Геология Венеры и космический приёмник гравитационных волн: ESA определилось с научными приоритетами на десятилетие

25 января 2024 года Европейское космическое агентство одобрило две долгосрочные космические программы. Проект изучения Венеры носит название EnVision. В его рамках орбитальный аппарат будет изучать внутреннее строение и атмосферу Венеры. Запуск корабля EnVision запланирован на 2031 год. Второй проект, LISA, будет изучать гравитационные волны. Запуск нескольких космических аппаратов, вместе составляющих гравитационно-волновой детектор, состоится в 2035 году.

EnVision — победитель в конкурсе проектов изучения космоса ESA. Это пятый проект среди миссий среднего класса (M5) в рамках программы Cosmic Vision фундаментальных космических исследований агентства. В 2021 году он был выбран из трёх финалистов, куда также попали проекты под названием Theseus (Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor) и  Spica (SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics). Всего на конкурс M5 было представлено 25 заявок.

Это будет первый проект непосредственного исследования недр Венеры при помощи подповерхностного радара. Второй радарный инструмент под названием VenSAR выполнит картирование поверхности с разрешением до 10 метров и будет изучать текстуры поверхности. Три спектрометра разного класса будут исследовать химическое строение грунта и атмосферы. Наконец, ещё один инструмент при помощи радиоволн будет изучать внутреннюю структуру планеты и свойства её атмосферы.

Это второй проект Европейского космического агентства по изучению Венеры. Миссия Venus Express (2005-2014) в основном сосредоточилась на венерианской атмосфере. Потом исследование атмосферы продолжил японский космический проект Akatsuki. Японская орбитальная станция до сих пор исследует движение атмосферы и погоду на Венере. Подробнее об проекте Akatsuki и венерианской погоде можно прочитать в отдельной статье.

Ещё раньше исследованием Венеры занимались в самом начале космической эры аппараты NASA Mariner и Pioneer и советские станции «Венера» и «Вега». В «практически наше» время (1990—1994 гг) космическая радарная обсерватория «Магеллан» провела съёмку поверхности Венеры, выявив мегаструктуры рельефа на уровне равнин и горных гряд. Радар VenSAR должен составить топографическую карту Венеры с определением геоморфологических структур в десять раз мельче по сравнению с возможностями «Магеллана».

Второй проект, одобренный к исполнению, относится к программам класса L (Large). Как следует из названия, он предусматривает более серьёзный бюджет, а также кооперацию с другими космическими агентствами. Один из ранее принятых проектов этого класса — зонд JUICE, который весной 2023 года отправился исследовать спутники Юпитера.

Проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — это три идентичных аппарата, которые станут первым космическим детектором гравитационных волн. Корабли LISA будут находиться в вершинах равностороннего треугольника со стороной 2,5 миллиона километров. Они будут следовать за Землёй по орбите с отставанием на 20° дуги и вместе составят интерферометр для гравитационных волн — подобно тому, как радиообсерватории на Земле состоят из нескольких разнесённых на тысячи километров массивов радиотелескопов. Созвездие спутников будет удалено от Земли в среднем на 50 миллионов километров. Каждый из спутников LISA будет оборудован двумя лазерными установками для связи между аппаратами.

Основным инструментом обсерватории будет пара небольших кубиков из сплава золота и платины — «пробных масс» в состоянии свободного падения в камере внутри каждого из кораблей. Каждый из кубиков находится в составе оптической системы, направленной на один из двух оставшихся аппаратов. Таким образом созвездие трёх спутников создаёт базу интерферометра в виде сторон треугольника. Гравитационные волны при прохождении должны немного изменять расстояния между кубиками, и эти изменения будут фиксироваться методами лазерной интерферометрии. Плечо интерферометра составляет 2,5 миллиона километров, то есть устройство сможет детектировать волны сопоставимой длины, что соответствует частотам до 0,12 герц. Таким образом можно будет исследовать гравитационные волны значительно меньших частот по сравнению с наземными гравитационными детекторами. Так, земная гравитационная обсерватория LIGO работает с частотами 10 — 1000 Гц.

Технологии, необходимые для обеспечения почти свободного падения пробных масс с их защитой от любых воздействий кроме гравитации, протестировали в пилотном проекте LISA Pathfinder, запущенном в 2015 году. При помощи микродвигателей кораблю удалось продемонстрировать режим спутника без сноса (zero-drag satellite): грузики удалось удерживать внутри корабля так, что они находились в свободном полёте и не касались его стенок. В свою очередь оболочка корабля экранировала пробные массы от прочих воздействий кроме гравитационных — например, от электромагнитного поля или солнечного ветра. Подробнее об этом аппарате см. отдельную статью. Также в проектах ESA «Гайя» и «Эвклид» уже использовались силовые установки, которые могут обеспечить точное позиционирование аппаратов.

Запуск EnVision ожидается в 2031 году вскоре после старта двух проектов исследования Венеры от NASA — DAVINCI и VERITAS. Аппараты LISA стартуют ещё позже — в 2035 году, впрочем, это даже на два года раньше первоначально заявленных сроков.

Зелёный свет для двух космических проектов от ESA означает, что агентство одобрило концепцию миссий и даёт разрешение на финализацию проекта и начало сборки аппаратов. Практические работы над EnVision и LISA начнутся не ранее 2025 года, после того, как для каждого из проектов будет выбран европейский подрядчик.