10 фактов о межзвёздных перелётах, «Вояджерах» и всём таком

На сегодня только два космических аппарата, а именно зонды серии «Вояджер», вышли в межзвёздное пространство, то есть за пределы солнечной гелиосферы, и продолжают научные исследования «с той стороны». Запуск пилотируемых космических аппаратов хотя бы на такое же расстояние, не говоря даже о ближайших звёздах — пока прерогатива научных фантастов и футурологов. Но человечество постепенно накапливает знания и технологии о межзвёздных полётах и межзвёздной среде, которые когда-нибудь пригодятся на практике. Что мы узнали о будущих полётах со времени запуска «Вояджеров»?

1. Что такое межзвёздная среда?

Межзвёздное пространство, как логично указывает термин — это область «между» звёздными системами. Более конкретно под ним понимают пространство между гелиосферой Солнца и астросферами других звёзд.

Гелиосфера — это пузырь из плазмы, то есть газа заряженных частиц, которые улетают от Солнца в космическое пространство. Такой поток частиц от Солнца и других звёзд называют солнечным, соответственно звёздным ветром. «Плазменный пузырь» в Солнечной системе окружает Солнце и простирается далеко за орбиты всех планет. Для пересечения края гелиосферы оба аппарата «Вояджер» должны были пролететь более 17 миллиардов километров. Поскольку Солнечная система обращается вокруг центра нашей Галактики Млечный Путь, «пузырь» также движется вместе с ним сквозь межзвёздное пространство. При движении гелиосфера создаёт в этом пространстве ударную волну, похожую на морские волны, которые отходят от носа быстро движущегося корабля. Такой тип ударной волны называют носовой, или баллистической волной (bow wave). Граница гелиосферы ожидаемо находится ближе всего по направлению движения Солнца по галактике, поэтому «Вояджеры» отправились именно туда.

Подробнее о границах Солнечной системы можно прочитать в недавней заметке.

2. Полетим или нет?

Нет, не полетим. Пока не изобрели варп-двигатель, выход на границу межзвёздной среды занимает слишком много времени. Первый аппарат, который совершил такой полёт, «Вояджер 1», удалился от Солнца на 122 астрономических единицы, или 18 миллиардов километров (одна астрономическая единица, или а.е. — это расстояние от Земли до Солнца, или примерно 150 миллионов километров). Аппарат запустили с космодрома во Флориде в 1977 году, а вышел в межзвёздное пространство он через 35 лет в 2012 году. Но он и не летел к границе гелиосферы напрямую — сначала он осмотрел Юпитер и Сатурн. «Вояджер 2» двигался медленнее. Кроме этих же двух целей, он ещё облетел Уран и Нептун, и его вояж до границы гелиосферы занял 41 год.

3. Как выглядит межзвёздная среда и где фотографии?

Фотографий нет. «Вояджер 1» в 1990 году сделал последние снимки внутренних областей Солнечной системы, на которых видны её планеты, включая меметичный снимок «Бледной голубой точки» (Земля с расстояния 40 а.е., то есть примерно с орбиты Нептуна). После этого камеры на аппарате выключили — нужно экономить энергию и память компьютера для более важных научных задач по исследованию собственно гелиосферы. Более того, из памяти с этой же целью стёрли ПО для камер, а компьютеров на Земле, которые понимали это программное обеспечение, тоже больше нет. Камеры много лет подвергались воздействию сверхнизких температур. Поэтому даже если в центре управления заново создадут компьютер под это ПО, загрузят софт на аппарат и включат камеры, непонятно, будут ли они работать. Но в любом случае в кадре смотреть сейчас особо не на что, кроме звёзд, а звёзды оттуда выглядят так же, как выглядели в 1990 году.

4. Межзвёздный ветер или звуки тишины?

В межзвёздном пространстве звук не распространяется, потому что это — почти идеальный вакуум. Для звуковой волны нет среды переноса, как, например, воздух. Но инструменты «Вояджеров» гораздо чувствительнее, чем ухо, и способны «слышать» другие виды сигналов, которые распространяются в межзвёздной среде. В 2013 году астрофизики, обслуживающие инструмент «Вояджера 1» для исследования плазмы (Plasma Wave System), записали звуковой «образ» данных о волнах плазмы. Такие звуки, в частности — одно из доказательств того, что «Вояджер» к тому времени действительно вышел в межзвёздное пространство.

Плазменный волновой детектор, конечно, не фиксирует звуки (это было бы странно для него). Но он ощущает волны плазмы, которые возникают при извержениях на Солнце, известных как выбросы коронарной массы. Эти волны влияют на межзвёздную среду, и «Вояджер» мог бы их зафиксировать извне и изнутри гелиосферы. Некоторые из волн обладают частотами, попадающими в звуковой диапазон слышимости человека — интервал примерно от 20 до нескольких тысяч герц. Плазма настолько разрежена, что интенсивность таких колебаний ниже порога слышимости. Но если колебания на этих частотах значительно усилить, мы получим именно «звуки межзвёздного ветра».

5. Мы к ним или они к нам?

Во второй половине 2017 года сквозь Солнечную систему пролетал любопытный объект. Его траектория и скорость указывали на то, что к Солнечной системе он не относился. Таким образом, это космическое тело стало первым зафиксированным объектом из межзвёздного пространства. Ему присвоили собственное наименование ‘Оумуамуа — гавайское слово, обозначающее примерно «первого посетителя, прибывшего издалека». Поскольку объект был первым такого рода и рассмотреть его в деталях не представлялось возможным, астрономы не могут сказать точно, что это было. Можно только утверждать: «это» имеет большие размеры, движется быстро (по сравнению с телами Солнечной системы) и вращается. Его размеры оценивают в 800 метров в длину. Скорость при удалении от Солнца — 87,3 км/сек. Это больше третьей космической для Солнечной системы, то есть объект благополучно вылетит в межзвёздное пространства без риска быть захваченным Солнцем. После января 2018 года ‘Оумуамуа удалился настолько, что исчез из поля зрения телескопов, даже космических. Про «межзвёздный астероид» можно подробнее прочитать в двух статьях: статья 1, статья 2.

6. Полёты в никуда, где никого ещё не было

Пока что в межзвёздное пространство вышли два аппарата. Первый был «Вояджер 1» — он добрался до границ гелиосферы в августе 2012 года. Через 6 лет это же сделал «Вояджер 2». Официальной датой выхода считают 5 ноября 2018 года.

Зонд «Новые Горизонты», который исследовал Плутон и затем объект пояса Койпера под названием Аррокот, также летит за границы Солнечной системы в направлении на созвездие Стрельца. Достигнет гелиопаузы он примерно через 30 лет.

Два других зонда NASA, а именно Pioneer 10 и Pioneer 11, направляются туда же. Но они оба давно перестали работать и функционируют в стиле «Летучего голландца». Pioneer 10 летит по направлению к красному гиганту Альдебарану, а Pioneer 11 — к центру Галактики, то есть туда, где на небе созвездие Стрельца.

7. Третья космическая скорость — зачем и где взять?

Для выхода в межзвёздное пространство аппарат должен быть запущен на определённую орбиту, а ракета должна разогнать его до скорости, достаточной для преодоления притяжения Солнца (третья космическая скорость, которая для аппаратов, стартующих с Земли или орбиты Земли, составляет 16,6 км/сек). Кроме двигателей, для разгона можно использовать гравитационные манёвры с облётом планет Солнечной системы. «Вояджеры» при запуске в 1977 году воспользовались уникальным расположением внешних планет, которое встречается раз в 176 лет. Три манёвра облёта увеличили их скорость достаточно для выхода «к звёздам».

8. Долгожители, передовики и рекордсмены

Первый и второй «Вояджеры» были запущены в космос в 1977 году с интервалом в 16 дней. Сначала запустили второй, затем первый (номера присваивались не в порядке запуска, а согласно первоначально предполагаемой очерёдности достижения Юпитера). «Вояджер 1» летел по более быстрой траектории. Оба аппарата до сих пор (2024 год) работают и передают данные. Таким образом, это самые долгоиграющие из непрерывно работающих космических зондов.

Хотя оба находятся в межзвёздном пространстве, технически они не вышли из Солнечной системы. Граница Солнечной системы находится за пределами облака Оорта — так называют область, где находится множество мелких космических тел, находящихся под влиянием Солнца. Большинство комет, которые влетают во внутренние части Солнечной системы, приходят (как считают астрономы) оттуда. Чтобы долететь до внутренней границы этой области, аппаратам потребуется 300 лет.

9. Вышли. Куда дальше?

В конце концов «Вояджеры» долетят до каких-либо звёзд и полетят дальше. «Вояджер 1» удаляется из Солнечной системы со скоростью 3,5 а.е. в год. Его направление движения — к северу под углом 35º к плоскости эклиптики (плоскости вращения всех планет). Это более-менее направление на апекс Солнца, то есть направление движения Солнца по отношению к ближайшим звёздам. «Вояджер 1» вылетит из Солнечной системы в направлении созвездия Змееносца. В году 40 272 (через 38 200 лет) он пройдёт на расстоянии 1,7 световых года от неяркой звезды Gliese 445, которая сейчас видна на небе в созвездии Жирафа.

«Вояджер 2» удаляется со скоростью 3,1 а.е. в год в сторону южных созвездий Стрельца и Павлина. Через 40 тысяч лет он пройдёт на расстоянии 1,7 световых года от небольшой звезды с обозначением Ross 248, или Gliese 905, сейчас эта звезда находится в созвездии Андромеды.

Затем аппараты продолжат вращение по Млечному Пути как обычные звёзды в Галактике. Каждый из аппаратов оснащён информационной пластинкой («Золотой пластинкой Вояджера»), на которой записаны звуки и изображения с Земли. Пластинку можно видеть на фото внизу заметки, а больше про неё и другие нестандартные применения пластиночного формата звукозаписи — в отдельной большой статье «20 фактов о грампластинках».

10. После «Вояджеров»: следующие шаги в освоении межзвёздного пространства

NASA сейчас не планирует новых экспедиций в межзвёздное пространство, хотя постоянно продолжается исследование новых концепций таких перелётов, часть из которых имеет шанс на реализацию в будущем. Но два спутника NASA специально предназначены для изучения межзвёздной среды удалённо, то есть на орбитах сравнительно недалеко от Земли.

Interstellar Boundary Explorer (IBEX) — небольшой спутник на орбите Земли с 2008 года. Он оснащён инструментами, позволяющими построить карту межзвёздной среды, исследуя взаимодействие межзвёздного вещества и солнечного ветра. Про спутник IBEX и его карту гелиосферы можно прочитать отдельную статью.

Также в 2025 году планируется запустить аппарат под названием IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe). Он будет находиться на расстоянии 1,6 миллиона километров от Земли в сторону Солнца, то есть в точке Лагранжа L1 системы Земля — Солнце. Он также буде анализировать заряженные и нейтральные частицы, прилетающие извне. Он сможет фиксировать и направление их прилёта, тем самым намечая границы гелиосферы. Подробнее про IMAP см. другую статью.