Чому суцільна динамічна картографія Сонячної Системи є найважливішою задачею астрономії і декілька думок з приводу того, як це все владнати

Продовження практичних роздумів, що були започатковані в есе «Наче метелик з лялечки — метаморфоза інструментальної астрономії невідворотна»

— Ну, добре. Припустимо, що наземна астрономія лишається на другорядних ролях у вирішенні вузьких задач. Що робити і як робити з космічною астрономією?

— Не знаю. Бо я не астроном. То нехай гуру астролябій вирішують.

— Ні, а от що б ти вважав за потрібне зробити в першу чергу? Уяви, що тобі дали повний карт-бланш в розумних межах на розвиток космічних інструментів і програм, на чому б зосередився?

 — Нууу… — є в мене одна задумка давня… Я б поставив картографування Системи на індустріальні рейки. Бо це зараз найважливіша справа для астрономії. Як з огляду на виживання (метеоритно-астероїдна загроза), так і з точки зору ресурсного забезпечення подальшої експансії людства в космос.

.

Астрономія дальнього космосу, безперечно дуже цікава та пізнавальна. Багато в чому фундаментальна і точно матиме вплив на долю людства в значних часових проміжках. Але вона практично не має прямого впливу на життєво-важливі питання сучасності та найближчого періоду (десятки років).

На ці питання:

Безпека людства

Будь-якої миті по нам, землянам, може вдарити невеличкий астероїд і спалити мільйони життів, а решту біосфери, разом із людством, приректи на дуже некомфортне виживання впродовж поколінь. Як то було з динозаврами 60 млн. років тому. Якщо ви не вірите, що таке можливо, раджу уважно прочитати матеріал пана Марка Романова «Оумуамуа: наш первый межзвёздный гость». Особливу увагу зверніть на таймлайн пригоди. Коли, як і за яких обставин виявили цього прибульця. На близькість його траєкторії до Земної орбіти і на обґрунтовані припущення щодо значної кількості міжзоряних об’єктів, що можуть поводитися аналогічним чином.

Крім цього яскравого прикладу, пригадую кілька повідомлень за останні роки про те, що повз Землю щось пролітало, а вся астрономічна рать планети ніяково розводила руками, бо помічала загрозу за день-два до небезпечного рандеву, чи взагалі вже на відльоті. Гуглити і вишукувати прямі посилання не хочу і не буду. Такі повідомлення були. Відправні точки для самостійних досліджень:

• Астероїдна загроза для Землі
• Impact event

Подібні ексцеси спостережень відбуваються і відбуватимуться надалі. Тому що єдиної системи постійного суцільного скринінгу Системи не існує. Наземні інструменти мають дуже фрагментарні можливості в цьому сенсі, бо прив’язані до поверхні, а отже обмежені кутом обзору, порою доби, інколи навіть погодою. В той же час, левова частка існуючих позаземників націлена на Далекий Космос, в тому числі на вилов екзопланет. Я не чув про діючі апарати, чи програми методичного суцільного картографування і виявлення малих об’єктів в Ближньому Космосі, хоча б до Пояса Койпера включно. Якщо такі знаєте, згадайте — буде цікаво вивчити їх ретельно. Але Оумуамуа прошляпили всі, а виявлений він був практично випадково.

Ми, як цивілізація, ще не можемо впливати на рух великих космічних тіл Системи (кілометрового і вище класу). Проте, вони доволі добре відомі, і безпосередньої загрози поки не являють. А от «дріб’язок», якого значно більше, і який теоретично можна було би нейтралізувати, часто-густо лишається непоміченим. І тому всі ми є під постійною потенційною загрозою.

Таблиця 1. Потужність* вибухів кам’яних метеоритів/астероїдів

Діаметр метеорита, м	Кінетична енергія на вході в атмосферу Землі в тротиловому еквіваленті, ктн	Кінетична енергія вибуху в тротиловому еквіваленті, ктн	Діаметр кратеру, м
4	3	0,75
7	16	5
10	47	19
15	159	82
20	376	230
30	1 300	930
50	5 900	5 200
70	16 000	15 200
85	29 000	28 000
100	47 000	30 400	1200
130	103 000	51 400	2000
150	159 000	71 500	2400
200	376 000	261 000	3000
250	734 000	598 000	3800
300	1 270 000	1 110 000	4600
400	3 010 000	2 800 000	6000
700	16 100 000	15 700 000	10000
1000	47 000 000	46 300 000	13600

* — Цифри наведені з припущень: щільності 2600 кг/м³, швидкості 17 км/с та кута удару 45°

Слід окремо зауважити на кінетичній енергії, яка утилізується атмосферою Землі. Цей процес відповідальний за те, що до поверхні зазвичай долітають лише скелі, які спочатку були діаметром понад 100 метрів, і в тому наше щастя. Людські постійні поселення поза Землею, за малим винятком, не матимуть такого атмосферного щита. По базі Артеміда метеороїди гатитимуть з енергією, що наведена в другому стовпці. І долітатимуть до поверхні всі без винятку матеріальні тіла, навіть міліметрового класу. Марсвіль, зважаючи на те, що атмосфера Марса десь у 100 разів слабша за Земну, буде під загрозою ударів з енергією, лише на кілька відсотків меншою, ніж в другому стовпці таблиці. Причому, поверхні планети сягатимуть всі тіла, діаметр яких більше метра. А це вже метеороїди, з яких складаються метеорні потоки. І кількості метеороїдів, що мають діаметр понад метр, ніхто навіть приблизно не знає. Хіба що дуже-дуже приблизно.

Ресурсне забезпечення експансії

Експансія людства Системою не може відбуватися виключним ресурсним забезпеченням із поверхні Землі, чи навіть поверхні інших планет. Тому що, які б потужні кораблі не були побудовані, до пункту призначення вони доставлятимуть лічені відсотки своєї первинної маси. А з іншого боку, доступні ресурсні можливості самої Землі не є безмежними і вже добряче покопирсані цивілізацією. В першу чергу це стосується металів, які без сумніву будуть головним конструкційним матеріалом під час експансії. До того ж, не слід забувати і про екологію. Адже виробництво металевих продуктів вимагає значних енергозатрат і супроводжується не дуже приємними викидами та тепловим забрудненням.

Нагадаю, мова йде про мільйони тон вантажів, що їх треба буде не лише виплавити-прокатати-порізати на Землі, але ще потім витягти все те добро в космос. Спалюючи при тому сотні мільйонів тон пального в ракетних двигунах. Та ще перспектива. Отже, левову частину ресурсів під час активної фази експансії доведеться брати на місці. На наше щастя, в космосі вже розпорошена в невеличких «пакуночках» чи не вся таблиця Менделєєва. Причому в кількостях, про які наземне людство і не мріяло.

За іронією Природи (чи Боженьки, кому як зручно), ці «пакуночки зі скарбами» не що інше, як загрозливі метеороїди і невеличкі астероїди. Їхні невеликі розміри, а отже і маса, дозволяють не просто легко їх «покришити» в невагомості і дістати з кришива Цінності. Їх реально можна притягти в потрібне місце, поближче до центрів кристалізації космічної індустрії. Притягти можна і водяні айсберги, і залізо-нікелеві «болванки» і карбон-чи-силікон-вмісні скелі. Тобто, практично все, що потрібно для створення будь-якого продукту, відомого цивілізації.

Можна притягти, якщо знати, де саме вони. Потрібна Карта Скарбів.

Як налагодити старт суцільного картографування Системи?

По-перше, і це важливо — не за рахунок діючих чи перспективних заатмосферних астрономічних проектів. Хай і далі вдивляються в мегапарсеки і екзопланети. Рано чи пізно, але вони знайдуть підходящі місцинки для вже міжзоряної експансії homo sapiens.

Просте переспрямування коштів і ресурсів, що зараз гатяться в приречену під-атмосферну інструментальну базу, можуть бути корисні в моєму (не забуваєте? Я ж отримав карт-бланш. Творю цинічні злодійства, як заманеться) проекті картографування і постійного скринінгу Системи.

Але цей проект може отримати і додатковий ресурс. Від тих, хто рухатиме проекти лендингів на Місяці та на Марсі. Я не дарма так розписав метеоритну загрозу. І не дарма згадав проблеми матеріального забезпечення постійних позаземних поселень людства. І ті дядьки та пані, вони краще за мене, вже зараз, розуміють обидві ці проблеми для своїх проектів. Тож, я не маю сумнівів, що той самий умовний Маск радо надасть свій транспорт для реалізації картографічного проекту.

А ще, глобальне занепокоєння метеоритно-астероїдною загрозою, за умов правильного нагнітання PR, з легкістю може додати кілька мільярдів у вигляді міждержавного консорціуму. Адже тоді малою копійчиною, чи не кожен уряд зможе йти до своїх виборців і казати: «Ми беремо тепер участь у всепланетному проекті попередження космічних загроз! Майже безкоштовно для бюджету, а отже і ваших гаманців! Жоден комар чи якийсь Оумуамуа не прослизне на наші голови! А як спробує — ми направимо на нього ракети і захопимо в полон! Ще й дивіденди будуть! Кожному — смартфон, і патефон! Голосуйте за нас, бо ми вже в темі, а ті бовдури з опозиції, їх там ніхто не знає. Вони навіть з Маском не ручкалися!».

Отже, гроші і технічні ресурси будуть, навіть не намагайтесь сперечатися.

Як в загальних рисах має виглядати картографічний проект?

Для того, аби бачити все довкола і якомога краще, існує перевірена схема спостережень. Саме так дивляться довкола радари ППО. Тут головне не електронно-допплерівська компонента їх роботи, а те, як вони постійно крутяться, оглядаючи небо.

Подібним чином мають працювати і телескопи-картографи. Обертаючись довкола осі, що перетинає під прямим кутом вісь спостереження, такий телескоп збиратиме нерозривний ланцюг зображень зоряного неба. Параметри того обертання, а отже і час експозиції кожного кадра, залежатимуть як від можливостей (світлосили) самого телескопа, так і від остаточного формулювання завдання: граничні параметри об’єктів, які точно шукатимемо. А на який гравій та пісочок просто не звертатимемо уваги. Спеціально навчані люди все те розрахують, і видадуть ТЗ на створення інструментів і засобів доставки в потрібне місце, бо то їхня робота.

Тепер уявімо, що ТЗ успішно втілене в метал і перший картограф пішов на роботу. Куди саме його найкраще поставити? Ви можете самостійно покрутити варіанти. В мене визріло переконання, що найкращим місцем для роботи картографа будуть точки Лагранжа L4 та L5 планет земної групи. Тобто, або Землі (одразу), або і Марсу (трохи згодом). Чому?

1. Фіксоване і не дуже віддалене, відносно Бази, розташування дозволяє налагодити надійний постійно діючий широкосмуговий канал зв’язку для передачі даних з телескопа в ЦУП
2. Розташування на тій самій геліоцентричній орбіті, що і Земля (Марс) дозволяє мінімізувати витрати на відвідини картографа. Наприклад для поточного сервісу, чи для більш складного ремонту
3. Відносна близькість до «об’єкту захисту» дозволяє не проґавити більшість метеороїдів, що рухатимуться небезпечними курсами

Подумки промотуємо рутину доставки картографа в Лагранж L4, розгортання в робоче становище і вихід на режим. Що ми матимемо? Картограф на геліоцентричній орбіті, який обертається в площині, що перпендикулярна тій орбіті.

За час одного повного обороту навколо своєї осі, за рахунок руху навколо Сонця, сам апарат трохи зміститься, трохи повернеться його вісь спостереження. І, якщо вірно підібрати поле зору телескопа та швидкість обертання навколо власної осі, наступним обертом картограф побачить нову «стрічку» небесної сфери, що відстоятиме від попередньої на кут, який є трохи меншим за кут зору телескопа. Трохи менший, щоби потім було легше «зшивати» витки фотографічної спіралі в єдину нерозривну картину.

Постійний потік даних летітиме до Землі і нестиме в собі спіральну «нарізку» всього простору Системи.

Все наче так.

Але щось не так

Підсумкова картинка, зшита зі спіральної стрічки фотографій вже буде революційним надбанням астрономії. Бо за пів-року дозволить отримати суцільний атлас всієї небесної сфери. З однаковим збільшенням, з чіткою прив’язкою до просторових координат, в потрібних спектральних зонах і вивірену за атомним еталоном часу. Наступні півроку, картограф знову роздивлятиметься небесну сферу і продовжить малювання атласу неба. І стрічка наступного півріччя буде точно така, як і в першому півріччі, АЛЕ відмінною на паралакс земної орбіти. Той самий паралакс, від якого танцює визначення парсека. Цей паралакс одразу виявить об’єкти, які змінили своє розташування. Чи то за рахунок стереоскопічного ефекту (і це дозволить визначити відстань до об’єкта), чи то за рахунок власного руху відносно інших реперних об’єктів, в якості яких виступають далекі яскраві зорі. А насправді, за рахунок обох цих явищ.

Жорстка уніфікація умов зйомки і прив’язка до маркерів часу та координат перебування дозволить обидві ці «піврічні» стрічки фотографій порівняти на дуже великій швидкості, простими комп’ютерними алгоритмами порівняння з одночасним обчисленням відстані та елементів траєкторії власного руху всього, що потрапило в поле зору.

Тобто, вже за рік роботи картографа астрономія отримає повний динамічний 3-D атлас Системи.

Але цього, насправді, замало. Тому що буде важко розрізнити і вирахувати, в яких пропорціях видимий піврічний зсув того чи іншого тіла складається з паралаксу спостереження та з власного орбітального руху. Звісно, все проясниться вже на другому витку навколо Сонця. Тоді, порівнюючи третю піврічну стрічку з попередніми, можна буде розділити «мух та котлети», чітко і точно розділити паралакс та власний рух об’єктів Системи.

Але це занадто повільна метода для вирішення одної з основних місій картографа — виявлення метеороїдів, що рухаються доволі швидко. За рік-півтора від виявлення, ті камінці вже самі можуть добряче пробігти Системою і жахнути куди не слід.

Потрібен стереоскопічний погляд в режимі «тут і зараз». Аби вже з першого спостереження після виявлення, кожен об’єкт фіксувався відстанню, розмірами і елементами траєкторії власного руху. Щоби, щойно побачили якогось камінця, одразу (або найкоротшим часом — години, дні чи тижні) знали б про нього головне: чи йде небезпечною орбітою?

Маючи карт-бланш повноважень, я кажу «Льохко!», ставлю другого близнюка-картографа в Лагранж L5 і змушую робити ту саму роботу, яку перший картограф робить в Лагранжі L4. Причому, я б велів, щоби площини обертання (і сканування, звісно) обох апаратів проходили не через центр Сонця, а перетинались би десь в головному руслі Поясу. Бо там більше всього каміння. Цінного каміння. Навіть коштовного. Об’єктів, що являтимуть першочерговий інтерес в індустріальному плані.

І що це дасть?

Розв’яже дві головні «космічні» проблеми, що стоятимуть перед людством

1. Динамічно-оновлювані траєкторії всіх більш-менш небезпечних метеороїдів і астероїдів надавати урядам, учасникам консорціуму з картографії. З одночасним наданням рекомендацій, які знахідки можна взяти в полон, які слід жахнути термоядерними бомбами, які відтягти буксирами трохи вбік, а на які болти забити
2. Готовий, динамічно-поновлюваний атлас Скарбів продавати за підпискою акулам індустріально-буржуазного загарбання Системи і всім бажаючим старателям та старательським картелям (окрім покладів урану та трансуранових, якщо виявлять. За цим я попрошу слідкувати Пентагон, ЦРУ, ФБР та АНБ)

Ну красиво ж, погодьтесь!

А тепер давайте разом шукати слабкі місця в проекті. Бо ніхто не бездоганний©

P.S.

Трохи офф-топ, та не дуже трохи.

Як ви й самі бачите з перебігу пандемії, питання резервування людської ДНК і матеріально-духовних основ цивілізації, вкрай нагальна задача. Бо як не астероїд, так якийсь COVID-32 жахнуть, і — все. Вже ніхто нікуди не полетить.
Тож — God Save Musk!

P.P.S.

В режимі “Крейдою на манжетах”.

Побіжний огляд найпродуктивніших з існуючих наземних програм Pan-STARRS та Каталінський огляд виявив, що

1. Загальний принцип “склеювання” неба з окремих кадрів з наступним порівнянням параметрів об’єктів в базах попередніх спостережень, є мейнстрімом. Головною відмінністю моєї пропозиції є ідеальні умови спостереження, бінокулярність, абсолютна суцільність і безперервність створення “стрічки” кадрів, що не доступно в умовах спостережень з поверхні Землі.
2. Для роботи використовуються доволі маленькі телескопи (дзеркала не більше двох метрів), але з великим кутом зору (до 3, або й 6 градусів)
3. Експозиція кожного кадру триває впродовж 30…60 с, і це дозволяє зі дна атмосфери фіксувати об’єкти до -24 зоряної величини. Кожне зображення потребує 2 гігабайти пам’яті.
4. Мінімальний розмір об’єктів, з якими працюють існуючі системи — близько 300 метрів. А отже, 1000 Мегатонної бомби і кратера на Землі діаметром 4 км вони не помітять
5. Pan-STARRS побудували (УВАГА!) ВПС США. І вони ж цензурували зображення
6. Щодо нього ж, і щодо грошей: Його роботу фінансує PS1 Science Consortium (PS1SC) — консорціум, до складу якого входить Товариство імені Макса Планка (Німеччина), Національний центральний університет (Тайвань), Единбурзький і Даремський університети та Королівський університет Белфасту (Велика Британія), Університет Джонса Гопкінса й Гарвардський університет (США), а також мережа телескопів LCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope Network)
7. Вже в 2006 році перший телескоп працював на складену ПЗЗ-матрицю 1,4 млрд пікселів.
8. Уся небесна сфера — це 4π стерадіан, або 4π × (180/π)² ≈ 41253 квадратних градусів
9. Якщо припустити кут зору картографа в 1 градус (втричі менший, а отже вдев’ятеро зоркіший) ніж в Pan-STARRS і умову здійснення 1 повного обороту картографа довкола своєї осі обертання за одну добу, це означатиме, що за добу ми отримаємо повний виток стрічки шириною 1 градус. Тому що за цей час картограф подолає близько 1 градуса свого бігу геліоцетричною орбітою: 360градусів/365діб=‭0,986градусів за добу. Крім того, така добова стрічка складатиметься з 360 кадрів, кожен з яких покриватиме 1 квадратний градус небесної сфери.
   А отже, на кожний кадр припадатиме 240 секунд експозиції. Нехай чверть часу піде на процедури зміни кадрів, для фіксації кожного кадра лишиться 180 секунд. Це в 3…5 раз більше, ніж у Pan-STARRS
   В підсумку, картограф з маленьким 1,8 м дзеркалом, як у Pan-STARRS, зможе чітко виявляти об’єкти, які щонайменше на порядок менші, ніж доступні його земному аналогу. А то й на два порядки.
   Тобто, все, що проскочить повз картографа, ГАРАНТОВАНО згорятиме в атмосфері Землі