zontiki

Имея только эту, отправную, точку, человечество уже несколько десятков лет пытается найти живые организмы вне Земли. До сих пор эти поиски не увенчались успехом. На миссию, речь о которой пойдёт сегодня, возлагаются одни из самых серьёзных ожиданий исследователей, связанных с поиском жизни за пределами нашей родной планеты.

Итак, вода. В виде льда огромные её количества содержатся на Луне. В виде соляных растворов — на Марсе. На кометах крохотные частицы льда перемешаны с газами и пылью, эти хвосты простираются на миллионы километров, но жизнь вряд ли там существует по одной простой причине: вода должна быть в жидком состоянии. А это, раз уж мы с вами занялись поиском потенциально пригодных для жизни мест Солнечной системы, серьёзно сужает область такого поиска.

Можно обратить внимание на Энцелад, спутник Сатурна. Попытаться найти жидкую воду на Марсе, надеяться, что она есть под ледяной поверхностью Ганимеда или, наконец, на другом спутнике Юпитера, Европе. Она находится ближе к газовому гиганту и приливные силы вынуждают планету под давлением выбрасывать струи воды в открытый космос. Благодаря 11-ти близким пролётам аппарата Галилео и снимкам телескопа имени Хаббла, мы практически уверены, что где-то под слоем льда Европы есть океан воды.

В марте и июле 1979-го года аппараты Воджер-1 и Вояджер-2 передали первые качественные снимки поверхности Европы. Эти изображения показали, что её поверхность ярче, чем у нашей Луны, она испещрена многочисленными полосами и хребтами, и на удивление вообще не содержит больших ударных кратеров, высоких скал или гор. То есть её поверхность очень гладкая и не похожая на другие известные нам спутники.

Хотя фотографии были не самыми детальными, исследователи всё же заметили, что часть странных полос на поверхности Европы имеют края, которые подходят друг другу, словно детали паззла. Внутри полос просматривались тёмные пустоты, что натолкнуло учёных на простой вывод: это — разломы, возникшие вследствие геологической активности. А сама форма разломов не совпадала с моделями, в которых их пытались объяснить влиянием Юпитера. Будто поверхность двигалась независимо от того, что находится под ней. Будто внутри находится вода, а внешняя кора просто скользит по ней.

Один из разломов в представлении художника

Одним из самых важных открытий, сделанных уже другой миссией, Галилео, стали изменения магнитного поля Юпитера около Европы. Эти возмущения показывают, что глубоко под поверхностью спутника индуцируется собственное поле, скорее всего — в электропроводящей жидкости. Например, солёной. Исходя из ледяного состава Европы, ученые считают, что наиболее вероятным материалом для создания этого магнитного рисунка является глобальный океан соленой воды.

Океан Европы может иметь в два раза больше жидкой воды, чем океан Земли. Он должен быть солёным и залегать на глубине от 15 до 25 километров, прямо под толщей льда. Некоторое количество воды в жидком виде, вероятно, находится и прямо в ледяной оболочке спутника.Помимо воды на Европе может быть необходимая для жизни химия.

Сравнение минимального объёма океана Европы с земным мировым океаном

Решающее значение для формирования молекул жизни имеют несколько основных химических веществ: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Кометы и астероиды могли доставить часть этих молекул на Европу, когда сталкивались с её поверхностью. А другие химические вещества, возможно, были отложены или сформированы во время рождения спутника.

Любая жизнь нуждается в источнике энергии. Солнечный свет питает химические реакции, которые поддерживают большую часть жизни на Земле, но энергия Европы для жизни может быть обеспечена химическими реакциями на ее поверхности, где-то глубоко внутри… И поступать от огромного соседа, Юпитера.

Все три компонента жизни в одном флаконе. То есть, в одном спутнике. А значит — пора заняться его изучением!

Именно к такому выводу пришло NASA, когда в 2015-м году впервые запросило бюджет на разработку тогда ещё безымянной “миссии к Европе”. 30 миллионов долларов на программу, которая должна представляет из себя аппарат на солнечных панелях на длинной круговой орбите вокруг газового гиганта Юпитера… для выполнения повторных близких пролетов Европы в течение трех лет. В общей сложности планировались где-то 40 пролетов на расстоянии от 25 до 2700 километров над поверхностью.

Сразу был определён один из главных инструментов, магнитометр для измерения силы и направления магнитного поля Европы, что позволило бы учёным определить глубину и уровень соли в её океане.

Ещё в 2014-м году был проведён конкурс, в котором из 33-х поданных заявок на научную нагрузку были отобраны девять основных инструментов миссии. Помимо радаров планируется использовать инструменты, которые позволят захватить частицы воды, выброшенные в тонкую атмосферу спутника, и тщательно изучить их состав. Таким образом аппарат прикоснётся к океану Европы, фактически оставаясь высоко над ним. Правда, ещё нужно будет подтвердить связь между гейзерами и предполагаемым океаном. Эта работа будет отведена нескольким радарам.

Список инструментов миссии

Давайте рассмотрим инструменты Европа Клиппер более подробно.

Магнитометр для исследования внутреннего состава ICEMAG — он будет измерять магнитное поле вблизи Европы и, совместно с прибором PIMS, определять расположение, толщину и засоленность подлёдного океана Европы с помощью многочастотного электромагнитного зондирования. Европа имеет магнитное поле, которое возникает в результате взаимодействия между гораздо более сильным магнитным полем Юпитера и чем-то внутри ледяного спутника. Веские доказательства указывают на то, что это что-то является жидким океаном соленой воды. Магнитометр также поможет выявить источник тонкой атмосферы Европы и зафиксировать, как она с течением времени улетучивается в космос.

Схема работы ICEMAG

Плазменный магнитный сонар PIMS — Этот прибор будет работать вместе с магнитометром и станет ключевым в определении толщины ледяной оболочки Европы, глубины океана и уровня соли в нём… PIMS будет иметь четыре датчика под названием чаши Фарадея. Эти датчики будут измерять электрический ток, производимый плазмой (то есть заряженными частицами), при попадании на детекторную пластину внутри каждого датчика. Чаши Фарадея тщательно измеряют характеристики плазмы включая ее плотность, температуру и скорость. Благодаря этому получится нарисовать карту линий магнитных полей спутника, что позволит узнать больше как о подлёдном океане, так и о возможном ядре объекта.

Картографирующий спектрометр MISE — Этот прибор будет исследовать состав Европы, выявлять и картографировать распределения органики, соли, кислотных гидратов, различных фаз водяного льда и других материалов для определения обитаемости океана.

PIMS во всей красе!

Давние зрители нашего канала знают, как работает спектрометр: количество света, отраженного в различных длинах волн, зависит от того, из чего состоит поверхность. А имея такую информацию, можно составить подробную карту распределения льдов, солей, органики и самых горячих точек на Европе.

Камеры для получения изображений EIS — широко- и узкоугольные камеры на этом инструменте будут картографировать большую часть Европы при разрешении 50 метров и предоставлять изображения областей поверхности Европы при более высоком разрешении вплоть до полуметра на пиксель. Каждая камера будет иметь восьмимегапиксельный датчик и будет чувствительна к видимым длинам волн света, с небольшим выходом в ближние инфракрасные и ультрафиолетовые длины волн.

Научные задачи миссии

Узкоугольная камера сможет вращаться на 60 градусов по двум осям. Обе камеры будут делать стереоскопические изображения, и обе будут иметь шесть различных фильтров. Принцип работы инструмента отдалённо напоминает аналогичный в одном из недавних наших видео о марсоходах спирит и оппортьюнити. Посмотрите его, если вдруг пропустили.

Радар для оценки океана Европы REASON — Этот двухчастотный “заглядывающий” под лёд прибор предназначен для определения характеристик ледяной коры Европы от самой поверхности вплоть до океана. Он раскроет скрытую структуру ледяной оболочки Европы и потенциально найдёт пустоты и водяные озёра внутри неё. Прибор будет посылать радиоволны глубоко в лед Европы, где они будут отражаться от подповерхностных объектов и возвращаться к космическому аппарату. Фиксируя небольшие различия во времени прибытия сигнала обратно в датчик, REASON создаст карты внутренней структуры ледяного слоя.

Демонстрация принципа работы REASON

Система поиска тепловых выбросов E-THEMIS, или проще, «детектор тепла», обеспечит тепловизионные изображения Европы в высоком разрешении, что поможет обнаружить скрытые в видимом диапазоне активные участки, такие как потенциальные отверстия-гейзеры, извергающие шлейфы воды в космос. Поскольку объекты разной температуры излучают разные длины волн инфракрасного света, ученые могут измерить температуру участков поверхности, точно анализируя свет, который они излучают. Это поможет определить и опасные области для посадки возможной будущей миссии на поверхность Европы.

Масс-спектрометр для планетарных исследований и Европы MASPEX — Этот прибор будет определять состав поверхности и подповерхностного океана и сфокусируется на чрезвычайно тонкой атмосфере Европы и любого материала, выбрасываемого из недр в космос. Он будет собирать газы и «разгонять» их ионы (то есть атомы и молекулы, в которых отсутствует один или несколько электронов, либо наоборот, есть “лишние”) внутри инструмента. Точно измеряя время, которое потребуется ионам для перемещения, мы сможем определить их массу. А значит — и состав. Дополнительно это поможет выяснить, насколько сильно радиация Юпитера влияет на спутник.

Чаши Фарадея, ключевые элементы PIMS

Ультрафиолетовый спектрограф UVS — будет использовать тот же метод, что и космический телескоп им. Хаббла, для поиска малозаметных водяных шлейфов, извергающихся с поверхности Европы. UVS сможет обнаруживать небольшие шлейфы и предоставят ценные данные о составе и динамике разреженной атмосферы луны Юпитера. Здесь всё просто: точно так же, как видимый свет может быть разбит на радугу, то есть проекцию его составных цветов, или длин волн, так же мы можем разбивать и ультрафиолетовый свет. А полученный спектр, как вы помните, помогает удалённо определять состав и плотность объекта, конкретно в этом случае — атмосферы и поверхности.

Масс-анализатор поверхностной пыли или SUDA — займётся измерением состава мелких твердых частиц, выбрасываемых из Европы, это как раз тот инструмент, который сможет непосредственно “попробовать на вкус” пыль с поверхности и потенциальные шлейфы на низковысотных пролетах. Сперва пыль попадёт в отсеивающую трубку: там она пройдет через ряд сеток, которые задержат нежелательные частицы плазмы и измерят скорость и направление пыли. В задней части прибора пыль врежется в целевую пластину и распадется на более мелкие ионизированные компоненты, которые будут выведены на ионный детектор,а уже он расскажет ученым, из чего состояла пыль.

Схема образования гейзеров на поверхности Европы

Как видите, миссия действительно “заточена” под очень узкие исследования. Аппарат должен прилететь, тщательно измерить толщину водяной коры, выяснить, есть ли в ней пустоты и озёра, заглянуть глубже, в океан и определить состав как водяного льда, так и самого океана. Кроме того он должен заняться поиском активных областей, наблюдаемых как термально, так и визуально. Понять, что происходит с атмосферой Европы и как с этим связано её магнитное поле. И всё это — за предполагаемые три года работы с возможным продлением на следующие этапы миссии.

9-го марта 2017-го года миссия наконец получила своё официальное имя: Европа Клиппер. Название было дано в честь класса морских судов, которые бороздили просторы земных океанов в 19-м веке. Трёхмачтовые парусные клипперы имели хорошую обтекаемую форму и были известны своей грацией и скоростью. Они перевозили товары по всему миру, не задерживаясь в портах надолго: аналогично и Европа-Клиппер будет “нырять” в радиационное поле Юпитера ради близких пролётов около своей цели, а затем выныривать и работать над полученными данными.

К концу года, кстати, запланированное количество пролётов возросло до 45-ти.

9 августа 2019-го NASA торжественно утвердило окончательный план миссии. Аппарат будет иметь массу немного больше 350-ти килограмм, в длину вытянется на 6 метров, а размах его “крыльев”, то есть солнечных панелей, составит 22 метра.

И здесь мы переходим к проблемам, которые могут встать на пути практически готовой миссии по состоянию на весну 2020-го года. Ещё в бюджете на 2016 год Конгресс обязал НАСА запустить Europa Clipper на SLS в 2022 году, а в 2024-м на этой же ракете отправить и посадочный модуль Europa. Как раз в прошлом, 2019-м году, новый бюджет отложил запуск каждой миссии на год, но все равно предусматривал, что они должны полететь на SLS.

Если вы смотрите наши новостные дайджесты, то наверняка в курсе того, какие задержки испытывает программа SLS и как трудно будет успеть запустить две такие большие и дорогие ракеты с учётом того, что они становятся ключевой частью программы Артемида по возвращению США на Луну и приоритет будет именно у Луны. То есть, скажу прямо, запуск именно на SLS очень маловероятен. А учитывая что полёт к Юпитеру займёт около шести лет, мы можем увидеть новые снимки Европы очень нескоро. А каждый год хранения готового аппарата обходится в $125 миллионов.

Стоимость одной SLS сравнима с затратами на производство 150 SpaceX Falcon 9

Есть альтернатива. Даже две. Ракеты-носители Delta IV Heavy и Falcon Heavy, запуск любой из которых обойдётся как минимум на $700 млн дешевле, не будет таким рискованным и позволит направить SLS именно на лунную программу. Само NASA в прошлогоднем обращении прямо об этом говорит. Мало того, запуск на Falcon Heavy где-то за $150 млн будет даже дешевле, чем оплата простоя миссии как минимум в $250 млн! Правда стоит учитывать, что полёт на более слабых ракетах займёт больше времени. И суммарная финансовая экономия может быть менее $300 млн.

Но захочет ли конгресс принимать такой вариант, или всё же рискнёт многолетней миссией в пользу политических предпочтений? Ответ на этот вопрос мы наверняка узнаем уже в ближайшие пару лет. А вы пишите своё мнение в комментариях: полетит ли Европа-Клиппер в намеченную дату на частной ракете, либо будет дожидаться в ангаре, когда освободится государственная.

Так или иначе, это всё, что мы хотели рассказать вам о программе исследования Европы на сегодня.

Группировка статитов, один из которых перехватывает межзвездный объект

Во-первых, межзвездные астероиды имеют колоссальную скорость, превышающую третью космическую. Скорость Оумуамуа была около 25 километров в секунду, что примерно на пять километров в секунду быстрее самого быстрого искусственного объекта в истории — аппарата New Horizons после гравитационного маневра у Юпитера в 2007 году.

Вторая проблема косвенно вытекает из первой. Даже с очень быстрым телом можно сблизиться, уступая ему в скорости, если вовремя рассчитать точку возможной встречи. Но из-за того, что современные космические миссии готовятся годами, астероид пройдет такую точку до практически возможного запуска. Кроме того, малый удельный импульс химических ракетных двигателей оставляет недосягаемыми обширные районы Солнечной системы, так что многие потенциальные траектории сближения невозможно реализовать, даже если узнать о межзвездном теле за десяток лет. Оумуамуа уже предлагали догнать на лазерных парусах, но, опять-таки, нехватка времени сделала идею неактуальной.

Ричард Лайнарес (Richard Linares) из Массачусетского технологического института предложил поджидать межзвездный объект группой заранее выведенных кубсатов с солнечными парусами. Кубсаты — сверхмалые космические аппараты размером в пару десятков сантиметров. За счет стандартизированной платформы и серийного производства комплектующих они обходятся на несколько порядков дешевле «обычных» спутников. Также кубсаты за счет небольших размеров выгоднее запускать — одна ракета может принять на борт десятки подобных аппаратов. Такие микроспутники используются не только для студенческих проектов: например, аппараты миссии NASA Mars Cube One в 2018 году сфотографировали Марс.

Каждый кубсат исследователь предлагает снабдить солнечным парусом. Дело в том, что свет (и вообще электромагнитное изучение) оказывает давление на поверхности. Это давление чрезвычайно мало и в районе Земли составляет примерно 0,000009 ньютонов на квадратный метр. Однако, если парус очень большой, а масса относительно невелика, то эту силу можно использовать для разгона полезной нагрузки. Стоит отметить, что на 2020 год ни один космический аппарат еще не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя, поскольку его материал должен быть очень легок, но проводились удачные эксперименты.

Экспериментальный аппарат с солнечным парусом Lightsail-A

Для пролета мимо межзвездного объекта предлагается использовать частный случай аппарата с солнечным парусом — статит. Так называют искусственный спутник, который не движется по орбите, а неподвижно зависает около небесного тела при помощи солнечного паруса в точке, где силы гравитации уравновешивают давление на парус, как если бы ветер дул в парашют снизу вверх.

Согласно концепции, группа исследовательских кубсатов должна равномерно распределиться вокруг Солнца. Поскольку им не требуется топливо, ожидать они могут неограниченно долго. При обнаружении межзвездного астероида подходящий аппарат сбросит парус по команде с Земли в расчетный момент, чтобы под действием притяжения Солнца упасть в точку встречи, откуда передаст научные данные. Чем больше статитов запущено, тем больше шансов, что объект пролетит под одним из них.

Траектории перехвата астероида, достижимые за счет небольшого запаса топлива на борту зависающего статита

Если все пройдет хорошо, то ученые смогут получить изображения и спектроскопию внесолнечного объекта с близкого расстояния, вплоть до нескольких десятков километров. На данный момент идея прошла первую стадию отбора конкурса Продвинутых инновационных концептов NASA и теперь ученые должны ответить, реализуем ли этот проект на практике.

NASA регулярно инвестирует деньги в проекты, которые звучат фантастично, но могут привести к прорыву. Например, агентство профинансирует разработку ракетного двигателя, который сам набрызгивает посадочную площадку в процессе посадки, а также рассмотрит возможность создания гигантского радиотелескопа на обратной стороне Луны.

источник plus1 / автор Василий Зайцев