Блог Даніеля Маріна

Існує певний консенсус серед наукової спільноти, що наступна дорога флагманська місія НАСА після Europa Clipper повинна бути націлена або на Венеру, або на Уран і Нептун (Марс має власну незалежну програму розвідки). Дослідити Венеру можна за допомогою місій типу Discovery або New Frontiers, простіших та дешевших, але глибоке вивчення замерзлих гігантів практично неможливе, якщо не за допомогою складного та вдосконаленого зонда. За розпорядженням Конгресу США, в 2015 році НАСА почало вивчати можливість відправлення місії в Уран і Нептун, починаючи приблизно з 2030 року. На жаль, природа зробила змову зробити цю місію не простою.

планет
Нептун чи Уран? Уран чи Нептун? Або обидва? (POT).

Основна проблема полягає в тому, що відвідувати дві гігантські планети одним зондом не тільки дорожче, але й набагато складніше. Унікальне планетарне розташування часів "Вояджера" зникло, і практично неможливо здійснити обльотну місію обох планет за допомогою одного космічного корабля. І, як би там не було, наукове співтовариство вимагає орбітального апарату, тобто зонда, який залишається навколо планети для детального вивчення. І, звичайно, два зонди набагато дорожчі за один. Альтернативою є відправлення єдиного орбітального апарата в один із двох світів, але який із них вибрати?

Характеристика систем Урана (зверху) та Нептуна (NASA/ESA).

Після літаків «Уояджер-2» з Ураном та Нептуном у 1986 та 1989 роках, вважалося, що Уран був набагато «більш нудним», ніж Нептун, отже, майже всі пропозиції місій ще кілька років тому планували вивчити планету, найдальшу від Сонячної системи . Але спостереження наземних телескопів та космічного телескопа Хаббл показали, що Уран має дуже активну атмосферу. Крім того, супутники Урана становлять найгіршу з відомих місячних систем у всій Сонячній системі. Як додатковий куля, Уран набагато ближче, ніж Нептун, тому час польоту місії на цю планету, як правило, менше часу, необхідного для досягнення Нептуна, що є значною перевагою при плануванні місії такого роду.

Характеристика Урана (зліва) та Нептуна (NASA).

З цієї причини більшість місій кількох років тому вказували на важливість вивчення обох крижаних гігантів. Однак обліт Плутона 2015 року зондом New Horizons виявив надзвичайну складність цієї карликової планети та викликав інтерес до вивчення інших тіл у поясі Койпера. І саме найбільшим місяцем Нептуна є Тритон, захоплене тіло поясу Койпера. Згідно з теоретичними моделями, Плутон і Тритон могли мати підземний океан води (вірніше, водяну ковдру). Це призвело до того, що Тритон вважався кандидатом у "океанічний світ" відповідно до вказівок НАСА, і, розширюючись, що дослідження Нептуна стало пріоритетом перед Ураном. З іншого боку, оптимальне вікно запуску для Урану закриється в 2029 році, тоді як вікно Нептуна відбудеться в 2031 і 2032 роках. Якщо ці вікна запуску не будуть використовуватися, потрібно буде почекати до середини 1940-х.

Можливі моделі інтер’єру Урана та Нептуна (NASA/ESA). Можливий склад крижаного гіганта (NASA).

А яка зараз панорама? У ці дні в Лондоні проходить конгрес Icy Giants Systems 2020, і саме одне із питань, яке було розглянуто, полягає в тому, якій системі слід надати пріоритет. Для цього надзвичайно важливо врахувати екзопланетарну перспективу. Крижані велетні, поряд із суперземлями, є найпоширенішими типами позасонячних планет, отже інтерес до їх дослідження не обмежується кращим знанням Сонячної системи, але вони є ключовими елементами для розуміння більшості планетних систем навколо інших зірок. У цьому сенсі найбільш розумним було б вивчити "стандартний" крижаний гігант. Але що є одним із двох? Відповідь така: ми не знаємо. Незважаючи на очевидну схожість, два світи дуже різні, навіть не беручи до уваги свої місяці. Уран - це гігантська планета з внутрішньою частиною, яка виробляє найменше тепла, тоді як Нептун - це найбільше внутрішнє джерело тепла, дихотомія, яка проявляється в атмосферній активності.

Чотири основні варіанти дослідження Урану та Нептуна, запропоновані НАСА у попередньому дослідженні 2016 р. Зліва. Праворуч: орбітальний апарат Нептуна з атмосферним зондом і етапом SEP, обліт Урана з атмосферним зондом, орбітальний Уран з атмосферним зондом та орбітальний Уран без атмосферного зонда (NASA).

Цілком можливо, що ця особливість Урану зумовлена ​​жорстоким зіткненням з протопланетою під час формування Сонячної системи, зіткненням, яке також послужило б для пояснення нахилу 98º осі обертання планети та площини супутників. Якщо це так, Нептун буде еталонним крижаним гігантом, а Уран - "рідкістю". Однак ми не впевнені, що цей сценарій правильний. Чесно кажучи, ми майже нічого не знаємо про ці планети. Наприклад, ми навіть не впевнені, що вони справді "крижані велетні". Деякі моделі припускають, що частка льоду буде дуже низькою, майже як на Плутоні, і, отже, вони будуть більше схожими на "гірських гігантів".

Уран (вгорі) і Нептун (внизу) (NASA/ESA/STScI/ESO).

Замислення? Вам потрібно вивчити дві планети, щоб це з’ясувати. І не вивчати їх коротко, але нам слід відправити орбітальних апаратів в обидва світи. Кожен космічний корабель повинен був бути оснащений атмосферним зондом, оскільки наукове співтовариство вважає пріоритетним можливість вимірювати частку ізотопів певних елементів - особливо благородних газів - для реконструкції історії цих планет. Ці зонди також створили б вертикальний профіль тиску та температури атмосфери до тиску від 5 до 10 бар, що дало б нам можливість розрізняти різні моделі формування планет.

Уран, як його бачив телескоп Кека в 2004 році (обсерваторія Кека).

Останні пропозиції зондів для Урану та Нептуна знову роблять концепцію аерозахоплення ідеєю, яка заощадить величезну кількість палива. Ця економія може бути використана для збільшення маси наукових приладів, таких як атмосферний зонд. Залежно від маси зонда та використовуваної пускової установки час польоту на Уран у вікнах запуску, починаючи з 2024 року, становить 6-12 років, тоді як для Нептуна він становить 8-13 років. Цього часу можна досягти завдяки використанню маневрів допомоги гравітації. Наприклад, деякі траєкторії включають перельоти Венери, Землі, Марса та Юпітера. Крім того, час можна додатково скоротити, використовуючи каскади з електричним приводом (SEP) з іонними або плазмовими двигунами.

Приклад траєкторії захоплення повітря на Нептуні (NASA). Концепція атмосферного зонда для вивчення Урана і Нептуна (NASA).

Пропозиція, висунута Джоном Елліоттом (JPL) на конгресі Icy Giants System, складається з двох зондів, які вилетять у лютому 2031 року на одній ракеті NASA SLS. Два зонди пролетять над Юпітером в 2032 році і розділяться. Зонд "Нептун" прибуде у вересні 2044 року, тоді як зонд "Уран" буде використовувати етап СЕП до 6 астрономічних одиниць, щоб пришвидшити свою подорож і дістатися до Урану в квітні 2042 року. Європейське космічне агентство (ЄКА) виявило інтерес до участі у місії до Урана та Нептуна. ЄКА може відповідати за наукові прилади або атмосферні зонди, хоча можливість побудови одного з двох космічних кораблів окремо не передбачається, принаймні до 2040 року.

Пропозиція місії JPL з двома зондами, запущеними однією ракетою SLS (https://twitter.com/hbhammel).

NASA ще не прийняло рішення щодо флагманської місії в Уран і Нептун. Кількість захоплюючих цілей у Сонячній системі, що вимагають уваги, зростає: Венера, Енцелад, Титан тощо. Але нам неможливо мати огляд Сонячної системи, не знаючи майже нічого про половину планет-гігантів, які обертаються навколо Сонця, планет, які також є представниками неймовірно частого типу світу в Галактиці.

Уран, як його побачив "Вояджер-2" 25 січня 1986 р. Після зустрічі. Неможливо отримати перспективу з Землі (NASA/JPL).