Несостоявшаяся планета: как экспедиция к астероиду заменит бурение до центра Земли
Ракета Falcon Heavy 13 октября отправила в космос космический аппарат «Психея» (Psyche). Зонд стоимостью $960 млн направляется к одноименному небесному телу между Марсом и Юпитером. Еще ни один аппарат не выходил на орбиту вокруг столь далекого астероида. Главная задача — проверить, действительно ли Психея является ядром разрушенной планеты. Попутно зонд испытает технологию, которая может произвести революцию в исследовании глубокого космоса.
Разбитые сердца
Никто никогда не видел ядра Земли и не держал в руках извлеченного из него образца. Самая глубокая скважина на планете — Кольская сверхглубокая — достигла глубины чуть более 12 км. Подземный жар не позволяет бурам даже близко подойти к мантии, что уж говорить о ядре. Сейсмические волны и магнитное поле доносят кое-какие сведения о сердце планеты, но гораздо меньше, чем хотелось бы.
Между тем ученые подозревают, что в Солнечной системе остались ядра несостоявшихся планет. Не нужно бурить тысячи километров неподатливого раскаленного вещества: прилетай и изучай любыми приборами, которые только сможет увезти космический зонд.
Речь об астероидах типа М. Буква «М» означает, что небесное тело богато металлами. А планетные ядра и должны быть металлическими, ведь железо, никель и другие тяжелые элементы стремятся к центру планеты под действием гравитации.
В молодой Солнечной системе формировалось множество «зародышей» планет — планетезималей. Некоторые из них столкнулись и слились в немногие настоящие планеты. Но скорость других столкновений была слишком велика, и тела разбивались на куски, вместо того чтобы срастаться. Считается, что главный астероидный пояс между Марсом и Юпитером состоит в основном из таких осколков.
Некоторым планетезималям повезло дорасти до размера, когда у них появилось собственное ядро, но затем они все равно были разрушены. Металлическое ядро — самая прочная часть небесного тела, так что неудивительно, если такие ядра до сих пор дрейфуют по космосу. Впрочем, и этой прочности есть предел. Железные метеориты, иногда падающие на Землю, вполне могут быть осколками былых планетных ядер.
Как бы ни была заманчива эта теория, пока она остается теорией. Все известные астероиды типа М слишком далеки от Земли, чтобы сколько-нибудь подробно исследовать их в телескопы. Психея стала первым из них, к которому отправился космический зонд. Он летит за ответами.
Опасное сближение
Путь к Психее будет кружным и займет шесть лет. В космосе не летают по прямой. Солнце притягивает аппарат, превращая его в миниатюрную планету, и никаких запасов топлива не хватило бы, чтобы сопротивляться этой силе. Остается подыгрывать ей, подрабатывая траекторию двигателями. Аппарат будет двигаться вокруг Солнца по расширяющейся спирали. В 2026 году он приблизится к Марсу и получит от него гравитационный толчок. Благодаря этому импульсу зонд выйдет на новый, более широкий виток и в августе 2029-го достигнет Психеи.
Затем аппарат выйдет на орбиту вокруг небесного тела. Это очень нетривиальная операция. Легко промахнуться и пролететь мимо, а то и врезаться в поверхность. Дело в том, что астероид небольшой и скорее овальный, чем сферический (280 × 230 км, если измерять по крайним точкам). Это приблизительные данные: точная форма Психеи неизвестна. Она слишком мала и слишком далека от Земли, чтобы детально изучить ее заранее. Трудностей добавляет то, что сближение произойдет в сотнях миллионов километров от Земли. Радиосигнал до Психеи идет несколько минут и столько же обратно.
До сих пор лишь шесть астероидов обзаводились искусственными спутниками. Четыре из них небольшие, но околоземные — Бенну, Итокава, Рюгу и Эрос. Еще два — далекие, но крупные — Веста и Церера. Психея находится дальше и Весты, и Цереры, и при этом значительно меньше той и другой.
Учитывая все это, зонд будет буквально подкрадываться к астероиду, поочередно задействуя четыре двигателя. Тяга каждого из них примерно равна весу пальчиковой батарейки. Специалисты надеются, что им хватит времени понять, куда движется аппарат, и внести нужные поправки.
Ядерные исследования
Если все пройдет хорошо, «Психея» проработает не менее двух лет. Она не будет касаться поверхности и собирать образцы — такая операция была бы слишком рискованной. Аппарат сменит четыре орбиты вокруг астероида, изучая его с высоты 709, 303, 190 и 75 км.
Зонд несет пару фотокамер, воспринимающих и свет, и инфракрасные лучи. Детальные снимки поверхности Психеи помогут составить ее карту и определить основные минералы. Кроме того, ученые смогут понять, было ли ее вещество когда-нибудь расплавленным, как положено ядру планеты.
Еще один прибор регистрирует поток нейтронов и гамма-лучей. Они образуются в грунте астероида под действием космических лучей. Эти данные позволят определить состав небесного тела хотя бы на уровне химических элементов. Его можно будет сравнить с предполагаемым составом ядра Земли.
Наконец, на борту есть магнитометр. Если Психея некогда была ядром протопланеты, она могла иметь магнитное поле. В этом случае металл должен сохранить остаточную намагниченность.
Если гипотеза о «ядерном» прошлом Психеи подтвердится, ученые впервые в истории получат прямой доступ к ядру планеты, пусть и не успевшей толком образоваться. Если же окажется, что астероиды типа М — не ядра протопланет, заново встанет вопрос, что они такое и откуда взялись. И ответ на него не найти без данных «Психеи», а возможно, и будущих космических миссий.
Луч надежды
У «Психеи» есть еще одна задача — испытание «Системы оптической связи в глубоком космосе» (Deep Space Optical Communications, или DSOC).
Связь — вечная проблема космических миссий. Межпланетная станция приносит ровно столько пользы, сколько данных она передает ученым, и ключевое слово — передает. История космонавтики знает случаи, когда совершенно исправные аппараты необратимо теряли связь с Землей из-за ошибочной команды. С тем же успехом зонд можно было уничтожить.
Технологии космической связи в своей основе не изменились со времен первого спутника. Космический аппарат излучает радиоволны, наземная антенна принимает их. Самое совершенное кодирование и самые малошумящие усилители не в силах обойти пределы, установленные природой радиоволн. В конечном счете количество передаваемой информации зависит от мощности передатчика и расстояния до Земли.
На орбите вокруг астероида в распоряжении «Психеи» будет от 2,3 до 3,4 кВт электроэнергии. Чтобы обеспечить даже эту скромную мощность, понадобились крестообразные солнечные батареи размером 25 × 7,3 м. Пояс астероидов между Марсом и Юпитером — отнюдь не залитый солнцем курорт.
Несколько киловатт — типичная мощность для телекоммуникационных спутников с их телевизионным сигналом высокой четкости. Однако «Психее» предстоит работать в несколько тысяч раз дальше от Земли. А значит, достигающий земных антенн сигнал будет слабее во многие миллионы раз.
Так и выходит, что приборы могут собрать очень много данных (сколько мегабайт весит фотография, сделанная вашим смартфоном в максимальном разрешении?), но через бутылочное горлышко космической связи можно передать только самое необходимое.
DSOC — это экспериментальная система, призванная решить эту проблему. Устройство передает данные по лучу инфракрасного лазера. Такой способ позволяет упаковать в сигнал той же мощности в 10–100 раз больше данных. Лазерная связь никогда прежде не испытывалась на таких расстояниях от Земли.
Испытания DSOC пройдут в первые два года миссии, задолго до прибытия к астероиду. Научные данные, собранные зондом, будут передаваться по традиционному радиоканалу. Это мера предосторожности на случай, если на испытаниях что-то пойдет не так. Но если лазер хорошо покажет себя, следующее поколение зондов сможет добыть куда больше информации о глубоком космосе.