Где они сейчас? Забытые космические зонды. По следам одной аномалии: загадка блуждающих спутников Пионер 10 космический корабль

С момента первых практических полетов ракет в космос, за пределы Земли было доставлено свыше 3 тысяч объектов различного назначения, и лишь 5 аппаратов направляются далеко за пределы Солнечной системы. Речь идет о легендарных зондах, совершивших в свое время, уникальные открытия в области астрономии. Аппараты: Вояджер 1 и 2, Пионер 10 и 11, Новые Горизонты. Им удалось во всех деталях показать нам миры с расстояния вытянутой руки, которые раньше представлялись нам мерцающими крошечными точками в небе. Мы отлично помним о совершенной ими титанической работе в прошлом, но по большей части мы совершенно не в курсе, где эти аппараты находятся сегодня, а ведь некоторые из них функционируют и передают данные до сих пор.

Пионер-10

Этот зонд полностью оправдывает свое название «Пионер». Запущенный в далеком 1972 году, он был первым во многом, но самым главным его достижением было преодоления силы гравитации , за счет маневра у .

Пионер-10 стал первым аппаратом, направившийся в межзвездное пространство, неся на своем борту первое «вещественное» послание внеземным цивилизациям.

Сегодня (зима 2017 года), Пионер 10 находиться на расстоянии 115 а. е. от Земли. Космическое агентство НАСА еще в середине 90-х годов потеряло всякий контроль над аппаратом, но ответный сигнал об активном состоянии бортового компьютера Пионера продолжал улавливаться на Земле еще вплоть до лета 2003 года.

Считается что и сейчас корабль имеет слабое питание компьютера, и исправный передатчик, но мощности сигнала радиостанции недостаточно чтобы даже самая большая антенна на Земле смогла его «услышать». Проще говоря, у Пионера-10 просто сели батарейки.

Пионер-11

Следующий аппарат, той же серии, был отправлен к , для изучения планеты, его колец и спутников. Корабль передал массу снимков не только Сатурна, но и транзитного для его полета — Юпитера. После чего, Пионер-11 был выброшен в открытый космос силами «гравитационной рогатки» планет гигантов.

Сейчас Пионер-11 находиться на расстоянии 105 а. е. от Земли. Последний успешный радиообмен с зондом был произведен в 1995 году, но из-за того, что передающая тарелка Пионера-11 со временем утратила точную ориентацию на Землю, дальнейшая передача сигнала стала невозможной. Как и Пионер-10, Пионер-11 скорей всего находиться в рабочем состоянии, и продолжает передавать слабый сигнал (отчет о работе бортового компьютера) мимо Земли за пределы солнечной системы.

Вояджер-1

Самый дальний от нашей планеты объект искусственного происхождения. Сейчас Вояджер-1 находиться на расстоянии 142 а. е. от Земли. Аппарат и сегодня имеет прямую связь с Землей, однако некоторая часть оборудования корабля за 38 лет полета вышла из строя, вполне возможно следствием этого могли стать мощные столкновения зонда с космической пылью.

Вояджер-1 настолько удалился от Солнца, что будь у него возможность оглянуться назад, и наше родное светило выглядело как яркая звезда, не дающая аппарату практически никакого тепла. Вояджер-1 сейчас находиться в практически полной темноте, температура за бортом приближается к температуре реликтового излучения и на данный момент составляет не более 12 Кельвинов. Хотя Вояджер-1 формально покинул известную нам Солнечную систему, однако на него все еще оказывает влияние гравитация Солнца, то есть аппарат может «встречается» с объектами, вращающимися вокруг Солнца. А вот микроскопическое вещество, окружающее Вояджер-1 уже, имеет мало общего с нашей Системой и является частью межзвездной среды – продуктом других звезд и газопылевых облаков.

Вояджер-2

Наверное, самый удачный космический зонд, который был отправлен человеком для изучения Солнечной системы. Вояджер посетил сразу 4 планеты, открыл множество новых объектов и с огромной скоростью вылетел за пределы системы Солнца.

Сейчас Вояджер-2 находится на расстоянии 120 а. е. от Земли. Его оборудование полностью исправно, хотя находиться в режиме пониженного потребления энергии бортовых реакторов. Примерно один раз в год, производиться сеанс связи с аппаратом. Вояджер-2 продолжает отвечать на любую команду с с задержкой сигнала более 23 часов. Ожидается, что до момента критического исчерпания уровня генерации тока, оба Вояджера еще около 10 лет смогут держать связь с Землей.

Для преодоления силы притяжения Солнца. «Пионер-10» был спроектирован и изготовлен в TRW Inc. Оператором миссии являлся исследовательский центр Эймса в Калифорнии.

«Пионер-10»
Pioneer 10
Пролет «Пионера-10» вблизи Юпитера в представлении художника
Заказчик	НАСА
Производитель	TRW Inc.
Оператор	Исследовательский центр Эймса
Задачи	Исследование внешних областей Солнечной системы и гелиосферы
Пролёт	Пояс астероидов , Юпитер
Стартовая площадка	База ВВС США на мысе Канаверал LC-36
Ракета-носитель	Атлас-Центавр
Запуск	март 3, 1972 (1972-03-03 ) 01:49:04 UTC
Длительность полёта	47 лет, 1 месяц, 10 дней
NSSDC ID	1972-012A
SCN
Технические характеристики
Масса	258 кг
Логотип миссии

Сайт проекта
«Пионер-10» на Викискладе

Конструкция

источник энергии -
отсек с электроникой.
связь с Землёй - через параболическую антенну диаметром 2,75 метра

Аппарат нёс следующие научные приборы:

анализатор плазмы ,
детектор заряженных частиц ,
комплект счетчиков Гейгера ,
детектор космического излучения ,
радиационный детектор, ультрафиолетовый фотометр ,
изображающий фотополяриметр,
инфракрасный радиометр ,
комплект для наблюдения метеорного вещества и комплект детекторов метеорных частиц.

Масса аппарата составляла 260 кг, в том числе 30 кг научных приборов; высота - 2,9 м, максимальный поперечный размер (диаметр отражателя остронаправленной антенны) - 2,75 м. Изображения, переданные аппаратом, имели небольшое разрешение, поскольку сняты они были не камерой, а фотополяриметром, который имел очень узкое поле зрения (0,03 градуса). Развёртка по одной координате происходила за счёт вращения космического аппарата, а по другой - за счёт движения его по орбите.

«Межзвездное письмо» «Пионера-10»

На корпусе аппарата была установлена анодированная пластинка из прочного алюминиевого сплава. Размеры пластинки 220х152 миллиметров. Автором рисунка является Карл Саган .

На пластине изображены:

молекула нейтрального водорода;
две человеческие фигуры, мужчины и женщины, на фоне контура аппарата;
относительное положение Солнца относительно центра Галактики и четырнадцати пульсаров ;
схематическое изображение Солнечной системы и траектория аппарата относительно планет.

Рисунок молекулы водорода показан состоящим из двух атомов с разным спином. Расстояние между центрами пропорционально длине волны излучения нейтрального водорода (21 сантиметр). Это число является масштабной линейкой для нахождения других линейных величин на пластинке. Рост людей на пластинке можно найти, умножив число 8 (в двоичном коде выгравировано рядом с фигурой женщины в квадратных скобках) на 21. Размеры аппарата на втором плане даны в том же масштабе.

Пятнадцать расходящихся из единой точки линий позволяет вычислить звезду, от которой прилетел аппарат, и время старта. Рядом с четырнадцатью линиями нанесен двоичный код, который указывает период пульсаров, находящихся в окрестностях Солнечной системы. Поскольку со временем период пульсаров увеличивается по известному закону, можно вычислить время запуска аппарата.

На схеме Солнечной системы рядом с планетами в двоичном виде указаны относительные расстояния от планеты до Солнца.

Критика послания

Многие символы на картинке могут оказаться непонятными иному разуму . В частности, такими символами могут стать квадратные скобки, обрамляющие двоичные числа, знак стрелы на траектории отлета «Пионера-10» и приветственно поднятая рука мужчины.

Приведут ли исследования отклонений« пионеров» от законов небесной механики к научной революции?

Ученые испытывают двойственное отношение к аномалиям, которые нередко возникают в ходе исследований. С одной стороны, они вызывают чувство настороженности, и это вполне понятно. Ведь по определению аномалия — это странное, необычное или уникальное событие, которое не поддается объяснению на основе общепринятых теорий. Поэтому ее появление — сигнал потенциальной опасности, который может означать, что какая-то область научного знания нуждается в корректировке, а то и полной перестройке. В то же время действительно нетривиальные аномалии обещают, а подчас и предвещают серьезные прорывы и потому создают шансы для исследователей, готовых побороться за лидерство на передовых рубежах своей науки. Неудивительно, что аномалия, открытая 13 лет назад, быстро получила немалую известность и все еще интригует специалистов и любителей научных загадок. Это так называемая аномалия «Пионеров» (The Pioneer Anomaly).

Космические близнецы

В начале 1970-х годов нашу планету покинули два совершенно одинаковых космических зонда, которым впервые в истории космонавтики предстояло затеряться в межзвездном пространстве. Их миссия заключалась в исследовании газовых планет-гигантов, куда еще не долетали космические аппараты. После выполнения основной задачи корабли должны были выйти на гиперболические траектории и покинуть Солнечную систему.

На случай встречи с внеземным разумом «Пионеры» укомплектованы позолоченными алюминиевыми пластинками с посланием от землян: координаты Солнца по отношению к 15 пульсарам, схема Солнечной системы, рисунок мужчины и женщины на фоне зонда и ключ для расшифровки — изображение перехода электрона атома водорода из одного состояния в другое.

Обе межпланетные станции были запущены в рамках американского проекта, начатого во второй половине 1950-х годов. В те времена все работы в области космонавтики велись под эгидой министерства обороны США — в частности, первый американский искусственный спутник Земли Explorer-1 был выведен на орбиту армейскими ракетчиками. Командование военно-воздушных сил, в свою очередь, санкционировало разработку и запуск космических аппаратов, способных достичь второй космической скорости и выйти за пределы земного тяготения. Случилось так, что имя для этих аппаратов предложил приписанный к ВВС специалист по организации выставок Стивен Салига. Он заметил, что служба общественных связей Армии США стала называть своих ракетчиков первопроходцами (pioneers) космического пространства. Салига порекомендовал использовать это слово в качестве названия космических кораблей ВВС — чтобы всем стало ясно, кто осуществляет самые дальние полеты. Так получилось, что новому семейству космических аппаратов было присвоено общее имя Pioneer, которое впоследствии сохранило и NASA. Первые запуски оказались неудачными, и только Pioneer 5, стартовавший 11 марта 1960 года, выполнил поставленную задачу по измерению магнитных полей, солнечного ветра и космических лучей в пространстве между Землей и Венерой.

«Пионеры», о которых пойдет речь, имели номера 10 и 11. Каждый нес по 11 научных инструментов и, естественно, аппаратуру для радиосвязи. Эти приборы питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, работающих на тепле, выделяющемся при распаде плутония-238. На каждом зонде было по четыре таких генератора, попарно укрепленных на выносных трехметровых штангах. Оба корабля вращались вокруг своих продольных осей таким образом, чтобы их параболические радиоантенны были все время направлены на Землю.

Межпланетные зонды Pioneer 10 и Pioneer 11 стали «первыми ласточками», отправленными в дальний космос. Основным пунктом их научной программы было изучение Юпитера, но в программу миссии Pioneer 11 в качестве эксперимента был включен гравитационный маневр в поле тяготения Юпитера и полет к Сатурну.

Pioneer 10 был запущен 2 марта 1972 года, его брат-близнец — 5 апреля 1973 года. Станции совершили запланированные пролеты мимо Юпитера, а Pioneer 11 в начале сентября 1979 года совершил также рандеву с Сатурном. Их бортовая аппаратура работала еще долгие годы после встречи с планетами. Pioneer 11 перестал выходить на связь в ноябре 1995 года, после того как удалился на 6,5 млрд километров от Солнца (43 а.е.). Сигналы с первого зонда поступали гораздо дольше, вплоть до 23 января 2003 года (к этому времени станция находилась в 82 а.е. от нашей планеты — то есть более чем в 12 млрд километров). В конце марта 2011 года, во время написания этой статьи, Pioneer 10 отдалился от Солнца на 103 а.е., а Pioneer 11 — на 83 а.е. (разумеется, эти оценки основаны исключительно на расчете траекторий — обе станции с Земли уже давно ненаблюдаемы). Они мчатся в противоположные стороны — Pioneer 10 стремится к периферии нашей Галактики, а Pioneer 11 — к ее центру.

Странные силы

Первые годы зонды двигались в строгом соответствии с расчетами, но впоследствии возникли странности — сами по себе ничтожные, но необъяснимые. Анализ радиометрических данных (это были доплеровские сдвиги длин волн приходящих от кораблей сигналов) показал, что они удаляются от центра Солнечной системы чуть-чуть медленней, чем полагается по законам небесной механики. Создавалось впечатление, что на зонды действует не только солнечное и планетарное тяготение, но и еще какая-то очень слабая сила, ориентированная в сторону Солнца и потому создающая ускорение в этом же направлении. Величина этого ускорения была не то что малой, но совершенно ничтожной, меньше 10 -9 м/с 2 . Эти аберрации, называемые теперь аномалией «Пионеров», впервые заметили в 1980 году, когда расстояние между Pioneer 10 и Солнцем достигло 20 а.е. (Pioneer 11 обнаружил их при удалении от Солнца всего на 15 а.е.).

Движение станций отслеживали сотрудники знаменитой Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), аффилированной с Калифорнийским технологическим институтом. Они убедили руководство NASA санкционировать исследовательскую программу для изучения обнаруженной аномалии. Осуществление этой программы началось в 1995 году в партнерстве с частной калифорнийской фирмой Aerospace Corporation. Через три года участники проекта опубликовали первый отчет, основанный на радиометрических данных, полученных от Pioneer 10 в 1987—1995 годах и от Pioneer 11 до октября 1990 года. Результаты свидетельствовали, что величина аномального ускорения обеих станций почти одинакова и приблизительно равна 8х10−10 м/с2. И было совсем уж странно, что величина этого ускорения практически не изменилась, несмотря на то что за время наблюдения каждый из зондов вдвое увеличил свою дистанцию от Солнца.

Сотрудники Лаборатории реактивного движения и дальше продолжали заниматься аномалией «Пионеров». В 2002 году был опубликован еще один отчет, подтвердивший прежние выводы. Авторы пришли к заключению, что наиболее правдоподобная оценка загадочного ускорения обоих кораблей составляет (8,74±1,33)х10 -10 м/с 2 . Ученые не смогли объяснить эту аномалию ни одной из известных физических причин. Ее не удавалось списать ни на давление солнечного света, ни на удары частиц солнечного ветра. Эти механизмы создают чрезвычайно слабые силовые воздействия, к тому же направленные от Солнца, а не к Солнцу. Точно так же не помогал ни учет торможения корабля частицами космической пыли, ни притяжение трансплутоновых космических тел, составляющих пояс Койпера.

На графике показано очень небольшое аномальное ускорение межпланетных зондов Pioneer 10 и Pioneer 11 по мере их удаления от Солнца.

Поскольку апробированная физика явно не сработала, не было недостатка в экзотических моделях. Аномалию «Пионеров» не раз пытались приписать влиянию темной материи, а также истолковывали как указание на необходимость внесения поправок в теорию тяготения — и в ньютоновскую, и в эйнштейновскую. Эту аномалию даже пробовали объяснить с помощью космологических эффектов, связанных с расширением Вселенной. В общем, гипотез возникло множество, но объяснения аномалии до сих пор как не было, так и нет.

Данные для Pioneer 10 и Pioneer 11

Расстояние от Солнца (а.е.) 103,188; 83,132
Скорость относительно Солнца (км/с) 12,060; 11,412
Скорость относительно Солнца (а.е./год) 2,544; 2,407
Небесная широта 3,0°; 14,3°
Склонение (эпохи 2000 г.) 25,84°; -8,59°
Прямое восхождение (эпохи 2000 г.) 5,088 часа; 18,762 часа
Курс на созвездие Телец; Щит
Расстояние от Земли (а.е) 103,926; 82,739
Расстояние от Земли (световые часы) 14,41; 11,47
Звездная величина Солнца с космического аппарата -16,6; -17,1
Дата запуска 3 марта 1972; 6 апреля 1973

Изучение архивов

За последние несколько лет исследователи в Лаборатории реактивного движения произвели детальнейший анализ огромного массива информации, имеющей отношение к движению «Пионеров». Окончательных выводов еще нет, но многое стало яснее. Об этом «Популярной механике» рассказал руководитель группы по изучению аномалии «Пионеров» Вячеслав Турышев.

Аномалии и научные революции

Аномалии возникают и в экспериментах, и в теории. К примеру, в конце XIX столетия физики обнаружили неизвестные и, главное, не предсказанные ранее излучения — рентгеновские лучи, альфа-, бета- и гамма-частицы. Эти открытия вполне заслуженно были восприняты как серьезные аномалии, а сейчас любой школьник знает, какое влияние они оказали на научный прогресс.
А вот еще пример из того же времени. В апреле 1900 года знаменитый физик Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул лорда Кельвина, прочел в лондонском Королевском институте лекцию «Тучи над динамической теорией тепла и света, унаследованные от XIX столетия». Речь велась именно об аномалиях — и каких! Одну из них Кельвин усмотрел в итогах оптического эксперимента, выполненного в 1887 году американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. С помощью интерферометра они пытались обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, в котором, как тогда считали, распространяется свет и прочие электромагнитные волны. Однако результат оказался нулевым. Другое затруднение, также отмеченное Кельвином, относилось к кинетической теории газов, разработанной еще в середине XIX столетия. Она позволяла вычислять отношение теплоемкостей газов, определенных при постоянном объеме и постоянном давлении. Эксперимент показал, что для газов, состоящих из двухатомных молекул, такое отношение равно 1,4. Теория допускала этот результат при условии, что молекулы абсолютно жесткие, а это противоречило данным об их оптических спектрах. Окончательно объяснить первую аномалию смогла только эйнштейновская теория относительности, а вторая получила объяснение лишь после создания квантовой механики.
Естественно, многие научные аномалии оказываются пустышками, возникшими из-за элементарных ошибок эксперимента или неадекватной интерпретации результатов. Так, в 1903 году весьма уважаемый французский физик-экспериментатор Рене Блондло поразил научный мир сообщением, что газоразрядные трубки испускают ранее неизвестное проникающее излучение, не предусмотренное законами физики. У него нашлись десятки сторонников, которые опубликовали более трех сотен статей в подтверждение «открытия». Однако через пару лет физики пришли к выводу, что «N-лучей» Блондло попросту не существует, так что эта аномалия оказалась хоть и сенсационной, но короткоживущей. Кроме того, даже истинные аномалии чаще всего свидетельствуют о неполадках местного значения и вовсе не становятся прелюдией научных революций.

Для начала имеет смысл вспомнить о двух классических аномалиях из истории исследования Солнечной системы. Примерно к 1840 году астрономы заметили, что движение Урана по небесной сфере немного отличается от траектории, рассчитанной на основании законов небесной механики. Когда эта аномалия сделалась очевидной, ей начали искать объяснения. Одни астрономы утверждали, что орбиту Урана искажает притяжение пока что не открытой планеты, расположенной еще дальше от Солнца. Другие предлагали более радикальное решение — ньютоновский закон всемирного тяготения нуждается в поправках. Как известно, правы были первые, а вторые ошибались. Об этом свидетельствует сделанное в 1846 году открытие Нептуна, заранее вычисленного французом Урбеном Леверье и англичанином Джоном Адамсом.

Вторая аномалия исчезла совсем иначе. Примерно в те же годы астрономы убедились, что Меркурий тоже ведет себя несколько «не по правилам». Для интерпретации расхождений между наблюдениями и вычислениями тот же Леверье в 1855 году выдвинул гипотезу о существовании одного или нескольких небесных тел, обращающихся вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия и практически полностью скрытых от земных наблюдателей солнечным сиянием. Эта версия оказалась ошибочной, и меркурианскую аномалию удалось полностью объяснить лишь с помощью релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном.

«Таким образом, две очень похожие аномалии разрешились полярным образом, — говорит Турышев. — Фундаментальная теория, в контексте которой проявились аберрации движения Урана (конкретно — ньютоновская небесная механика), была оставлена без изменений, а сами аберрации удалось связать с неизвестным ранее внешним фактором — притяжением трансурановой планеты. Во втором случае все произошло ровно наоборот — неучтенные внешние помехи не обнаружились, а ньютоновская теория тяготения уступила эйнштейновской. Возникает вопрос: по какой схеме разрешится аномалия ‘Пионеров"? Нашей группе за последние годы удалось собрать воедино практически всю доступную информацию по обоим кораблям. Сюда входят и навигационные данные со станций слежения, и телеметрия с бортовой аппаратуры. Общий объем накопленных сведений по Pioneer 10 в два с половиной раза больше первоначально использовавшегося массива. А по Pioneer 11 таких данных больше в десять раз. Поэтому теперь можно с еще большей уверенностью, нежели в прошлом, утверждать, что аномалия действительно имеет место и что она практически одинакова для обоих зондов».

Объяснение на 70%

В этом, конечно, нет ничего принципиально нового, но группе Турышева удалось сделать гораздо больше. Станции могли общаться с Землей, поскольку на них работали радиоизотопные генераторы, от которых питалась вся бортовая аппаратура. Естественно, что эти приборы выделяли тепло, которое уходило в космос в виде инфракрасного излучения. Кроме того, корабли нагревались солнечным светом и опять-таки переизлучали тепло в пространство, хотя за орбитой Сатурна этот эффект был малозначимым. Исследователям из Лаборатории реактивного движения удалось построить и просчитать математическую модель этих тепловых потоков. Очень важно, что она максимально учитывает конкретную архитектуру каждого зонда и поэтому дает возможность достоверно судить, как именно он отдает тепловую энергию.

Что же из этого получилось? Станции были стабилизированы вращением вокруг продольной оси. Тепло, которое излучалось перпендикулярно этой оси — так сказать, с боковой поверхности, — из-за вращения рассеивалось во все стороны и на движение зондов не влияло. А вот фотоны, которые уходили вдоль оси, все время сохраняли направление и поэтому создавали отдачу, которая уже могла отразиться на скорости. Один конец этой оси был направлен на внутреннюю область Солнечной системы, то есть фактически на Солнце, а другой — на ее периферию. Расчеты показали, что тепловые фотоны создавали чуть большую отдачу в сторону Солнца, нежели в противоположном направлении. Это и означает, что инфракрасное излучение зондов породило очень слабую силу, подталкивающую корабли к Солнцу.

Но почему величина аномалии была почти одинаковой за все время наблюдений, хотя мощность генераторов постепенно ослабевала из-за распада плутония? Дело в том, что бортовые приборы работали в ступенчатом режиме и с течением времени все чаще и чаще отключались. Генераторы давали все меньше энергии, однако все большая и большая часть ее расходовалась не на работу аппаратуры, а на пассивный прогрев кораблей. Поэтому и получилось, что за время наблюдений аномальное ускорение оказалось относительно стабильным.

«А теперь перейдем к самому интересному, — продолжает Вячеслав Турышев. — Наша модель объясняет это ускорение, но не полностью, а лишь примерно на 70%. Что делать с остатком, пока не ясно. Необъясненная часть составляет примерно 2х10−10 м/с2. Интересно, что именно эту величину дают вычисления, сделанные на основании так называемой модифицированной ньютоновской динамики (Modified Newtonian Dynamics, сокращенно MOND), предложенной в 1983 году израильским физиком Мордехаем Мильгромом. Эта теория утверждает, что ньютоновская механика нуждается в поправках в тех случаях, когда она имеет дело с телами, движущимися с чрезвычайно малым ускорением. Конечно, это может быть простым совпадением, но весьма вероятно, что энтузиасты этой теории отнесутся к нашим результатам как к аргументу в ее поддержку. Сам я склонен считать, что за этот остаток несут ответственность какие-то пока не учтенные, но не такие уж экзотические причины. Впрочем, время покажет».

Итак, аномалия «Пионеров» в основном объяснена. Но все же не закрыта. Быть может, с ней удастся окончательно справиться, не привлекая никакой новой физики, однако не исключено, что ее дальнейшее изучение принесет ученым подлинные сюрпризы. В общем, продолжение следует.

«Пионер 10» - это уникальный космический аппарат разработки НАСА, который обходится без управления человеком. Его масса составляла 260 килограмм, а высота 2,9 - метра. Предназначался он для детального изучения .

"Пионер-10"

Этот аппарат свое название «Пионер» оправдывает на все сто процентов, ведь это первый космический аппарат, который пролетел возле Юпитера настолько близко, что удалось сфотографировать планету. Немного позже он перестал быть единственным, так как появился практически его близнец - «Пионер-11» , который был создан для .

Впервые «Пионер-10» вышел в космос на носителе «Атлас-Центавр» 2-го марта в 1972 году. А уже в 1973 году аппарат в первый раз пересек астероидный пояс. Исследовал парочку астероидов и выявил пылевой пояс около Юпитера. Благодаря тому, что «Пионер-10» пролетел на расстоянии всего лишь 132 тысячи километров от облаков планеты, удалось узнать множество новых фактов о Юпитере. Была установлена точная масса планеты, измерено ее магнитное поле, проведен анализ состава атмосферы, а также было обнаружено, что количество получаемой энергии от Солнца в 2,5 раза уступает общему тепловому потоку Юпитера. «Пионер-10» был полезен не только в исследовании Юпитера, но и его спутников. Для четырех самых крупных «попутчиков» была установлена плотность.

«Межзвездное письмо» «Пионера-10»

На корпусе «Пионера-10» (а позже и «Пионера-11») была установлена пластинка, анодированная золотом алюминия, размером 220 на 152 миллиметра с символистическими данными о человеке, планете Земля и о ее расположении. Автором рисунка женщины и мужчины выступила первая жена Карла Сагана - Линда Саган.

На пластинке были изображены: человеческие фигуры в виде мужчины и женщины, два базовых состояния атома водорода, Солнце и его положение относительно центра Галактики и расстояние до ближайших четырнадцати пульсаров, схематически изображена Солнечная система.

Судьба аппарата

В дальнейшем маршрут «Пионера-10» был довольно насыщенным: в 1976 году пересек , в 1979 году была пересечена орбита Урана, в 1983 году 25-го апреля аппарат прошел орбиту Плутона, который был ближе к Солнцу, чем Нептун. В 1983 году 13-го июня станция пересекла орбиту самой отдаленной в Солнечной системе планеты - Нептуна.

Официальной датой прекращения миссии «Пионера-10» стало 31-е марта 1997 года. На то время он находился от Солнца на расстоянии 67 а.е., но при этом продолжал передавать данные. Последняя информация от аппарата была получена в 2002 году, и с тех пор стоящие сигналы с «Пионера-10» уловить не удавалось. На 2009 год расстояние от Солнца увеличилось до 100 а.е.

17-го февраля 1998 года «Пионер-10» прекратил быть самым отдаленным от планеты Земля космическим аппаратом, его «обошел» «Вояджер-1».

Отдалившись очень далеко от орбиты Нептуна, станция «Пионер-10» стала крайне медленно притормаживать под влиянием силы неизвестного происхождения. Впоследствии это явление было наречено «эффектом Пионера». После многих предположений и доводов было установлено, что причиной ускорения стало ассиметричное тепловое излучение «Пионера-10».

В последний раз был получен тихий сигнал от «Пионера-10» 23-го января 2003 года. На то время он находился в 80 а.е. (12 миллиардах километров) от Земли. Имеется информация, что он устремлен в сторону Альдебарана. Есть мнение, что он достигнет этой звезды через пару миллионов лет, если же, конечно, с ним ничего не произойдет.

"Пионер-10" - беспилотный космический аппарат НАСА, предназначенный, главным образом, для изучения Юпитера. Это был первый аппарат, пролетевший мимо Юпитера и сфотографировавший его из космоса.

Масса аппарата составляла 260 кг, в том числе 30 кг научных приборов; высота - 2,9 м, максимальный поперечный размер (диаметр отражателя стронаправленной антенны) - 2,75 м.

В качестве источника питания были выбраны четыре радиоизотопных генератора (РИГ) SNAP-19 на плутонии-238, изготовленные компанией Teledyne Isotopes из топливных дисков Лос-Аламосской лаборатории, с суммарной мощностью 155 Вт в начале полета и 140 Вт к моменту прилета к Юпитеру. Для питания систем КА было нужно 100 Вт, для научной аппаратуры - еще 26 Вт. Избытком мощности заряжали серебряно-кадмиевую аккумуляторную батарею либо излучали его через радиатор. Чтобы РИГ создавали как можно меньшие помехи научной аппаратуре, их установили на концах двух штанг, отводимых в сторону от корпуса на 3 м после отделения КА от носителя. На третьей штанге длиной 6.6 м разместили датчик магнитометра.

Система ориентации и стабилизации включала датчик звезды Канопус и два солнечных датчика в качестве измерительных средств. Из шести сопел два смотрели вдоль оси КА вниз, два вверх и два - по касательной к окружности антенны LGA. Никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе бортовые ЭВМ к моменту создания КА Pioneer 10 уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера автоматически означало необходимость выдачи с Земли большого количества команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, считать таковым радиообмен с Юпитером: 45 минут "туда", 45 "обратно".

На космический корабль была установлена параболическая антенна диаметром 2.74 метров и глубиной 46 см.

Герметичная камера аппарата представляла собой шестигранник глубиной 36 см, каждая сторона которого 71 см в длину. К каждой стороне был присоединен модуль, предназначенный для определенного научного эксперимента.

Так же были установлены:

Антенна с высоким коэффициентом усиления;
- антенна со средним коэффициентом усиления;
- всенаправленная антенна;

Радиосистема КА включала, помимо трех упомянутых антенн, два передатчика мощностью 8 Вт на лампах бегущей волны с частотой 2292 МГц (диапазон S) и два приемника на частоте 2110 МГц. Любой передатчик можно было подключить к антенне HGA либо к паре MGA/LGA. Бортовой блок цифровой телеметрии мог готовить данные в 13 разных форматах (с возможностью определения и коррекции сбойных битов) для сброса со скоростью от 16 до 2048 бит/с. Самая высокая скорость предназначалась для начального этапа полета при приеме на 26-метровую антенну; прием от Юпитера велся уже на 64-метровую антенну со скоростью 1024 бит/с. Для временного хранения информации на борту служило запоминающее устройство емкостью 49152 бит.

По командной радиолинии со скоростью 1 бит/с можно было передать 222 разных команды - из низ 149 для управления системами КА и 73 для управления научной аппаратурой. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой команды и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Поэтому аппарат имел и программную память - на пять команд, которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Чтобы обеспечить заданную продолжительность работы КА - 21 месяц, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе.

15 февраля 1973 г., на расстоянии 3.7 а.е. от Солнца, Pioneer 10 вышел из пояса астероидов неповрежденным и приблизился к Юпитеру.

В гравитационном поле газового гиганта станция получила скорость, достаточную для ухода из Солнечной системы. В результате в феврале 1976 г. Pioneer 10 пересек орбиту Сатурна, 11 июля 1979 г. - орбиту Урана и 13 июня 1983 г. - орбиту Нептуна в 30.28 а.е. от Солнца, все еще имея скорость 13.66 км/с. За следующие 20 лет аппарат ушел еще на 50 а.е., продолжая измерения космических лучей и солнечного ветра в той области, что сейчас известна как пояс Койпера.

Различные эксперименты проводились до тех пор пока не отказывало оборудование и пока хватало мощности аппарата. В 1989 году был разработан план экономии энергии на Пионере 10, в соответствии с которым приборы для научных экспериментов работали по определенной программе - то отключались, то заново запускались.

Детектор астероидов и метеоритов прекратил работу в 1973, вслед за ним гелиевый векторный магнитометр в ноябре 1975 и инфракрасный радиометр в январе 1974. Детектор метеоритов был выключен в октябре 1980 из-за выхода из строя датчика низких температур. Сенсоры солнечного света пришли в негодность в мае 1986. Фотополяриметр был отключен в октябре 1993 в целях сохранения энергии. Приемник радиоактивных частиц и анализатор плазмы были выключены в ноябре 1993 и сентябре 1995 по той же причине.
В январе 1996 оставшуюся мощность разделили между приемником заряженных частиц (CPI), корпускулярный телескопом (CRT), телескопа Geiger Tube Telescope (GTT) (во время старта мощность генераторов составляла 155 Вт, а теперь она снизилась до 65 Вт) и ультрафиолетовым фотометром.
В августе 2000 года только GTT все еще передавал данные. Правда в дальнейшем телескоп был отключен, чтобы сэкономить энергию для включения двигателей системы ориентации во время предстоящей коррекции траектории.
Ранее было объявлено, что корректировка прошла успешно, однако недавно выяснилось, что зонд не выполнил посланную команду.

Достаточно далеко вылетев за пределы орбиты Плутона, начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую очень слабое торможение. Данное явление было названо "эффектом Пионера". Высказывалось много предположений, вплоть до неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Некоторые говорят просто о систематической ошибке измерения.

Исследование Юпитера

В 1973 и 1974 мимо Юпитера прошли "Пионер-10" и "Пионер-11" на расстоянии (от облаков) 132 тыс. км и 43 тыс. км соответственно. В 1973 "Пионер-10" впервые пересек пояс астероидов, исследовав два астероида и обнаружив пылевой пояс ближе к Юпитеру. В декабре 1973 аппарат пролетел на расстоянии 132 тыс. км от облаков Юпитера. Были получены данные о составе атмосферы Юпитера, уточнена масса планеты, измерено её магнитное поле, а также установлено, что общий тепловой поток от Юпитера в 2,5 раза превышает энергию, получаемую планетой от Солнца.

Помимо Большого Красного Пятна, размеры которого превышают диаметр нашей планеты, обнаружено белое пятно поперечником более 10 тыс км. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего облчного покрова составляет 133 K (-140 C). Было обнаружено также, что Юпитер излучает в 1,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца.

Притяжение Юпитера сильно изменило траекторию полета аппарата. "Pioneer 10" стал двигаться по касательной к орбите Юпитера, удаляясь от Земли почти по прямой. Интересно, что шлейф магнитосферы Юпитера был обнаружен за пределами орбиты Сатурна.

"Пионер-10" также позволил уточнить плотность 4-х крупнейших спутников Юпитера.

Аппарат передал несколько сот снимков (невысокого разрешения) планеты и галилеевых спутников.
"Пионер 10" обнаружил интенсивное излучение, исходящее от Юпитера, огромное магнитное поле, предполагающее наличие проводящей ток жидкости в недрах планеты.
Радиоизмерения указывали высоту ионосферы спутника Ио от 50 до 100 км над поверхностью. Никто не предполагал увидеть ее на высоте 900 км над Ио. Различия между показаниями Пионера и Галилео указывают на то, что атмосфера и ионосфера Ио изменяются в зависимости от вулканической активности Ио. Гравитационное поле Ио, видимо, позволяет невидимому газу, выброшенному из вулканов, достигать чрезвычайных высот по сравнению с низкими высотами, достигаемыми пылью и другими вулканическими выбросами, которые отражают солнечный свет и могут быть видны на фотографиях.
"Пионер-10" и "Пионер-11" сфотографировали Ганимеда с близкого расстояния, причём были обнаружены устойчивые тёмные и светло-зеленые образования. Увеличение концентрации астероидных частиц было замечено лишь однажды - в течение недели на отметке 2.7 а.е. от Солнца, а в среднем их количество оказалось намного меньше ожидаемого: если за март-июнь в датчики КА попала 41 пылевая частица,то за июнь-октябрь 1972 г. - 42. Pioneer 10 доказал, что пояс астероидов практической опасности не представляет; зато он обнаружил пылевой пояс значительно ближе к Юпитеру. 6 ноября с расстояния 25 млн км начались опытные съемки Юпитера фотополяриметром, а 8 ноября станция пересекла орбиту Синопе, самого далекого спутника планеты. Начался 60-суточный период пролета, за время которого на борт было передано около 16000 команд. 26 ноября аппарат пересек ударную волну на границе магнитосферы Юпитера (вдвое снизилась скорость солнечного ветра, в 10 раз подскочила энергия частиц), а 27 ноября прошел магнитопаузу. 29 ноября он миновал все внешние спутники и вступил во внутреннюю область системы Юпитера.

Регулярная съемка Юпитера началась 26 ноября. Специальная наземная система преобразовывала отдельные сканы фотополяриметра IPP, полученные при вращении аппарата, в серию снимков планеты. Они приходили в двух цветовых диапазонах - синем и красном, из которых сначала искусственно синтезировался "зеленый" кадр, а затем цветной снимок. Изображения, принятые в течение суток до пролета и суток после него, были более детальными, чем доступные с земных елескопов. Всего с борта было принято более 500 снимков. Чтобы во время пролета обезопасить аппарат от выполнения случайных команд, вызванных радиацией вблизи Юпитера, на борт раз в несколько минут отправлялась "лечебная" посылка; кроме того, спец командная последовательность немедленно восстанавливала работу фотополяриметра в случае сбоя. Такие сбои начались на расстоянии в 9 радиусов планеты и произошли 10 раз; были потеряны несколько близких планов Юпитера и единственный запланированный кадр Ио. Не будь этого сбоя, вулканы Ио могли быть обнаружены на 7 лет раньше!

Последний снимок Юпитера на подлете Pioneer 10 сделал с расстояния 203000 км, а первый на отлете - удалившись уже на 504000 км. Станция также провела съемку Европы и Ганимеда, хотя и с невысоким разрешением. В ходе радиозатмения Ио было обнаружено, что этот спутник имеет слабую атмосферу высотой до 115 км и ионосферу, простирающуюся на 700 км, а вдоль орбиты Ио имеется водородное облако. Аппарат провел первые прямые измерения магнитного поля Юпитера, характеристик заряженных частиц, составил тепловую карту планеты, определил состав верхней атмосферы. Планета оказалась чуть тяжелее, чем давали астрономические расчеты, примерно на массу земной Луны, и Pioneer 10 пришел к цели на минуту раньше расчетного времени. 4 декабря 1973 г. в 02:25 UTC станция прошла на высоте 132252 км над границей облаков Юпитера на фантастической скорости - 36.7 км/с. Высота пролета была выбрана с целью разведки радиационной обстановки.

Было проведено 15 экспериментов для изучения межпланетных и планетарных магнитных полей, параметров солнечного ветра, космических лучей, переходную область гелиосферы, области нейтрального [неионизированного] водорода, распределения масс, размеров, потоков и скорости частиц пыли, полярных сияний и радиоизлучений Юпитера, атмосферы планеты и ее спутников, в особенности Ио. Было получено много фотографий Юпитера и его спутников.