Достижение ледяных гигантов требует значительного времени — путь к Урану может занять до 13 лет, даже с использованием гравитационного маневра возле Юпитера. Тем не менее, в настоящее время разрабатывается несколько идей, направленных на ускорение этого процесса, особенно с учетом возросшего интереса к отправке зондов к этим планетам.

Одной из таких идей является использование системы аэроторможения, которая позволит замедлить зонд по мере его приближения к цели.

В новой статье, написанной Эндрю Гомесом-Дельрио и его соавторами из Лаборатории имени Лэнгли NASA, описывается, как предлагаемая миссия орбитального аппарата и зонда Uranus (UOP) может использовать ту же технологию аэроторможения, что и «Кьюриосити», что позволит значительно повысить как скорость, так и грузоподъемность миссии.

Использование системы аэроторможения для миссий к ледяным гигантам обладает несколькими преимуществами. Во-первых, как уже упоминалось, она способна значительно сократить необходимое время путешествия до цели.

Некоторые оценки предполагают, что время в пути может сократиться вдвое, но, по крайней мере, это позволит сэкономить годы на пути к Урану. Во-вторых, это увеличивает долю полезной нагрузки, которая может быть использована для основной миссии, а не для топлива, необходимого для достижения цели. Третье преимущество заключается в уменьшении размеров и сложности системы двигателей.

Все эти достоинства делают систему аэроторможения привлекательным дополнением любой миссии к Урану. Но в чем же подвох? Разработка такой системы обычно занимает годы и требует миллионов долларов. Однако, согласно статье, в этом нет необходимости: инженеры проекта могут просто немного модифицировать систему аэроторможения, использованную для успешной доставки лаборатории научных исследований на Марс — ныне известной как «Кьюриосити» — на поверхность Красной планеты.

Несмотря на кажущуюся разницу в характере этих двух миссий, система аэроторможения может быть, по сути, одинаковой. Формально она известна как система тепловой защиты (TPS).

Его основным компонентом является конформный углеродный аблятор с фенольной пропиткой (CPICA), материал, широко используемый в теплозащитных экранах из-за его низкой плотности и теплопроводности. Несмотря на свою пористость, он является одним из лучших материалов для защиты космических аппаратов от тепла, возникающего при повторном входе в атмосферу планеты.

В данном случае речь идет о прохождении через атмосферу планеты. Целью зонда к Урану не является остановка в атмосфере, а прохождение через нее с использованием замедляющего эффекта, который она оказывает на космический аппарат, как своего рода тормоз.

В типичном сценарии TPS либо спускается вместе с самим космическим аппаратом после достаточного замедления, либо сбрасывается, когда аппарат направляется к поверхности другой планеты. В случае UOP TPS будет сброшена перед тем, как зонд войдет в стабильную орбиту вокруг планеты.

Однако система аэроторможения — это лишь одна часть общей термической защиты космического аппарата, и статья доктора Гомеса-Дельрио рассматривает несколько других систем, таких как современные виды изоляции и теплопроводные трубы, которые отводят тепло от нескольких радиоизотопных термоэлектрических генераторов к остальному оборудованию миссии.

Кроме того, статья предоставляет детальный анализ работы этих систем на различных этапах миссии, таких как облет Венеры и ее «гибернационный круиз».

Как и во всех подобных миссиях, вес является ключевым определяющим фактором, и система аэроторможения позволит существенно сократить массу за счет уменьшения потребности в топливе и ненужных внешних топливных баках.

Снижение веса также открывает возможности для различных конфигураций аппарата, включая такие, которые позволят UOP собирать данные в фазе круиза или выпускать несколько малых атмосферных зондов следующего поколения (SNAP).

Тем не менее, впереди еще долгий путь, поскольку проект UOP по-прежнему испытывает нехватку финансирования, несмотря на то, что он является миссией высшего приоритета согласно последнему Обзору планетарных исследований. Учитывая общую нехватку средств, существует реальная вероятность того, что сама миссия может так и не состояться.

Тем не менее, в это время проекты, подобные тому, который стал основой для данной статьи и был профинансирован грантом NASA для начинающих специалистов, будут продолжать развивать концепцию миссии в надежде, что однажды она сможет исследовать одну из самых интересных планет нашей солнечной системы.

Миранда расположена на расстоянии примерно 129 000 километров от Урана. Это один из самых интересных объектов в Солнечной системе, а в ближайшем будущем она станет предметом изучения миссии Uranus Orbiter and Probe.

Открытие

Голландско-американский астроном Джерард Койпер открыл Миранду 16 февраля 1948 года во время систематического исследования окрестностей Урана. Устройством, с помощью которого он это сделал, был 82-дюймовый телескоп из обсерватории Макдональд в Техасе.

Джерард Койпер не был обычным астрономом. К примеру, он был руководителем диссертации Карла Сагана во время своего преподавания в Чикагском университете. В следующем году после открытия Миранды он вновь «поймал удачу за хвост», на этот раз открыв спутник Нептуна Нереиду. В будущем он также оказал влияние на космическую программу «Апполон».

За свою жизнь он заслужил звание отца планетологии, и в его честь были названы три кратера: на Луне, Марсе и Меркурии.

Как и многие спутники Урана, Миранду Джерард Койпер назвал в честь героини из произведения Уильяма Шекспира. По подобному принципу были названы и многие её области, например, кратеры Стефано или Франциско.

Необычный спутник

Миранда отличается от других спутников Урана и планет Солнечной системы. Её поверхность представляет собой смесь старых и молодых образований, включая обширные равнины, кратеры, системы каньонов, «венцы» и пр. Миранда имеет одну из самых экстремальных и разнообразных топографий среди всех объектов в Солнечной системе, включая Уступ Верона, высота которого, согласно некоторым оценкам, может достигать 20 км, что делает Уступ самым высоким объектом среди всех подобных структур в Солнечной системе. Его высота особенно удивительна с учётом размеров спутника.

Миранда также отличается своим составом, который, как полагают, состоит из смеси водяного льда, органических соединений и силикатных пород. Её плотность составляет немного меньше 1,2 г/см³, что указывает на то, что большая часть её состава является именно льдом.

Учёные предполагают, что Миранда могла образоваться в результате процесса аккреции, при котором небольшие частицы собирались вместе под действием гравитации.

Тьма

Несмотря на то, что Миранда была открыта в 1948 году, её удалось снять всего лишь один раз, во время пролёта аппарата Voyager 2 в 1986 году. После этого Миранда, как будто по мановению волшебной палочки, исчезла из поля зрения телескопов.

Причина этому то, что Миранда находится в уникальном положении, которое делает её наблюдение с Земли невозможным большую часть времени. Её орбита вокруг Урана наклонена под углом 4,34 градуса к экватору планеты. Из-за этого каждые 42 года Миранда проходит через период, когда она становится практически невидимой с Земли.

Несмотря на это, во время своего единственного пролёта, Voyager 2 сделал детальные изображения поверхности одного из полушарий луны. Это открыло путь к пониманию природы Миранды.

Тем не менее, учёным остаётся лишь гадать, что ещё луна Урана таит с другой стороны. К счастью, возможность это узнать представится менее чем через десять лет.

Миссия Uranus Orbiter and Probe

В будущем Миранда станет предметом изучения миссии Uranus Orbiter and Probe, запуск которой ожидается в 2031 или 2032 году. Главный герой миссии, орбитальный аппарат, будет изучать систему Урана и его спутники, включая Миранду, а его зонд, согласно плану, сможет опуститься на поверхность Миранды.

Это поможет собрать данные о составе, температуре и давлении спутника. Также это будет первый в истории космических исследований случай, когда зонд приземлится на поверхности спутника Урана. Возможно, учёные наконец смогут объяснить, как именно сформировались многие из образований спутника, а также, почему он так отличается от других лун Урана.

"Хотя мы предполагали, что Уран будет выглядеть по-разному в каждом фильтре наблюдений, мы обнаружили, что на самом деле он оказался более тусклым, чем ожидалось на основе данных, полученных с помощью New Horizons с другой точки зрения", — отметила ведущий автор исследования Саманта Хаслер из Массачусетского технологического института в Кембридже и член научной группы New Horizons.

Прямая визуализация экзопланет является ключевым методом изучения их потенциальной обитаемости и дает новые ключи к пониманию происхождения и формирования нашей собственной солнечной системы. Астрономы используют как прямую визуализацию, так и спектроскопию для сбора света от наблюдаемой планеты и сравнения его яркости на разных длинах волн. Однако получение изображений экзопланет, как известно, является сложным процессом, поскольку они находятся очень далеко. Их изображения представляют собой всего лишь точечные изображения, поэтому они не такие подробные, как изображения планет, вращающихся вокруг нашего Солнца крупным планом. Исследователи также могут непосредственно видеть экзопланеты только в "частичных фазах", когда только часть планеты освещена их звездой, если смотреть с Земли.

Уран был идеальной мишенью в качестве теста для понимания будущих отдаленных наблюдений экзопланет с помощью других телескопов по нескольким причинам. Во-первых, многие известные экзопланеты также являются газовыми гигантами, похожими по своей природе. Кроме того, во время наблюдений New Horizons находился на дальней стороне Урана, на расстоянии 6,5 миллиардов миль, что позволяло изучать его сумеречный полумесяц — то, что невозможно сделать с Земли. На таком расстоянии изображение планеты с помощью цветной камеры New Horizons, называемой мультиспектральной камерой видимого изображения, составляло всего несколько пикселей. С другой стороны, телескоп "Хаббл" с его высоким разрешением, находящийся на низкой околоземной орбите на расстоянии 1,7 миллиарда миль от Урана, смог увидеть такие атмосферные особенности, как облака и штормы на дневной стороне газообразного мира.

"На снимках New Horizons Уран выглядит всего лишь маленькой точкой, похожей на точки, которые видны на прямых изображениях экзопланет с таких обсерваторий, как Webb или наземных обсерваторий", - добавил Хаслер. "Телескоп "Хаббл" дает представление о том, что происходит с атмосферой при наблюдении с помощью New Horizons". Газовые гиганты в нашей Солнечной системе имеют динамичную и изменчивую атмосферу с изменяющимся облачным покровом. Насколько это распространено среди экзопланет? Зная детали того, как выглядели облака на Уране с помощью телескопа "Хаббл", исследователи могут проверить то, что интерпретируется на основе данных New Horizons. В случае с Ураном и "Хаббл", и New Horizons увидели, что яркость не менялась при вращении планеты, что указывает на то, что особенности облаков не менялись при вращении планеты.

Однако важность обнаружения с помощью New Horizons связана с тем, что планета отражает свет в фазе, отличной от той, которую могут видеть "Хаббл" или другие обсерватории на Земле или вблизи нее. Новые горизонты показали, что экзопланеты могут быть более тусклыми, чем предполагалось, при частичных и больших фазовых углах, и что атмосфера по-разному отражает свет при частичной фазе. НАСА планирует построить две крупные обсерватории для изучения атмосфер экзопланет и потенциальной обитаемости. “Эти знаковые исследования Урана, проведенные New Horizons с точки зрения, которую невозможно наблюдать никакими другими способами, пополнили сокровищницу новых научных знаний миссии и, как и многие другие наборы данных, полученные в ходе миссии, позволили получить удивительное новое представление о мирах нашей Солнечной системы”, - добавил главный исследователь New Horizons Алан Стерн из Юго-Западного научно-исследовательского института.

Новый космический телескоп NASA "Нэнси Грейс Роман", запуск которого запланирован на 2027 год, будет использовать коронограф для блокировки света звезды, чтобы непосредственно наблюдать экзопланеты газовых гигантов. Обсерватория NASA "Обитаемые миры", находящаяся на ранней стадии планирования, станет первым телескопом, специально разработанным для поиска биосигналов в атмосферах каменистых планет размером с Землю, вращающихся вокруг других звезд. Хаслер отметил, что изучение того, как известные объекты, такие как Уран, отображаются на снимках с расстояния, поможет составить более обоснованные ожидания для будущих миссий и будет критически важно для их успеха.

Запущенный в январе 2006 года, New Horizons совершил исторический облет Плутона и его спутников в июле 2015 года, а в январе 2019 года предоставил человечеству возможность увидеть один из планетарных строительных блоков пояса Койпера – Аррокот. В настоящее время New Horizons выполняет свою вторую расширенную миссию, изучая удаленные объекты пояса Койпера, характеризуя внешнюю гелиосферу Солнца и проводя важные астрофизические наблюдения.

Космический телескоп "Хаббл" работает уже более трех десятилетий и продолжает делать новаторские открытия, формирующие наше представление о Вселенной. "Хаббл" является проектом международного сотрудничества между NASA и ESA (Европейским космическим агентством). Управление телескопом и миссией осуществляет Центр космических полетов имени Годдарда NASA, а поддержкой занимается компания Lockheed Martin Space. Научные исследования "Хаббла" проводит Научный институт космических телескопов.

Лаборатория прикладной физики имени Джона Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, построила и управляет космическим аппаратом New Horizons, а Юго-Западный исследовательский институт, базирующийся в Сан-Антонио и Боулдере, штат Колорадо, руководит миссией через главного исследователя Алана Стерна. New Horizons является частью программы NASA "Новые рубежи", управляемой Центром космических полетов имени Маршалла NASA.