Космический полет, устремленный к звездам — и растянутый на несколько поколени

НАСА задумало полет в межзвездное пространство, растянутый на несколько поколений. Статья подробно рассказывает о проекте нового корабля, об очень интересных проблемах, которые решают ученые. Также рассказывается, почему важно выйти за пределы нашей Солнечной системы и посмотреть на нее снаружи.

Если все пойдет по плану, то где-то в середине ХХI века Ральф Макнатт (Ralph McNutt) покинет пределы Солнечной системы.

Точнее, Солнечную систему покинет его детище, корабль НАСА, условно названный «Межзвездный зонд». Макнатт занимается разработкой такого полета последние полвека — с тех пор как он, будучи мечтательным школьником, думал о том, какой следующий гигантский скачок совершит человечество после прогулки астронавтов с «Аполлона» по Луне. Сегодня Макнатт — 65-летний физик, работающий в лаборатории прикладной физики университета имени Джонса Хопкинса. Будучи главным исследователем этого проекта, Макнатт стал основой движущей силой в подготовке полета «Межзвездного зонда». По его подсчетам, в настоящее время почти 200 ученых и инженеров со всего мира активно работают над тем, чтобы сделать такой полет реальностью. Многих людей Макнатт подбирал лично.

«„Межзвездный зонд" может стать „первым шагом в тысячемильном путешествии", если выражаться языком Лао-цзы, — говорит Макнатт, цитируя знаменитые строки из трактата „Дао Дэ Цзин". — Это может стать нашим первым целенаправленным шагом к звездам. Выбор за нами».

Все начнется в 2030-х годах, когда в космос на самой большой в мире ракете отправят 500-килограммовый космический корабль с ядерной силовой установкой. Этот корабль полетит дальше и быстрее всех рукотворных объектов, когда-либо отправлявшихся в космическое пространство. Зонд должен будет пролететь мимо Юпитера, а позднее подойти на опасно близкое расстояние к Солнцу. В обоих случаях он получит часть кинетической энергии каждого из объектов и разгонится, чтобы выйти за пределы Солнечной системы. Затем, оставив позади Солнце и его крупные планеты, зонд преодолеет пелену первозданной пыли, окружающей нашу звездную систему, что позволит ему безо всяких фильтров посмотреть на слабое свечение звездного неба, которое создается бесчисленными далекими галактиками. Продвигаясь вперед, он может пролететь мимо одного или более ледяных неисследованных миров, существующих, как теперь всем известно, за Плутоном. Оглянувшись назад, зонд постарается рассмотреть бледно-голубую точку Земли, ища признаки жизни на нашей планете, которые видны с близлежащих звезд.

Но все это будет только прелюдией к главной научной миссии зонда, о которой рассказал Макнатт и другие разработчики этого космического полета. Спустя десятилетие после старта Межзвездный зонд пронзит край гелиосферы, как называют похожий на кокон участок вокруг нашей Солнечной системы, созданный «ветрами» частиц, летящих прочь от Солнца. После этого он начнет исследовать космические лучи и облака плазмы, составляющие «межзвездную среду», которая заполняет темное пространство между звездами. Продолжая свой полет, зонд к 2080-м годам может улететь на 1 000 астрономических единиц (это среднее расстояние от Земли до Солнца) от Солнечной системы и в конечном итоге достигнет своей основной цели. Он сможет снаружи целиком охватить своим взглядом гелиосферу, и не исключено, что это радикально изменит наши представления о нашем месте в космосе.

«Мы видели гелиосферы, а вернее, „астросферы" вокруг других звезд, но мы не знаем структуру нашей собственной гелиосферы, — говорит исследователь лаборатории прикладной физики Елена Проворникова, занимающаяся гелиофизикой и руководящая планированием полета зонда. — Представьте себе, что вы сидите у себя дома, а кто-то спрашивает вас, как он выглядит снаружи. Вам придется выйти из дому и посмотреть. Межзвездный зонд станет нашей первой попыткой отправить специальные приборы за пределы Солнечной системы и получить ее изображение».

Это будет не первый космический корабль, отправляющийся в межзвездное пространство. В 2012 году гелиосферу покинул космический аппарат НАСА «Вояджер 1», а в 2018 году за ним последовал его близнец «Вояджер 2». Но корабли "Вояджер«1970-х годов постройки были лишь случайными свидетелями, поскольку предназначались они для изучения дальних планет Солнечной системы, а не того, что лежит за ее пределами. Только большая удача да изобретательность их создателей позволила этим аппаратам выжить и достичь рубежей гелиосферы. При этом большая часть бортовых приборов отключилась из-за отсутствия энергии.

Скромная аппаратура «Вояджеров» показала сложную и динамичную структуру, являющуюся результатом взаимодействия выбросов с нашего Солнца с более сильными встречными ветрами межзвездной среды. Сначала оба аппарата прошли через переходный пограничный регион «гелиопаузу», где давление солнечного ветра и межзвездной среды находится в неустойчивом и динамичном равновесии. За пределами гелиопаузы их ждала в основном неисследованная территория. Сформировавшись под воздействием галактических магнитных полей и потоков частиц, образовавшихся в результате древних взрывов звезд, наша гелиосфера больше всего может походить на ветровой конус с аэродрома, который в процессе движения нашей Солнечной системы по Млечному пути вытягивает свой длинный виляющий «хвост». С другой стороны, она может напоминать простой пузырь или нечто среднее между ними, имея форму рогалика с двумя тянущимися за ней конусовидными концами. Никто этого пока не знает. Но вполне определенно можно говорить о том, что гелиосфера защищает нас от мощных космических лучей высокой энергии, заполняющих наш угол галактики. Если такие лучи нанесут удар по нашей хрупкой планете, это может привести к изменению климата и даже нашей ДНК, в клочья разорвав сложные клеточные структуры, составляющие основу земной биосферы.

«Все эти связи каким-то образом объединяются и формируют нашу пригодную для жизни астросферу», — говорит Проворникова. В определенном смысле частично разгадать загадку возникновения и сохранения жизни на одной маленькой планете, обращающейся вокруг ничем не примечательной желтой звезды, можно на непостижимо большом расстоянии от нее, попав на неизвестные нам внешние рубежи Солнечной системы.

«Вояджер 1», которому принадлежит рекорд скорости среди улетающих от Земли космических аппаратов, за год преодолевает 3,6 астрономических единицы пространства. Макнатт уверен, что Межзвездный зонд полетит как минимум вдвое быстрее. Это нижний предел, который позволит ему за 50 лет полета преодолеть чуть больше трети пути из амбициозного расстояния в 1 000 астрономических единиц. «Всем хочется, чтобы расстояние было больше», — говорит Макнатт. Вместе с тем, он подчеркивает, что если скорость у аппарата будет скромнее, это даст ему больше времени для ведения научных наблюдений в процессе полета.

«Если сравнивать, то „Межзвездный зонд" доберется до того места, где сейчас находится „Вояджер 1", примерно за 12 лет, а не за полвека, как „Вояджер 1"», — говорит инженер космических систем из лаборатории прикладной физики Майкл Пол (Michael Paul), участвующий в проекте «Межзвездного зонда». Ну, это если зонд вообще полетит.

Впервые идею межзвездного космического полета выдвинула в 1958 году Национальная академия наук. Но изучающие космос ученые никак не могли создать межзвездный космический корабль из-за несовершенства техники и в первую очередь из-за недостаточно мощных ракет. Макнатт без особых понуканий может рассказать вам длинную и печальную историю о несбывшихся планах космических межзвездных миссий, перечисляя одно исследование за другим, которые проводились на протяжении десятилетий (во многих он и сам участвовал), но в конечном итоге ни к чему не привели.

Ситуация начала меняться, когда в НАСА разработали сверхтяжелую ракету-носитель (Space Launch System). Это ужасно дорогая мегаракета, первый испытательный пуск которой запланировали на 2021 год. По прогнозам, тяга у нее будет почти вдвое больше, чем у всех прочих имеющихся на сегодня ракет-носителей. В основном эта ракета предназначена для доставки астронавтов на Луну и Марс, но она также может на высокой скорости доставлять изрядную полезную нагрузку в любую точку Солнечной системы — если, конечно, ученые приведут убедительные доводы в пользу столь дорогостоящего предприятия (по последним оценкам, эти ракеты можно будет запускать только раз в год, а их предпусковая цена составит более двух миллиардов долларов).

Главное научное применение сверхтяжелой ракеты-носителя — это полет автоматической межпланетной станции НАСА «Европа Клипер», цель которой — поиск признаков жизни и пригодности для жилья на загадочном, покрытом океанами спутнике Юпитера. Но сроки изготовления ракеты постоянно сдвигаются, и не исключено, что зонд «Европа Клипер» придется отправлять в полет на коммерческой ракете-носителе, которая будет меньше, медленнее и дешевле. Для «Межзвездного зонда» такой вариант вряд ли подойдет, поскольку потребность в скорости у него такова, что даже мощная Система космических запусков будет работать на пределе (но это поможет оправдать сам проект).

«Очень опасно думать о том, что позже появится нечто более совершенное, и надеяться, что все идеально совпадет, — говорит специалист по использованию полезной нагрузки Системы космических запусков из Центра космических полетов имени Маршалла Роб Стаф (Rob Stough). — Если появится сверхтяжелая ракета, которую можно использовать, это будет великолепно. И этим надо будет обязательно воспользоваться».

Пока Макнатт и его коллеги с ним согласны. «Это находится на грани технических возможностей, и до „Стартрека" здесь далеко, но я не знаю, куда можно поехать, чтобы купить эти корабли, — говорит он. — У Системы космических запусков высокая цена, но в данном случае мне известно, куда ехать за этими чертовыми покупками».

В этих целях отдел гелиофизики, который вместе с отделами науки о Земле, науки о планетах и астрофизики составляет основу Управления научных полетов НАСА, выделил Макнатту и его коллегам на предстоящие три года 6,5 миллиона долларов, чтобы они смогли подвести научную основу и разработать технические детали будущего полета. Их исследование будет включено в выходящий в 2021 году «Обзор гелиофизики», который публикуется научным сообществом раз в 10 лет и имеет целью дать федеральному правительству рекомендации и ориентиры для постановки задач космической науке и составления бюджетов. Эти рекомендации станут самым важным шагом к тому, чтобы «Межзвездный зонд» стал реальностью. Если не перевести работу в практическую плоскость, она зависнет еще как минимум на десятилетие на уровне планирования.

Но даже если в обзоре «Межзвездный зонд» получит заветное благословение, Макнаттту и его коллегам надо будет заручиться поддержкой других заинтересованных сторон в НАСА, в том числе, отдела науки о планетах и отдела астрофизики, чтобы повысить шансы на реальный полет зонда. Поэтому программа полета чрезвычайно насыщена междисциплинарными научными наблюдениями, которые будут проводиться на пути из Солнечной системы. Зонд будет выполнять широкий диапазон задач, от исследования карликовых планет до сбора информации о далеких галактиках. В идеале для каждого из таких наблюдений должны быть свои приборы и аппаратура, да и траектория полета в каждом из случаев должна быть своя, уникальная. Но это невозможно на борту такой высокоскоростной ракеты, покидающей пределы Солнечной системы. Там все должно быть многоцелевым и многофункциональным. И даже небольшое отклонение от траектории полета может иметь самые серьезные последствия.

В результате между различными научными коллективами возникают разногласия, так как каждый надеется извлечь максимум из этого полета. Это стало очевидно на недавнем семинаре, посвященном научным исследованиям «Межзвездного зонда» и состоявшемся в Нью-Йорке. По мнению некоторых участников, в ходе междисциплинарных дискуссий гелиофизика, которая должна быть в центре внимания этой миссии, отошла на второй план.

«Если главная цель в том, чтобы узнать форму гелиосферы, то это должно превалировать над всем остальным», — сказал участник семинара Том Кримигис (Tom Krimigis), много лет проработавший в лаборатории прикладной физики главным исследователем по программе «Вояджера» и готовивший полеты к Меркурию, Плутону и всем прочим планетам, что между ними. «Мы не должны превращать „Межзвездный зонд" в рождественскую елку, — заявил он. — Если каждый начнет вешать на нее свои игрушки и украшения, то она станет слишком тяжелой и дорогой. Ее придавит собственным весом, и никакого полета не получится».

Ключевой пункт разногласий — куда должен полететь этот космический аппарат. Если он последует за «Вояджерами», покинув гелиосферу в ее передней тонкой полусфере, это предположительно обеспечит зонду самый короткий путь в межзвездную среду и позволит внимательнее изучить загадочное явление в виде перекрывающей эту часть гелиопаузы полосы возбужденных атомов, которая впервые была замечена в 2009 году. Если выходить из Солнечной системы сбоку, по «флангу» гелиосферы, это обеспечит возможность лучше наблюдать за формой гелиосферы и даст дополнительный материал для изучения межзвездной пыли, расположенной вдоль ее завихряющихся краев. Еще один довод в пользу выхода по флангу состоит в том, что космическое агентство Китая разрабатывает собственный план гелиосферного полета, который предложил Цюган Цзун (Qiugang Zong) из Пекинского университета. Цзун предлагает запустить два межзвездных зонда-близнеца: один в направлении лобовой части гелиосферы, а второй в сторону хвоста. Эту миссию он намерен начать уже в 2024 году, чтобы к 2049 году зонды преодолели расстояние в 100 астрономических единиц.

«Было бы интересно увидеть эти результаты, — говорит заместитель научного руководителя проекта Межзвездного зонда Кэтлин Мандт (Kathleen Mandt), работающая в лаборатории прикладной физики. — Если мы будем выходить по флангу, то все три направления у нас будут изучены».

Единственными, кому на семинаре было безразлично направление траектории полета зонда, стали те ученые, которые изучают скопления карликовых планет и прочие ледяные обломки за пределами Плутона. «Куда бы гелиофизики ни захотели отправить космический аппарат, у него на пути окажется несколько очень интересных объектов», — говорит планетолог Уильям Маккиннон (William McKinnon) из Университета им. Вашингтона в Сент-Луисе. Но этому безразличию не будет места, если астрономы скоро обнаружат пятую гигантскую планету на далекой окраине Солнечной системы. Косвенные улики свидетельствуют о том, что она существует. Теоретические модели, основанные на предполагаемом влиянии планет на орбиты более мелких объектов, говорят о том, что масса такой планеты может в пять раз превышать земную массу, а находиться этот гигант может в 400-500 астрономических единицах от Солнца в направлении хвоста гелиосферы.

«Если будет открыта пятая гигантская планета, у нас появятся серьезные основания лететь в ее сторону, — говорит Керби Раньон (Kirby Runyon), работающий в лаборатории прикладной физики и занимающийся вопросами планирования планетных исследований во время полета Межзвездного зонда. — Но решать вопрос о траектории все равно будут гелиофизики. Хотя есть смысл позволить хвосту вилять собакой».

Если зонд полетит в направлении нового открытого гиганта, это наверняка приведет к активному участию в миссии отдела науки о планетах НАСА, что поможет увеличить бюджет и даст гарантию запуска. Но при этом возникает новая опасность для основной движущей силы космической межзвездной миссии, которой является гелиофизика. «Если гелиосфера имеет форму ветрового конуса, то сможем ли мы вообще добраться до межзвездной среды, отправившись в сторону хвоста?— спрашивает Проворникова. — Согласно некоторым моделям, длина хвоста может составлять несколько тысяч астрономических единиц. Если это соответствует действительности, космический аппарат со временем все равно туда доберется, но никто из ныне живущих этого уже не увидит».

Откровенно говоря, даже если запуск состоится, из-за продолжительности полета в открытый космос целиком его увидят только самые молодые исследователи из миссии «Межзвездного зонда». Но это обстоятельство тоже было учтено. В прошлом году Мандт официально пригласила принять участие в проекте «Межзвездного зонда» социолога из Принстонского университета Джанет Вертези (Janet Vertesi), которая занимается исследованиями космических экипажей.

«Большинство людей, планирующих полет, к моменту его завершения будут мертвы, — говорит Вертези. — Мы еще ни разу при проведении полетов не учитывали продолжительность такого рода. Но при планировании миссии „Межзвездного зонда" с самого начала надо учитывать то, что проект затянется на несколько поколений, что ему нужна преемственность. Сейчас проектом занимается поколение беби-бума, а потом им на смену придет поколение икс. Когда зонд достигнет гелиопаузы, полетом будет руководить поколение двухтысячных, а когда аппарат выйдет в межзвездную среду, им будет управлять поколение Z».

Некоторые опасения Вертези носят чисто технический и организационный характер: как организовать и структурировать научные наблюдения на протяжении нескольких поколений, как читать и сохранять данные, полученные с космического аппарата, которому полвека. Но больше всего ее беспокоят культурные аспекты. Как сделать так, чтобы полученные с огромным трудом знания одного поколения передать следующему поколению, и чтобы при этом они выдержали напор времени? Где гарантия того, что люди, которые посвятили всю свою жизнь некоему великому, но все еще нереализованному делу, в свое время достойно отойдут в сторону? У нее есть подозрение, что решение этих проблем не найти в графиках, таблицах и расчетах суперкомпьютеров. Чтобы успешно выйти за пределы Солнечной системы, потребуются вечные и вневременные навыки и умения устного рассказа, ритуалы, создание архетипического сюжета и мифологии, которые будут сплачивать грядущие поколения ученых.

«Мы очень тщательно и осознанно готовим этот полет, чтобы не только достичь гелиосферы, но и научиться успешно передавать руководство миссией от одного поколения другому, — говорит Пол. — Мы понимаем, что не являемся причиной этой миссии. Мы просто инструменты, посредством которых будет выполняться полет Межзвездного зонда».

Все это очень приятно слышать Макнатту, который сравнивает свой многолетний труд в области межзвездных исследований с трудом Сизифа из древнегреческой мифологии, обреченного вечно катить огромный камень вверх по склону. «Я пытаюсь закатить этот камень на гору, — говорит он. — Но одновременно с этим я изо всех сил пытаюсь убедить кого-то еще, что ему очень сильно захочется меня сменить».