнил, что Земля фактически находится в протяжённой и динамичной атмосфере Солнца — солнечной короне, порождающей солнечный ветер. Мощные вспышки и корональные выбросы массы (CME) несут серьёзную угрозу технологической цивилизации. В худшем случае геомагнитный шторм способен полностью уничтожить спутниковую навигацию, телекоммуникации и энергетические сети.
Рауафи описал катастрофический сценарий:
- Выход из строя энергосетей в крупнейших мегаполисах, таких как Нью-Йорк или Сан-Франциско, на месяц парализует Уолл-стрит.
- Мировая экономика понесёт триллионные убытки, что спровоцирует масштабные социальные протесты и хаос.
- Без электроэнергии человечество потеряет доступ к накопленным цифровым знаниям и будет отброшено назад в «каменный век».
В истории уже происходило подобное событие — супершторм 1859 года, известный как «событие Кэррингтона». Тогда на Земле вспыхнули сильнейшие геомагнитные бури, из-за которых телеграфные столбы буквально горели от наведённых токов. По статистике, такие катаклизмы случаются примерно раз в 100 лет, а значит, человечество уже сильно задерживается со следующей крупной катастрофой. Понимание физики короны с помощью Parker Solar Probe поможет вовремя прогнозировать такие угрозы, а также прольёт свет на то, как звёздный ветер влияет на атмосферы экзопланет.
В то же время спутник Landsat 8, работающий на полярной орбите, непрерывно следит за изменениями на самой Земле. За сутки аппарат совершает 14–15 витков, снимая полосу шириной 100 миль. За 16 дней Landsat полностью сканирует поверхность планеты, после чего цикл повторяется. Это даёт учёным уникальный многодесятилетний архив изменений ландшафта.
Джим Айронс продемонстрировал несколько тревожных таймлапсов:
- Шанхай (Китай): взрывной рост площади мегаполиса за счёт притока населения и урбанизации.
- Национальный парк Глейшер (США): в 1910 году здесь было 150 ледников, сегодня осталось менее 25, и они сокращаются со скоростью 2–3 акра в год.
- Оклахома и Западная Вирджиния: масштабная вырубка лесов и уничтожение горных вершин ради добычи угля открытым способом, что резко снижает способность природы поглощать углерод из атмосферы.
Среди позитивных новостей Айронс выделил общее улучшение качества воздуха в США и успешное действие Монреальского протокола. Благодаря запрету хлорфторуглеродов разрушение озонового слоя в стратосфере остановилось, и в ближайшем будущем ожидается восстановление его концентрации, предохраняющей человечество от рака кожи и солнечных ожогов.
В контексте поиска внеземной жизни Патти Бойд напомнила, что Земля остаётся единственным известным миром, где зародилась и процветает жизнь. В будущем NASA планирует оценивать обитаемость планет по биосигнатурам в их атмосферах — поиску химического дисбаланса. Например, одновременное присутствие кислорода и метана укажет на наличие активной биосферы, поскольку в естественных условиях эти газы быстро уничтожают друг друга.
Отвечая на вопрос из зала о том, как бороться с политическим отрицанием климатических изменений, Джим Айронс подчеркнул жесткую позицию NASA:
«В NASA мы стремимся оставаться вне политических дискуссий, собирать и распространять надёжные данные и создавать достоверные модели поведения Земли... Мы проводим наблюдения беспристрастным, объективным и строгим образом, чтобы информации, которую мы доставляем из космоса, общество могло доверять».
В завершение дискуссии Фара Алибей коснулась темы долговечности аппаратов Voyager. Их работа ограничена постепенной деградацией радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). Рано или поздно наступит день, когда приборы замолкнут, но аппараты продолжат бесконечно лететь сквозь пустоту. На их бортах закреплены знаменитые позолоченные информационные диски, созданные под руководством Карла Сагана. Алибей выразила общую мысль учёных о том, что миссия «Вояджеров» никогда не будет завершена, пока их не найдёт другая цивилизация, для которой они навсегда останутся вечными послами человечества в бескрайней Вселенной.
