Мимолетная встреча с Плутоном

Дмитрий Вибе,

астрохимик, зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН

«Троицкий вариант» №15(184), 28 июля 2015 года

Чтобы полностью осознать и осмыслить результаты сближения с Плутоном, понадобится довольно значительное время: передача данных, полученных 14 июля 2015 года и в последующие дни, завершится только к концу 2016 года. Зонд «Новые горизонты» в силу значительной удаленности от Земли передает информацию с черепашьей скоростью — не более 2 кбит/с, — а данных на нем накоплено 50 Гбит. Тем не менее 2–3% от этого объема уже на Земле, что позволяет если не сделать какие-то выводы, то, по крайней мере, приблизиться к пониманию того, что это будут за выводы.Итак, свидание с Плутоном, наполнившее новым смыслом слово «мимолетный», состоялось. Карликовая планета, за стремительным приближением которой мы воодушевленно наблюдали на протяжении последних месяцев, сейчас так же стремительно удаляется. Однако, как и во многих других экспериментах, настоящая наука начинается только теперь, когда техника выполнила свое предназначение.

http://elementy.ru/lib/432700

Про аппарат и экспедицию

Зонд «Новые горизонты» отправился в путь 20 января 2006 года. Поскольку на нем нет маршевых двигателей, почти всю необходимую скорость (больше 16 км/с) ему пришлось сообщить при запуске. Гравитационный маневр у Юпитера добавил к скорости «Новых горизонтов» еще 4 км/с. У зонда есть собственные двигатели и небольшой запас топлива, однако они применяются только для изменения ориентации зонда в пространстве и незначительных коррекций траектории. Изменения пространственной ориентации нужны, в частности, чтобы повернуть аппарат нужным инструментом к объекту исследования. Инструментов на «Новых горизонтах» установлено семь, и далеко не все они предназначены для получения фотографий.

Главной героиней прошедших дней стала «черно-белая» камера видимого диапазона LORRI — по сути, 20-сантиметровый телескоп с мегапиксельной ПЗС-матрицей, полем зрения 0,29° и угловым разрешением порядка секунды дуги на пиксель. Для получения «цветных» изображений предназначен 7,5-сантиметровый телескоп Ralph, точнее, входящая в его состав камера MVIC с полем зрения 5,7° и угловым разрешением около 4 секунд дуги на пиксель, охватывающая видимый диапазон и небольшой участок инфракрасного (ИК) диапазона. Также в состав прибора Ralph включен панорамный ИК-спектрометр LEISA, чувствительный к абсорбционным полосам льдов (молекулярный азот, оксид углерода, метан, вода и пр.).

Прибор Ralph назван в честь водителя автобуса, героя американского комедийного сериала «The Honeymooners» («Новобрачные»). Имя его острой на язык супруги было присвоено панорамному спектрометру ультрафиолетового (УФ) диапазона Alice, в задачу которого входит исследование химического состава атмосферы Плутона. Два инструмента — SWAP и PEPSSI — используются для изучения плазмы в непосредственных окрестностях аппарата. Нетрудно догадаться, для чего используется детектор пыли SDC, разработанный и собранный студентами Колорадского университета в Боулдере (США). Наконец, инструмент REX предназначен для наблюдения в радиодиапазоне имеющейся атмосферы Плутона и возможно существующей атмосферы Харона.

Драматическая пауза

Выполнение основной программы экспедиции началось в январе 2015 года и закончится в январе 2016-го, а собственно программа сближения с Плутоном выполнялась с 13 по 15 июля 2015 года. В это время аппарат соблюдал радиомолчание; программа работы была загружена на него заранее и выполнялась полностью автоматически. Впрочем, понятно, что возможности оперативно управлять аппаратом, на обмен информацией с которым уходит 9 часов, попросту нет.

Гости и члены команды New Horizons празднуют момент сближения с Плутоном

Радиомолчание «Новых горизонтов» означало, что об успешном завершении пролета удалось узнать лишь некоторое время спустя. При этом в начале июля появился некоторый повод понервничать: за 10 дней до сближения аппарат неожиданно перешел в «безопасный» режим. Впрочем, причина оказалась тривиальной — бортовой компьютер был несколько перегружен задачами, — и сбой удалось оперативно устранить. Дальнейшее, по-видимому, прошло по плану, и теперь аппарат исправно передает на Землю полученные за время пролета результаты.

Данные, которые на сегодняшний день представлены на суд общественности, в подавляющем большинстве представляют собой снимки, и это понятно: какую бы мощную научную нагрузку ни несли графики, ни одна межпланетная миссия не привлечет к себе значительного внимания, если не вернет на Землю изображения неведомого мира. И фотографии не обманули ожиданий. Каждая из них содержит в себе нечто нетривиальное.

«Сердечко» и «канавки»

Еще на снимках, полученных на подлетном участке траектории, на Плутоне была замечена светлая область в форме сердечка, которую команда проекта предлагает назвать Областью Томбо в честь открывателя Плутона. В первой порции снимков есть несколько кадров высокого разрешения, показывающих рельеф Области Томбо и ее окрестностей. На одном из снимков видна гористая местность, покрытая островерхими вершинами высотой до 3,5 км.

Полосы поглощения замерзшего метана на длине волны 2,3 мкм по-разному выглядят на полюсе (голубой цвет) и ближе к экватору (красный цвет)

Из наземных и околоземных наблюдений уже было известно, что поверхность Плутона покрыта замерзшим молекулярным азотом с примесью метана и оксида углерода, но ни азотный, ни метановый, ни CO-шный лёд не обладают достаточной прочностью, чтобы образовывать подобные пирамидальные структуры. Наличие гор означает, что метан и азот лежат тонким слоем на более прочной основе — водяном льде. Команда «Новых горизонтов» предлагает назвать эти горы именем непальца Тенцинга Норгея, одного из двух покорителей Эвереста.

Острые вершины гор Норгея поднимаются над поверхностью планеты на 3,5 км и, вероятно, сложены из водяного льда

По соседству с горами Норгея расположена область с совершенно иным рельефом — почти гладкая ледяная равнина, разделенная на отдельные ячейки поперечником примерно 20–30 км. Эту область участники проекта предлагают назвать Равниной Спутника в честь первого искусственного небесного объекта. Ячейки на Равнине Спутника разделены «канавками», некоторые «канавки» заполнены темным веществом. Происхождение ячеек может быть связано с конвекцией в толще льда или с растрескиванием поверхности в процессе ее сжатия. К северо-западу от ячеек располагается еще более гладкая поверхность с несколькими темными пятнами, от которых параллельно друг другу тянутся темные же «хвосты» длиной в несколько сотен метров, как будто бы с этих пятен ветром сдувало пыль.

Равнина Спутника разделена на ячейки протяженными бороздами, некоторые из борозд заполнены темным материалом неясной пока природы

Необычность полученных снимков состоит не только в том, что на них присутствует, но и в том, чего на них нет, а нет на них ударных кратеров, по крайней мере крупных — размером более нескольких сотен метров. Отсутствие следов падений метеоритов на столь значительной площади (детально изученная область имеет размер в несколько сотен километров) оказалось одной из главных неожиданностей проекта.

Поверхность, лишенная кратеров, встречается и на других телах Солнечной системы, что обычно связывают с геологической активностью, которая постоянно «омолаживает» поверхность тела, стирая с нее старые шрамы (как на Земле). Активность предполагает наличие внутреннего источника энергии. На других небольших ледяных шариках, например на спутнике Юпитера Европе, на спутнике Сатурна Энцеладе или на спутнике Нептуна Тритоне, источником может быть приливное воздействие со стороны близкой планеты-гиганта (хотя с Энцеладом не всё так просто в этом отношении). Но в системе Плутон—Харон приливных деформаций нет, а активность, видимо, есть.

Что является причиной этой активности (причем активности недавней: отсутствие кратеров означает, что возраст поверхности не превышает сотни миллионов лет)? Ответа на этот вопрос пока нет. Возможное объяснение: под твердой поверхностью Плутона скрывается всё еще жидкий океан, и поверхность подогревается теплом, выделяющимся при его постепенном замерзании. Интересно, что активность поверхности Плутона при отсутствии приливных деформаций может означать, что роль приливов переоценена и на других ледяных спутниках.

Правда, нужно учитывать, что пока на Землю переданы только изображения не с самым высоким разрешением, к тому же сжатые, так что часть деталей поверхности, в том числе кратеров, могла потеряться. На более общих планах, полученных с большого расстояния, видно, что в других регионах Плутона ударные кратеры есть, так что молодость является свойством лишь некоторых участков поверхности.

Состав Плутона

Подробных данных о химическом составе поверхности Плутона пока нет, за исключением того, что, по данным спектрометра LEISA, замерзший метан распределен по поверхности Плутона довольно неравномерно, а заметное содержание льда оксида углерода наблюдается и вовсе только в одном месте — в левой половинке Области Томбо. В будущем при анализе спектров с более высоким пространственным и спектральным разрешением можно надеяться выявить на Плутоне не только метан, но и, например, другие алканы (этан, пропан), а также более сложную органику, в частности полициклические ароматические углеводороды.

Указанием на то, что в поверхностных химических реакциях на Плутоне может синтезироваться органика, служит розоватый оттенок его поверхности, типичный для многих объектов на периферии Солнечной системы, как в поясе Койпера, так и вне его, предположительно принадлежащий так называемым толинам — сложной смеси различных органических веществ. Темное вещество на Плутоне встречается не только в виде прожилок и пятен, но и в виде обширных «черных» областей, которые, к счастью, не только видны на общих снимках Плутона, но попали также на кадры с максимальным разрешением. На этих кадрах видно, что «черные» области густо усыпаны кратерами, то есть существенно более стары, чем «светлые» области, подобные Области Томбо.

На поверхности Плутона соседствуют друг с другом светлые и темные области. Темная область на снимке густо усыпана кратерами, что говорит о ее солидном возрасте

Когда зонд «Новые горизонты» уже удалялся от Плутона, при помощи спектрометра Alice наблюдалось затмение Солнца Плутоном, благодаря чему получены данные о протяженности и химическом составе его атмосферы. Признаки атмосферы удалось зафиксировать на расстоянии 1,5 тыс. км от поверхности карликовой планеты, что гораздо дальше, чем удавалось наблюдать с Земли. Выше прочих молекул в атмосфере Плутона забираются молекулы азота, ниже к ним добавляется метан; наконец, у самой поверхности планеты в атмосферном спектре поглощения появляются признаки более тяжелых углеводородов.

Плутон

Из-за небольшой массы Плутон активно теряет свою газовую оболочку. На высоте ее подхватывает и ионизует солнечный ветер, и сейчас зонд летит сквозь тянущийся за Плутоном ионный хвост. Скорость потери газовой оболочки составляет примерно 500 тонн в час. Это означает, что за время своего существования Плутон потерял количество азота, эквивалентное ледяной оболочке толщиной от нескольких сотен метров до двух с лишним километров. Так как наличие гор свидетельствует в пользу очень небольшой нынешней толщины слоя замерзшего молекулярного азота, нельзя исключить, что атмосферный азот частично представляет собой не продукт сублимации поверхностного льда N₂, а выбрасывается из каких-то подземных резервуаров. К слову сказать, остатками выбросов могут оказаться и упомянутые выше пылевые «хвосты».

Харон и другие спутники

Спутник Плутона Харон на полученных фотографиях также выглядит весьма гладким и не особенно кратерированным. На северном полюсе Харона расположена довольно четко очерченная темная область (получившая неофициальное имя Мордор) с более протяженным и размытым красноватым ореолом. Толщина слоя темного вещества, покрывающего Мордор, невелика. В этой области есть несколько пятен — возможно, ударных кратеров, где темный слой засыпан сверху светлым веществом, выброшенным с небольшой глубины. Южнее Мордора спутник опоясан системой разломов и хребтов, протянувшейся на тысячу километров. Еще один каньон глубиной в несколько километров виден на лимбе Харона.

Спутник Плутона Харон. В левом верхнем углу врезки видна странная деталь рельефа — гора в углублении. Размер врезки по вертикали — около 390 км

Отсутствие многочисленных кратеров на Хароне объяснить еще сложнее, чем гладкие участки на поверхности Плутона. Правда, нужно учесть, что изображения Харона, полученные с аппарата к настоящему времени, обладают существенно худшим разрешением, чем снимки участков поверхности Плутона. В целом, специалисты сходятся на том, что формы рельефа Плутона и Харона оказались существенно более разнообразными, чем можно было ожидать. Поверхности этих тел не просто активны — сочетание химии и термодинамики на них приводит к очень широкой палитре процессов, и необходимость разобраться в их хитросплетении надолго обеспечит планетологов работой.

Данные «Новых горизонтов» позволили также уточнить размеры Плутона и Харона. Их диаметры равны 2370 км и 1208 км соответственно. Уточненная величина диаметра Плутона несколько превышает оценку диаметра Эриды — главного соперника Плутона среди транснептуновых объектов. Это, разумеется, привело к возобновлению разговоров о том, что Плутон напрасно исключили из числа планет, поскольку он в своей области пространства все-таки самый крупный. Однако для более полноценного сравнения было бы необходимо и диаметр Эриды оценить сходным образом. Подлетим к ней — увидим.

Никта и Гидра — малые спутники Плутона. На Никте видно большое красное пятно (цвета усилены), а на Гидре различимы ударные кратеры

Помимо Плутона и Харона во время пролета были получены снимки четырех других спутников Плутона — Стикса, Никты, Кербера и Гидры. Пока детальные изображения представлены для Никты и Гидры. Снимки Гидры впервые позволили точно определить размеры этого спутника — 30 на 45 км (наземные оценки варьировались от нескольких десятков до полутора сотен километров). Поверхность Гидры в целом очень светлая (хотя и со значительными вариациями яркости), она отражает примерно 45% падающего на нее солнечного света, занимая по этому параметру промежуточное положение между Плутоном и Хароном. Это означает, что Гидра покрыта водяным льдом. Никта обладает подобными размерами и свойствами поверхности. В целом, все спутники Плутона (включая Харон) имеют более серую окраску, чем сама карликовая планета, но на поверхностях Харона и Никты выделяются пятна красноватого цвета.

Это в основном вся информация, которая была получена с аппарата к концу июля 2015 года. В середине сентября начнется передача предварительной версии полного набора данных, полученных в ходе пролета. Предварительность состоит в том, что изначально для упаковки данных будет использован алгоритм сжатия с потерями. Затем, примерно через три месяца, начнется передача тех же данных, но упакованных с использованием сжатия без потерь.

В окончательном комплекте будут черно-белые изображения Плутона с разрешением менее 100 м на пиксель (для некоторых участков поверхности), черно-белые изображения Харона с разрешением порядка 150 м на пиксель (для некоторых участков поверхности), цветные изображения обоих тел с разрешением около 0,64 км на пиксель для Плутона и 1,4 км на пиксель для Харона, а также черно-белые и цветные изображения малых спутников Плутона — Никты, Гидры, Стикса и Кербера — с разрешением от полукилометра до нескольких километров на пиксель. Для сравнения: наилучшие снимки Плутона, полученные с Земли — точнее, с околоземной орбиты, — имеют разрешение порядка сотни километров на пиксель.

Далее аппарату может быть предоставлена возможность исследовать еще один из объектов пояса Койпера. Кандидатов два, но скоро (в ближайшие недели) будет выбран один из них, чтобы вовремя осуществить необходимую коррекцию орбиты. Окончательное решение о продлении экспедиции будет принято в 2016–2017 годах, а встреча с новым объектом для исследований состоится годом позже.