В краю гигантов: Сатурн, Юпитер и их луны

Но «Пионеры» и «Вояджеры» изучали Юпитер с Сатурном лишь на пролете. Это был отличный дебют — но всего лишь дебют. В NASA еще в 1960-х возникла идея создания корабля для длительной работы в системе Юпитера. В середине 1970-х одновременно в двух подразделениях NASA, Исследовательском центре имени Эймса и Лаборатории реактивного движения (JPL) в Пасадене, начали конструировать станции, способные не только дистанционно исследовать эту планету и ее спутники, но и выстрелить в ее атмосферу зонд, оснащенный измерительной аппаратурой. Поначалу проект назвали JOP (Jupiter Orbiter-with-Probe), но вскоре переименовали в честь Галилео Галилея, первооткрывателя четырех крупнейших юпитерианских спутников Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто (эти имена придумал немецкий астроном Симон Мариус, наблюдавший их немногим позже). 1 октября 1977 года Конгресс США утвердил проект Galileo, а спустя семь лет NASA полностью передало его под эгиду JPL.

Запуск Galileo состоялся 18 октября 1989 года. Это возможно было сделать гораздо раньше, но старт корабля неоднократно откладывали по техническим и политическим причинам. Окончательной датой был май 1986 года, но запуск был вновь отложен из-за гибели «Челленджера» 28 января. Galileo погрузили на специальный трейлер и перевезли с мыса Канаверал обратно в JPL для очередной переделки.

Отсрочки позволили модернизировать приборное оснащение корабля, особенно компьютеры (впрочем, 8-битные 1,6-МГц микропроцессоры RCA 1802 сейчас как-то не впечатляют). Более того, по всей вероятности, они спасли весь проект. Galileo был оборудован двенадцатью корректирующими двигателями тягой по 10 Ньютонов. За несколько месяцев до запуска выяснилось, что при непрерывной работе они сильно перегреваются и надежно функционируют лишь в импульсном режиме. Если бы этой информации не было, корабль имел немалые шансы разрушиться после первого маневра.

Сначала предполагалось, что после расстыковки с шаттлом Galileo включит разгонную ракету Centaur, которая давно и хорошо работала в блоке с ракетами Titan и Atlas. Однако начальство NASA испугалось, что этот жидкотопливный мотор взорвется, если запуск шаттла окажется нештатным. Вероятность подобного исхода была крайне мала, раньше ее не принимали в расчет, но после аварии «Челленджера» Galileo решили состыковать со сравнительно маломощным твердотопливным ускорителем тягой 400 ньютонов, специально изготовленным для этой цели корпорацией Boeing.

В отличие от Centaur, этот двигатель не мог отправить корабль в прямой тридцатимесячный полет к Юпитеру. Поэтому баллистики изобрели сложный маршрут, во время которого Galileo должен был трижды увеличивать свою кинетическую энергию с помощью гравитационного маневра. Ему предстояло набрать скорость около Венеры, второй раз произвести этот же маневр в поле тяготения родной планеты, уйти от нее к внутренней границе пояса астероидов, опять вернуться к Земле, разогнаться в третий раз и лишь после этого отправиться к Юпитеру. Получилась очень красивая, но очень сложная траектория: две замкнутые петли и гиперболическая дуга, направленная к цели путешествия, которое заняло целых пять лет вместо двух с половиной.

9 февраля 1990 года корабль пролетел мимо Венеры и отправил на Землю три ее фотоснимка. 8 декабря приблизился к Земле, «щелкнул» обратную сторону Луны и умчался на назначенное на 29 октября 1991 года рандеву с астероидом Гаспра. 8 декабря 1992 года вновь пролетел мимо Земли, опять пересек марсианскую орбиту, прошел сквозь астероидный пояс и направился к Юпитеру. Однако весной 1991 года программа полета едва не была сорвана.

Для связи с Землей Galileo был оснащен тремя радиоантеннами. Главная антенна высокого усиления, 5-метровая параболическая чаша, в момент старта была сложена, как зонтик. Ее предполагалось развернуть за орбитой Марса, а до этого пользоваться двумя небольшими антеннами низкого усиления. Команда на раскрытие была послана из Пасадены 8 апреля 1991 года, но два прута из восемнадцати, к которым крепился «зонтик», заклинились. Позднее выяснилось, что по пути из Пасадены на мыс Канаверал в 1989 году они потеряли смазку. Попытки раскрыть антенну растянулись на три с лишним года, но ни к чему не привели. В конце концов выход все же нашелся. Целой роте инженеров и программистов (130 человек!) удалось увеличить пропускную способность малых антенн с десяти бит в секунду почти до тысячи. По сравнению с возможностями основной антенны это было немного, но все-таки приемлемо.

Galileo начал подготовку к путешествию в середине лета 1995 года, когда от Юпитера его отделяло более 80 млн. км. 13 июля он отстыковал и отправил в самостоятельный путь спускаемый модуль, а через две недели включил тормозной двигатель. Если бы хоть одна из этих операций не была выполнена, корабль по гиперболе проскочил бы мимо Юпитера и ушел в глубокий космос. 11 октября Galileo впервые с расстояния в 30 млн. км сфотографировал Юпитер.

26 ноября 1995 года Galileo пересек границу магнитосферы Юпитера. 7 декабря спускаемый модуль нырнул вглубь атмосферы, раскрыл тормозной парашют, сбросил тепловой экран и отстрелил зонд, который передавал информацию почти час. Приемная антенна Galileo поймала его последний радиосигнал, когда зонд спустился на 200 км ниже первого облачного слоя. Там температура дошла до 150°С, а давление до 24 бар, и электроника отказала. По расчетам, зонд мог опуститься еще примерно на 300 км, где температура поднялась до 1500°C, и аппарат просто расплавился.

Измеренные величины давления и температуры верхних слоев юпитерианской атмосферы свидетельствовали о том, что в глубинах Юпитера скрыта мощная «топка». Вероятно, именно она создает в воздушном бассейне планеты перепады давления — они и служат причиной ураганов, скорость которых, как показал зонд, доходит до 700 км/ч.

Данные с зонда в целом подтвердили теоретические модели строения Юпитера. Почти наверняка он имеет небольшое каменное ядро, масса которого вдвое превышает земную. Оно заключено в толстую оболочку из жидкого электропроводящего металлического водорода, температура которой достигает десятков тысяч градусов, а давление — 2−3 млн. атмосфер. В этой внутренней оболочке циркулируют кольцевые электрические токи, благодаря которым Юпитер и обладает сильным магнитным полем (в 14 раз превышающим земное). Сверху лежит еще один слой жидкого водорода, сжатый меньшими давлениями и потому не обладающий металлическими свойствами. Водородный океан пронизывают мощные конвекционные течения, переносящие тепло из глубин в атмосферу.

Закончив дела на Юпитере, корабль занялся его лунами. «Вояджеры» показали, что Европа покрыта толстым (от 5 до 20 км) панцирем из водяного льда. Приборы Galileo определили, что под ним скрывается соленый океан глубиной до сотни километров, покрывающий всю поверхность спутника. Вода в нем не замерзает из-за приливных волн, порожденных тяготением Юпитера, Ио и Ганимеда. Это открытие породило предположения о возможности жизни на Европе, но пока это лишь домыслы. Что до структуры спутника, то, скорее всего, под океаном находится силикатная мантия, а под ней — богатое металлами ядро.

Ио и Ганимед структурно сходны с Европой, но жидкой воды там нет. Заключенный в 800-км ледяную оболочку Ганимед имеет даже собственное магнитное поле, чем не может похвастаться ни один планетный спутник. А вот поверхность Ио сильно нагрета. В среднем с каждого квадратного метра она ежесекундно излучает 2,5 ватта, больше, чем в самых активных вулканических зонах Земли. Есть там сернистые гейзеры высотой до 300 км, гигантские вулканы, заливающие лавой тысячи квадратных километров — в общем, настоящий ад. Феноменальный вулканизм Ио породил горы высотой в два Эвереста, самые высокие во всей Солнечной системе. Каллисто же, напротив, оказалась холодным каменно-ледяным шаром.

Galileo немного не дожил до 14 лет. На последнем маневре корабль направили в атмосферу Юпитера, и 21 сентября 2003 года он исчез, оставив о себе достойную память.

15 октября 1997 года был запущен Cassini, тоже детище JPL, но посложнее и подороже (Galileo стоил около $1,5 млрд., Cassini — чуть меньше $3,5 млрд.). Корабль назвали в честь астронома XVII века Джованни Кассини, основателя и первого директора Парижской обсерватории. Он первым заметил темную щель между кольцами Сатурна (сейчас она носит его имя), первым понял, что кольца состоят из мириад микроскопических спутников планеты, и первым наблюдал сатурнианские луны Япет, Рею, Тефию и Диону.

Не желая повторения неполадок c радиосвязью, NASA оснастило корабль фиксированной главной антенной диаметром 4 м. Поэтому Cassini запустили не на шаттле, а с помощью связки Titan-Centaur. Но даже таким способом невозможно было отправить шеститонный корабль прямиком к Сатурну. Cassini дважды разгонялся в окрестностях Венеры, потом набрал скорость около Земли, а в октябре 2000 года еще раз угодил в гравитационную катапульту, пролетая мимо Юпитера. Лишь 1 июля 2004 года настало время включать тормозной двигатель и становиться спутником Сатурна. 26 октября Cassini совершил первый пролет вблизи Титана на расстоянии всего 1200 км, а 25 декабря отстрелил к нему спускаемый аппарат. 14 января зонд вошел в атмосферу Титана и через 2,5 часа опустился на его поверхность. Huygens определил химический состав атмосферы Титана (98,4% азота, 1,6% метана и следы еще более десятка газов) и ее давление вблизи поверхности (свыше 1,5 атм).

Миссия Cassini рассчитана как минимум на четыре года. Около трех он уже отработал. Тем не менее все основные системы корабля функционируют штатно, и можно полагать, что программу продлят до 2012 года. Подводить ей итоги еще рано, хотя сделано уже немало. Cassini точно определил продолжительность сатурнианских суток (10 часов 47 минут 6 секунд), которые оказались на 8 минут короче, чем полагали ранее. Он обнаружил на поверхности Титана горы, метеоритные кратеры и низкотемпературные вулканы. В его северной полярной зоне радиолокатор Cassini выявил восемь десятков темных пятен диаметром от 3 до 70 км. Это могут быть озера из жидкого метана, который, испаряясь, порождает гигантские облака, орошающие поверхность Титана метановыми дождями. Заместитель руководителя проекта Cassini Линда Спилкер рассказала «ПМ», что считает эти сведения одним из самых фантастических результатов всей миссии. По ее словам, Титан во многом напоминает нашу планету — там есть и настоящая атмосфера, и горы, и реки, и даже нечто вроде морей. Вот только температура там даже на экваторе не поднимается выше -180°С.

Еще одно открытие Cassini — вулканическая активность на сатурнианском спутнике Энцеладе. Он покрыт коркой водяного льда с примесью двуокиси углерода, под которой скрывается каменистое ядро. Оказалось, что Энцелад принадлежит к немногочисленной группе тел Солнечной системы, обладающих геологически активными недрами. До сих пор подобные явления, помимо Земли, наблюдались лишь на Ио и Тритоне, самой крупной из лун Нептуна. Приборы Cassini обнаружили на ее поверхности мощные гейзеры, выбрасывающие в космос водяной пар, пыль и частицы льда. Это подтверждает старую гипотезу, в соответствии с которой Энцелад служит источником вещества для кольца Е.

Не исключено, что фонтаны Энцелада подпитываются из резервуаров под его поверхностью. Вода может сохранять там жидкое состояние благодаря приливному прогреву, как на Европе. Впрочем, это объяснение пока признают не все планетологи, существуют и конкурирующие модели.