Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

Яркость противосвечения до входа в пояс снижалась довольно быстро, в поясе астероидов это падение замедлилось, а за его пределами противосвечение исчезло, как и зодиакальный свет, наблюдаемый в плоскости планетных орбит по бокам от Солнца. Иначе говоря, после выхода из пояса межпланетная пыль почти пропала.

Лишь позднее и значительно ближе к Юпитеру прибор Кинарда обнаружил пылевой пояс с концентрацией частиц в 300 раз выше нормы. Вблизи планеты было пробито десять ячеек MD из 25 уцелевших, а к 20 февраля 1974 г. – еще две. Итоговый счет составил 95 поврежденных ячеек из 108.

Статистику по частицам средней массы постановщики привели отдельно: на пути от Земли до входа в пояс астероидов они попали в 25 ячеек детектора MD, в пределах пояса – в 17 и на дальнейшем пути к Юпитеру – в 12.

Как и ожидалось, с удалением от Солнца сила межпланетного магнитного поля, плотность вещества солнечного ветра и число солнечных частиц высоких энергий снижались обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии порядка 4 а.е. быстрые потоки начинали стихать, превращаясь в случайное тепловое движение частиц.

Подводя итоги наблюдений солнечного ветра уже после Юпитера, ученые пояснили, что при столкновениях быстрых и медленных потоков возникают сильные градиенты магнитного поля, и как раз в этих зонах рассеиваются галактические космические лучи. Поэтому частицы низких энергий внесолнечного происхождения почти не встречались вплоть до рубежа 5 а.е. и не должны были быть заметны ближе 20–30 а.е.

Неожиданно выяснилось, что межзвездные нейтральные атомы водорода проникают в гелиосферу примерно в плоскости планетных орбит, а не с направления движения Солнца относительно внешней межзвездной среды под 60° к этой плоскости, как предполагали ученые. С помощью УФ-фотометра в составе межзвездного газа впервые был выявлен гелий.

Приблизившись к Юпитеру на расстояние 1,5 а.е., «Пионер-10» начал регистрировать пучки частиц высоких энергий, исходящие от планеты. Как потом выяснилось, для энергичных электронов, выброшенных из магнитосферы Юпитера, это был не предел: они доходили до земной орбиты (и регистрировались там уже несколько лет) и даже до орбиты Меркурия. Источник их, однако, оставался загадкой.

Декабрь 1973 года. «Пионер-10»

21 июня 1973 г. провели еще одну коррекцию «Пионера-10» с включением двигателей на четыре секунды и импульсом 0,127 м/с на торможение, чтобы отсрочить время прибытия до оптимального. Все было сделано правильно, однако система Юпитера оказалась чуть тяжелее, чем закладывалось в баллистические расчеты: сама планета – примерно на массу нашей Луны, ее спутники – еще на одну Луну. Притяжение было чуть-чуть сильнее расчетного, и в результате станция пришла к цели на минуту раньше назначенного времени. Все ее подсистемы работали штатно и на основных комплектах – необходимости переключиться на дублирующее устройство нигде не возникло.

31 июля Земля прошла между «Пионером-10» и Солнцем. Чтобы солнечный датчик не ослеплялся и мог отсчитывать обороты КА, ось антенны отклонили на 1,5° от направления на Солнце. Как следствие, она ушла на 1° и более от Земли, что затруднило связь.

К осени 1973 г. на Земле вступили в строй, в дополнение к первой, еще две 64-метровые антенны, обеспечившие круглосуточное сопровождение полета и считывание служебной и научной информации. Первую в серии антенну DSS-14 в Голдстоуне (Калифорния) изначально построили для приема снимков Марса с «Маринеров», и она штатно работала с 1966 г.^[27] Сооружение аналогичной антенны DSS-43 в долине Тидбинбилла^[28] в Австралии, вблизи Канберры, началось в декабре 1969 г. и было закончено в июле 1972 г. В период тестирования эта станция работала с пилотируемым кораблем «Аполлон-17» как дублер радиотелескопа Паркс. В апреле 1973 г. она была введена в строй и с июля несла регулярную службу. На площадку Робледо-де-Чавела в Испании строители пришли в июне 1970 г. и сдали работу в январе 1973 г.; в сентябре станция DSS-63 также была введена в эксплуатацию. Пролет «Пионера-10» у Юпитера стал боевым крещением для этих двух объектов наземного комплекса.

Объект исследования: Юпитер

Пятая и крупнейшая планета Солнечной системы.

Известна со времен древних цивилизаций Ближнего Востока, Индии и Китая.

Большая полуось орбиты – 5,20 а.е.

Период обращения – 11,86 года.

Масса – 317,8 M_E (масс Земли).

Радиус экваториальный – 71 372 км.

Период вращения – 9 ч 55 мин.

Наклон оси к плоскости орбиты – 3°.

Спутники – было известно 12, в 1974 г. открыт 13-й.

К 2020 г. известно 79 спутников и система колец.

Период встречи начался 4 ноября 1973 г. – за четыре дня до пересечения орбиты внешнего спутника Синопе, который тогда еще носил имя Аид^[29]. За 60 суток, до 2 января 1974 г., на борт было передано 17 286 команд, главным образом для «ручного» управления работой фотополяриметра IPP. Интересно, что на борт не прошло лишь семь команд.

Опытные съемки планеты начались 6 ноября с расстояния 25 млн км. Всего до 31 декабря с борта планировали получить более 500 кадров фотополяриметра, в том числе 336 изображений планеты и десять – ее спутников: пять кадров Ио, один снимок Европы, по два – Ганимеда и Каллисто.

При разработке программы исследований изучение радиационной обстановки имело больший приоритет, чем съемка. Разработчики знали, что аппарат может погибнуть, выполняя их задание по измерениям в магнитосфере и радиационных поясах планеты. Поэтому все основные сеансы IPP планировались до момента пролета Юпитера, а уж дальше – как получится. Кстати, и траекторию выбрали так, чтобы на подлете планета и ее спутники были освещены полностью, а на отлете – лишь частично.

Прибор работал по восемь часов в сутки до 26 ноября – в тот день провели последний перед встречей маневр ориентации антенны HGA на Землю, а до 12 декабря – уже круглосуточно. На самом деле не совсем круглосуточно. Несколько сеансов на 64-метровой калифорнийской антенне и, в частности, 27 ноября и 10 декабря, пришлось уступить полностью или на почасовой основе команде «Маринера-10». Их аппарат стартовал 3 ноября 1973 г. и должен был проверить свою камеру в съемках Земли и Луны на отлете. Еще немного ресурсов «отщипнул» проект «Викинг» – на ноябрь пришелся оптимальный период радиолокационной съемки выбранных мест посадки на Марсе.

Без участия Земли фотополяриметр IPP работать просто не мог. Инструмент, созданный в Аризонском университете под руководством Томаса Герелса, представлял собой фотометр и поляриметр на базе телескопа апертурой 25,4 мм и фокусным расстоянием 86,4 мм. В режиме планетной съемки использовалась оптическая схема с мгновенным полем зрения 0,5 мрад (1,7´) и с регистрацией в двух каналах, красном и синем^[30]. Каждая линия сканирования формировалась за счет вращения аппарата в пределах угла 14°. Так как «Пионер» летел «на боку» относительно планеты, эта линия была вертикальной по отношению к экватору Юпитера, но ее все равно называли строкой.

За 0,5 секунды, необходимые для поворота на указанный угол, снимались 1015 отдельных измерений – 508 в синем канале и 507 в красном. Они оцифровывались с 6-битным разрешением (64 градации яркости) и записывались в буфер длиной 6144 бита, откуда за оставшуюся часть оборота считывались и передавались на Землю. С учетом периода вращения КА вокруг оси – около 12,5 секунд – скорости в 1024 бит/с хватало для передачи и видовой информации из буфера фотополяриметра, и всех остальных данных примерно такого же объема.

Поперечную развертку изображения обеспечивали либо шаговый двигатель прибора, постепенно поворачивающий телескоп в пределах 14° по углу места, либо пространственное движение самого «Пионера». Но какое же это было медленное дело… пять строк в минуту, от 25 до 110 минут на один кадр, в зависимости от сюжета!

Специальная наземная система, созданная группой Ральфа Бейкера из Аризонского университета, собирала отдельные пиксельные линии в снимки планеты. Из красного и синего кадров искусственно синтезировался зеленый, а из всех трех – цветной снимок. За демонстрацию фотографий Юпитера в реальном времени, пусть даже с пропусками строк, сбоями и искажениями, сан-францисское отделение Национальной академии телевизионных искусств присудило проекту «Пионер» премию Emmy.

Угловое разрешение IPP было лишь немного хуже, чем у человеческого глаза. Поэтому прибор показывал планету примерно такой же, какой увидел бы ее человек на борту «Пионера-10». Число линий и, соответственно, необходимое время съемки кадра определялись угловым размером Юпитера в заданный день и час. Так, 16 ноября видимый размер планеты сравнялся с Луной, и ее диск разрешался примерно на 18 строк, а к 24 ноября он уже соответствовал 30 строкам разложения.

26 ноября в 20:30 UTC на расстоянии 109 радиусов Юпитера^[31] аппарат вошел в ударную волну, которая формировалась в солнечном ветре при встрече с планетой и ее магнитосферой. Шесть приборов из 11 в это время резко изменили свои показания. Скорость солнечного ветра сразу снизилась вдвое, с 450 до 250 км/с, а вот энергия частиц подскочила на порядок – с 50 000 до 500 000 К, если характеризовать ее абсолютной температурой плазмы^[32]. Размеры возмущенного Юпитером пространства потрясали – порядка 25 млн км в плоскости эклиптики!

Ровно сутки потребовались «Пионеру-10», чтобы пересечь магнитослой – зону за ударной волной, где солнечный ветер постепенно меняет направление и отворачивает в стороны. 27 ноября в 20:30 на отметке 96 радиусов Юпитера аппарат прошел магнитопаузу – границу магнитосферы планеты. Давление магнитного поля Юпитера и плазмы в нем сравнялось с давлением солнечного ветра, который уже не мог проникнуть ближе к планете.

29 ноября аппарат миновал все внешние спутники и вступил во внутреннюю область системы Юпитера. Однако на следующий день случился резкий спад магнитного поля и радиационных измерений: это солнечный ветер усилился и оттеснил магнитопаузу ближе к планете!

3 декабря около 04:30 UTC на отметке 20 R_J «Пионер-10» наконец проник в дипольную область, где магнитное поле вращалось вместе с планетой. Оно оказалось в восемь – десять раз мощнее, а запасенная в нем энергия была в 20 000 раз больше, чем в земном. Поле было обратной полярности – северный магнитный полюс находился вблизи южного географического полюса Юпитера. Ось магнитного диполя оказалась наклонена на 11° и смещена относительно оси вращения планеты, из-за чего данные магнитометра колебались с десятичасовым периодом, и вообще структура магнитного поля была довольно сложной. На уровне облаков оно имело силу от 2 до 15 гаусс против 0,35 гаусс земного поля.

За шесть часов до пролета планета перестала умещаться в кадре IPP, и тогда же на полчаса прервалась передача «картинки» фотополяриметра, которая приходила на Землю с задержкой на 45 мин 55 с. Пресса потом придумала, что какой-то гость в центре управления случайно нажал на кнопку и отключил сразу восемь приборов, хотя на самом деле сбой произошел на борту. Чтобы обезопасить аппарат от выполнения случайных команд, вызванных радиацией вблизи Юпитера, на борт раз в несколько минут отправлялась «лечебная» посылка; кроме того, специальная последовательность команд восстанавливала работу фотополяриметра в случае сбоя. Первое такое нарушение случилось 3 декабря около 18:00 UTC на расстоянии 9 R_J, а всего за время встречи они произошли десять раз. Один из сбоев пришелся на лучший из запланированных кадров Ио. Досадно: вулканы на этом спутнике могли быть обнаружены на семь лет раньше!

На лучшем снимке Ганимеда различались детали размером 400 км. В них угадывалась пара 800-километровых «морей», одно у южного полюса, другое вблизи экватора, и яркая северная полярная часть.

На Европе удалось разглядеть темные детали в северном полушарии, напоминающие лунные моря, и большой и очень яркий регион в южном. Была выдвинута гипотеза, что в этом месте удар крупного астероида обнажил 50-километровый слой льда – который залегает в остальных местах на глубине 10 км и более.

Последний снимок планеты на подлете «Пионер-10» сделал с расстояния 203 000 км, а первый на отлете – удалившись уже на 504 000 км. Из-за насыщения блока контроля усиления несколько близких видов Юпитера были пересвечены до полной негодности. Тем не менее на снимках, принятых в течение суток до пролета и суток после него, можно было увидеть детали размером порядка 200 км. Всего же за период с 30 ноября по 7 декабря Земля получила 153 хороших изображений планеты.

4 декабря 1973 г. в 02:25:11 UTC по бортовому времени станция пронеслась на минимальном расстоянии 202 756 км от центра Юпитера и на высоте 131 358 км над границей облаков планеты^[33]. Наклонение гиперболической траектории к плоскости эклиптики составило 13,8°, скорость в перицентре достигла 36,7 км/с.

Как это делается: определение времени пролета

Оценка точного времени сближения «Пионера-10» с Юпитером непосредственно по измерениям с Земли была невозможна. Хотя эта точка траектории и была видна с Земли, график доплеровского смещения частоты сигнала отражал только продольную (лучевую) компоненту скорости, но не боковую. Кроме того, измерения велись с движущейся и вращающейся Земли, и анализ требовал точного знания ее эфемерид (текущего положения относительно Солнца в каждый момент времени) и параметров вращения.

Дальность до КА типа «Пионер-10» можно было измерить лишь импровизированным путем, за счет искусственного внесения в частоту отправляемого сигнала ступенек или треугольной «волны» и регистрации этих форм в принимаемом когерентном сигнале. Точность была невелика – порядка 10 км, да и таких измерений было всего три: 24 и 26 ноября, примерно за десять суток до пролета, и через семь дней после него – 11 декабря.

Для определения обстоятельств сближения требовалось совместное решение двух задач: уточнение теории движения планет и спутников и оптимальное наложение на нее имеющихся данных сопровождения КА. Делалось это многократно с каждым новым пролетом «Пионеров» и «Вояджеров» у больших планет, после чего предыдущие результаты уточнялись и пересматривались. Данные, приведенные в таблице 4 (и последующих таблицах 5, 8 и 9), основаны на докладе Роберта Джейкобсона, представленном в 2002 г.

Поэтому не стоит удивляться, что в первых публикациях 1974 г. приводилось точное время встречи «десятого» с Юпитером 02:25:19 UTC, а в отчете JPL за апрель 1974 г. уже фигурировало время 02:25:28 UTC. В статье, опубликованной в феврале 1985 г., Джеймс Кэмпбелл и Стивен Синнотт назвали 02:26:03 UTC – если честно, такое большое отклонение выглядело очень странно. Наконец, в ноябре 2006 г. Кэмпбелл, Джон Андерсон и Майкл Нието опубликовали окончательную оценку: 02:25:11 UTC.

Как оказалось, максимальные энергии заряженных частиц радиационных поясов Юпитера в 10 000 раз больше, чем в земных поясах, причем электронов в них в 100 раз больше, чем протонов – 400 млн против 4 млн на 1 см² в секунду. Хорошо еще, что спутники планеты – и особенно Ио – поглощали до 99 % энергичных частиц!

Часть приборов «Пионера» ушла в насыщение еще за сутки до пролета. На тех, что были способны выдержать такие потоки, уровень счета частиц вышел на максимум и начал снижаться за 12 минут до перииовия. Полученная доза облучения оказалась в 100 раз выше смертельной для человека и близкой к пределу стойкости КА и его аппаратуры. Под действием радиации частота генератора бортового радиокомплекса изменилась на 0,0003 %, а величины токов усилителя сигнала «плавали» на 3–10 %. Заметно снизилась выходная мощность электрической системы. Пострадал звездный датчик системы ориентации, ультрафиолетовый фотометр получил повреждения (к счастью, обратимые), нарушилась работа телескопа космических лучей CRT, а датчики детектора пыли AMD были выведены из строя полностью – оптика помутнела.

Примерно через 16 минут после перицентра «Пионер-10» скрылся за Ио, в 03:43 UTC зашел на 65 минут за Юпитер, а в 04:19 погрузился на 51 минуту в тень планеты.

Заход зонда за планету произошел над параллелью 26° с.ш., восход – над 58° с.ш., в первом случае вблизи вечернего терминатора, а во втором – примерно над утренним. В результате радиопросвечивания слои ионосферы Юпитера были обнаружены до высоты 4000 км, плотность заряженных частиц достигала 0,3 млн в 1 см³, а их энергия превышала ожидаемую впятеро.

В ходе радиозатмения Ио (а оно получилось!) была обнаружена собственная ионосфера спутника – простирающаяся на 700 км, с максимумом концентрации заряженных частиц между 60 и 140 км, а вдоль орбиты Ио – водородное облако. Из наличия и плотности ионосферы вывели, что спутник имеет и слабую атмосферу высотой до 110 км. По отражающим свойствам Ио специалисты Центра космических полетов имени Маршалла заключили, что вещество, ответственное за ее аномальную яркость и сильные линии поглощения, – это сера. Доказательства пришлось ждать шесть с лишним лет.

Навигационные измерения показали, что Ио тяжелее табличного значения примерно на 23 % и имеет среднюю плотность 3,5 г/см³. Плотность Европы определили в 3,07, Ганимеда – в 1,93, а Каллисто – в 1,65 г/см³. Это означало, что с удалением от планеты галилеевы спутники содержат все меньше силикатных пород и все больше льда.

Масса Юпитера превышала земную в 317,8 раза и была распределена равномерно, как у жидкого тела, быть может, с небольшим твердым ядром. Основным материалом планеты был жидкий водород, приобретающий с глубиной металлические свойства, с добавкой примерно 15 % гелия. Глубина атмосферы была примерно 1000 км.

Съемки и регистрация радиосигнала при заходе и выходе позволили уточнить размеры планеты. Полярный радиус до вершин облаков на уровне давления 0,8 атм оказался равен 67 758 км, а экваториальный получился 71 398 км вместо прежней оценки 71 372 км.

«Пионер-10» исследовал состав верхней атмосферы Юпитера, в которой нашел ожидаемые и известные водород, гелий, аммиак, метан и ряд малых компонентов – дейтерий, этилен и ацетилен. Соотношение гелия к водороду определили в 0,14, то есть близкое к 0,11 у Солнца. Теоретической модели структуры Юпитера эти и другие результаты не противоречили.

Аппарат составил тепловую карту планеты, выявив области более теплые (136 К) и более холодные (127 К). Более яркие, окрашенные розово-желтым, зоны предстали областями подъема теплого и влажного воздуха из глубины, а более темные, коричнево-серые, пояса – областями опускания холодного воздуха. Большое Красное Пятно оказалось гигантским атмосферным вихрем – антициклоном, сформировавшимся не менее 400 лет назад. На снимках было найдено еще одно подобное образование на той же широте в северном полушарии, несколько вихрей поменьше, а также отдельные облака гигантских размеров.

Измерение яркостной температуры дало 145 К как на дневной, так и на ночной стороне. Не стоит удивляться нестыковке с предыдущим абзацем: разные приборы давали температуру для разных слоев атмосферы. Потом их данные свели воедино и записали, что на уровне давления 1 атм температура атмосферы составляет 165 К, при подъеме на 150 км до отметки 0,1 атм она снижается до 108 К, а затем начинает расти и на уровне верхушек облаков при давлении 0,03 бар достигает 150 К. Все как на Земле: тропосфера, тропопауза, стратосфера.

Удалось подтвердить уже известные данные о том, что Юпитер излучает больше энергии, чем получает от Солнца. ИК-радиометр дважды просканировал планету и дал соотношение излучаемой тепловой энергии к поступающей солнечной на уровне 1,9 ± 0,2, немного меньше, чем давали до того наземные измерения. Избыток между тем был внушителен – примерно 10¹⁷ Вт.

Температура поверхности Ганимеда по данным ИК-радиометра составила 125 К. Увы, никакого парникового эффекта не наблюдалось…

«Пионер-10» пересек магнитопаузу в направлении «наружу» 10 декабря и ударную волну – 12 декабря. Однако уже на следующий день Юпитер вновь «накрыл» его своей переменчивой магнитосферой, и так повторялось много раз. Лишь 18 декабря после 17 (!) погружений в ударную волну планета «отпустила» земной зонд окончательно.

Почтительной высоты пролета над планетой оказалось вполне достаточно для гравитационного маневра. Гелиоцентрическая скорость аппарата увеличилась с 9,9 км/с на подлете до примерно 22,3 км/с на отлете. Траектория стала гиперболической относительно Солнца, ее асимптота упиралась в точку в созвездии Тельца с галактическими координатами 83° долготы и +3° широты. «Пионер-10» первым из земных аппаратов отправился в бесконечное межзвездное путешествие.

Президент Ричард Никсон направил Исследовательскому центру имени Эймса поздравление с крупным научным достижением сразу после пролета, поздним вечером 3 декабря по американскому времени. «Пионер-10», по его словам, продемонстрировал, что возможности человека по исследованию небес находятся на пороге бесконечности.

Бернард О'Брайен от имени разработчиков с удовлетворением отметил, что радиационное воздействие оказалось близким к предсказанному и что отказы произошли как раз в тех системах, где их следовало ожидать, а затем добавил, что чувствует себя примерно как профессор Хиггинс из «Пигмалиона». Ричард Фиммел, шеф научной программы, сказал: «Это был самый волнующий день в моей жизни!» Практически любой из его коллег мог подписаться под этими словами.

Директор планетарных программ NASA Роберт Кремер назвал полет стопроцентным успехом и отметил, что «Пионер» отправили, чтобы ущипнуть дракона за хвост, а он сделал не только это, но и намного больше. Он от души дернул дракона и умудрился остаться в живых.

NASA подвело итог первой встречи с Юпитером 9 января 1974 г. и объявило о продлении работы «Пионера-10» на пять лет – вплоть до орбиты Урана.

14 августа 1974 г. участникам юпитерианского проекта были вручены награды космического агентства. Медаль «За выдающиеся заслуги» получил Чарльз Холл. Пятнадцать человек, в том числе Фиммел, Хофстеттер, Холтцклау, Лепетич и Нунамейкер, были удостоены медали «За исключительные заслуги». Восемь научных руководителей экспериментов получили медали «За исключительные научные достижения»; еще троих наградили ранее, а повторное вручение не допускалось. Джон Симпсон из Чикагского университета, руководитель эксперимента CPI, был номинирован одновременно за «Пионер-10» и «Маринер-10» и предпочел взять медаль за полет к Меркурию. Шести представителям подрядчиков и сотрудничающих организаций достались медали «За общественные заслуги».