Миссия вояджер. «Вояджер» и «Пионер» - спутники покинувшие Солнечную систему

История миссии

«Вояджер » («Voyager») – проект по изучению дальних планет в Солнечной системе, осуществленный с помощью двух аппаратов, запущенных в 1977 году.

Аппараты «Вояджер-1 » и «Вояджер-2» были построены в Лаборатории реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory), эта миссия стала одним из самых успешных межпланетных исследований в последней четверти XX века, ведь спутники «Вояджер» впервые сделали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» стал первым космическим аппаратом, достигшим Урана и Нептуна. Землю отделяют от планет-гигантов расстояния, которые слишком велики для средств наблюдения Земли, поэтому полученные от Вояджеров данные и сейчас имеют большую научную ценность.

Планы миссии впервые появились в конце 1960-х годов, и поначалу планировалось изучить только Юпитер и Сатурн. Но благодаря удачному расположению планет-гигантов, выстроившихся в сравнительно узком секторе Солнечной системы (создав так называемый «парад планет»), стало возможно использовать гравитационные манёвры для достижения всех планет внешней Солнечной системы, за исключением Плутона, хотя официально исследование Урана и Нептуна так и не было предусмотрено программой миссии. После того, как успешного выполнения аппаратом «Вояджер-1» программы исследований Сатурна и его спутника Титана, было окончательно решено направить «Вояджер-2» к Урану и Нептуну, для этого пришлось скорректировать траекторию его полета, пожертвовав близким пролетом около Титана.

Научное оснащение аппарата

Каждый аппарат миссии «Вояджер» оснащен:

Телевизионными камерами с чёткостью 800 строк, с использованием специальных видиконов с памятью. Для считывания одного кадра требуется 48 секунд.
широкоугольной камерой (с полем около 3 градусов), фокусным расстоянием 200 мм;
узкоугольной камерой (0,4 градуса), фокусным расстоянием 500 мм;
Спектрометрами:
Инфракрасным, с диапазоном от 4 до 50 мкм;
Ультрафиолетовым, с диапазоном от 50 до 170 нм;
Фотополяриметром;
Плазменным комплексом:
детектором плазмы;
детектором заряженных частиц низких энергий;
детектором космических лучей;
магнитометрами высокой и низкой чувствительности;
приёмником плазменных волн.

Энергооснащение аппарата

В аппаратах, работающих во внешней Солнечной системе, нельзя использовать солнечные батареи, так как на таком расстоянии поток солнечного излучения очень мал. Исключением стала , но следует понимать, что она была запущена в 2011 году и технологии фотоэлементов очень сильно продвинулись вперед.

Питание аппараты проекта «Вояджер» получают от трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов, в качестве топлива в них применяется плутоний-238. В начале миссии их мощность составляла 470 Ватт при напряжении 30 Вольт постоянного тока. Плутоний-238 обладает периодом полураспада примерно 87,74 года, в результате генератор, работающий на этом изотопе теряет 0,78 % своей мощности за год. В 2006 году, спустя 29 лет с момента запуска, выходная мощность такого генератора должна равняться 373 Вт, то есть примерно 79,5 % от начальной. Также постепенно теряет эффективность биметаллическая термопара, конвертирующая выделяемое РИТЭГом тепло в электричество, что также приводит к уменьшению мощности.

Мощность РИТЭГов «Вояджера-1» и «Вояджера-2» по данным от 11 августа 2006 года уменьшилась до 290 Вт и 291 Вт. Это составляет около 60 % этого показателя при запуске, полученные данные лучше предполетных предсказаний.

Технические проблемы «Вояджера-2» и их решение

В связи с тем, что полет «Вояджера-2» продлился гораздо дольше, чем было предусмотрено, после пролета Юпитера перед учеными миссии встало множество технических проблем.

Наиболее значимые и успешно решенные проблемы «Вояджера-2»:

выход из строя автоматической подстройки частоты гетеродина. Без автоматической подстройки приёмник может принимать лишь сигналы в пределах собственной полосы пропускания, которая составляет менее 1/1000 нормального её значения. Даже доплеровские сдвиги от суточного вращения Земли превышают её в 30 раз. Оставался единственный выход из положения - каждый раз рассчитывать новое значение передаваемой частоты и подстраивать наземный передатчик так, чтобы после всех сдвигов сигнал как раз попадал в полосу пропускания приемника. Это и было сделано - компьютер теперь включен в контур передатчика.
выход из строя одной из ячеек оперативной памяти бортовой ЭВМ - программу удалось переписать и загрузить так, что этот бит перестал влиять на неё;
на определённом участке полёта применявшаяся система кодирования управляющего сигнала уже переставала отвечать требованиям достаточной помехозащищённости из-за ухудшения отношения сигнал/шум. В бортовую ЭВМ была загружена новая программа, осуществлявшая кодирование гораздо более защищённым кодом (был применён двойной код Рида - Соломона).
при пролёте плоскости колец Сатурна бортовая поворотная платформа с телекамерами была заклинена, вероятно, частицей этих колец. Осторожные попытки поворота её несколько раз в противоположные стороны позволили, в конце концов, разблокировать платформу;
падение мощности питающих изотопных элементов потребовало составления сложных циклограмм работы бортового оборудования, часть которого начали время от времени отключать, чтобы предоставить другой части достаточно электроэнергии;
незапланированное вначале удаление аппаратов от Земли потребовало многократной модернизации наземного приёмо-передающего комплекса, чтобы принимать слабеющий сигнал.

Снимок Земли, сделанный космическим аппаратом «Вояджер-1» в 1990 году с расстояния в 6 млрд км (40 а. е.) от Земли

Спутник Сатурна Рея. Снимок сделан аппапартом «Вояджер - 1» 12 ноября 1980 года

Диона, один из спутников Сатурна. Снимок сделан аппапартом «Вояджер - 1» 1 ноября 1980 года

Положение аппаратов программы «Вояджер» в 2009 году

В какой точке искать «Вояджер-1»

Вояджер-1

Послание Вояджера

К борту каждого «Вояджера» прикрепили круглую алюминиевую коробку, положив туда позолоченный видеодиск. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её континентов, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК. Вместе с пластинкой в футляр упакованы фонографическая капсула и игла для воспроизведения записи. На футляре выгравирована схема, изображающая установку иглы на поверхности записи, скорость проигрывания и способ преобразования видеосигналов в изображение.

В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. В качестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц).

Кроме изображений, на диске записаны и звуки: шёпот матери и плач ребёнка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой.

Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 55 языках народов мира. По-русски сказано: «Здравствуйте, приветствую вас!». Особую главу послания составляют достижения мировой музыкальной культуры. На диске записаны произведения Баха, Моцарта, Бетховена, джазовые композиции Луи Армстронга, Чака Берри, народная музыка многих стран.

На диске записано также обращение Картера, который в 1977 году был президентом США. Вольный перевод обращения звучит так:

«Этот аппарат создан в США, стране с населением 240 млн. человек среди 4-миллиардного населения Земли. Человечество всё ещё разделено на отдельные нации и государства, но страны быстро идут к единой земной цивилизации.

Мы направляем в космос это послание. Оно, вероятно, выживет в течение миллиарда лет нашего будущего, когда наша цивилизация изменится и полностью изменит лик Земли… Если какая-либо цивилизация перехватит «Вояджер» и сможет понять смысл этого диска - вот наше послание:

Это - подарок от маленького далёкого мира: наши звуки, наша наука, наши изображения, наша музыка, наши мысли и чувства. Мы пытаемся выжить в наше время, чтобы жить и в вашем. Мы надеемся, настанет день, когда будут решены проблемы, перед которыми мы стоим сегодня, и мы присоединимся к галактической цивилизации. Эти записи представляют наши надежды, нашу решимость и нашу добрую волю в этой Вселенной, огромной и внушающей благоговение».

В 2015 году НАСА приняло решение выложить в интернет все звуки с золотой пластинки для зондов «Вояджеров». Ознакомиться с ними может любой желающий на сайте НАСА.

Аппараты покидают Солнечную систему

После встречи с Нептуном траектория «Вояджера-2» отклонилась к югу. Теперь его полёт проходит под углом 48° к эклиптике, в южной полусфере. «Вояджер-1» поднимается над эклиптикой (начальный угол 38°). Аппараты навсегда покидают пределы Солнечной системы.

Технические возможности аппаратов таковы: энергии в радиоизотопных термоэлектрических батареях хватит для работы по минимальной программе примерно до 2025 года. Проблемой может стать возможная потеря Солнца солнечным датчиком, так как с большого расстояния Солнце становится всё более тусклым. Тогда направленный радиолуч отклонится от Земли, и приём сигналов аппарата станет невозможным. Это может произойти около 2030 года.

Теперь из научных исследований программы Вояджер на первом месте - изучение переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой. «Вояджер-1» пересёк гелиосферную ударную волну (англ. termination shock) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. Информация, поступающая с «Вояджера-2», привела к новому открытию: хотя аппарат на тот момент ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные показали, что она асимметрична - её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение - влияние межзвёздного магнитного поля). «Вояджер-2» пересёк гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,6 а. е. Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны.

Космический аппарат «Вояджер-2», запущенный 20 августа 1977 года, пересёк в августе 2007 года границу Солнечной системы (точнее, гелиосферы). 10 декабря 2007 года NASA сообщило о результатах анализа данных, присланных «Вояджером».

На определённом расстоянии скорость солнечного ветра резко падает и перестаёт быть сверхзвуковой. Область (практически поверхность), в которой это происходит, называется границей ударной волны (termination shock или termination shockwave). Это и есть граница, которую пересекли «Вояджеры». Можно считать её границей внутренней гелиосферы. По некоторым определениям, гелиосфера здесь и кончается.

«Вояджер-2» подтвердил, что гелиосфера - не идеальный шар, она сплющена: её южная граница находится ближе к Солнцу, чем северная. Кроме того, аппарат сделал ещё одно неожиданное наблюдение: торможение солнечного ветра за счёт противодействия межзвёздного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но всё равно в 10 раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда уходит энергия, неизвестно.

«С этими двигателями, которые все еще функционируют после 37 лет простоя, мы сможем продлить срок службы космического корабля «Вояджер-1» на два-три года», - заявила Сюзанна Додд, руководитель проекта «Вояджер» в Лаборатории реактивного движения NASA. Двигатели планируется использовать для корректировки ориентации аппарата, с тем чтобы его антенны были направлены на Землю. Сигнал к космическому аппарату шел 19 часов 35 минут.

Команда на запуск двигателей была дана во вторник, 28 ноября. О ее успешном выполнении ученые узнали на следующий день, когда получили ответ со станции. Для того чтобы выполнить эту процедуру, ученые изучили документацию на программное обеспечение аппарата, которое было написано на устаревшем к этому времени языке программирования.

О том, что использует орбитальный телескоп Hubble для исследования свойств межзвездной среды, в которую вышла станция Voyager 1. Этот самый быстро движущийся и самый удаленный от Земли аппарат, созданный человеком, вместе с Voyager 2, несмотря на свою технологическую, с современной точки зрения, простоту, уже в течение почти 40 лет изучает Солнечную систему. О последних результатах и будущем миссии рассказывает .

В настоящее время Voyager 1 в 138 астрономических единицах (около 21 миллиарда километров) от Земли. Это расстояние свет преодолевает чуть более чем за 19 часов. К рекордам первой станции приближается вторая - Voyager 2 находится на удалении более 114 астрономических единиц (примерно 17 миллиардов километров) от Земли. Свет проходит это расстояние за 16 часов. Скорость движения станций превышает 3,3 астрономической единицы в год.

Станции Voyager движутся почти в полтора раза быстрее запущенных еще в начале 1970-х аппаратов Pioneer, связь с которыми НАСА не поддерживает. Примерно через пару лет Voyager 2 удалится дальше от Солнца, чем Pioneer 10.

Миссии Voyager 1 и Voyager 2 отличаются траекторией полета - вторая станция пролетела мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, тогда как первый аппарат посетил только Юпитер и Сатурн.

Voyager 1 опередил не только Voyager 2, первым пролетев мимо Юпитера и Сатурна в конце 1970-х - начале 1980-х, но и Pioneer 11 - в 1998 году, на расстоянии около 70 астрономических единиц от Солнца. Pioneer 11 вместе с Pioneer 10 и двумя станциями Voyager - первые рукотворные объекты, покинувшие пределы пояса Койпера.

Технически Voyager 1 и Voyager 2 идентичны. Стартовая масса вместе с гидразином, который использовался для управления ориентацией аппаратов, составляла 815 килограммов. Каждая из станций целиком, с развернутыми антеннами, помещается в куб со стороной четыре метра. Оба аппарата запущены в 1977 году, второй - на 16 суток раньше.

Основной целью миссии Voyager являлось пролетное исследование газовых гигантов Солнечной системы, с чем две станции успешно справились.

Эта область Солнечной системы, представляющая собой скопление ледяных небесных тел, начинается за орбитой Нептуна, на расстоянии 30 астрономических единиц от звезды и заканчивается за орбитой Макемаке, третьей по величине карликовой планеты Солнечной системы, в 60 астрономических единицах от светила. В настоящее время в поясе Койпера находится только один рукотворный аппарат - зонд New Horizons, который в 2015 году пролетал мимо Плутона, крупнейшей известной карликовой планеты.

Станция Voyager 1 - первый рукотворный объект, вышедший в межзвездное пространство. В декабре 2011 года, через 35 лет после старта, аппарат покинул пределы гелиосферы - магнитного аналога атмосферы планет и оказался в районе гелиопаузы, отделяющей гелиосферу от межзвездного пространства.

Граница Солнечной системы, кроме гелиопаузы, также часто определяется сферой Хилла. Так называют область пространства, в котором определяющее гравитационное влияние оказывает центральное небесное тело. Для Солнца радиус сферы Хилла оценивается в один-два световых года. С этой точки зрения, станция Voyager 1 еще нескоро покинет пределы Солнечной системы.

В тот момент научные инструменты Voyager 1 зарегистрировали стократное увеличение количества высокоэнергетических электронов, летящих в сторону Солнца из межзвездного пространства, и сокращение числа низкоэнергетических частиц, прилетающих от светила. В первом полугодии 2012-го станция зафиксировала усиление интенсивности галактических космических лучей. В конце августа того же года аппарат, отметив практически полное угасание солнечного ветра, покинул гелиосферу и вышел в межзвездное пространство.

Однако нашлись ученые, заявившие, что Voyager 1 еще не преодолел гелиопаузу, где происходит торможение солнечного ветра межзвездными частицами. Они полагали, что такой переход должен сопровождаться значительным сдвигом в характеристиках магнитного поля, чего не наблюдалось. Кроме того, направление магнитного поля в районе пребывания Voyager 1 отклоняется на 40 градусов от ожидаемого.

Впоследствии эти аргументы были . Измерения, проведенные при помощи спутника IBEX (Interstellar Boundary Explorer), предназначенного для изучения границ Солнечной системы, показали, что фиксируемое аппаратом направление магнитных линий связано с возмущением, оказываемым Солнечной системой на глобальное галактическое магнитное поле. По расчетам, в 2025 году Voyager 1 покинет пределы возмущенного поля.

Что будет дальше с миссией Voyager? Три радиоизотопных термоэлектрических генератора, установленных на каждом из аппаратов, позволят им поддерживать связь с Землей еще примерно десять лет. За это время ученые надеются тщательнее исследовать межзвездное пространство, в частности структуру гелиопаузы, в том числе и с целью планирования миссий к альфе Центавра.

Как показали данные Hubble, окружающее Солнечную систему первое межзвездное газовое облако Voyager 2 покинет через две тысячи лет. Еще 90 тысяч лет станции потребуется, чтобы пройти второе облако и попасть в третье. Эти межзвездные структуры

Маловероятно, что вблизи Gliese 445 и Ross 248 существуют пригодные для жизни планеты. Эти звезды слишком малы, а Ross 248 еще и вспыхивающая - ее светимость может меняться нерегулярным образом сразу во всех диапазонах электромагнитного спектра. Интересно, что эта звезда, а не Проксима Центавра, через примерно 36 тысяч лет на короткое время, около 6 тысяч лет, станет ближайшим к Солнцу светилом.

В общем, станции Voyager, как и Pioneer, скорее всего, станут вечными странниками в межзвездном пространстве. Вряд ли установленные на станциях Voyager золотые пластины с указанием местонахождения Земли, а также несколькими изображениями и аудиозаписями, будут обнаружены возможными обитателями других миров и тем более правильно поняты ими.

Зонд "Вояджер-2", покинувший Землю 33 года назад, начал посылать на Землю сообщения, не поддающиеся декодированию.

В 1977 году, когда этот космический аппарат был запущен НАСА в рамках программы «Вояджер», ученые поместили в него носитель данных (12-дюймовый диск). Понимая, что вероятность контакта с высокоразвитой внеземной формой жизни , все же, существовала, они записали на этот диск образцы музыки, а также приветствия на 55 разных языках.

В настоящий момент, поток данных с «Вояджера-2» не поддается дешифровке: посылаемые им сигналы имеют неизвестный формат. Несмотря на то, что официально НАСА объясняет ситуацию сбоем в системе, отвечающей за кодирование данных, существует альтернативное мнение, согласно которому смена формата стала результатом того самого контакта, к которому ученые подготовили «Вояджер-2» в 1977 году.

Уфолог Хартвиг Хаусдорф (Hartwig Hausdorf) комментирует положение дел следующим образом: «Создается впечатление, будто кто-то перепрограммировал или похитил зонд – впрочем, возможно, всей правды мы до сих пор не знаем».
Формат, в котором с «Вояджера-2» отправлялась исследовательская информация, изменился в прошлом месяце, когда аппарат был на расстоянии 8,6 миллиарда миль от Земли. Согласно представителям НАСА, специалисты агентства занимаются решением проблемы. В данный момент зонд переведен в режим, в котором он передает данные только о своем состоянии.

"ВОЯДЖЕР-2" ИССЛЕДУЕТ УРАН

Борислав Славолюбов

20 августа 1977 года с космодрома космического центра им. Кеннеди был запущен космический аппарат "Вояджер-2". Первоначально станция стартовала к Юпитеру и Сатурну. Однако на рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы ("парад планет"). Последний раз такое "собрание" проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра сделало возможным дальнейший полет "Вояджера" - к Урану и Нептуну. Без такого маневра полет к Урану продолжался бы на 20 лет дольше, 30 лет вместо 9 - станция летела бы до сих пор.

После пролета мимо Сатурна под воздействием притяжения этой планеты "Вояджер-2" совершил пертурбационный маневр (разворот почти на 90°) и перешел на траекторию полета к Урану. В 1981 году вероятность выполнения научной программы у Урана оценивалась в 60-70%. Во время пролета системы Сатурна произошло заклинивание поворотной платформы аппарата. Для того, чтобы понять, в чем неисправность, в Лаборатории Реактивного Движения (JPL) были срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых и провели всестороннее изучение нештатной ситуации. Удалось выяснить, что причиной заклинивания послужила большая нагрузка на платформу вблизи Сатурна, и неисправность можно устранить. Была разработана программа более аккуратного управления платформой. Как запасной вариант, было предусмотрено наведение приборов путем разворота всей станции с помощью двигателей микроориентации.

В 1986 году в южном полушарии Урана стояло полярное лето. К Солнцу (и к подлетающему "Вояджеру-2") был обращен южный полюс планеты. Из-за большого наклонения спутниковой системы Урана по отношению к эклиптике было решено совершить пролет вблизи лишь одного спутника. В 1984 году этим спутником была выбрана Миранда. Было принято решение о минимальном расстоянии до Миранды в 29 тысяч километров. Рассматривался вариант и более тесного сближения - до 15 тысяч километров, но в этом случае система компенсации сдвига изображения телевизионных камер не могла бы предотвратить смазывания получаемых снимков.
При пролете мимо Урана впервые для связи с "Вояждером-2" использовались новые 64-метровые антенны, установленные в США, Испании и Австралии. Из-за падения мощностей радиоизотопных батарей (до 400 Вт) приходилось ограничить научную программу и использовать приборы поочередно.
В период с 4 ноября 1985 г. по 10 января 1986 г. станция вела обзорные наблюдения Урана с использованием телевизионных камер, которые регистрировали образования в атмосфере планеты и движение ее спутников. На снимках, полученных 30 декабря, был обнаружен новый спутник - Пак, размером около 170 км. Примерно в это же время было сфотографировано главное кольцо и несколько других. По мере постепенного сближения с Ураном в течение января 1986 года были сфотографированы еще около десятка небольших внутренних спутников размером в несколько десятков километров.
Кроме ранее известных 9 колец было открыто еще 2 слабых кольца - 1986 U1R и 1986 U2R. Дополнительно, установленный на аппарате фотополяриметр обнаружил по крайней мере еще несколько неполных колец, лежащих за пределами кольца Эпсилон.

Также было обнаружено, что узкие кольца погружены в широкое, разреженное кольцо.

Был сделан вывод, что кольцо Эпсилон состоит из крупных частиц размером около 1 метра (точнее, от 10 см до 10 м).
За 6 дней до максимального сближения с Ураном произошел серьезный сбой в передаче данных. Выяснилось, что при переходе на более мощный алгоритм сжатия (Рида-Солона) при передаче данных изображения искажены сеткой черных и белых линий. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы. Результат оказался тот же. Другая группа подготовила новое задание аппарату: прочесть и передать на Землю все, что он записал в память. Прошло много часов, прежде чем был получен ответ. Сравнение показало, что среди многих килобайт программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Запрос с Земли и ответ Вояджера-2 показали, что перевести эту ячейку в "нулевое" состояние не удается. Тогда программисты так переписали эту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыре дня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать без искажений.
В атмосфере Урана наблюдалось гораздо меньше деталей, чем в атмосферах Сатурна и Юпитера. На полученных снимках видна коричневатая дымка над южной полярной областью, освещенной Солнцем, а также некоторые облачные образования на различных широтах, движущиеся с неодинаковой скоростью.

Были обнаружены ветры, направление которых совпадает с направлением вращения планеты, причем в высоких широтах циркуляция атмосферы происходит с большей скоростью, чем у экватора. В самых верхних слоях атмосферы температура высокая: 750 К на дневной и 1000 К на ночной стороне планеты. В нижней части атмосферы над обоими полюсами температура одинакова. Исследования температуры в функции широты показали, что в высоких широтах близ полюса и в низких широтах близ экватора она одинакова. Зарегистрирован холодный пояс шириной 10-15°, ось которого тянется примерно вдоль 40-й параллели. Температура атмосферы в этом поясе существенно ниже, чем в прилегающих областях. Станция обнаружила на Уране корону атомарного водорода над молекулярным водородом. Температура этой короны на дневной стороне 750 К, на ночной 1000 К.
Вояджер-2 открыл у Урана магнитосферу с напряженностью 0,25 Гс. Его полярность та же что и у Юпитера и Сатурна, и противоположна полярности магнитного поля Земли и Меркурия. Магнитометры станции показали, что в пределах магнитосферы планеты находятся орбиты спутников - Миранды, Ариэля и Умбриеля. Зарегистрированы возмущения магнитного поля этими тремя спутниками. Шлейф магнитосферы планеты простирается на большое расстояние. При проходе шлейфа зарегистрировано изменение направления поля на обратное, обусловленное наклоном магнитной оси Урана к оси вращения. Этот наклон составляет около 60 градусов, больше, чем у любой другой планеты Солнечной системы. При вращении Урана его магнитная ось перемещается в пространстве и увлекает за собой силовые линии магнитного поля, закручивая их.
Внутренняя магнитосфера Урана, по-видимому, представляет собой комбинацию горячих (100 000 К) и очень горячих (10 000 000 К) ионов. Горячие ионы обнаружены вблизи планеты, их плотность в 10 раз выше, чем плотность очень горячих ионов, которые обнаружены по обе стороны орбиты Миранды. Считают, что источником этих ионов является не солнечный ветер, а более удаленные от планеты спутники Урана. Генерируемые ими ионы (в основном протоны) при приближении к планете могут поглощаться Мирандой. Прибор для регистрации космического излучения обнаружил повышение интенсивности магнитного поля Урана внутри орбиты Миранды. Интенсивность поясов радиации Урана практически такая же, как у поясов Земли, и несколько меньше, чем у поясов Сатурна. В поясах Урана ниже содержание электронов высокой энергии, чем в поясах Земли.
Наблюдения магнитного поля Урана были важны еще и потому, что они позволили определить период вращения Урана вокруг оси и на основании этого - скорость ветров в атмосфере путем прослеживания движения облачных образований.
Зарегистрировано свечение Урана в УФ диапазоне, распространяющееся примерно на 50 тыс. км от планеты. На ночной стороне планеты обнаружены авроральные явления в районе магнитного полюса. Также зафиксировано интенсивное так называемое "электросвечение" атмосферы на дневной стороне планеты и радиоизлучение с ночной стороны. Плотность экзосферы достигает 100 штук в куб.см на уровне самого внешнего, кольца.

За несколько дней до пролета Урана станция начала подробную съемку крупнейших спутников:

В день пролета были получены беспрецедентные по разрешению снимки четырех крупнейших спутников. Наиболее близко от этих спутников станция пролетела от Ариэля - в 130 тысячах километров. В результате были получены снимки с разрешением до 2-3 километров на пиксель, показывающие геологически активную поверхность спутника. Для других спутников расстояние было гораздо выше: Умбриэль 557 тыс. км. (10 км на пиксель), Титания - 369 тыс. км. (13 км на пиксель) и Оберон - 660 тыс. км (12 км на пиксель).

Вояджер-2 прошел в 81200 км от облачного слоя Урана 24 января 1986 года. При проходе АМС через плоскость колец на расстоянии около 100 тысяч км от центра планеты прибор для изучения волн в плазме регистрировал приблизительно 30 слабых столкновений с частицами каждую секунду. Примерно в это же время АМС подошла к Миранде - до 30 тысяч километров от ее поверхности. Это позволило получить снимки с разрешением 560 метров на пиксель.

Но, к сожалению, все пять крупных спутников Урана были отсняты лишь с одного - подсолнечного полушария.
Через 3 часа АМС вошла в радиотень Урана и провела радиозондирование ее атмосферы. Съемка системы Урана продолжалась и после пролета планеты. Всего от АМС было получено около 6 тыс. снимков Урана, его спутников и колец.

События

"Вояджер 1" на сегодняшний день является первым и единственным объектом, созданным человеком, который сумел оказаться так далеко от Земли. Недавно аппарат попал в новый район на краю Солнечной системы , который немало озадачил физиков. Их теории не могли предсказать ничего подобного.

Запущенные 36 лет назад , беспилотные космические аппараты-близнецы "Вояджер 1" и "Вояджер 2" первыми прошли по невероятному пути мимо всех планет, посылая по дороге на Землю множество полезных сведений .

Первый "Вояджер" успел пролететь через всю систему уже к 1980-му году и с тех пор держит путь к межзвездному пространству. Сегодня этот объект находится от нас на расстоянии в 120 раз большем , чем расстояние между Землей и Солнцем.

Неожиданный поворот событий

Первоначально ученые полагали, что переход "Вояджера" в новую реальность, где влияние всей галактики более заметно, будет осуществляться постепенно и не будет особенно интересным . Однако оказалось, что этот переход стал намного более сложным, чем подозревали исследователи. Сейчас аппарат попал в странную область, найти объяснение которой ученые затрудняются. Все модели, которые предсказывали, что должно происходить в этом районе, оказались неверными .

Солнечный ветер и космические лучи

Солнце производит поток заряженных частиц, который называется солнечным ветром. Этот ветер "дует" со скоростью более 1 миллиона километров в час . Частицы несут с собой солнечное магнитное поле.

В конечном итоге солнечный ветер сталкивается с межзвездной средой - совершенно другим потоком частиц, которые появились в результате взрывов массивных звезд . Сверхинтенсивные ионы, которые были выделены в результате взрывов, известны под названием галактические космические лучи .

Солнечный ветер блокирует попадание космических лучей в Солнечную систему. Галактика, в свою очередь, имеет свое собственное магнитное поле , которое, по предположениям, расположено под значительным углом к солнечному полю.

Известно, что "Вояджер 1" добрался до границы космического ветра еще в 2003 году . Инструменты аппарата показали, что частицы вокруг него двигаются с дозвуковой скоростью, то есть их движение замедляется по мере удаления от Солнца.

Примерно год назад вокруг аппарата все стало спокойно. Оборудование "Вояджера 1" показало снижение скорости солнечного ветра в тысячу раз. Этот показатель оказался настолько значительным, что стало ясно, что солнечный ветер совсем "затих" . Интересно, что переход аппарата в этот район был невероятно быстрым и занял всего пару дней.

В то же время галактические космические лучи значительно усилились . Ученые считают, что это значит только одно: "Вояджер 1" вышел из-под контроля Солнца.

Странное место

В этой ситуации есть одна странность: если солнечный ветер полностью исчез, галактические космические лучи должны "литься" со всех сторон. Однако "Вояджер 1" зафиксировал, что лучи идут только из одного направления .

Более того, хотя солнечные частицы пропали, аппарат не засек каких-либо изменений в магнитном поле вокруг себя. Объяснить это довольно тяжело, так как предполагается, что магнитное поле галактики наклонено на 60 градусов по отношению к магнитному полю Солнца. Никто из астрофизиков пока не может точно понять, что же происходит.

Создается впечатление, что "Вояджер 1" собирается вот-вот покинуть свой солнечный дом, однако вместо этого стоит в "фойе" с открытой дверью, в которую задувает ветер из галактики . Ученые не подозревали, что имеется такое "фойе", а также они не имеют понятия, сколько аппарат будет в нем находиться.

Может пройти несколько месяцев или лет, прежде чем "Вояджер 1" доберется до межзвездного пространства. Пока ученые не располагают моделями, позволяющими это определить.

Пока можно сказать, что "Вояджер 1" не покинул в полной мере пределы Солнечной системы , однако он покинул район влияния солнечного ветра. Что произойдет с аппаратом далее – остается только гадать.

Интересные факты о космических аппаратах "Вояджерах"

1) Космические аппараты "Вояджер 1" и "Вояджер 2" – близнецы, то есть они абсолютно единичны по конструкции . Вес каждого из них около 680 килограмм . Аппараты оснащены полезными инструментами для различных исследований, включая инструменты для фотосъемки и измерения концентрации плазмы.

2) Некоторые из 65 тысяч компонентов аппаратов кажутся смешными сегодня, но в конце 1970-х считались продвинутыми технологиями, например, цифровой многодорожечный магнитофон .

3) "Вояжеры" были рассчитаны на срок около 5 лет, но на деле оказались работоспособными уже более 30 лет .

4) "Вояджер 1" на самом деле был запущен через 16 дней после "Вояджера 2" . Это произошло 5 сентября 1977 года . Дело в том, что раз в 175 лет планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют такое расположение относительно друг друга, которое позволяет аппарату, пролетая мимо, поймать и использовать их гравитационные поля , чтобы с легкостью преодолевать огромные расстояния.

Аппараты были запущены с разной траекторией . Один из аппаратов успел посетить все четыре планеты, а другой – "Вояджер 1" побывал в гостях у Юпитера и Сатурна прежде, чем отправиться в далекий космос.

"Вояджер 1" догнал "Вояджер 2" в районе пояса астероидов и занял лидирующую позицию в ходе миссии , как и было запланировано.

5) Инженерам НАСА пришлось рассмотреть более 10 тысяч возможных траекторий для миссии "Вояджеров" .

6) В настоящее время требуется 16 часов и 38 минут , чтобы получить сигнал с "Вояджера 1" . Аппарат находится на расстоянии около 12 миллиардов километров от Земли

Радиотелескоп Сети дальней космической связи НАСА (Калифорния, США), который принимает сигналы "Вояджера 1"

7) В феврале 1990 года , когда планеты оказались за спиной "Вояджера 1" , исследователи дали сигнал аппарату включить камеры и заснять то, что осталось позади. Таким образом, с помощью 60-ти снимков, сделанных аппаратом, удалось получить "семейный портрет" Солнечной системы .

8) Оба аппарата содержат послания инопланетным формам жизни от землян в виде позолоченных медных дисков. На этих дисках содержится информация, которую подготовил для НАСА астроном Карл Саган . Тут можно найти изображения, записи звуков природы, приветствия на 55 языках и музыкальные композиции различных культур и времен.

"ВОЯДЖЕР-2" ИССЛЕДУЕТ УРАН

Борислав Славолюбов

20 августа 1977 года с космодрома космического центра им. Кеннеди был запущен космический аппарат "Вояджер-2". Первоначально станция стартовала к Юпитеру и Сатурну. Однако на рубеже 70-х и 80-х годов все планеты-гиганты удачно расположились в сравнительно узком секторе Солнечной системы ("парад планет"). Последний раз такое "собрание" проходило 180 лет назад. Использование гравитационного маневра сделало возможным дальнейший полет "Вояджера" - к Урану и Нептуну. Без такого маневра полет к Урану продолжался бы на 20 лет дольше, 30 лет вместо 9 - станция летела бы до сих пор.

После пролета мимо Сатурна под воздействием притяжения этой планеты "Вояджер-2" совершил пертурбационный маневр (разворот почти на 90°) и перешел на траекторию полета к Урану. В 1981 году вероятность выполнения научной программы у Урана оценивалась в 60-70%. Во время пролета системы Сатурна произошло заклинивание поворотной платформы аппарата. Для того, чтобы понять, в чем неисправность, в Лаборатории Реактивного Движения (JPL) были срочно изготовлены 86 (!) макетов силового привода платформы, на которых и провели всестороннее изучение нештатной ситуации. Удалось выяснить, что причиной заклинивания послужила большая нагрузка на платформу вблизи Сатурна, и неисправность можно устранить. Была разработана программа более аккуратного управления платформой. Как запасной вариант, было предусмотрено наведение приборов путем разворота всей станции с помощью двигателей микроориентации.

В 1986 году в южном полушарии Урана стояло полярное лето. К Солнцу (и к подлетающему "Вояджеру-2") был обращен южный полюс планеты. Из-за большого наклонения спутниковой системы Урана по отношению к эклиптике было решено совершить пролет вблизи лишь одного спутника. В 1984 году этим спутником была выбрана Миранда. Было принято решение о минимальном расстоянии до Миранды в 29 тысяч километров. Рассматривался вариант и более тесного сближения - до 15 тысяч километров, но в этом случае система компенсации сдвига изображения телевизионных камер не могла бы предотвратить смазывания получаемых снимков.
При пролете мимо Урана впервые для связи с "Вояждером-2" использовались новые 64-метровые антенны, установленные в США, Испании и Австралии. Из-за падения мощностей радиоизотопных батарей (до 400 Вт) приходилось ограничить научную программу и использовать приборы поочередно.
В период с 4 ноября 1985 г. по 10 января 1986 г. станция вела обзорные наблюдения Урана с использованием телевизионных камер, которые регистрировали образования в атмосфере планеты и движение ее спутников. На снимках, полученных 30 декабря, был обнаружен новый спутник - Пак, размером около 170 км. Примерно в это же время было сфотографировано главное кольцо и несколько других. По мере постепенного сближения с Ураном в течение января 1986 года были сфотографированы еще около десятка небольших внутренних спутников размером в несколько десятков километров.
Кроме ранее известных 9 колец было открыто еще 2 слабых кольца - 1986 U1R и 1986 U2R. Дополнительно, установленный на аппарате фотополяриметр обнаружил по крайней мере еще несколько неполных колец, лежащих за пределами кольца Эпсилон.

Также было обнаружено, что узкие кольца погружены в широкое, разреженное кольцо.

Был сделан вывод, что кольцо Эпсилон состоит из крупных частиц размером около 1 метра (точнее, от 10 см до 10 м).
За 6 дней до максимального сближения с Ураном произошел серьезный сбой в передаче данных. Выяснилось, что при переходе на более мощный алгоритм сжатия (Рида-Солона) при передаче данных изображения искажены сеткой черных и белых линий. Одна группа, не доверяя компьютеру, обработала вручную все пикселы. Результат оказался тот же. Другая группа подготовила новое задание аппарату: прочесть и передать на Землю все, что он записал в память. Прошло много часов, прежде чем был получен ответ. Сравнение показало, что среди многих килобайт программы в одном восьмиразрядном слове один из нулей замещен единицей. Запрос с Земли и ответ Вояджера-2 показали, что перевести эту ячейку в "нулевое" состояние не удается. Тогда программисты так переписали эту часть программы, чтобы дефектный триггер не вызывал искажений. За четыре дня до сближения программа была послана на борт. Телеметрическая информация стала поступать без искажений.
В атмосфере Урана наблюдалось гораздо меньше деталей, чем в атмосферах Сатурна и Юпитера. На полученных снимках видна коричневатая дымка над южной полярной областью, освещенной Солнцем, а также некоторые облачные образования на различных широтах, движущиеся с неодинаковой скоростью.

Были обнаружены ветры, направление которых совпадает с направлением вращения планеты, причем в высоких широтах циркуляция атмосферы происходит с большей скоростью, чем у экватора. В самых верхних слоях атмосферы температура высокая: 750 К на дневной и 1000 К на ночной стороне планеты. В нижней части атмосферы над обоими полюсами температура одинакова. Исследования температуры в функции широты показали, что в высоких широтах близ полюса и в низких широтах близ экватора она одинакова. Зарегистрирован холодный пояс шириной 10-15°, ось которого тянется примерно вдоль 40-й параллели. Температура атмосферы в этом поясе существенно ниже, чем в прилегающих областях. Станция обнаружила на Уране корону атомарного водорода над молекулярным водородом. Температура этой короны на дневной стороне 750 К, на ночной 1000 К.
Вояджер-2 открыл у Урана магнитосферу с напряженностью 0,25 Гс. Его полярность та же что и у Юпитера и Сатурна, и противоположна полярности магнитного поля Земли и Меркурия. Магнитометры станции показали, что в пределах магнитосферы планеты находятся орбиты спутников - Миранды, Ариэля и Умбриеля. Зарегистрированы возмущения магнитного поля этими тремя спутниками. Шлейф магнитосферы планеты простирается на большое расстояние. При проходе шлейфа зарегистрировано изменение направления поля на обратное, обусловленное наклоном магнитной оси Урана к оси вращения. Этот наклон составляет около 60 градусов, больше, чем у любой другой планеты Солнечной системы. При вращении Урана его магнитная ось перемещается в пространстве и увлекает за собой силовые линии магнитного поля, закручивая их.
Внутренняя магнитосфера Урана, по-видимому, представляет собой комбинацию горячих (100 000 К) и очень горячих (10 000 000 К) ионов. Горячие ионы обнаружены вблизи планеты, их плотность в 10 раз выше, чем плотность очень горячих ионов, которые обнаружены по обе стороны орбиты Миранды. Считают, что источником этих ионов является не солнечный ветер, а более удаленные от планеты спутники Урана. Генерируемые ими ионы (в основном протоны) при приближении к планете могут поглощаться Мирандой. Прибор для регистрации космического излучения обнаружил повышение интенсивности магнитного поля Урана внутри орбиты Миранды. Интенсивность поясов радиации Урана практически такая же, как у поясов Земли, и несколько меньше, чем у поясов Сатурна. В поясах Урана ниже содержание электронов высокой энергии, чем в поясах Земли.
Наблюдения магнитного поля Урана были важны еще и потому, что они позволили определить период вращения Урана вокруг оси и на основании этого - скорость ветров в атмосфере путем прослеживания движения облачных образований.
Зарегистрировано свечение Урана в УФ диапазоне, распространяющееся примерно на 50 тыс. км от планеты. На ночной стороне планеты обнаружены авроральные явления в районе магнитного полюса. Также зафиксировано интенсивное так называемое "электросвечение" атмосферы на дневной стороне планеты и радиоизлучение с ночной стороны. Плотность экзосферы достигает 100 штук в куб.см на уровне самого внешнего, кольца.

За несколько дней до пролета Урана станция начала подробную съемку крупнейших спутников:

В день пролета были получены беспрецедентные по разрешению снимки четырех крупнейших спутников. Наиболее близко от этих спутников станция пролетела от Ариэля - в 130 тысячах километров. В результате были получены снимки с разрешением до 2-3 километров на пиксель, показывающие геологически активную поверхность спутника. Для других спутников расстояние было гораздо выше: Умбриэль 557 тыс. км. (10 км на пиксель), Титания - 369 тыс. км. (13 км на пиксель) и Оберон - 660 тыс. км (12 км на пиксель).

Вояджер-2 прошел в 81200 км от облачного слоя Урана 24 января 1986 года. При проходе АМС через плоскость колец на расстоянии около 100 тысяч км от центра планеты прибор для изучения волн в плазме регистрировал приблизительно 30 слабых столкновений с частицами каждую секунду. Примерно в это же время АМС подошла к Миранде - до 30 тысяч километров от ее поверхности. Это позволило получить снимки с разрешением 560 метров на пиксель.

Но, к сожалению, все пять крупных спутников Урана были отсняты лишь с одного - подсолнечного полушария.
Через 3 часа АМС вошла в радиотень Урана и провела радиозондирование ее атмосферы. Съемка системы Урана продолжалась и после пролета планеты. Всего от АМС было получено около 6 тыс. снимков Урана, его спутников и колец.

Источники:
Ежегодник БСЭ за 1987 год
Л. В. Ксанфомалити. "Дальше - только звезды", "Земля и Вселенная" № 3 1990 г.
Фотожурнал NASA