14.2. Полеты к телам Солнечной системы

Тела Солнечной системы выделяются среди других астрономических объектов возможностью их непосредственного изучения с помощью космических аппаратов. Это может быть дистанционное исследование с орбитальных или пролетных траекторий; использование стационарных посадочных модулей; применение самоходных аппаратов, перемещающихся по поверхности; наконец, возврат на Землю образцов космических тел. За 60 лет космической эры все эти способы были применены на практике.

Первой межпланетной станцией стала запущенная в январе 1959 г. «Луна-1». С того времени разными странами было реализовано огромное количество проектов межпланетных автоматических станций, поэтому здесь мы лишь кратко рассмотрим несколько отдельных примеров, охватывающих все основные типы исследований и все типы объектов Солнечной системы.

Самым простым типом исследования планет и других объектов Солнечной системы является их изучение с орбитальных или пролетных траекторий. Таким способом были изучены Луна (например, в 1959 г. «Луна-3» впервые получила изображения обратной стороны), все планеты и многие из их спутников, некоторые кометы и астероиды. Рекордсменом в своем роде является аппарат Voyager 2 («Вояджер-2»), запущенный в августе 1977 г.

С помощью космических аппаратов были исследованы все планеты Солнечной системы.

Первой целью Voyager 2 (и его «близнеца» Voyager 1) стал Юпитер, которого космический аппарат достиг в 1979 г., было получено множество высококачественных изображений планеты-гиганта и его спутников. Данные с обоих аппаратов Voyager привели к открытию вулканизма на спутнике Ио, кроме того, благодаря высокому качеству снимков было обнаружено несколько новых спутников и колец Юпитера. Помимо камер аппараты несли множество других инструментов для получения информации о магнитных полях планет, свойствах плазмы и космических лучей.

В 1981 г. Voyager 2 приблизился к Сатурну, где с помощью радиоаппаратуры провел исследование верхней атмосферы этой планеты, а также получил много качественных снимков колец и спутников. После гравитационного маневра аппарат был направлен к Урану.

В 1986 г. Voyager 2 стал первым пролетевшим вблизи Урана аппаратом, который подробно исследовал эту планету и систему ее колец, а также открыл более 10 новых спутников и изучил уже известные. Были получены важные результаты о необычной структуре магнитного поля Урана. До настоящего времени никакие другие аппараты не посещали Уран и его систему.

Межпланетные станции позволяют не только получать изображения в высоком качестве, но и проводить непосредственные измерения и эксперименты в окрестности и на поверхности тел Солнечной системы.

В 1989 г. Voyager 2 сблизился с Нептуном, это также было первым (и единственным на сегодняшний день) прохождением космического аппарата вблизи данной планеты. После этого траектория аппарата снова была существенно изменена, и он был направлен к границам гелиосферы. В настоящий момент часть аппаратуры Voyager 2 (как и Voyager 1) продолжает работать. Оба аппарата передают уникальную информацию с рекордного (более 115 а. е. в случае Voyager 2 и около 140 a.е. в случае Voyager 1) расстояния, удаляясь от Солнца примерно на 500 млн км (более 3 a.е.) в год.

Среди множества космических аппаратов, изучавших планеты с пролетных или орбитальных (т. е. с выходом на орбиту планеты) траекторий, стоит отметить межпланетную станцию New Horizons. Она стала первым космическим аппаратом, достигшим Плутона, с ее помощью удалось получить уникальные изображения этой карликовой планеты, а также ее спутников. Путешествие заняло почти 10 лет: запуск произошел в январе 2006 г., а аппарат пролетел на минимальном расстоянии от Плутона в июле 2015 г. По пути с помощью аппарата были получены изображения Юпитера и его спутников, а в дальнейшем New Horizons планируется использовать для изучения нескольких небольших объектов в поясе Койпера.

Самые далекие космические аппараты находятся на расстоянии более 100 a.е. от Солнца.

Может показаться странным, но, несмотря на относительную близость Меркурия к нам, изучать его сложнее, чем Юпитер. Поэтому к этой планете было не так много полетов, и не было ни одной посадки. На сегодняшний день наиболее детальные данные по этой планете получены с помощью спутника MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging – Поверхность, космическое окружение, геохимия и картография Меркурия), который был запущен в 2004 г. и вышел на орбиту искусственного спутника Меркурия в 2011 г. В 2015 г. программа была полностью завершена, в частности построены самые подробные карты Меркурия, и межпланетная станция была сведена с орбиты.

Наконец, упомянем межпланетную станцию Cassini, которая была запущена в 1997 г., а в 2004-м достигла своей цели – системы Сатурна. Станция несла спускаемый аппарат Huygens, который совершил посадку на спутник Сатурна Титан, обладающий плотной азотной атмосферой. В результате были получены уникальные данные об этом спутнике, позволившие даже заподозрить существование на нем экзотических форм жизни (см. раздел 16.1 «Жизнь в Солнечной системе»). Cassini в течение 13 лет успешно исследовал систему Сатурна, получив красивейшие изображения этой планеты и сделав ряд важных открытий. Например, были обнаружены криовулканы Энцелада – спутника Сатурна, – фонтанирующие водой подледного океана. 15 сентября 2017 г. аппарат Cassini был сведен с орбиты и вошел в атмосферу Сатурна.

Посадка на поверхность – сложная операция для межпланетной станции. Первая мягкая посадка на Луну удалась только в 1966 г. («Луна-9»). Многие попытки мягкой посадки на Марс и Венеру были неудачными. В случае Венеры это во многом было связано с экстремальными условиями на планете, что впервые выяснилось с помощью аппаратов серии «Венера».

Запущенная в 1967 г. «Венера-4» передавала информацию на Землю во время спуска в атмосфере, но была разрушена колоссальным давлением. Последующие аппараты создавались с учетом этих данных, и в итоге «Венера-7» в конце 1970 г. смогла совершить посадку и передать информацию с поверхности планеты. «Венера-9» и «Венера-10» в 1975 г. отправили на Землю первые изображения поверхности, а «Венера-13» и «Венера-14» – первые цветные изображения (а также провели анализ грунта).

Использование роботизированных мобильных исследовательских лабораторий позволяет получать важную научную информацию без необходимости пилотируемых экспедиций.

Еще более сложной задачей является посадка на малые тела – кометы и астероиды. В 2014 г. спускаемому аппарату Philae («Филы»), запущенному на борту космического аппарата Rosetta, удалось совершить посадку на поверхность кометы 67P/Чурюмова – Герасименко и передать оттуда данные. Потенциально такие исследования важны для понимания процессов формирования и эволюции Солнечной системы.

Биохимические лаборатории работали на поверхности Марса.

Основной задачей межпланетных станций является получение новой научной информации о свойствах изучаемых объектов, что может быть достигнуто отправкой сложного лабораторного оборудования. Например, на аппаратах Viking 1 и Viking 2 («Викинг-1, 2»), совершивших посадку на поверхность Марса в 1976 г., была установлена аппаратура для биологических экспериментов и обнаружения живых микроорганизмов на Марсе (результаты оказались отрицательными).

Другой способ существенно расширить информацию о телах Солнечной системы – отправка мобильных установок, способных перемещаться по достаточно большой территории и проводить анализы в разных местах поверхности. Первыми такими аппаратами были «Луноходы» (1970 и 1973 гг.). Среди современных подобных устройств одним из самых успешных является марсоход Opportunity («Благоприятная возможность»). Изначально его программа, начатая в 2004 г., была рассчитана на 90 марсианских дней, однако аппарат продолжает свою работу и в 2017 г. С помощью Opportunity были обнаружены следы существования больших объемов жидкой воды на поверхности Марса в прошлом.

Разумеется, невозможно отправить на космическом аппарате столь же совершенную научную аппаратуру, как установленную в земных лабораториях. Поэтому для решения многих задач идеальным является возврат образцов на Землю. Впервые это удалось сделать в результате пилотируемых полетов на Луну в рамках программы Apollo («Аполлон»). Однако в 1970 г. лунный грунт попал на Землю благодаря работе автоматической станции «Луна-16», а позднее эту операцию повторили «Луна-20» (1972 г.) и «Луна-24» (1976 г.). Получение образцов из разных точек Луны с разными геологическими свойствами позволяет точнее восстановить историю формирования нашего естественного спутника, а также разобраться в его эволюции. В образцах, доставленных на Землю «Луной-24», было обнаружено присутствие воды.

Проводились посадки аппаратов на кометы и астероиды.

Уникальным сочетанием посадки на малое тело (астероид) и возврата образцов стала работа японской миссии Haeabusa, запущенной в 2003 г. Несмотря на многочисленные технические сложности, проведя в 2005 г. исследования астероида 25 143 Итокава, аппарат совершил посадку на его поверхность. Были собраны образцы грунта, которые в 2010 г., хотя и не без проблем, но были доставлены на Землю, где их удалось изучить в лабораториях.

Ответ на вопрос о существования жизни в Солнечной системе (вне Земли) должны дать автоматические межпланетные станции.

Благодаря работе ряда автоматических межпланетных станций удается проводить непосредственное изучение многих тел Солнечной системы на уровне, отчасти сравнимом с данными геофизических исследований (достаточно долговременный мониторинг и зондирование, анализы образцов «на месте» и их доставка в земные лаборатории). Это позволяет, во-первых, лучше понять условия во внешних слоях и недрах планет и других космических тел, благодаря чему можно говорить о возникновении сравнительной планетологии. Многие аспекты формирования деталей рельефа, эволюции климата и др. основаны на сходных физических процессах: скажем, парниковый эффект в атмосферах Земли и Венеры, формирование деталей рельефа на Марсе и Титане. Во-вторых, исследования проливают свет на формирование и эволюцию Солнечной системы в целом. В-третьих, детальное изучение разнообразных планет вблизи нас позволяет с большой уверенностью подходить к вопросам изучения еще более разнообразного «зоопарка» экзопланет, о которых у нас есть лишь весьма ограниченные данные. Поэтому многие выводы о свойствах планет вокруг других звезд основаны на нашем понимании устройства планет Солнечной системы.

Разумеется, остается ряд важных нерешенных проблем. Например, такой важный вопрос, как возможность существования простейших форм жизни на телах Солнечной системы в настоящее время (Европа, Энцелад) или в прошлом (Марс). Ответ на него можно будет получить с помощью будущих межпланетных аппаратов, которые сейчас разрабатывают ведущие космические агентства. В дальнейшем это может позволить разобраться в вопросах происхождения жизни и ее распространенности во Вселенной.