Programma.Boinc

Секреты водного мира. Что будет искать миссия Europa Clipper

Уже в ближайшие дни должен состояться один из самых важных космических запусков 2024 года. Ракета Falcon Heavy отправит в космос аппарат Europa Clipper. Его целью станет Европа — спутник Юпитера, под ледяной поверхностью которого скрывается огромный океан. Для сайта журнала «Мир фантастики» я написал статью про эту миссию.

Больше воды, чем на Земле

Европа — четвёртый из крупнейших спутников Юпитера. По размерам она чуть меньше нашей Луны, её диаметр 3120 километров. Другое сходство между спутниками в том, что Европа находится в приливном захвате — то есть всегда повёрнута к Юпитеру одной стороной.

Впрочем, на этом сходства заканчиваются. Если Луна — царство древних кратеров, гор и гигантских базальтовых равнин, оставшихся после грандиозных извержений древности, то Европу можно сравнить с бильярдным шаром. Когда в конце 1970-х аппараты «Вояджер» передали первые снимки спутника, выяснилось, что она одно из самых ровных тел в Солнечной системе.

Поверхность Европы полностью покрыта льдом. На ней нет гор — лишь редкие холмы высотой не более нескольких сотен метров. Солнечное излучение разлагает лёд на водород и кислород, благодаря чему у Европы есть крайне разрежённая атмосфера (впрочем, давление у поверхности настолько низкое, что почти не отличается от вакуума). Ещё на спутнике очень мало ударных кратеров, что говорит о геологической молодости его поверхности и наличии какого-то механизма, «затягивающего» шрамы от космических бомбардировок. А вот чего на Европе много, так это разломов и трещин. Некоторые из них опоясывают спутник почти полностью. Кое-где они визуально напоминают трещины на ледяном покрове Северного Ледовитого океана.

Объяснение напрашивалось само собой: в недрах Европы скрывается океан. Скорее всего, сразу после своего образования Европа была водным миром. По мере остывания её поверхность покрылась льдом, но океан сохранился в недрах спутника.

Неудивительно, что астрономы очень заинтересовались Европой. Данные, собранные наземными телескопами и изучавшей Юпитер миссией «Галилео», подтвердили гипотезу о том, что в недрах Европы, похоже, скрывается океан. На это указывает многое — от особенностей орбиты до геологических структур на поверхности. И это не просто океан — теоретические модели предполагают, что его глубина достигает 100 километров! Он может содержать в два-три раза больше воды, чем все океаны Земли.

Почему же этот океан до сих пор не замёрз? Предполагают, что его поддерживает в жидком состоянии энергия, выделяемая при приливных взаимодействиях Европы с Юпитером и его спутниками. Свой вклад может вносить и распад радиоактивных элементов в недрах. Не стоит забывать и про химический состав. Скорее всего, океан Европы содержит значительное количество солей, которые также помогают ему не замёрзнуть.

Начало проекта

Открытие океана Европы перевернуло представления о пределах жизни в Солнечной системе. Если раньше в зону потенциальной обитаемости включали лишь миры, на поверхности которых может или когда-нибудь могла быть вода в жидком виде, то теперь стало ясно, что возможности куда шире. Даже очень далёкое от Солнца тело может иметь скрытый океан. А где вода, там может быть и жизнь. Да, речь вряд ли идёт о разумных существах с щупальцами вроде тех, что показали в фильме «Европа». Но у учёных, по крайней мере, есть надежда на что-то вроде микроорганизмов. Правда, проверить это можно, лишь отправив к Европе автоматические аппараты.

Первые проекты такой миссии появились ещё в 1990-е. Но ни один из них не был выбран NASA. С окончания лунной гонки организация не могла похвастать избытком денег, и потому большая часть проектов так и оставалась на бумаге. В случае с Европой у NASA каждый раз находилась более приоритетная цель.

Но по мере того как копились данные о том, что Европа — водный мир, давление научного сообщества росло. В 2013 году Национальный исследовательский совет при Национальных академиях наук США опубликовал отчёт по планетологии за десятилетие. Авторы поставили миссию к Европе на второе место по важности — её обошёл лишь проект нового марсохода.

После столь солидной поддержки в NASA наконец дали зелёный свет миссии к Европе. Она получила название Europa Clipper. Изначально её стоимость оценивали в 2 миллиарда долларов, но, как часто бывает, она стала быстро расти и в итоге достигла 5 миллиардов. Из-за этого пришлось отказаться от планов отправить к Европе сразу два аппарата: Europa Clipper изучал бы её с орбиты, а его компаньон должен был сесть на поверхность.

Миссия могла стоить ещё больше. Американский конгресс (именно он выделяет деньги NASA) хотел привязать Europa Clipper к сверхтяжёлой ракете SLS. В теории это был соблазнительный вариант: SLS могла бы отправить аппарат напрямую к цели, а полёт занял бы всего 2,5 года. Была лишь одна «небольшая» проблема: SLS не только сверхтяжёлая, но и сверхдорогая ракета. Стоимость её пуска — примерно 2 миллиарда долларов. Это почти 10% текущего бюджета организации. К тому же все строящиеся SLS уже зарезервированы под нужды лунной программы. Свободная ракета появилась бы не раньше конца 2020-х.

В итоге здравый смысл победил и NASA выбрало для запуска Europa Clipper ракету Falcon Heavy. Да, с ней полёт до Юпитера растянется до 5,5 лет, зато ракета обошлась NASA всего в 178 миллионов долларов.

Что представляет собой Europa Clipper?

Это крупнейшая и самая тяжёлая автоматическая станция, которую когда-либо строило NASA для межпланетной миссии. Её масса — 6065 килограммов, из них 2750 приходится на топливо.

Конечно, этот рекорд не был целью конструкторов. Он обусловлен особенностями миссии. Орбита Юпитера пролегает на расстоянии свыше 750 миллионов километров от Солнца. Окрестностей газового гиганта в среднем достигает в 27 раз меньше света, чем Земли. Поэтому в прошлом, запуская аппараты к Юпитеру, их оснащали радиоизопными термоэлектрогенераторами, — ритэгами.

Но сейчас у NASA серьёзный дефицит плутония-238, который используется в ритэгах. Его производство в США прекратили в 1988 году и возобновили лишь в 2013-м, причём темпы работ оставляют желать лучшего. Так что плутоний-238 зарезервирован для самых приоритетных миссий: они никак не могут без него обойтись. К счастью, за последние десятилетия инженеры значительно повысили КПД солнечных батарей, что позволило использовать их в юпитерианских миссиях. Первопроходцем стал зонд «Юнона», который исследует газовый гигант с 2016 года.

Однако Europa Clipper несёт в себе более мощные и энергоёмкие приборы, поэтому аппарат получил внушительную пару солнечных батарей. Каждая состоит из пяти сегментов общей длиной в 14,2 метра и высотой в 4,1 метра. Во время запуска они будут находиться в сложенном состоянии, их развернут уже в космосе. После раскрытия размах «крыльев» Europa Clipper составит 30,5 метра, что сравнимо с высотой десятиэтажного дома.

Помимо солнечных батарей, после запуска аппарат раскроет шесть антенн. Они часть радара. Антенны тоже могут похвастать внушительными размерами: их длина 17,6 метра.

Когда аппарат достигнет Юпитера, его огромные батареи будут генерировать лишь 700 ватт энергии. Но этого хватит для работы девяти научных инструментов на борту Europa Clipper. Три из них (масс-спектрометр, анализатор пыли и спектрограф) изучат тонкую атмосферу спутника. Набор мощных камер позволит детально картографировать поверхность Европы. Спектрометр с функцией визуализации MISE поможет составить карту распределения солей и органических молекул на поверхности. А чтобы заглянуть под ледяную оболочку, Europa Clipper будет использовать радар и магнитометр.

На борту зонда также есть прибор, фиксирующий тепловое излучение, — для поиска гейзеров. Время от времени телескопы фиксируют выбросы водяного пара с поверхности Европы. Не исключено, что их источник — гейзеры, которые в теории могут быть связаны с океаном. Это открывает весьма заманчивую возможность. Вместо того чтобы садиться на поверхность и пробиваться к воде через многокилометровую толщу льда, можно пролететь через один из таких выбросов и изучить его. Некогда так делал аппарат Cassini — только он летал через водяные шлейфы Энцелада.

Ещё одна важная часть Europa Clipper — «сейф», 150-килограммовое хранилище, где находится бортовой компьютер и другие ключевые электронные компоненты аппарата. Дело в том, что у Юпитера мощнейшие радиационные пояса, в 20 тысяч раз сильнее земных. Встреча с ними не лучшим образом сказывается на электронике, поэтому инженеры упрятали её под защиту.

Послание в бутылке

Помимо научных приборов, Europa Clipper несёт небольшое «послание в бутылке». Это танталовая пластинка размером 18 на 18 сантиметров и толщиной 1 миллиметр, с обеих сторон покрытая графическими элементами. Её дизайн вдохновлён знаменитыми посланиями для инопланетян, установленными на борту зондов «Пионер» и «Вояджер».

Землю и Европу роднит наличие воды, так что на одной стороне пластинки выгравированы в виде звуковых волн 103 варианта слова «вода» на разных языках и наречиях. В центре изображения помещён символ, обозначающий воду в американской азбуке глухонемых.

Большую часть обратной стороны занимает текст поэмы, написанной для миссии поэтессой Адой Лимон. Также на ней выгравированы портрет учёного Рона Грили (он считается одним из отцов планетологии), формула Дрейка и диапазон частот, принятых некоторыми астрономами как оптимальные для того, чтобы установить межзвёздную связь и искать сигналы инопланетных цивилизаций.

И наконец, в послание вошли имена 2,6 миллиона людей, принявших участие в акции NASA. Они выгравированы на кремниевом чипе размером с ноготь, который установили на рисунке, изображающем орбиты четырёх крупнейших спутников Юпитера. В центре же рисунка, что символично, изображена бутылка.

Полёт длиной в 5,5 лет

21-дневное окно для полёта Europa Clipper к Юпитеру откроется 10 октября. Правда, ещё недавно запуск в эти сроки был под вопросом. Всё дело в той же радиации. Во время проверок выяснилось, что некоторые транзисторы выходят из строя при меньшем уровне излучения, чем заявлено в спецификации.

Специалисты Лаборатории реактивного движения NASA провели немало бессонных ночей, тестируя электронику, чтобы понять, можно ли допускать аппарат к полёту. Если бы понадобилось заменять транзисторы, запуск пришлось бы сдвинуть как минимум на 2025 год. Но в итоге инженеры решили, что проблема не настолько серьёзная. Переносить запуск не стали.

Хоть Falcon Heavy и довольно мощная ракета, в отличие от SLS она не способна направить Europa Clipper напрямую к Юпитеру. Аппарату придётся воспользоваться гравитацией других планет. В феврале 2025 года он пролетит мимо Марса, а в декабре 2026-го вернётся к Земле. Эти манёвры позволят разогнать его до нужной скорости.

Если всё пройдёт по плану, Europa Clipper достигнет Юпитера в апреле 2030 года. При манёвре выхода на первоначальную орбиту аппарат сожжёт больше половины своего топлива. Затем он пролетит вблизи Ганимеда и выполнит ряд мелких коррекций курса, чтобы выйти на нужную орбиту вокруг Юпитера.

Да-да, Europa Clipper не выйдет на орбиту вокруг самой Европы. Он останется на орбите вокруг Юпитера, на которой будет периодически сближаться с ледяной луной. План миссии предполагает 49 таких пролётов за четыре года.

Дело опять-таки в радиации. Орбита Европы проходит через один из радиационных поясов Юпитера, и её поверхность постоянно бомбардируют заряженные частицы (именно так она приобрела характерный красновато-коричневый цвет). Судя по расчётам, уровень излучения там таков, что человек получил бы смертельную дозу всего за сутки. Даже сейф не сможет долго защищать электронику в таких условиях. Поэтому учёные тщательно спланируют визиты земного посланца к Европе, чтобы снизить воздействие радиации и продлить срок его службы.

Europa Clipper будет исследовать Европу не в одиночку. Летом 2031 года к Юпитеру прибудет европейский аппарат JUICE с более широкой научной программой. В задачу JUICE входит изучение Ганимеда и Каллисто, но аппарат несколько раз навестит и Европу. Наверняка NASA и ESA попробуют провести совместные наблюдения спутников.

Послание на борту вряд ли попадёт в руки инопланетян. Скорее всего, после завершения миссии NASA не захочет оставлять бесхозный аппарат на орбите вокруг Юпитера. Ведь если однажды он упадёт на Европу, то есть риск, что он загрязнит её поверхность земными микробами. Было бы иронично, если бы вместо внеземной жизни учёные нашли случайно занесённую земную. Скорее всего, после завершении миссии Europa Clipper будет направлен на Юпитер и сгорит в его атмосфере.

Есть и более интересный вариант — уронить зонд на Ганимед. Тогда аппарат JUICE, который в финале своей миссии выйдет на постоянную орбиту вокруг этого спутника, сможет получить данные о свойствах его поверхности и провести анализ поднятого ударом материала. Но опять же, это создаёт риск того, что земные бактерии попадут на Ганимед: под его поверхностью тоже, как считается, есть океан. Захотят ли учёные идти на такой риск — большой вопрос. В любом случае у NASA в запасе ещё много времени, чтобы определиться с будущим аппарата.

Сможет ли Europa Clipper найти жизнь на Европе? Теоретически его приборам хватит мощности, чтобы обнаружить в водных выбросах следы бактерий, если они там есть. Но тут лучше умерить ожидания. Даже если выбросы Европы действительно связаны с океаном, даже если аппарату удастся пролететь через один из них и обнаружить там биомаркеры, открытие подобного масштаба потребует куда более детальных и убедительных доказательств. Достаточно вспомнить эпопею с поиском следов жизни на Марсе, который исследован намного лучше, но у нас по-прежнему нет однозначного ответа.

Тем не менее, если миссии удастся найти что-то интересное, это станет огромным стимулом для следующего поколения учёных и инженеров, которые возьмутся за раскрытие тайн водного мира. Кто знает, вдруг именно Europa Clipper сделает первый шаг к обнаружению внеземной жизни?

Астроэнтузиасты займутся поисками погибших планет у белых карликов.

Когда Солнце исчерпает запасы своего водородного горючего, оно начнет расширяться, превращаясь в красного гиганта. В ходе этого процесса наша звезда уничтожит Меркурий, Венеру и, вполне возможно, нашу Землю. Затем умирающее Солнце сбросит верхние слои атмосферы, и от него останется остывающее ядро, окруженное обломками и уцелевшими планетами.

Аналогичные процессы происходили и будут происходить в других звездных системах. Астрономам известен ряд белых карликов, окруженных пылевыми дисками с астероидами. Они являются отличными природными лабораториями для изучения конечной стадии развития планетарных систем, предоставляя уникальную информацию о формировании и гибели планет.

Чтобы помочь ученым в поиске примеров астероидов, вращающихся вокруг белых карликов в Млечном Пути, центр NOIRLab запустил проект Exoasteroids. Его целью является выявление белых карликов, яркость которых изменилась за последнее десятилетие. Такие колебания могут указывать на то, что белый карлик окружен остатками планетарной системы и все еще активно разрушает экзоастероиды. Это приводит к вспышкам, обнаруживаемым на снимках, сделанных современными телескопами.

На сайте проекта представлены тысячи записей белых карликов, полученных с помощью инфракрасного космического телескопа WISE. Добровольцы будут просматривать мх, чтобы отличить настоящие случаи изменения яркости белых карликов от таких помех, как перекрывающиеся источники или шум детектора.

По словам авторов проекта, люди могут лучше справиться с этой работой, чем компьютерные алгоритмы. Дело в том, что белые карлики с истинной инфракрасной переменностью встречаются редко. А это значит, что автоматический поиск, скорее всего, вернет гораздо значительно больше ошибочных идентификаций, чем правильных.

Exoasteroids реализуется на платформе гражданской науки Zooniverse. Сайт проекта.

NASA отключила инструмент «Вояджер-2» чтобы продлить жизнь аппарату

Пара аппаратов «Вояджер» была запущена в 1977 году. Они посетили все четыре планеты-гиганта Солнечной системы, после чего ушли в бесконечное путешествие к звездам. Зонды все еще находятся на связи с Землей и продолжают собирать некоторые научные данные. Это возможно благодаря установленным на их борту радиоизотопных термоэлектрогенераторам (ритэгам). Они вырабатывают тепло за счет распада плутония-238, которое затем преобразуется в энергию.

Проблема в том, что количество вырабатываемой ритэгами энергии уменьшается примерно на 4 ватта в год. Это связано с распадом плутония и деградацией термопары. Поэтому после того, как пара Voyager завершила исследования планет-гигантов, команда миссии отключила все научные приборы, которые не требовались для дальнейшей межзвездной миссии. Это на долгое время обеспечило аппараты достаточным для работы запасом энергии, что позволило получить уникальные данные, когда «Вояджеры» покинули гелиосферу и вышли в межзвездное пространство.

Но несколько лет назад ситуация с энергопотреблением начала становиться критической. Это вынудило инженеров отключить абсолютно все бортовые системы, не являвшиеся критически важными, а также некоторые обогреватели. Они также изменили способ контроля напряжения на «Вояджере-2».

Однако все эти меры могли лишь отсрочить неизбежное. 26 сентября инженеры NASA отправили «Вояджеру-2» команду на отключение прибора для изучения плазмы. Сигналу потребовалось 19 часов, чтобы добраться до аппарата, находящегося на расстоянии 20,5 млрд км от Земли. Еще столько же времени потребовалось на получение подтверждения.

Прибор для изучения плазмы измерял параметры плазмы (электрически заряженных атомов) и определял направление ее течения. Он состоит из четырех «чашек». Три чашки направлены в сторону Солнца и наблюдают за солнечным ветром в гелиосфере. Четвертая направлена под прямым углом по отношению к трем другим. Раньше она наблюдала плазму в магнитосферах планет, потом в гелиосфере, а затем и в межзвездном пространстве.

В 2018 году именно прибор для изучения плазмы сыграл решающую роль в подтверждении того, что «Вояджер-2» вошел в межзвездное пространство. Внутри гелиосферы частицы солнечного ветра текут наружу, прочь от звезды. В свою очередь, сама гелиосфера движется через межзвездное пространство. Поэтому когда Voyager 2 ее покинул, то зафиксировал, что плазма течет почти в противоположном направлении от солнечных частиц.

Когда «Вояджер-2» вышел из гелиосферы, поток плазмы в три чаши, обращенные к Солнцу, резко уменьшился. Наиболее полезные данные из четвертой чаши поступали лишь раз в три месяца, когда космический аппарат совершает плановый поворот на 360 градусов вокруг оси, направленной к Солнцу. Это и стало причиной решения миссии выключить данный прибор раньше других.

Теперь на борту Voyager 2 осталось четыре работающих инструмента — приемник плазменных волн, магнитометр, детектор космических лучей и прибор для измерения заряженных частиц низкой энергии. Такие же приборы все еще функционируют и на борту его собрата. Инженеры миссии надеются, что им удастся поддерживать работу хотя бы одного из научных инструментов «Вояджеров» до начала 2030-х годов.