Pioneer 10. Перший міжзоряний зонд землян

Зонд Pioneer 10 став першим об’єктом, створеним людьми, який перетнув Головний пояс астероїдів. Потім він же став першим зондом, що досяг Юпітера, перетнув орбіти усіх зовнішніх планет і, зрештою, першим, що отримав швидкість, яка дозволила йому залишити зону тяжіння Сонця й отримати статус першого міжзоряного космічного апарата.

Створення Pioneer 10

43 роки тому, 13 червня 1983-го, створений людиною штучний об’єкт вперше перетнув орбіту Нептуна і заглибився у таємничі зовнішні області Сонячної системи. Ним став американський зонд Pioneer 10, який на той момент подорожував у космосі вже 12 років.

До початку 1970-х людство вже встигло запустити в космос перший штучний супутник, першу людину, розпочати та завершити місячні перегони й навіть вивести супутник на орбіту іншої планети, здійснивши м’яку посадку на її поверхню.

Проте всі ці польоти відбувалися лише в межах орбіти Юпітера. До того часу жоден зонд не перетинав навіть Головного поясу астероїдів, а те, що це безпечно, було відомо лише теоретично.

Проте на той момент у NASA вже був план дослідження  найвіддаленіших куточків Сонячної системи. І першим кроком на цьому шляху мав стати близький проліт біля Юпітера. Ще з 1958 року США запускали в космос серію автоматичних зондів Pioneer, і у 1964-му інженери вирішили, що 10 та 11 апарати цієї серії мають бути спеціально спроєктовані для дослідження найбільшої планети Сонячної системи.

Запуск космічного апарата міг завершитися катастрофою ще на старті. Саме тому їх відправляли в космос парами, аби підвищити шанс, що хоча б один завершить свою місію. У випадку із Mariner 8 та 9 це цілком себе виправдало. Тож і для Pioneer 10 та 11 обрали те саме рішення. Вікна для їхнього старту відкривалися у 1972 та 1973 роках із різницею у 13 місяців.

Конструкція Pioneer 10

Pioneer 10 та його брат-близнюк були достатньо простими. Їхню основу складав схожий на шестигранну гайку контейнер, всередині якого містилася система керування та частина приладів. До нього чіплялася гігантська параболічна антена діаметром 2,7 м. Вона мала забезпечувати перший в історії обмін даними, який відбувався на відстані понад 3 а.о.

Саме наукове обладнання було представлене тривісним магнітометром, аналізатором плазми, детекторами космічних променів та заряджених частинок, набором лічильників Гейгера, детектором мікрометеоритів, відеодетектором астероїдів (по суті, примітивна камера), ультрафіолетовим фотометром, сканувальним поляриметром та  інфрачервоним радіометром.

Усе це було потрібно Pioneer 10 для того, аби вивчити радіаційну ситуацію поблизу від Юпітера і просто у міжпланетному просторі.

Інформація мала передаватися на Землю завдяки гігантській антені. Однак її все ще треба було спрямовувати у бік нашої планети. Робилося це все завдяки чотирьом маневровим двигунам. Працювали вони на гідразині, що використовувався як однокомпонентне паливо. Запас палива на борту становив 36 кг.

Однак науковому обладнанню була необхідна електрика. І нею космічний апарат, який мав працювати далеко від Сонця, забезпечувався радіоізотопним термоелектрогенератором (РІТЕГ). Принцип його роботи полягав у тому, що радіоактивний матеріал під дією самоплинної реакції розігрівався і разом із собою нагрівав термоелементи, які  виробляли струм.

Початок подорожі Pioneer 10

Pioneer 10 стартував 3 березня 1972 року за допомогою ракети Atlas-Centaur. Три її ступеня змогли розігнати апарат до 51 682 км/год. Це зробило його найшвидшим на той момент апаратом, створеним людиною.

Антену зонд розгорнув майже одразу після відстикування розгінного блоку, а ось наукове обладнання увімкнули тільки після двох днів польоту. За цей час Pioneer 10 встиг вийти далеко за межі орбіти Місяця.

Його завданнями стали фотометрія Юпітера та вивчення зодіакального світла. З першим все зрозуміло — вченим хотілося знати, наскільки добре апарат «бачить» свою основну мету польоту. А ось друге потребує додаткового пояснення.

Зодіакальним світлом називають слабке світіння неба, яке можна спостерігати після заходу або перед сходом Сонця. Воно виникає через розсіювання сонячного світла на дрібних частинках міжпланетного пилу, що заповнюють внутрішню частину Сонячної системи. Через перспективу світіння зазвичай має вигляд трикутника, конуса або клина, спрямованого від горизонту вгору. Назва пов’язана із зодіаком, оскільки світіння простягається вздовж площини екліптики, де розташовані зодіакальні сузір’я.

На початок 1970-х астрономи вже розуміли, що джерелом зодіакального світла є хмара дрібного пилу, розсіяного навколо Сонця поблизу площини екліптики. На своєму шляху до Юпітера Pioneer 10 досліджував цей пил, а також космічні промені, сонячний вітер й потоки міжзоряних частинок. Отримані дані переконливо показали, що міжпланетний простір являє собою складне середовище, заповнене частинками речовини та полями. Зокрема, саме цей зонд вперше зареєстрував нейтральні атоми гелію міжзоряного походження, які потрапляли в Сонячну систему.

А в серпні того ж року  Pioneer 10, який на той момент перебував на відстані 2,2 а.о. від Сонця, пережив дуже драматичну подію. Сонце видало цілу серію потужних спалахів. На Землі вони спричинили перебої зі зв’язком, вихід з ладу електричних мереж і навіть вибухи морських мін. Космічний апарат зафіксував це як справжню вибухову хвилю, що наздогнала його в польоті.

А ось чого Pioneer 10 взагалі не відчув, так це  прольоту через Головний пояс астероїдів. Він став першим апаратом, що увійшов до нього 15 липня 1972 року, а вже 15 лютого вийшов. І весь цей час його детектор мікрометеоритів фіксував те, як змінюється їхня кількість.

І тут на вчених чекало ще одне цікаве відкриття. Астрономи давно знали, що в Головному поясі існує набагато більше дрібних тіл, ніж великих. Загалом кількість об’єктів збільшується зі зменшенням їхнього розміру. Тож можна було очікувати, що пилу розміром зі звичний пісок там має бути неймовірно багато, але виявилося, що концентрація дрібного міжпланетного пилу поблизу орбіти Землі приблизно в кілька разів вища ніж в центральній частині Головного пояса астероїдів.

До Юпітера і далі у міжзоряний простір

3 грудня 1973 року Pioneer 10 дістався головної мети своєї подорожі — системи Юпітера. Він став першим космічним апаратом, який зблизька дослідив найбільшу планету Сонячної системи. Під час прольоту апарат передав сотні зображень Юпітера та його супутників. Але за сучасними мірками їхня роздільна здатність була невисокою, тому багато з них сьогодні виглядають доволі дрібними й нечіткими.

Причина полягає в тому, що на борту просто не було справжньої потужної камери. Були лише кілька сенсорів, які працювали на різних довжинах хвиль. Апарат доводилося примусово обертати й потім складати дані від них у кольорову картинку. Однак і саму гігантську планету, і кілька її супутників Pioneer 10 таки зміг сфотографувати, й ці зображення, які транслювалися у прямому ефірі, навіть змогли отримати телевізійну премію «Еммі».

Але все ж основні дослідження стосувалися вивчення радіаційних поясів газового гіганта, його магнітного поля та їхньої взаємодії із сонячним вітром й твердими частинками. 4 грудня апарат наблизився на відстань у 132 252 км від хмарного покриву Юпітера. 

Науковці дізналися, що планету оточує невідомий раніше пиловий пояс і що кількість теплової енергії, яку вона випромінює у космос, у 2,5 раза перевищує ту, що отримує від Сонця. Це свідчить про те, що в глибинах Юпітера відбуваються складні фізичні процеси.

Одним з важливих відкриттів стало те, що Юпітер не лише відбиває та перевипромінює в космос отриману від Сонця енергію, а й генерує значну її частину самостійно. Сумарно планета випромінює приблизно у 2,5 раза більше енергії, ніж отримує від Сонця, що вказує на наявність потужних внутрішніх джерел тепла в її глибинах.

При цьому гравітація гігантської планети розігнала апарат до 32 тис. км/год відносно самого Юпітера. Цього виявилося достатньо, щоб подолати тяжіння Сонця і в перспективі вийти за межі нашої системи. Офіційно 1 січня 1974 року головна фаза місії Pioneer 10 завершилася і розпочалася додаткова — міжзоряний політ.

Ззовні у роботі апарата мало що змінилося. Він так само фіксував зміну кількості мікрометеоритів, заряджених частинок та космічних променів. Важливим було лише те, що передавав він ці дані з місць, які лежали далеко за межами звичного для людей простору. У лютому 1976 року  Pioneer 10 перетнув орбіту Сатурна, 11 липня 1979 — орбіту Урана, а 13 червня 1983-го, через 11 років після старту, — орбіту Нептуна.

Міжзоряне послання і загадковий «ефект Піонера»

Офіційно місія Pioneer 10 тривала понад два десятиліття, до середини 1990-х років. 31 березня 1997 року місію офіційно завершили. Зонд у цей час перебував на відстані майже 69 а.о. від Землі й до 17 лютого 1998 року продовжував залишатися найвіддаленішим від Землі об’єктом, створеним людиною, поки не поступився цим званням Voyager 1.

Однак апарат поступово виходив з ладу. Потужність його РІТЕГ падала так само, як це зараз відбувається із Voyager. Зрештою, 23 січня 2003 року від зонда останній раз вдалося отримати дані. Перебував він при цьому на відстані 82,19 а. о. від Сонця. Pioneer 10 і далі продовжує мандрувати в космосі, й за 2 млн років пролетить відносно недалеко Альдебарана.

Не можна виключати, що колись у далекому майбутньому хтось знайде цей апарат і розшифрує послання, залишене на табличці, прикріпленій до нього на Землі. Автором її є видатний  астроном і популяризатор науки та ідеї пошуку позаземного життя Карл Саган.

На алюмінієвій пластині, вкритій шаром золота, схематично зображено сам апарат і поруч із ним у тому самому масштабі — чоловіка та жінку. Також на ній містяться зображення молекули нейтрального водню, схематичне зображення планет Сонячної системи та траєкторія «Піонера-10» відносно них та положення Сонячної системи відносно 14 найяскравіших пульсарів. Усе це зроблено для того, щоб іншопланетна цивілізація, яка у майбутньому знайде апарат, могла дізнатися, хто його запустив і звідки він прибув.

Але й це — не останній важливий факт, пов’язаний із Pioneer 10. Ще коли він тільки наближався до орбіти Нептуна, починаючи з відстані десь 20 а.о., вчені почали відстежувати його положення і виявили, що траєкторія чим далі, тим сильніше відрізняється від розрахованої. Складалося враження, що апарат трохи гальмує.

Це явище отримало назву «ефект Піонера». Протягом багатьох років воно залишалося однією із загадок космічної науки. Лише у XXI столітті науковці встановили, що його причиною було нерівномірне випромінювання тепла обладнанням на борту самого зонда.

За десятиліття свого польоту і часу, що минув з моменту зникнення контакту із ним,  Pioneer 10 встиг стати  культурним феноменом, героєм фантастичних книг та фільмів.