Ученые снова заинтересовались ураном и нептуном?

Тридцать лет назад космический аппарат "Вояджер-2" пролетел мимо Урана, а спустя четыре года и мимо Нептуна. Эта быстрая инспекция представила две планеты ученым, до нее они были лишь смутными синими пятнами в телескопах. Прошли годы, появились более крутые и большие инструменты, которые пролили немного света (или наоборот, зачерпнули его) на ледяные гиганты и показали несколько сюрпризов.

И все же с расстояния в пару миллиардов километров многого не узнаешь. Именно поэтому ученые в США и Европе задумываются о том, чтобы снова вернуться к Урану или Нептуну - этим ледяным гигантам Солнечной системы. В отличие от стремительного пролета мимо Плутона в 2015 году, у новой миссии к одному из синих миров будет чуть больше времени, чтобы получить о нем представление.

В августе Джим Грин из NASA дал инженерам Лаборатории реактивного движения в Пасадене один год, чтобы выяснить, как поместить космический аппарат на орбиту вокруг Урана или Нептуна. Эти миры - "важные пределы", говорит Грин, директор отдела планетарной науки в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. "Мы многого о них не знаем". Новые проекты ракет и последние обнаруженные экзопланеты сделали ледяных гигантов более доступными и значимыми, чем те были раньше. "Сейчас самое время заняться их пристальным изучением", говорит ученый.



Ледяные гиганты - это не замороженные шарики, на самом деле они весьма зыбкие. Однако Уран и Нептун имеют много воды, аммиака и метана, которые астрономы называют льдами, будь они заморожены или нет. Юпитер и Сатурн, для сравнения, состоят в основном из водорода и гелия, которые остаются газами при практически любой температуре. Внутренние планеты представлены относительно небольшими твердыми шариками.

За тридцать лет после путешествия "Вояджера" астрономы узнали очень много. Теперь ученые знают, что пока гигантские планеты боролись за место под солнцем свыше 4 миллиардов лет назад, Уран и Нептун помогали в образовании пояса Койпера, пояса обледеневшего мусора, откуда родом многие кометы. И когда "Вояджер-2" нашел-таки Нептун в 1989 году, астрономы знали лишь о тех планетах, что вращаются вокруг Солнца. С тех пор ученые составили каталог свыше 2000 других планет вокруг других звезд, а космический телескоп Кеплера показал, что большинство из них по размерам сопоставимы с Ураном и Нептуном. Ледяные гиганты, или что-то вроде них, возможно, представляют собой самый популярный вид в галактике.

"Мы едва ли понимаем эту двойку у нас на задворках и находим так много других планет, - говорит Кэндис Хансен, планетолог Института планетологии в Тусоне. - Как нам оценивать другие планеты у других звезд, если мы и своих-то не знаем?".

Взглянуть исподтишка

Уран и Нептун - это единственные планеты (прости, Плутон) в Солнечной системе, которые были обнаружены с момента изобретения телескопа; остальные были известны с античности. Уильям Гершель наткнулся на Уран в 1781 году; астроном Иоганн Галле заметил Нептун в 1846 году, почти там, где математики Урбен Леверье и Джон Куч Адамс предсказывали положение восьмой планеты.



Пока не прибыл "Вояджер", ученые мало что знали об этих двух изгоях. "Они весьма упорно скрывают свои секреты, - говорит Хайди Хаммел, планетолог Института космических наук в Боулдере. На расстоянии 2,9 и 4,5 миллиарда километров от Солнца, Уран и Нептун, соответственно, "находятся на самом краю, где мы можем что-то сделать с нашими лучшими телескопами", говорит она.

И все же ученым удалось что-то раскопать. Обе планеты примерно в четыре раза больше Земли и в 16 раз массивнее. Урану, что поближе, нужно 84 года, чтобы совершить круг вокруг Солнца; Нептуну нужно в два раза больше времени. У каждой планеты есть семейство небольших спутников и набор темных колец (о кольцах Нептуна сначала догадывались, а после "Вояджер-2" подтвердил их существование).

С самого начала Уран показался нам немного странным: этот мир опрокинут на бок, возможно, из-за давнего столкновения с незваным гостем, который оставил планету с экстремальными временами года, которые длятся десятками лет. По наблюдениям с Земли, кажется, что на Уране не происходит ничего особенного. "Он выглядит как космический шар для боулинга", говорит Хаммел. Нептун, напротив, мерцает, отражая свет облаками, но это все, что он готов раскрыть.

Подойти ближе и познакомиться - единственный способ узнать больше. Когда "Вояджер-2" прибыл на Уран 24 января 1986 года, он был встречен мягким миром. Аквамариновые облака выказывали очень низкую активность, из-за которой Уран получил прозвище "скучная планета". "Вояджер" уловил необычайно сложное магнитное поле и несколько новых колец. Космический аппарат также хорошо запечатлел отряд ледяных лун планеты, включая Миранду, странный спутник, который выглядит так, будто его кто-то разбил на части, а затем поспешно склеил обратно.



Спустя три года и семь месяцев "Вояджер-2" поднялся над северным полюсом Нептуна, где обнаружил куда более интересную планету. Королевская голубая атмосфера, наполненная бурями, и порок в виде Большого Темного Пятна, напомнил ученым о колоссальной красной буре на Юпитере. "Вояджер" обнаружил, что облака Нептуна движутся со скоростью свыше 2000 км/ч - это рекорд для Солнечной системы. На крупнейшей луне Нептуна, Тритоне, криовулканы прорываются через изъеденную рытвинами местность, указывая на скрытые геологические механизмы.

Но остается много загадок, которые сложно, если вообще возможно, разрешить с Земли. Уран испускает очень мало тепла, тогда как более удаленный Нептун - прям печка размером с планету. Магнитные поля, генерируемые обеими планетами, не похожи на поля других планет: они серьезно смещены от осей вращения и, похоже, рождаются далеко не в ядре планеты.

Кольца Нептуна нависают над ним дугами, а кольца Урана, возможно, пронзают его атмосферу.

"Вояджеры" изменили взгляд астрономов на ледяные гиганты и сделали это с помощью инструментов, построенных в 1970-х. Оба "Вояджера" были запущены в 1977 году, в том же году, когда вышел первый массовый компьютер Apple (Apple II) и видеоигровая система Atari 2600. "Эти технологии мы использовали для исследования ледяных гигантов, - говорит Хаммел. - Если бы мы засунули в космический аппарат iPhone, у нас были бы снимки получше".



С тех пор передовые обсерватории вроде телескопов Кека на Гавайях и космического телескопа Хаббла на низкой околоземной орбите намного превзошли наследие "Вояджера". Они услышали грохот Урана, который, похоже, пробуждается. Когда лето на Уране перешло в осень в середине 2000-х, в атмосфере появились грозы, похожие на Нептуновы. "Мы зря считали его скучным синим шариком", - говорит Эми Саймон, планетолог Центра космических полетов Годдарда в NASA.

Но у сложных телескопов есть свои ограничения. "Одних снимков совершенно недостаточно, - говорит Ли Флетчер, планетолог Оксфордского университета. - Чтобы понять физику и химию, вам нужно быть там".

Со щитом или на щите

В 2010 году ученые Европы пытались убедить Европейское космическое агентство направить на Уран орбитальную миссию "среднего класса", примерно на 500 миллионов евро. За этой неудавшейся инициативой последовало предложение "крупного класса" в 2013 году - уже на миллиард евро, а в 2014 году - еще несколько миссий среднего класса. ЕКА высоко оценивает предложения по ледяному гиганту всякий раз, но недостаточно высоко, чтобы профинансировать их.

Одна из проблем Европы в том, что у нее нет доступа к ядерной энергии, необходимой, чтобы забраться так далеко от Солнца, где солнечные батареи будут бесполезны. NASA, однако, финансирует производство плутония-238, радиоактивного элемента, на тепле которого работают и будут работать космические аппараты дальнего следования. "Все изменится, если будет мощный толчок от NASA в направлении одной из таких миссий", говорит Флетчер.

Флетчер и его европейские коллеги, возможно, дождутся исполнения своих мечтаний. В 2011 году американское планетарное научное сообщество назначило Марсу, Европе и Урану высший приоритет в грядущем десятилетии для NASA. Планы по Марсу и Европе уже ведутся. К сентябрю JPL представит NASA несколько идей по покорению ледяного гиганта и сведения по необходимому финансированию.

Какие научные цели будет преследовать агентство, зависит от ледяного гиганта, которого будут навещать. Каждая планета по-своему интересна. Поскольку Уран опрокинут на бок, его времена года экстремальны; полюса по 42 года видят солнечный свет, а потом столько же его не видят. Уран прекрасный полигон для исследований принципов работы такой опрокинутой планеты. Очко в пользу Урана.

С другой стороны, Уран может быть немного странным. Нептун может лучше подойти для понимания типичного поведения ледяного гиганта, а это важно в свете наших последних открытий экзопланет. "Вояджер-2" уже показал, что атмосфера Нептуна пенится штормами, и это тоже было интересно изучить. Уран же немного более спокоен. Очко в пользу Нептуна.

Что касается лун, то тут ситуация вполне прозрачна. "Если мы отправимся на Нептун, мы увидим обычную планету, но необычные спутники", говорит Марк Хофтштадтер, планетолог JPL. "Если мы отправимся на Уран, мы увидим необычную планету, но обычные спутники".



Уран имеет пять крупных спутников и двадцать два мелких. Ученые полагают, что все они являются родными для планеты и могут хорошо раскрыть среду образования ледяного гиганта. Поскольку вся система - планета, кольца и луны - опрокинута, "Вояджер-2" смог увидеть лишь одно полушарие каждой луны. Почти половина системы осталась нераскрытой. Очко в пользу Урана.

Но у Нептуна есть Тритон, жемчужина внешней Солнечной системы. "Это невероятно интересный замороженный рай", говорит Хансен. Как и спутник Сатурна Энцелад, Тритон изобилует извергающимися гейзерами, которые, возможно, связаны с подземным океаном. Его поверхность была реконструирована за последние 10 миллионов лет, относительно недавно по солнечным меркам, и указывает на активную геологию. Очков в пользу Нептуна.

Тритон также не является родным для Нептуна. Эта луна, которая вращается в противоположном направлении от вращения Нептуна, была, по всей видимости, притянута из пояса Койпера, где живет Плутон. "Это родственник Плутона, - говорит Хаммел. - Плутон и Тритон - прекрасно подобранная для сравнительных исследований пара". Два очка Нептуну.

Обе планеты остаются настолько таинственными, что любая миссия много расскажет планетологам. Большинство людей были бы просто счастливы взглянуть хотя бы на одну. Но решение, скорее всего, будет опираться на логистику. Все миссии хороши по-своему, но последнее слово скажет кошелек космического агентства.

Добраться до ледяных гигантов будет нелегко. Космическому аппарату потребуется примерно десятилетие, чтобы добраться до пункта назначения. Есть способы сократить время пути (гравитационный маневр с Юпитером или Сатурном), но очень многое будет значить положение планет в нужном месте в нужное время.

При прочих равных условиях, Уран ближе и дешевле. Но если найдется траектория, которая задействует помощь Юпитера или Сатурна, Нептун может быть выгоднее. Мощная ракета NASA SLS, которая дебютирует в конце 2018 года, может встряхнуть положение дел. В конце концов, это крупнейшая в истории нашего мира ракета. Она будет быстрой и мощной. Космическому аппарату, размещенному на вершине SLS, может понадобиться всего пару лет, чтобы добраться до ледяного гиганта.

Сокращение межпланетного круиза сэкономит время и деньги, но чем быстрее движется космический аппарат, тем сложнее ему будет затормозить в конце. "Придется избавиться от одного научного инструмента в пользу лишнего топлива для торможения", говорит Хофтштадтер. Возможно, удастся применить захватывающий маневр с использованием атмосферы для торможения, где основную часть работы выполнит атмосфера планеты. Космический аппарат погрузится в атмосферу достаточно глубоко, чтобы замедлиться, но недостаточно, чтобы сгореть. Такие маневры использовались ближе к дому для изменения траекторий. Но для выхода на орбиту - нет.

Задача JPL в этом году - оценить риски и изучить варианты миссий для каждой планеты. Ошибиться будет невозможно - любой исход будет своего рода революцией.

Миссия "Новых горизонтов" к Плутону показала, что может узнать аппарат 21 века о неисследованном мире. Плутон прекрасный пример: куда ни глянь, везде обнаружили только интересное и новое. Следующая остановка: ледяной гигант.