Вдогонку за Плутоном

Захватывающие новости в последнее время приходят с дальних окраин Солнечной системы. Все новые сюрпризы преподносит исследователям Плутон – наименее изученная планета, в настоящее время относимая к карликовым.

Орбитальный телескоп Хаббл в июле 2012 года  сумел в дополнение к известному Харону и четырем недавно открытым спутникам планеты разглядеть еще и пятый. Совсем недавно Хабблом зафиксированы сильные линии поглощения, свидетельствующие о присутствии на поверхности карликовой планеты целого ряда ранее не выявленных соединений (в том числе сложных углеводородов), что позволило высказать гипотезу о существовании простой жизни на планете. Пока никак необъяснимо и заметное в последнее время изменение внешнего вида –  покраснение  Плутона.

Наконец, исследователям предстоит выяснить, каким образом карликовая планета (по размерам она заметно меньше нашей Луны) сумела захватить и удерживать в своей сфере действия пять разнокалиберных спутников от Харона (диаметр 1043  км)  до спутника Р5 (диаметр до 25 км). Есть предположение, что  Плутон и его сателлиты образовались вследствие столкновения некогда крупного небесного тела с одним из объектов из пояса Койпера, расположенного на окраине Солнечной системы…
  
Чем больше появляется новых фактов, тем больше возникает и новых вопросов. Сегодня астрофизики возлагают надежды на результативность  космической экспедиции «New Horizons», осуществляемой американским космическим агентством НАСА. Запущенный еще в 2006 году аппарат «Новые горизонты» должен прибыть весной 2015 года в окрестности Плутона, чтобы исследовать на близком пролете карликовую планету и ее луны, а впоследствии, возможно, и другие объекты пояса Койпера.

Надо сказать, сведения о Плутоне и его окружении до последнего времени были весьма скудны. Открытый в 1930 году, Плутон был предсказан на основании теоретических расчётов в конце XIX века. Но лишь в последние годы были достоверно определены орбитальные, геометрические и некоторые физические параметры этой планеты.  Сегодня  известно, что Плутон имеет самый большой период обращения из всех планет – 248,1  лет. Его среднее расстояние от Солнца почти в 40 раз больше, чем у Земли. По размерам Плутон примерно вчетверо меньше Земли.  В его атмосфере, содержащей азот, метан, зафиксирован и угарный газ.  И хотя доля его там невелика, расчёты показали, что за последние 10 лет уровень его в газовой оболочке удвоился. Необъяснимо за это же время увеличилась во много раз и толщина  атмосферы карликовой планеты.
      
Двигаясь по вытянутой орбите, Плутон пересек орбиту Нептуна, приблизившись в перигелии к Солнцу на расстояние «всего» 29,7 астрономических единиц (1а.е.=149,6 млн. км.). Это произошло относительно недавно – в октябре 1989 года. Теперь же Плутон стремительно удаляется по орбите, уходя к окраинам Солнечной системы, к своему афелию – самой удалённой точке на орбите, которую достигнет в 2115 году (тогда расстояние планеты от Солнца составит 49,3 а.е.).

Условия перелета космического аппарата к Плутону и его спутникам во многом зависят от  положения небесного тела на орбите. С удалением Плутона от центра Солнечной системы  (а он уже удалился на расстояние в сотни млн. км) ухудшаются энергетические условия запуска такого зонда, заметно уменьшается и количество солнечной энергии, падающей на планету. В этой связи некоторые специалисты высказывают даже предположение, что уже скоро  атмосфера Плутона может попросту замёрзнуть. И этот «ледниковый период» продлится более чем 200 лет вплоть до следующего возврата планеты к своему перигелию.

С учетом всех этих обстоятельств перелет к Плутону представляет непростую задачу.
Если осуществлять такой перелёт по прямым, энергооптимальным траекториям, потребуется в 2,5 раза больше затрат топлива, чем необходимо для полёта к Марсу, а продолжительность экспедиции составит более 45 лет!  Увеличение скорости до третьей космической (перелёт по параболической траектории с увеличением энергозатрат) позволяет сократить продолжительность полёта, но только  до 19 лет.

Другой путь связан с использованием мощных полей  тяготения планет, расположенных на пути от Земли к Плутону. На этом отрезке находятся несколько планет (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – своеобразных гравитационных трамплинов, которые могут снизить энергозатраты миссии к Плутону. Что касается возможностей Марса, то его поле тяготения слишком слабо для сверхдальних экспедиций...

Анализ других возможных вариантов показывает, что наиболее пригоден для такого перелёта Юпитер. Это и понятно, ведь Юпитер самая массивная из всех планет Солнечной системы и расположен ближе всех к Земле из больших планет.

Чтобы разогнаться в гравитационном поле Юпитера, аппарат должен на расчётном расстоянии  пролететь «позади»  этой планеты-гиганта по ходу её орбитального движения. В результате векторного сложения относительной скорости аппарата и самой планеты мощное поле Юпитера подобно катапульте выбросит аппарат с увеличенной скоростью на новую траекторию полёта – вдогонку удаляющемуся Плутону.

Именно такой вариант схемы перелета и реализуется в настоящее время американским космическим аппаратом «Новые горизонты».  Запущенный 19 января 2006 года  аппарат в феврале 2007 года достиг окрестности Юпитера, где с высоким разрешением были получены снимки планеты и ее спутников. Здесь аппарат совершил гравитационный маневр и вышел на траекторию полета к Плутону.  
Продолжая полет,  аппарат в июне 2009 года пересек орбиту Сатурна, а в марте 2011 года – орбиту Урана. В настоящее время, находясь на расстоянии более 26 а.е. от Земли и в 7 а.е. от Плутона, космический зонд «Новые горизонты» движется по направлению к орбите Нептуна, которую должен пересечь в августе 2014  года.
В процессе полета на борту New Horizons была успешно опробована новейшая камера LORRI (Long Range Reconnaissance Imager), которая позволила с большого расстояния получить снимки Нептуна и его спутника Тритона.  Тритон, по мнению специалистов, интересен своей схожестью с Плутоном, как по размерам, так и по ряду физических характеристик. Оба небесных тела имеют весьма низкую температуру на поверхности,  по предварительным оценкам идентичны и их атмосферы. Более того, есть предположение, что спутник Нептуна принадлежал  ранее  поясу  Койпера, в котором находится Плутон.

При подлете  к Плутону в феврале 2015 года начнутся дистанционные исследования планеты. Не исключено, что потребуется выполнить коррекцию траектории, чтобы избежать столкновения зонда с космическими объектами, расположенными вблизи Плутона (невидимыми пока спутниками, кольцами). В окрестностях этой карликовой планеты аппарат будет находиться  около девяти суток, проводя с близкого расстояния всесторонние исследования Плутона, его атмосферы, спутников. Также предстоит проверить гипотезу о наличии океана воды на планете (предполагается, что он находится под толщей льда на поверхности планеты).

В случае успеха НАСА планирует дальнейшие исследования в Солнечной системе, в частности, организовать «рандеву» аппарата New Horizons с одним или некоторыми телами в поясе Койпера.

Фото: NASA

1.Карта поверхности Плутона, созданная на основе снимков Хаббл.
2.Рисунок станции New Horizons (Новые Горизонты), пролетающей мимо Плутона и его лун.
3.Полная траектория полета аппарата.
4.Нептун и его крупнейший спутник Тритон с борта New Horizons.
5.Спутник Плутона P5 среди других его лун.
6.Самые крупные известные объекты пояса Койпера.