Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Но помимо того что свет имеет определенную частоту, он обладает и определенной интенсивностью, которую в каком-то смысле можно понимать как количество фотонов той или иной частоты в воспринимаемом луче света. Например, чем больше интенсивность красного цвета в луче, тем более красным мы будем видеть свет. Совокупность всех длин волн света и соответствующих этим длинам волн интенсивностей называется электромагнитным спектром. Наука, занимающаяся изучением спектров различных веществ, называется спектроскопией; приборы, с помощью которых исследуют спектры объектов, – спектрометрами.

Существованием спектроскопии мы обязаны тому факту, что атомы разных веществ по-разному взаимодействуют со светом: некоторые атомы поглощают частоты, а некоторые – отражают. Когда определенная частота падающего излучения поглощается, в спектре – в месте, соответствующем отсутствующей частоте, – появляется черная линия поглощения. Расположение и количество этих линий говорит о химическом составе вещества, а их интенсивность – о концентрации тех или иных атомов. Например, уже полученный спектр света, отраженного от поверхности астероида Рюгу, показывает, что его химический состав близок к составу первичного вещества Солнечной системы. Это означает, что в Рюгу буквально вморожены частицы пыли, которые остались с тех времен, когда около Солнца еще не было планет, а был лишь огромный газопылевой протопланетный диск. Анализ спектров используется не только в астрофизике, но лишь в астрофизике он имеет такое важное значение. По сути, большинство наших знаний о Вселенной так или иначе связано с анализом спектров космических объектов.

Рисунок 5. Фотография ядра кометы Чурюмова – Герасименко, полученная бортовой камерой «Розетты»

Космические аппараты побывали уже на всех типах тел Солнечной системы. Недавно состоялась историческая посадка на комету. В 2014 году спускаемый модуль «Филы» космического аппарата «Розетта» успешно приземлился на поверхность ядра кометы Чурюмова – Герасименко. Ему немного не повезло: при посадке он оказался в зоне тени и не смог пополнить заряд аккумуляторов с помощью солнечных панелей. Однако на том заряде, что у него был, «Филы» успел собрать и передать на Землю данные, полученные встроенными в него научными приборами, выполнив тем самым основную часть своей миссии.

Успехи в таких невероятно сложных миссиях, как «Розетта», «Хаябуса-2», OSIRIS-REx, очень важны, поскольку они означают, что человечество обладает технологиями и умениями, необходимыми для исследования далеких космических объектов. По этим миссиям историки будущего будут изучать нашу космическую экспансию.

Сложность каждой миссии можно оценить хотя бы по следующему описанию. Буквально через месяц после того, как «Филы» перешел в режим энергосбережения, к астероиду Рюгу отправилась «Хаябуса-2». Большая полуось орбиты астероида Рюгу равна 1,18 а. е. Из-за значительного эксцентриситета (степень вытянутости) орбиты в перигелии Рюгу оказывается внутри орбиты Земли, а в афелии[9] – дальше Марса. Таким образом, «Хаябуса-2», прежде чем достигла цели, пролетела 3,2 миллиарда километров (почти 21,5 а. е.) за 3,5 года! Это больше, чем расстояние от Солнца до Урана.

Почему же «Хаябуса-2» летела так долго и преодолела такое значительное расстояние? Из геометрии мы знаем, что самый короткий путь между двумя точками – прямая. На Земле путь по прямой оказывается чаще всего и самым быстрым. Но если дорогу вам преграждает, скажем, гора, гораздо меньше сил и энергии вы затратите, если эту гору обойдете, нежели если будете карабкаться по ней вверх, а потом вниз. Часто вы выбираете обходной путь, даже если на него требуется больше времени. Примерно так же рассуждают инженеры, только для них затраченная на доставку космического аппарата к астероиду энергия конвертируется в топливо, а в конечном счете – в деньги.

Для того чтобы достигнуть небесного тела наикратчайшим путем – по прямой, – космическому аппарату потребуются очень большие запасы топлива, и обойдется это невероятно дорого. В целях экономии инженеры максимально используют гравитационные маневры. Суть этих маневров состоит в том, чтобы за счет своевременного включения двигателей аппарат мог «оттолкнуться» от массивного тела, такого как планета, и изменить свою орбиту на более подходящую, затратив при этом минимальное количество топлива. Обычно гравитационные маневры совершаются в перицентре орбиты аппарата вокруг массивного тела[10]. В этой точке аппарат имеет наибольшую скорость, и даже малое ускорение может кардинальным образом изменить его орбиту. Перемещаясь с орбиты на орбиту с помощью таких маневров, космические аппараты успешно путешествуют по Солнечной системе. Однако каждый оборот на промежуточной орбите может занимать годы, что сильно увеличивает длительность полета. «Хаябуса-2» во время своего путешествия совершила один гравитационный маневр возле Земли и трижды ускорялась, сменив три орбиты.

Помимо дистанционного исследования Рюгу с помощью бортовых камер и научных приборов, «Хаябуса-2» сбросила на астероид четыре небольших мобильных модуля, которые успешно достигли его поверхности. Таким образом, «Хаябуса-2» стала первым космическим аппаратом, спускаемые модули которого совершили посадку на астероид[11]. Из-за слабой гравитации колеса на модулях использовать нельзя (в этом случае они становятся неуправляемыми). Поэтому инженеры придумали альтернативный способ: модули передвигались по поверхности астероида небольшими прыжками за счет вращения ассиметричного маховика, расположенного у них внутри.

Когда «Хаябуса-2» долетит до Земли[12], образцы вещества, собранные на Рюгу, будут сброшены на Землю в герметичной капсуле для дальнейшего анализа[13], а сам аппарат приступит к новой исследовательской миссии. Впервые в истории доставку астероидного вещества на Землю в 2010 году совершил аппарат «Хаябуса», предшественник «Хаябуса-2».

Взятие образцов осуществлялось в два этапа. Сначала, в феврале 2019 года, производился сбор частиц грунта с поверхности астероида. «Хаябуса-2» в момент максимального сближения с поверхностью астероида выстрелил по ней 5-граммовой танталовой пулей, захватил разлетевшиеся частички грунта, а затем снова поднялся на орбиту. Целью второго этапа, который начался в апреле 2019 года, был сбор образцов из более глубоких слоев грунта. 5 апреля от «Хаябуса-2» отделился 2,5-килограммовый медный снаряд с несколькими килограммами взрывчатки, а сам космический аппарат «эвакуировался» на другую сторону астероида. Затем произошла детонация взрывчатки, и ускоренный медный снаряд направился прямиком к астероиду! Ничего подобного прежде не предпринималось. Ученые могли лишь предполагать, какие последствия вызовет столкновение астероида со снарядом. Когда в конце апреля «Хаябуса-2» вернулся к месту событий, ученые обнаружили, что снаряд оставил на поверхности астероида 10-метровый кратер – это достаточно ценные сведения, исходя из которых можно довольно точно прогнозировать, как поведет себя астероид при более крупных столкновениях. В июле 2019 года «Хаябуса-2» произвел сбор образцов выброшенного из глубины вещества, не подвергавшегося воздействию суровой космической среды6, в области рядом с кратером. А в ноябре 2019 года японский аппарат сошел с орбиты вокруг Рюгу и отправился домой. Сложность каждого этапа миссии была колоссальной: любой просчет – и многолетний труд сотен людей оказался бы напрасным.