Концепція унікальної місії, що отримала назву «Міжзоряний зонд» (Interstellar Probe). Він міг би вирушити за межі Сонячної системи, щоб досліджувати її довкілля.
Захоплива місія, яка триватиме упродовж найближчого півстоліття освоєння космосу, може початися в наступне десятиліття. Дослідники з Лабораторії прикладної фізики (Applied Physics Laboratory, APL) Університету Джона Гопкінса оприлюднили офіційну пропозицію щодо Міжзоряного зонда (Interstellar Probe), який має стартувати із Землі й згодом вийти за межі Сонячної системи, на з’їзді Американського геофізичного союзу, що відбулася в Новому Орлеані, штат Луїзіана, наприкінці 2021 року. Місія дасть змогу отримати нову інформацію про довкілля поблизу Сонця.
Міжзоряний зонд, що може стати одним із проєктів майбутнього плану в галузі досліджень сонячної та космічної фізики на 2023—2032 роки (план визначає пріоритети фінансування цієї наукової спільноти), буде першим космічним апаратом, спеціально розробленим для дослідження межі захисного пузиря Сонця, відомого як геліосфера, а також місцевого міжзоряного середовища. Крім того, по дорозі до місця своїх досліджень, зонд може відвідати кілька цікавих місць у Сонячній системі.
Шлях з Сонячної системи
Пропозиція передбачає запуск Міжзоряного зонда за допомогою важкої ракети-носія Space Launch System (SLS, «Система космічного запуску») Block 2 у середині 2030-х років. (Перший старт SLS-1 Block 1 заплановано виконати у поточному році 12 березня в рамках місії Artemis 1.)
Щоб досягти відстані 380 астрономічних одиниць (а. о.) від Сонця протягом 50 років, Міжзоряний зонд має бути швидким: йому потрібно буде покинути Землю зі швидкістю до 60 000 кілометрів на годину, тобто вийти із системи Земля—Місяць швидше, ніж це зробив зонд New Horizons («Нові Горизонти») у 2006 році.
Ця графіка показує контекст подорожі Міжзоряного зонда за межі Сонячної системи. Кінцеву мету зонда позначено відносно нинішніх позицій космічних апаратів, що відійшли від Землі на великі відстані. Фото з сайту https://interstellarprobe.jhuapl.edu/Resources/News-and-Gallery/.
Космічний апарат, імовірно, здійснить пасивний або керований гравітаційний проліт повз Юпітер, щоб набрати швидкість. Вікно для старту до Юпітера відкривається раз на 13 місяців, тобто є обмеження щодо того, коли можна запускати зонд.
Серед ідей щодо того, як прискорити зонд, раніше було запропоновано використати маневр Оберта (Oberth maneuver). Він спрямував би зонд так, що той пройшов би повз Сонце на відстані трохи менше, ніж 800 тис. км. Такий маневр дає змогу отримати «гравітаційну рогатку», яка б викинула зонд із Сонячної системи.
Хоча маневр Оберта придав би зонду найбільшу швидкість, яку коли-небудь досягали в космонавтиці, «команда» місії Міжзоряного зонда вирішила відмовитися від нього. Бо це вимагало б оснащення зонда масивним сонцезахисним екраном. Крім того, такий маневр ще жодного разу не застосовували на практиці.
«Маневр Оберта додає невелику швидкість, як порівняти з гравітаційною системою Юпітера, але створює високий ризик місії», — сказала Аліса Кокорос (Alice Cocoros) з Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса. «Крім того, використання гравітаційного маневру біля Юпітера дає нам перевагу з погляду на хід виконання наукових досліджень, що її спільнота визначила як вирішальну».
Рухаючись з безпрецедентною швидкістю, міжзоряний зонд міг би досягти межі ударної хвилі (termination shock) на відстані 90 а. о. лише за 12 років. 50-річна розширена місія триватиме за сотні астрономічних одиниць від геліопаузи, вглиб міжзоряного середовища. Зонд може бути в робочому стані протягом майже п’яти 11-річних циклів сонячної магнітної активності.
Хоча ідея Міжзоряного зонда ґрунтується на спадщині величезного потоку, зокрема «Піонер-10» і «Піонер-11», New Horizons і «Вояджер-1» та «Вояджер-2», Interstellar Probe стане першою місією, спеціально розробленою для дослідження як зовнішнього сонячного, так і місцевого міжзоряного середовищ.
«Принада Міжзоряного зонда полягає не в досягненні якоїсь однієї точки, а в подорожі, яку він здійснить крізь Сонячну систему», — зауважила Аліса Кокорос. «Ми розпочнемо вимірювання невдовзі після запуску і будемо робити це протягом 50-річної місії. . . далеко за межі дії будь-якого космічного апарата, який літав раніше. Неперервність цих вимірювань протягом усієї подорожі дасть змогу отримати нову інформацію, щоб відповісти на деякі з найактуальніших питань космічної фізики».
Наукові цілі
Мета польоту Міжзоряного зонда — зрозуміти та охарактеризувати наш захисний пузир (геліосферу — Ред.) та його місце в навколишньому середовищі. Але поки ми відправляємо з Сонячної системи лише одну місію протягом діяльності одного покоління, має сенс виконувати якомога більше наукових досліджень на цьому шляху. Саме тому місія матиме кілька цілей.
Опис наукових цілей Interstellar Probe. Фото з сайту https://interstellarprobe.jhuapl.edu/Resources/News-and-Gallery/.
Основна мета місії — зрозуміти процес формування геліосфери щодо місцевого (локального) міжзоряного середовища, зокрема вплив на це сонячної активності протягом усього циклу такої активності. Дослідники хочуть кількісно визначити властивості газу і пилу навколо Сонця. Вони також хочуть виміряти головну ударну хвилю (bowshock), яка виникає, коли Сонячна система рухається крізь міжзоряне середовище; «Вояджери» пройшли цю межу, але дані від них спричинили більше запитань, ніж відповідей. На відміну від «Вояджерів», ця місія буде мати інструменти для дослідження частинок усіх видів всередині, вздовж і за цією межею, зокрема іонізованої плазми, пилу, нейтральних атомів, енергетичних частинок та космічних променів.
Важливо, що запуск наприкінці 2030-х років дасть змогу космічному апарату вийти з сонячної геліосфери близько до «напрямку тарану» з міжзоряним вітром. Крім того, він з часом буде міститися досить далеко вбік від цього напрямку, щоб завдяки виявленню енергетично нейтральних атомів побачити глобальну структуру геліосфери. Останні спостереження можуть вирішити триваючу дискусію про те, чи форма геліосфери схожа більше на серп Місяця, чи на пуголовка з хвостом, що тягнеться за Сонцем.
Далі місія намагатиметься зрозуміти поточне положення Сонячної системи серед кількох локальних міжзоряних хмар. Ці хмари є ділянками міжзоряного середовища, які містять трохи більше пилу і газу (хоча вони більш розріджені, ніж найкращий вакуум на Землі).
І все ж, хмари, а також тиск від наднових, що спалахують поблизу, впливають на розмір і форму геліосфери. Іноді вона стискається всередину так, що втрачає частину своїх захисних властивостей. Протягом останніх 60 000 років Сонце перетинало одну хмару, яку невигадливо назвали Місцевою міжзоряною хмарою, але вже скоро може бути її межа. Астрономи очікують, що Сонячна система вийде з цієї хмари лише через 2000 років, і, можливо, увійде одразу в наступну хмару. Космічний зонд матиме чотири 50-метрові радіоантени для вимірювання електронної густини плазми, щоб ми могли зрозуміти наше місце серед цих хмар. З’ясування того, як речовина цих хмар взаємодіє з потоком космічних променів, має вирішальне значення для розуміння впливу цих променів на еволюцію життя на Землі.
«Наша геліосфера — єдина астросфера, яку ми знаємо сьогодні, — зазначила Єлена Проворнікова (Elena Provornikova) з Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса. «Як вона утворилася, як розвивалася в минулому і розвиватиметься в майбутньому під час подорожі по Галактиці, як ця еволюція впливає на атмосферу планет та їх придатність для життя, ще належить виявити за допомогою місії Міжзоряного зонда».
Ця інфографіка показує схематично будову Сонячної системи, геліосфери та найближчого міжзоряного середовища в логарифмічному масштабі (відстані збільшуються праворуч). Фото з сайту https://interstellarprobe.jhuapl.edu/Resources/News-and-Gallery/.
На додаток до цієї обширної основної мети є допоміжна мета: дослідження об’єктів поясу Койпера під час польоту за межі геліосфери, щоб зрозуміти походження планет. У початковому звіті місії перелічено 10 об’єктів-кандидатів, серед них 50000 Quaoar, 225088 Gonggong і 90482 Orcus.
Яку кількість об’єктів може відвідати зонд залежить від того, коли його запустять. Наприклад, запуск у 2040 р. дасть змогу вивести його на траєкторію, щоб пролетіти повз Quaoar, далекий світ, який, здається, швидко втрачає леткі речовини. Це стартове вікно уможливить також спрямувати зонд до величезного потоку енергійних нейтральних атомів, що течуть через межу геліосфери. Його виявили за допомогою космічного апарата NASA «Дослідник міжзоряних меж» (Interstellar Boundary Explorer, IBEX) у 2013 році. Міжзоряний зонд зможе виконувати огляди, які доповнять дані спостережень, здобуті за допомогою IBEX та космічного апарата «Зонд міжзоряного картографування і прискорення» (Interstellar Mapping Acceleration Probe, IMAP), з тих точок простору, де він перебуватиме.
«Політ повз карликову планету чи об’єкт у поясі Койпера дасть змогу досліджувати небесне тіло, яке раніше ніколи не відвідували, і уможливить розуміння різноманітності цих тіл у Сонячній системі», — зауважила Проворнікова.
Це зображення показує можливі вікна запуску Interstellar Probe у найближче десятиліття з позначенням потенційних цілей, повз які може пройти зонд. Помаранчевий силует півмісяця на малюнку спричинений тим, що є 13-місячний період, коли для прискорення зонда можна задіяти гравітаційний маневр біля Юпітера. Фото з сайту https://interstellarprobe.jhuapl.edu/Resources/News-and-Gallery/.
Друга додаткова мета досліджень, що їх міг би виконувати Міжзоряний зонд, — це астрофізичні спостереження, які можна зробити лише за межами Сонячної системи. Один з яскравих прикладів: міжгалактичне фонове світло (extragalactic background light). Його спостереження важливі для розуміння галактик і утворення зір. Це розсіяне світло від далеких зір і галактик можна побачити лише за межами ділянки міжпланетного простору, де видно зодіакальне світло. Воно утворюється у внутрішній Сонячній системі внаслідок розсіювання пилом сонячного світла. Космічний апарат New Horizons вже спостерігав цей фон цей фон, коли відійшов на велику відстань від Сонця.
Щоб досягти цих цілей, місія буде досліджувати внутрішню геліосферу (в діапазоні відстаней від 1 до 90 а. о.) протягом перших 12 років. Потім зонд увійде в геліооболонку — це відстань, приблизно від 90 до 120 а. о. — і пройде її за чотири роки, а далі вийде у міжзоряне середовище на відстані приблизно 120 а. о. від Сонця. Згідно з попередніми розрахунками, Міжзоряний зонд за 50 років польоту відійде від Сонця на 380 астрономічних одиниць. Для порівняння, найвіддаленіший космічний апарат (Вояджер-1) на даний момент перебуває на відстані 155 а. о. А «Вояджер-2» (найдальший діючий космічний зонд) — 129 а. о. Він, ймовірно, припинить наукові опереації через десять років чи близько того, передавши «естафету» зонду New Horizons, що зараз перебуває на відстані 52 a. о. від Сонця.
План місії
Прогнозована вартість місії становить 1,7 мільярда доларів (упродовж 25 фінансових років на витрати від проєктування до запуску, але без вартості ракети-носія), з додатковими 230 мільйонами доларів на кожні десять років для операцій із зондом.
Як і інші космічні зонди, що йдуть за межі Сонячної системи, Міжзоряний зонд буде оснащено радіоізотопними термоелектричними генераторами (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators MMRTG), які працюють на плутонію-238. Вони забезпечуватимуть надійне живлення систем зонда протягом десятиліть далеко від Сонця.
На облавку зонда буде кілька приладів для вимірювання параметрів зовнішньої Сонячної системи та міжзоряного середовища, але кінцеве корисне навантаження місії визначать тоді, коли буде встановлене вікно запуску та обрано об’єкти для відвідування. Для зв’язку зонд використовуватиме Мережу далекого космічного зв’язку (Deep Space Network), а в майбутньому зв’язок з ним можна буде тримати за допомогою Дуже великої антени наступного покоління (next-generation Very Large Array, ngVLA), як зазначено в нещодавньому десятирічному огляді астрономії та астрофізики. Цей радіотелескоп дасть змогу тримати зв’язок з космічними апаратами, що перебувають на відстані 1000 а. о. від Сонця.
Міжзоряний зонд в уявленні художника. Фото з сайту Фото з сайту https://interstellarprobe.jhuapl.edu/Resources/News-and-Gallery/.
Найближчим рубежем для місії Interstellar Probe стане «Огляд десятирічних досліджень в галузі сонячної та космічної фізики» (the Solar and Space Physics Decadal Survey). Він має вийти наступного року і де може бути пропозиція, щоб обрати Міжзоряний зонд, як флагманську місію для цілей цієї наукової галузі. В Китаї також є план схожої місії Interstellar Express чи кількох місій, які, можливо, почнуться вже у 2024 році.
Як наша локальна астросфера сформувала наше місцеве галактичне середовище та наш дім у ньому? Це ми можемо з’ясувати до кінця поточного століття, якщо буде здійснено довготривалу захопливу місію Міжзоряного зонда.
Повний звіт про концепцію місії Interstellar Probe читайте тут.
За інф. з сайту https://skyandtelescope.org
