95 лет назад, 18 февраля 1930 года, американский астроном Клайд Томбо открыл Плутон. Этот далекий и загадочный мир, долгое время считавшийся девятой планетой Солнечной системы, оказался не просто глыбой льда и камня, а единственной двойной планетой в системе с ледником в форме сердца, извергающими лед криовулканами и замерзшим озером жидкого азота. Прорыв в изучении Плутона совершил аппарат «Новые горизонты». Он впервые приблизился к планете и ее спутникам, а также исследовал объекты пояса Койпера. Сейчас аппарат находится на внешнем крае нашей Солнечной системы, на расстоянии более 9,3 миллиарда километров от Земли. Мы решили разобраться, как был открыт Плутон, как изменились наши представления об этой планете и других исследованных объектах благодаря «Новым горизонтам», как появилась миссия, в чем ее особенность и значимость.
Композиция из увеличенных цветных изображений Плутона (внизу справа) и Харона (вверху слева), сделанных космическим аппаратом NASA «Новые горизонты» во время прохождения через систему Плутона 14 июля 2015 года
«Разнообразие различных явлений было последним, что кто-либо — даже члены команды “Новых горизонтов” — ожидал увидеть на такой маленькой и холодной планете, находящейся на большом расстоянии от Солнца. Приземные туманы, высотная дымка, возможное существование облаков, каньоны, возвышающиеся горы, разломы, полярные шапки, наблюдаемые поля дюн, предполагаемые ледяные вулканы, ледники, признаки текущей (и даже неподвижной) жидкости в прошлом и так далее. В этой маленькой красной планетке, затерявшейся в 4,8 млрд км от Земли в поясе Койпера, больше изюминок, чем в любом другом известном маленьком мире и, более того, даже чем во многих больших мирах. Разнообразие рельефов, сложное взаимодействие поверхности и атмосферы и широкий диапазон территорий, имеющих разный возраст, даже дали команде “Новых горизонтов” повод присвоить себе лозунг “Плутон — это новый Марс”», — отметил Алан Стерн, руководитель экспедиции NASA к Плутону (цитата из книги «За новыми горизонтами. Первый полет к Плутону»).
Открытие Плутона
Плутон обнаружили в 1930 году. Остальные пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и наша Земля, были известны с глубокой древности. Глядя на звездное небо, люди заметили, что некоторые звезды не стоят на месте, а двигаются в разные стороны, одним словом, блуждают по небу. Их назвали — планеты, или блуждающие.
В 1609 году Галилео Галилей направил телескоп на звездное небо — и астрономические знания человечества значительно обогатились: поверхность Луны оказалась не гладкой (как считали ранее), а у Юпитера обнаружили четыре спутника, которые по имени открывателя назвали галилеевыми. В дальнейшем телескопы становились более сложными и совершенными, и в 1781 году английский астроном Уильям Гершель открыл планету Уран. Наблюдая за Ураном, ученые увидели, что его движение не соответствует Закону всемирного тяготения Ньютона и законам Кеплера. Всё указывало на то, что существует еще одна планета, которая возмущает движение Урана по орбите.
«Французский астроном Урбен Леверье, британский астроном Джон Адамс и немецкий астроном Иоганн Галле вычислили орбиту этого возмутителя спокойствия, и в 1846 году был открыт Нептун. Однако и его орбита вела себя странно, что означало: есть еще одна неизученная планета. Тогда в 1894 году американский бизнесмен и астроном Персиваль Лоуэлл основал в Флагстаффе (США) обсерваторию для поиска девятой планеты Солнечной системы — Планеты Х, как ее тогда называли. В 1928 году ее поиск доверили молодому астроному Клайду Уильяму Томбо. Он использовал 13-дюймовый астрограф, чтобы получить фотографии одной и той же части неба в разные ночи. С помощью блинк-микроскопа ученый сравнивал изображения. Когда они менялись, то было заметно, что планеты перемещаются с места на место, а звезды не меняют своего положения. Томбо обнаружил движущийся объект и выяснил — это планета. Открытие было сделано во вторник 18 февраля 1930 года. Название Плутон предложила 11-летняя английская школьница Венеция Берни, и с 1 мая 1930 года планета носит это имя», — рассказал член Федерации космонавтики России старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, сотрудник Большого новосибирского планетария кандидат физико-математических наук Пётр Анатольевич Лукин.
В 2006 году Международный астрономический союз лишил Плутон статуса планеты Солнечной системы, с этого момента он стал карликовой планетой. Эти изменения произошли, когда были открыты несколько объектов пояса Койпера, близкие по размеру и массе к Плутону (Эрида, Хаумеа, Макемаке, Квавар). Астрономы задались вопросом, как классифицировать их, стоит ли объявлять планетами. Когда количество подобных объектов стало увеличиваться, решили, что планета должна соответствовать нескольким условиям: вращаться вокруг Солнца (исключаем спутники), принимать форму шара под действием собственной гравитации (исключаем астероиды) и являться доминирующим объектом на своей орбите. Плутон не соответствовал третьему условию, так как он — часть пояса Койпера, поэтому его и перевели в разряд карликовых планет.
Закатное небо Плутона с неровными ледяными горами и плоскими ледяными равнинами. Фото сделано аппаратом «Новые горизонты»
Как появилась миссия «Новые горизонты»?
После миссий «Пионеров» и «Вояджеров» из планет Солнечной системы оставалось исследовать только Плутон. Этой идеей вдохновился молодой доктор наук лаборатории реактивного движения Алан Стерн. В 1989 году он создал группу ученых-энтузиастов Pluto Underground. На протяжении 1990-х годов разрабатывались разные предложения по миссии на Плутон, но все они не были одобрены NASA из-за сокращения бюджета и изменения приоритетов компании. Однако Стерн с командой продолжали отстаивать свою миссию, несмотря на неудачи. Они организовывали конференции, писали статьи, обращались к средствам массовой информации. Кроме того, Стерн заручился поддержкой других ученых и организаций. Общественное мнение и поддержка научного сообщества стали важными факторами в процессе принятия решения NASA о финансировании миссии. В итоге в 2001 году после многих лет усилий миссия «Новые горизонты» получила финансирование.
Пуск автоматической межпланетной станции (АМС) «Новые горизонты» состоялся 19 января 2006 года. Это первый аппарат, достигший рекордно высокой скорости при запуске, около 16,9 км/с. Полет АМС до Луны занял около восьми часов. Благодаря гравитационному маневру у Юпитера станция увеличила скорость еще на 3,89 км/с. Это позволило сократить время полета к Плутону на три года. Интересно, что американская ракета-носитель «Атлас 5» была оснащена российским двигателем РД-180.
Станция «Новые горизонты» преодолела путь от Юпитера до Плутона за восемь лет, большую часть времени находясь в спящем режиме — 1 873 дня. Кульминацией миссии стал пролет мимо системы Плутона 14 июля 2015 года, когда станция приблизилась к поверхности планеты на расстояние примерно 12 472 километра. Все научные наблюдения и операции проводились в автоматическом режиме согласно предварительно запрограммированной схеме. В результате было выполнено более четырехсот наблюдений. Уже летом 2018 года «Новые горизонты» сделала снимок астероида пояса Койпера с названием Ультима Туле. Станции удалось пролететь на расстоянии 3 538 км от астероида.
Слои глубокой дымки атмосферы Плутона. Изображение сделано через 15 минут после максимального сближения «Новых горизонтов» с Плутоном
Какие открытия сделал аппарат «Новые горизонты»?
14 лет работы над миссией, труд более 2 500 тысяч людей и путь в миллиарды километров — «Новые горизонты» сделали много важных для человечества открытий. Исследователи смогли уточнить размеры Плутона и его спутника Харона, а также получить высококачественные снимки их поверхности. Это позволило детально изучить морфологию и создать трехмерные карты этих объектов.
Плутон и Харон — единственная двойная планета в Солнечной системе. Обычно спутники вращаются вокруг центра массы, расположенного внутри планеты. Плутон и Харон же обращаются вокруг центра масс, находящегося вне поверхности Плутона. Кроме того, Харон составляет около 10 % от массы Плутона, что делает его массивным по сравнению с другими спутниками.
Были проведены исследования малых спутников Плутона: Никты, Кербера, Стикса и Гидры. Уточнены их размеры, определена форма. Оказалось, что они почти полностью состоят из водяного льда.
Специалисты предполагали, что Плутон геологически неактивен уже много лет. Однако аппарат «Новые горизонты» обнаружил поверхности, где не было кратеров, что может быть важным индикатором их относительной молодости. Помимо этого, ученые нашли на Плутоне горы, которые достигают высоты шесть километров, они состоят преимущественно из водяного льда. На планете были идентифицированы и структуры, похожие на ледяные вулканы, выбрасывающие смесь водяного льда и других летучих веществ. В некоторых местах обнаружены дюны, состоящие из метанового льда. В целом Плутон оказался схож с крупнейшим спутником Нептуна Тритоном. Это стало одним из подтверждений того, что Тритон является одним из «уроженцев» пояса Койпера.
Самый крупный рельеф на поверхности Плутона — это азотный ледник площадью примерно в миллион квадратных километров. Его называют «Область Томбо» в честь Клайда Томбо, открывшего Плутон в 1930 году, или «Сердцем Плутона» — за его очертания. Это обширная ледниковая зона, богатая азотом, оксидом углерода и метановым льдом. Западная часть ледника под названием «Равнина спутника» — более гладкая, чем восточная. Кроме того, на ней нет кратеров. Это означает, что области менее десяти миллионов лет.
«Станция “Новые горизонты” увидела обратную сторону Плутона и сфотографировала солнечное затмение в поясе Койпера. Аппарат запечатлел момент, когда Плутон закрывал Солнце, благодаря этому у нас есть снимок с сиянием атмосферы вокруг планеты. Удалось изучить и атмосферу Плутона. Исследования показали, что она содержит множество тонких слоев дымки, которые образуются в результате взаимодействия солнечного света с атмосферными газами, в основном азотом. Эти слои могут простираться на высоту до 480 км над поверхностью планеты, создавая сложную и многослойную атмосферу. Ранее ученые предполагали, что утечка атмосферы Плутона (процесс, при котором молекулы газа из атмосферы планеты покидают ее гравитационное поле) происходит очень быстро. Однако выяснилось, что этот процесс происходит в десять тысяч раз медленнее, чем ожидалось», — сказал Пётр Лукин.
Зонд «Новые горизонты» первым в истории провел детальное исследование транснептунового астероида пояса Койпера с близкого расстояния. В частности, он пролетел мимо астероида Ультима Туле, сделав высококачественные снимки на расстоянии 6 640 километров. Спектральные наблюдения показали присутствие водяного льда и сложных органических соединений на поверхности этого объекта.
Пояс Койпера, раскинувшийся за орбитой Нептуна, представляет собой обширное хранилище ледяных тел, своего рода строительный мусор Солнечной системы, оставшийся после ее формирования. Он находится примерно в 30 астрономических единицах от Солнца и уходит вплоть до 55 а. е., вмещая в себя миллионы объектов. Удивительно, но, несмотря на свои колоссальные размеры, общая масса всех тел пояса Койпера едва достигает десятой части массы Земли. Среди его обитателей выделяются три карликовые планеты, получившие официальный статус: Плутон, Хаумеа и Макемаке. Плутон, как типичный представитель пояса Койпера, состоит из каменистого ядра, окутанного ледяной мантией. Существует гипотеза, что между этими слоями может скрываться прослойка жидкой воды.
Из каких приборов состоит аппарат
«Научное оборудование “Новых горизонтов” состоит из семи основных компонентов. Состав и структуру динамической атмосферы Плутона исследовал чувствительный ультрафиолетовый отображающий спектрометр ALICE. Созданием карты планеты, ее спутников занималась фотокамера RALPH, которая может работать в видимом и инфракрасном диапазоне. Она также позволила ученым составить карту температур поверхности Плутoнa и Xapoнa с помощью изучeния cпeктpa зaмopoжeнныx частиц aзoтa, вoды и oкиcи углepoдa. Измерить температуру и давление атмосферы, плотность ионосферы, найти атмосферу вокруг Харона и других небесных тел помогла антенна REX. Еще одна камера, LORRI, но уже панхроматическая (чувствительная к красной и инфракрасной частям спектра) изучила геологию Плутона. За исследования солнечного ветра и скорости утечки атмосферы Плутона отвечал научный инструмент SWAP. PEPSSI — спектрометр энергетических частиц, он искал нейтральные атомы, которые покидают атмосферу Плутона. Последний прибор — это SDC, счетчик пыли. Уcтpoйcтвo cчитывало и измepяло paзмepы чacтиц пыли, cooбщaя инфopмaцию o тeмпax cтoлкнoвeния oбъeктoв внeшнeй Coлнeчнoй cиcтeмы», — прокомментировал Пётр Лукин.
Символы на память
На борту космического аппарата находится несколько символических артефактов. Два флага США и памятные монеты штатов Мэриленд и Флорида служат напоминанием о национальном масштабе проекта. Почтовая марка 1990 года с надписью «Плутон: еще не исследован» стала своего рода историческим свидетельством того, как далеко продвинулось человечество в изучении космоса. Фрагмент обшивки SpaceShipOne представляет собой связь частной космонавтики и межпланетных исследований. SpaceShipOne — первый частный суборбитальный космический корабль, достигший пределов космоса в 2004 году. Особое место занимают два компакт-диска: один содержит имена почти полумиллиона человек, которые участвовали в акции NASA по отправке своих имен на Плутон. На втором диске хранятся фотографии аппарата и его создателей. Самым трогательным элементом является капсула с прахом Клайда Томбо — первооткрывателя Плутона, который скончался в 1997 году.
Куда летит аппарат и где должен оказаться в будущем?
По расчетам исследователей, в 2026 году «Новые горизонты» перейдут в экономный режим. К 2042 году аппарат достигнет границы гелиосферы — области, наполненной солнечным ветром. Только через 30 тысяч лет миссия покинет внешнюю туманность облака Оорта, чтобы повторить судьбу «Вояджеров», — тысячелетия лететь по направлению к Сириусу.
Полина Щербакова
Фото с сайта NASA
