Захватывающая миссия, охватывающая следующие полвека освоения космоса, может вывести Землю за пределы Солнечной системы в следующем десятилетии. Исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса представили официальное предложение по Межзвездному зонду на заседании Американского геофизического союза, состоявшемся в Новом Орлеане, штат Луизиана, в конце 2021 года. Миссия позволила бы нам получить общую картину окрестностей Солнца.
Межзвездный зонд, который может стать частью предстоящего десятилетнего обзора Солнечной и космической физики 2023-2032 годов, определяющего приоритеты финансирования сообщества, станет первым космическим аппаратом, специально разработанным для исследования поверхности раздела защитного пузыря Солнца, известного как гелиосфера, и разреженного газа вокруг Солнца, местной межзвездной среды. Такие наблюдения возможны только из — за пределов влияния Солнечной системы. Кроме того, миссия может посетить несколько интересных мест по пути.
В соответствии с этим предложением миссия межзвездного зонда будет запущена на тяжелой ракете блока 2 Системы космического запуска (SLS) в середине 2030-х годов. (Первый запуск блока 1 SLS-1 запланирован на 12 марта этого года в рамках миссии Artemis 1.)
Чтобы достичь расстояния в 380 астрономических единиц от Солнца в течение 50 лет, миссия должна быть быстрой: межзвездный зонд должен будет покидать Землю со скоростью до 60 000 километров в час, удаляясь от системы Земля-Луна быстрее, чем New Horizons в 2006 году.
Космический аппарат, скорее всего, совершит пассивный или управляемый гравитационный вспомогательный полет мимо Юпитера, чтобы набрать скорость. Окно запуска Jupiter-assist открывается раз в 13 месяцев, устанавливая ограничения на время запуска зонда.
По иронии судьбы, ранее предложенный подход к ускорению зонда включал бы так называемый маневр Оберта, который отправил бы зонд на стремительный проход чуть менее чем в полумиллионе миль от поверхности Солнца. Это создало бы гравитационную рогатку, чтобы выбросить зонд за пределы Солнечной системы.
Эта траектория включала бы несколько первых пролетов, включая ближайший проход вблизи Солнца, самую быструю скорость, когда — либо достигнутую, не говоря уже о первом использовании космического корабля для маневра Оберта. Это также потребовало бы добавления массивного солнцезащитного козырька. В конечном счете, команда решила отказаться от этого подхода.
“Маневр Оберта добавляет небольшую скорость по сравнению с гравитационной помощью Юпитера, но представляет высокий риск для миссии”, — говорит Кокорос. “Кроме того, опция помощи при гравитации Юпитера ставит нас в выгодное положение с точки зрения скорости выполнения научных исследований, которые сообщество определило как критические”.
Двигаясь с беспрецедентной скоростью, Межзвездный зонд может достичь шока прекращения при 90 ° c всего за 12 лет. Продленная на 50 лет миссия миссии может охватить сотни лет после гелиопаузы, глубоко в межзвездной среде. Его продолжительность жизни составит почти пять 11-летних циклов солнечной магнитной активности.
Хотя Межзвездный зонд основан на наследии других космических аппаратов, которые покинули или покинут Солнечную систему, включая пионеров 10 и 11, «Новые горизонты» и «Вояджеры 1 и 2», Межзвездный зонд станет первой миссией, специально предназначенной для исследования внешней солнечной среды и местной межзвездной среды.
“Красота межзвездного зонда заключается не в достижении какой-то одной точки, а в путешествии, которое он совершит через солнечную систему”, — говорит Элис Кокорос (Университет Джона Хопкинса). “Мы начнем проводить измерения вскоре после запуска и будем продолжать это делать в течение 50-летней миссии … далеко за пределами досягаемости любого космического корабля, который летал раньше. Непрерывность этих измерений на протяжении всего путешествия предоставит исчерпывающую информацию для ответа на некоторые из наиболее актуальных вопросов космической физики”.
Научные цели
Цель межзвездного зонда — понять и охарактеризовать наш защитный пузырь и его место в окружающей среде. Но до тех пор, пока мы отправляем миссию раз в поколение за пределы Солнечной системы, имеет смысл проводить как можно больше научных исследований на этом пути. С этой целью миссия будет преследовать несколько целей.
Основная цель миссии — понять процесс формирования гелиосферы относительно местной межзвездной среды, включая эффекты солнечного цикла. Исследователи хотят количественно оценить свойства газа и пыли вокруг Солнца. Они также хотят измерить толчок, создаваемый при движении Солнечной системы через межзвездную среду; Путешественники прошли через эту границу, но задали больше вопросов, чем ответили. В отличие от «Вояджеров», эта миссия будет нести инструменты для исследования частиц всех видов внутри, вдоль и за пределами этой границы, включая ионизированную плазму, пыль, нейтральные атомы, энергетические частицы и космические лучи.
Критически важно, что запуск в конце 2030-х годов позволил бы космическому аппарату выйти из солнечной гелиосферы близко к “направлению тарана” в межзвездный ветер, а также разместить миссию достаточно далеко в сторону, чтобы увидеть глобальную структуру гелиосферы с помощью обнаружения энергичных нейтральных атомов. Последние наблюдения могли бы разрешить продолжающиеся споры о том, где гелиосфера имеет форму полумесяца или больше похожа на головастика, с хвостом, тянущимся вслед за Солнцем.
Далее миссия будет стремиться понять текущее положение нашей солнечной системы среди нескольких локальных межзвездных «облаков». Эти облака представляют собой области межзвездной среды, в которых немного больше пыли и газа (хотя они все еще более разрежены, чем лучший вакуум на Земле).
Тем не менее, облака, а также давление от близлежащих сверхновых влияют на размер и форму гелиосферы, иногда сжимая ее внутрь достаточно, чтобы снять часть ее защиты. В течение последних 60 000 лет Солнце пересекало одно облако, невообразимо названное Местным Межзвездным Облаком, но, возможно, оно находится на краю. Ожидается, что Солнечная система выйдет из этого облака всего через 2000 лет, и, возможно, она уже находится в контакте со следующим облаком. Космический аппарат будет использовать четыре 50-метровые радиоантенны для измерения электронной плотности плазмы, чтобы понять наше место среди этих облаков. Понимание их влияния на поток космических лучей имеет решающее значение для понимания их влияния на эволюцию жизни на Земле.
“Наша гелиосфера — единственная обитаемая астросфера, которую мы знаем сегодня”, — говорит Елена Проворникова (Университет Джона Хопкинса). ”Как он формируется, как он развивался в прошлом и будет развиваться в будущем во время своего путешествия по галактике, как эта эволюция влияет на обитаемость атмосферы и поверхности планет, еще предстоит выяснить с помощью миссии межзвездного зонда».
В дополнение к этой широкой основной цели является вспомогательная цель изучения объектов пояса Койпера на пути в попытке понять происхождение планет. В первоначальном отчете перечислены 10 кандидатов на пролет, в том числе 50000 Кваоар, 225088 Гонггонг и 90482 Орка.
Количество объектов, которых может достичь зонд, зависит от того, когда он запустится. Например, запуск в 2040 году выведет его на траекторию полета мимо Куаоара, далекого мира, который, похоже, быстро теряет летучие вещества. Это окно пролета также направило бы миссию к обширной ленте энергичных нейтральных атомов, пересекающих границу гелиосферы, как это было замечено Исследователем межзвездных границ НАСА (IBEX) в 2013году. Зонд мог бы обеспечить дополнительные виды, аналогичные взглядам IBEX и Ускорителя межзвездного картографирования (IMAP), с их позиций в 1 час ночи.
“Потенциальный облет небольшой карликовой планеты или объекта в поясе Койпера позволит исследовать мир, который никогда раньше не посещался, и обеспечит скачки в понимании разнообразия этих тел в Солнечной системе”, — говорит Проворникова.
Вторая вспомогательная цель заключалась бы в том, чтобы Межзвездный зонд выполнял астрофизические наблюдения, которые могут быть выполнены только за пределами Солнечной системы. Одним из ярких примеров является понимание образования галактик и звезд с помощью внегалактического фонового света. Этот рассеянный свет от неразрешенных звезд и галактик можно увидеть только за пределами затемняющих эффектов зодиакального света, создаваемого пылью во внутренней солнечной системе, рассеивающей солнечный свет. «Новые горизонты» уже провели наблюдения за этим фоном во время своего путешествия.
Для достижения этих целей миссия будет исследовать внутреннюю гелиосферу в период от 1 до 90 лет н. э. в течение первых 12 лет. Затем он войдет в гелиосферу, примерно от 90 до 120 а.е. (четыре года), прежде чем войти в межзвездную среду за пределами примерно 120 а.е. Ожидается, что миссия займет 50 лет, чтобы достичь 380 а.е. от Солнца. Для контекста, самый дальний космический корабль («Вояджер-1») в настоящее время находится на расстоянии 155 а.е. «Вояджер-2» (самый дальний действующий космический корабль) находится в 129 а.е.
Разработка миссии
Прогнозируемая стоимость миссии составляет 1,7 миллиарда долларов США (прогнозируется в 25 финансовых годах, с учетом затрат от проектирования до запуска, но не включая ракету), с дополнительными 230 миллионами долларов США за десятилетие для операций.
Как и другие космические аппараты, покидающие Солнечную систему, миссия будет включать пару многоцелевых радиоизотопных термоэлектрических генераторов (MMRTG) следующего поколения, работающих на плутонии-238, которые обеспечат десятилетия надежной энергии вдали от Солнца.
Миссия будет включать в себя несколько приборов для измерения свойств внешней солнечной системы и межзвездной среды, но окончательная полезная нагрузка миссии будет определяться окном запуска и последующими полетами. Для связи зонд будет использовать скоро обновленную сеть глубокого космоса до 70 а.е., прежде чем переключиться на сеть с очень большими массивами следующего поколения, как указано в недавнем десятилетнем обзоре астрономии и астрофизики, который должен обеспечить связь до 1000 а.е.
Следующим препятствием для миссии является Десятилетний обзор Солнечной и космической физики, который должен состояться в следующем году, который может выбрать Межзвездный зонд в качестве флагманской миссии. У Китая также есть план аналогичной Межзвездной экспресс-миссии или набора миссий, которые, возможно, начнутся уже в 2024 году.
Насколько сильно наша местная астросфера сформировала нашу местную галактическую среду и наш дом в ней? Учитывая захватывающие масштабы миссии Межзвездного зонда, мы, возможно, узнаем об этом к концу века.
