Замолчавшие "Вояджеры" лишили учёных покоя новыми данными о миссии

В конце 2022-го издание Vice сообщило о том, что учёные нашли способ за короткий срок обогнать "Вояджеры", которые вышли в межзвёздное пространство, но летели туда полвека, а теперь застрянут там на несколько десятков тысяч лет.

Сенсация Vice основана на статье сотрудников Университета Макгилла, где изложена модель быстрого набора скорости зонда при экономии топлива.

Матиас Ларрутуро из Университета Макгилла подробно изучил весь предшествующий опыт межзвёздных полётов и понял, что при создании "Вояджеров" был упущен один очень важный момент. Но прежде чем перейти к нему, нужно сказать пару слов о самих "Вояджерах".

"Вояджер-1" и "Вояджер-2" улетели в 1977 году. Программой-минимум стало детальное изучение Солнечной системы, программой-максимум — выход за её пределы.

Первую часть программы "Вояджеры" выполнили "на отлично". "Вояджер-1" изучил Юпитер и Сатурн, а также сделал снимки, которые можно встретить в любом учебнике астрономии. Он также исследовал климат Юпитера и предоставил данные о ветрах и штормах, бушующих там. Он же обнаружил на его спутнике Ио действующие вулканы, которые извергают лаву на 100 километров в высоту.

На кольцах Сатурна "Вояджер-1" обнаружил загадочные "косички". Астрофизик Кэролайн Порко отмечает, что в 1983-м наука даже не подозревала, что у колец Сатурна такая сложная структура.

"Вояджер-2" исследовал Уран и Нептун. В 1986-м он передал на Землю снимки Урана с близкого расстояния. Там видна тусклая планета без облачных полос и атмосферных штормов, характерных для других планет-гигантов. На Нептуне "Вояджер-2" зафиксировал феномен полярных сияний и продолжительность дня, который длится там 16 часов и 7 минут. Также зонд открыл шесть лун Нептуна.

На Титане "Вояджеры" нашли "углеводородные моря", чем повергли учёных в шок. Горизонт познания резко расширился. После этого миссию продлили, и следующей целью стал выход за пределы Солнечной системы. Но тут начались трудности.

Если использовать технологию "Вояджеров", то лететь до ближайших созвездий придётся очень долго. Но обо всём по порядку.

Пока "Вояджер-2" изучал Нептун, Тритон и другие объекты, "Вояджер-1" направился к границе гелиосферы.

Летом 2012-го "Вояджер-1" вышел в межзвёздное пространство — в область, заполненную останками звёзд, погибших миллионы лет назад.

В 2018-м "Вояджер-2" продолжил движение к границе гелиосферы и вскоре покинул её. Сейчас "Вояджеры" — первые и единственные зонды, которые преодолели гелиопаузу и зашли так далеко.

В данный момент они изучают переходные области между солнечной и межзвёздной плазмой. Они отправляют данные на Землю через сеть дальней космической связи NASA. Только похоже, что им суждено застрять там "навсегда".

В ходе полёта выяснилось, что гелиосфера блокирует 70% космических лучей, а давление солнечного ветра в пограничных областях Солнца растёт, хотя ранее учёные считали, что всё происходит с точностью до наоборот.

Зонды летят со скоростью 16 км в секунду. Вот только скоро они уйдут с радаров. До другой звёздной системы им лететь не меньше 40 тысяч лет. По словам астрофизика Джона Ричардсона, "Вояджеры" смогут отправлять данные на Землю максимум до 2028 года, а потом, скорее всего, "уйдут в закат". Тем более что в 2022-м "Вояджеры" дважды посылали на Землю тревожные сигналы.

А что дальше? Неужели придётся потратить ещё лет 50, чтобы снова повторить попытку выйти за пределы Солнечной системы?

И тут на помощь приходят учёные, которые заявляют, что есть способ догнать "Вояджеры" за короткий срок, а затем всего за 100 лет преодолеть расстояние, которое им пришлось бы преодолевать 40 тысяч лет.

Ноу-хау состоит в аэродинамике морских птиц и планёров. Альбатрос и планерист используют разницу скорости ветра для увеличения скорости полёта. Так почему бы зонду не последовать этому примеру?

По мнению учёных, главная ошибка разработчиков "Вояджера" состоит в том, что они хорошо продумали и использовали гравитационные манёвры в пределах Солнечной системы, но не учли, что на границе между гелиосферой и межзвёздным пространством действуют другие законы. Проблему перепадов давления солнечного ветра, изначально озадачившую учёных, можно использовать для ускорения.

С другой стороны, в 70-х мало что знали о специфике солнечного ветра. Получается, что в любом случае в этом деле нужен был первопроходец.

По словам астрофизика Матиаса Ларрутуро, для того чтобы за два года разогнать новый зонд до скорости "2% от скорости света", нужны потоки солнечного ветра. И тут пригодилось открытие "Вояджеров" о повышении давления этого ветра в приграничных зонах.

Новый зонд создаст подъёмную силу, летая по кругу между областями гелиосферы, и так он сможет набрать скорость. При этом энергии будет потрачен минимум. Для сравнения: одна из проблем "Вояджеров" состоит в исчерпании ресурса.

— Новый зонд будет набирать энергию, не используя топлива, ограничиваясь только бортовой системой электропитания скромной мощности. Данный метод воплотит первый этап программы настоящего межзвёздного полёта, — отмечает астрофизик Матиас Ларрутуро.

Помимо того что нужно изменить подход к межзвёздным полётам, нужно создать принципиально другую конструкцию зонда. Опытная модель зонда будущего, представленная в программе Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE), основана на "магнитогидродинамическом крыле".

Крыло представляет собой невидимую структуру, состоящую из магнитных полей. Она напоминает по форме крыло птицы. Крыло зонда будет состоять из двух плазменных магнитов, расположенных вдоль антенны длиной в несколько футов. Магниты будут генерировать электромагнитное поле и соединять его с потоками солнечного ветра.

На границе пузыря гелиосферы зонд сможет ловить смешанные потоки солнечного ветра и за несколько лет разогнаться до 3,7 тысячи миль в секунду. Или 5,9 тысячи километров в секунду. Напомним: сейчас "Вояджеры" летят всего со скоростью 16 километров в секунду. В остальных частях Солнечной системы всего за месяц можно достичь 25% от этой скорости. То есть в перспективе это полёты на Юпитер и другие планеты за считаные месяцы, а полёты к звёздам — за 100–200 лет, в зависимости от того, куда нужно будет лететь.

Одна из проблем, которая настораживает учёных, — плотный слой на границе межзвёздного пространства, где солнечные частицы удерживаются гравитацией. Через него нужно будет пробиться, и сможет ли это сделать "межзвёздный планёр" — вопрос открытый.

Можно сделать два вывода. Да, "Вояджеры" — неоспоримое достижение, и без них не было бы новой концепции космических полётов. Но похоже, что исследовательские миссии NASA вскоре могут выйти на новый уровень.