В августе 1989 года космический аппарат Voyager 2 сделал несколько изображений в окрестностях Нептуна. Снимки достигли шли до Земли четыре часа и шесть секунд – и их получатели увидели нечто странное. На поверхности Тритона – спутника, движущегося вокруг Нептуна по ретроградной орбите – виднелось несколько тёмных пятен. Учёные-планетологи улучшили полученные изображения, обработали их и увидели нечто похожее на выбросы газа, взмывающие со спутника, а затем изгибающиеся под углом 90 градусов при столкновении с ветром в верхних слоях атмосферы. Тритон, который в теории должен был быть холодным миром, представляющим собой мёртвую ледяную скалу на краю Солнечной системы, был активен. Причём гораздо сильнее, чем кто-либо мог подумать.
Всё это произошло более трёх десятков лет назад. Но в 2019 году группа планетологов предложила проект миссии, в рамках которой планировалось ещё раз изучить Тритон в надежде раскрыть его секреты и, возможно, изменить наше понимание того, где во Вселенной может существовать жизнь. Их предложение не было выбрано в 2021 году, но сам проект миссии включал те научные исследования, которые ещё только предстоит провести на холодных окраинах Солнечной системы, а также способы отправки туда космического аппарата с ограниченным бюджетом.
Хаотический спутник
Нептун был обнаружен Иоганном Галле 23 сентября 1846 года. Чуть более чем через две недели после этого английский астроном Уильям Лассел заметил Тритон. Лассел определил, что направление орбиты Тритона противоположно вращению Нептуна и он является единственным большим спутником в Солнечной системе, обладающим подобной характеристикой. С тех пор учёные предполагают, что Тритон — захваченный объект, происходящий из пояса Койпера, области внешней Солнечной системы, которая простирается от орбиты Нептуна на расстояние от 30 до приблизительно 50 астрономических единиц. Астрономическая единица — это расстояние от Солнца до Земли, что делает пояс Койпера очень далёким. Плутон относится к объектам пояса Койпера, и Тритон почти наверняка тоже.
Захват Тритона Нептуном мог бы значительно нагреть сам Тритон. Орбита спутника сильно наклонена по отношению к экватору планеты, что, как предполагают некоторые учёные, достаточно для наличия жидкого внутреннего океана под его ледяной поверхностью. Однако в 1989 году никто об этом не подозревал.
Невероятные выбросы, обнаруженные зондом Voyager, характерны для южного полярного региона, богатого летучими веществами. Согласно общепринятой теории, они возникают в результате взрывного выброса тёмного вещества из-под прозрачного льда, однако согласия относительно точной причины этого явления нет. Более новая теория гласит, что Тритон может иметь подповерхностный океан, подобный таковому на спутнике Сатурна Энцеладе, на котором также наблюдались похожие выбросы. Если она окажется верной, то это может иметь значительные последствия для поиска жизни во Вселенной.
Все эти его особенности означают, что Тритон является членом трёх различных популяций: объектов пояса Койпера, подобных Плутону; океанических миров, таких как Ганимед, Титан, Европа и Энцелад; и небесных тел, генерирующих выбросы, подобных Европе и Энцеладу. Изучение Тритона может дать полезную информацию для понимания всех трёх популяций. Есть ещё одна деталь, делающая этот спутник интересным и необычным: у него поразительно активная ионосфера. Казалось бы замёрзший и неинтересный Тритон смог по-настоящему удивить учёных – и несколько лет назад они предложили миссию Trident, направленную на его изучение.
Маленький космический аппарат — большое путешествие
«Концепция Trident фактически возникла в ходе двухдневного исследования конструкции космических аппаратов в 2017 году, что совпало с завершением миссии Cassini, — объясняет Карл Митчелл из Лаборатории реактивного движения и один из учёных-исследователей команды, представившей миссию Trident. — Была собрана группа учёных и инженеров по запросу Брента Шервуда и Ким Ре, отвечавших за программу Discovery в Лаборатории реактивного движения. Им поставили задачу проанализировать, какие новые миссии станут осуществимы, если возможно будет использовать РИТЭГи».
РИТЭГи, или радиоизотопные термоэлектрические генераторы, являются, по сути, «атомными аккумуляторами», работающими на основе изотопа редкого элемента плутония-238, который не используется для создания бомб, а вместо этого выделяет значительное количество тепла, которое может быть прямо преобразовано в электричество. Они могут давать энергию в тех случаях, когда света недостаточно для солнечных панелей или когда в рамках миссии их использование нецелесообразно. Марсоходы Perseverance и Curiosity полагаются на подобные РИТЭГи. Cassini получал энергию от РИТЭГов около Сатурна, а New Horizons нуждался в них для работы вблизи Плутона.
В Лаборатории реактивного движения изучили, как можно использовать РИТЭГи в небольших миссиях. «Подобные мозговые штурмы там часто проводятся, — объяснил Митчелл, — и я очень счастлив быть одним из тех, кого они регулярно приглашают. Обычно это очень увлекательные мероприятия, включающие быстрое творческое проектирование. Естественно, большинство концепций относились к дальним или затенённым частям Солнечной системы, где света очень мало. Некоторые из присутствующих, включая меня, предложили миссию к Тритону. Это было особенно популярное предложение, так как из-за его удалённости от Земли многие считают, что Тритон был забыт, несмотря на то, что зонд Voyager 2 продемонстрировал, насколько это поразительный объект».
Митчелл решил продолжить эту работу с Биллом Смайтом, обладающим большим опытом в поиске оптимального равновесия между научной и инженерной составляющей в рамках проектирования космических аппаратов. Смайт также был одним из участников исследования A-Team. «Нитин Арора, отвечавший за планирование миссии, предложил довольно интересную траекторию, так что мы по крайней мере знали, что всё это осуществимо», — добавил Митчелл. Они начали расширять команду и определять научные цели. Затем они представили концепцию миссии внутренней комиссии Лаборатории реактивного движения и получили разрешение продолжить работу. Они привлекли ещё больше людей, в частности Кэнди Хансен, которая участвовала в проекте Voyager 2 и руководила анализом миссии к Нептуну и Тритону. Когда они решили, что им нужен главный исследователь, который бы возглавил всю работу, Митчелл обратился к Луизе Проктер.
Тогда Проктер была директором Лунно-планетного института, расположенного рядом с Центром космических полетов им. Джонсона в штате Техас. Этот институт был создан в конце 1960-х годов для проведения научных исследований образцов, полученных в ходе программы «Аполлон». Проктер являлась планетарным геологом и участвовала в нескольких предыдущих миссиях, в том числе связанной с космическим аппаратом MESSENGER, который находился на орбите Меркурия с 2011 по 2015 годы. Также она участвует и в миссии Europa Clipper.
Она вспомнила, как ей предложили работу над миссией Trident. «Я сразу сказала да, — пояснила она, — потому что Тритон — это такой увлекательный спутник, а концепция была смелой и захватывающей. Некоторое время спустя они спросили меня, не рассматривала ли я возможность стать главным исследователем, и я с радостью согласилась». Она также добавила, что миссия изначально не называлась Trident, но они беспокоились о проблемах с авторским правом, связанных с названием Project Hoth.
Проктер объяснила, что считает Тритон увлекательной целью. «Тритон кажется необычным ледяным миром, но мы видели лишь немногочисленные изображения его поверхности. Voyager обнаружил у спутника странные и динамические геологические процессы, чрезвычайно молодую и активную поверхность с выбросами, атмосферные облака и дымки, а также интенсивную ионосферу».
Ко всему прочему она добавила, что за 30 лет, прошедших лет с посещения Тритона, учёные смогли узнать о нём кое-что новое при помощи наземных телескопов. «Его атмосфера динамична, и на поверхности могут происходить изменения вследствие взаимообмена веществами с ней. Моделирование захвата Тритона и его орбитальной эволюции говорит о том, что скорее всего на спутнике есть океан, который остаётся жидким из-за приливного воздействия, отличного от тех, что присутствуют на ледяных спутниках, подобных Европе и Ганимеду, — пояснила она. — Если на Тритоне есть океан, это изменит наше представление о том, какие условия необходимы для формирования потенциально обитаемого мира». Кроме того, только 40% его поверхности было заснято с достаточным разрешением для определения геологических особенностей – у учёных есть целое полушарие, ожидающее исследования.
Кэнди Хансен считала себя ветераном миссии Voyager в команде Trident. «Я участвовала в основном пролёте аппарата Voyager мимо Нептуна, работая представителем по экспериментам в Лаборатории реактивного движения в команде научной оптики», — вспоминает она. Эта команда была раскидана по всей стране: часть её находилась в Геологическом исследовательском центре США во Флагстаффе, штат Аризона, а также в различных университетах.
«В те времена, практически до появления интернета, я была ответственна за ежедневную помощь им во всём, начиная от проектирования камеры наблюдения и написания кода до обработки изображений для пресс-релизов и публикаций, — вспоминала она. — В то время я работала над диссертацией на соискание учёной степени доктора философии, и в итоге использовала в ней изображения Тритона, полученные от аппарата Voyager. Я моделировала сезонные процессы на Тритоне и изучала, что ветра на поверхности, предположительно сформированные прошлыми выбросами, говорят нам о состоянии атмосферы».
Сейчас может показаться странным, но до запуска зондов Voyager Солнечная система казалась более простой, потому что мы знали о ней очень мало и делали ограниченные предположения на основе ограниченных данных. Например, мы предполагали, что маленькие холодные планетные тела должны быть старыми и неактивными. «Я работала с командой по научной оптике Voyager с момента его запуска и в ходе всех пролётов, — сказал Хансен. — Огромное разнообразие Солнечной системы стало для нас ценным уроком, который так и не утратил свою актуальность». Результатом двух миссий Voyager стало множество научных статей, диссертаций и книг. Более того, многие учёные нашли свои любимые планеты, кольца или спутники, удивляющие своими загадками, завесу тайны над которыми приоткрыли эти два космических аппарата.
Тритон был музой Хансен. «У него имеется собственная уникальная геология, которая увлекает меня. Мы не знаем, как распределён лед по его поверхности. Я очень хочу увидеть это небесное тело, особенно меня интересует его сезоны! Что вызывает эти выбросы? Как коррелирует цвет с составом поверхностного вещества? Какое у него атмосферное давление, и так далее». Хансен, являющаяся теперь старшим учёным в Планетологическом институте США, считает, что Trident может дать ответы на эти вопросы. «Voyager прислал нам изображение. Trident сделает ещё одно десятилетиями позже, и мне очень интересно какие изменения мы сможем увидеть».
По дороге туда
Цель команды заключалась в получении научных данных о Тритоне в разумные сроки после облёта спутника. Космический аппарат должен был быть запущен в 2025 году и прибыть к Тритону в 2038-м. Он воспользовался бы уникальной траекторией, рассчитанной Нитином Арора впервые. Trident пролетел бы мимо Венеры, используя свою остронаправленную антенну в качестве теплового экрана, а затем дважды мимо Земли. Он бы прибыл к Юпитеру в 2032 году: газовый гигант помог бы аппарату изменить орбиту так, чтобы добраться до Нептуна. Команда назвала её «баллистической траекторией», потому что она почти не требует дополнительного топлива после выхода из гравитационного колодца Земли. Масса космического аппарата составила бы 1 095 килограммов плюс 134 килограмма гидразина. Для сравнения, Voyager 2 имел массу 825 килограммов, а New Horizons — 478 килограммов. Trident был бы значительно тяжелее из-за наличия на борту большого количества аккумуляторных батарей, заряжаемых РИТЭГами.
Одна из неотъемлемых особенностей миссий к далёким внешним планетам заключается в том, что большие расстояния требуют большого количества времени на их преодоление. Поэтому команда Trident позаботилась о приглашении соисследователей на разных уровнях карьерного роста, с целью обеспечить наставничество и обучение молодых коллег при содействии более опытных членов команды, участвовавших в нескольких космических миссиях. Это было сделано, чтобы гарантировать присутствие всех необходимых экспертов на протяжении всего периода разработки аппарата, его полёта и сближения с Тритоном в 2038 году. Проктер отметила, что её заместитель, Карли Хоуэтт, гораздо моложе, имеет множество других навыков и возьмёт на себя роль главного исследователя, если она сама не сможет продолжать работу.
Космический аппарат впадал бы в спящий режим на большей части своего маршрута, а научная команда в это время работала бы над другими проектами, продолжая подготовку и анализируя, какие дополнительные научные выводы можно сделать о Тритоне на основе данных, полученных от аппарата Voyager, наблюдений с Земли и моделирования. Они также хотели бы провести калибровку приборов при пролёте космического аппарата мимо других объектов, таких как Юпитер, Ио, Венера, а также при наблюдении за звёздами, чтобы убедиться, что всё работает должным образом.
Среди предполагаемых приборов на борту Trident был бы магнитометр, который позволил бы обнаружить подповерхностный океан. Кроме того, среди оборудования нашлось бы место для инфракрасной спектральной и узкоугольной камер. Trident должен был быть оснащён также широкоугольным сканером затмений, плазменным анализатором и спектрометром, а также радиоизмерительной аппаратурой для изучения гравитационных и атмосферных явлений.
Если бы миссия была утверждена и запущена в 2025 году, то к 2038 году Trident пролетел бы на расстоянии 500 километров от Тритона в пределах тонкой атмосферы спутника. Для сравнения, New Horizons пролетел мимо Плутона на расстоянии 12 500 километров. Такое сближение позволило бы Trident хорошо изучить поверхность, взять пробы ионосферы с помощью плазменного спектрометра и оказаться достаточно близко, чтобы провести высокодетальные измерения магнитной индукции, которые могли бы подтвердить существование подповерхностного океана. В то же время, Trident прошёл бы сквозь полное затмение, что позволило бы увидеть атмосферные покрытия как Тритона, так и Нептуна.
Предполагаемый космический аппарат должен был обладать встроенной памятью большой ёмкости, что позволило бы провести почти полную картографию всей поверхности спутника за один оборот Тритона по своей орбите. После пролёта мимо Тритона Trident также смог бы запечатлеть спутник в свете, отраженном от синей атмосферы Нептуна — «нептунианском сиянии».
Достижение Тритона к 2038 году позволило бы зонду Trident использовать узкое окно наблюдений, что дало бы учёным возможность оценить изменения в активности выбросов Тритона и особенностях его поверхности с момента последней съёмки аппаратом Voyager 2 в 1989 году. Прибытие в более поздний срок означало бы, что Солнце освещало бы более северную часть Тритона, а значит, некоторые из выбросов были бы расположены в зоне сумерек, а далёкая южная часть спутника вообще не была бы видна. Проктер пояснила, что основное значение в выборе времени запуска Trident заключается в том, чтобы «поймать» Солнце до того, как подсолнечная точка сместится на север от южной азотной ледяной шапки. Это дало бы возможность проверить модель сублимации, согласно которой выбросы вызываются прохождением солнечного света сквозь азотный лёд и нагревом вещества под ним. Возможно, рядом с экватором были бы обнаружены новые выбросы, которые располагались бы в ярком дневном свете, но не питались бы от азотной шапки, что могло бы означать, что они скорее имеют криовулканическую, а не сублимативную природу.
Две конкурирующие теории о происхождении выбросов на Тритоне могут иметь значительное научное значение, в зависимости от того, какая из них верна. Если выбросы вызываются процессом нагрева вещества подо льдом согласно «твёрдотельной» теории, то это будет уникально, но не обязательно захватывающе. Но если на Тритоне действительно есть подповерхностный океан, и если выбросы свидетельствуют о циркуляции углеводородов внутри и вне этого океана, то это означает, что Тритон станет соответствовать определению жизнепригодного мира. Это сильно расширило бы возможность отыскать подобные миры во Вселенной.
На данный момент наше определение жизнепригодных миров требует, чтобы они находились в зоне обитаемости, т.е. на таком расстоянии от звезды, чтобы вода могла существовать в жидкой форме, либо около большой планеты, способной вызывать приливное нагревание. Тритон находится рядом с Нептуном, который обеспечивает второе условие, однако не стоит забывать, что он является захваченным объектом пояса Койпера. Это означает, что спутник мигрировал из холодного пустого пространства, был захвачен, нагрелся и теперь, возможно, достаточно тёплый для поддержания жизни. Возможно, Тритон активен не только в ионосферном и геологическом отношении, но и в других аспектах. Возможно, подо льдом Тритона есть жизнь. Возможно, то же самое произошло и в на других небесных телах нашей галактики, далеко от раскалённых звёзд. Возможно, Trident поможет это выяснить.
При планировании миссий похожих на те, что уже были осуществлены ранее, команда стремится достигнуть своих научных целей новыми способами и должна убедить экспертов в том, что они могут быть успешно выполнены. Магнитометрия является общепринятым методом обнаружения подповерхностного океана, но до сих пор требует множества орбитальных витков или пролётов мимо небесного тела. В рамках миссии Trident подлёдный океан на Тритоне предположительно мог бы быть обнаружен с помощью магнитометрии после одного единственного пролёта, что, как описала Проктер, является «новой и смелой идеей». Она всегда знала, что это будет непросто. «В сообществе есть те, кто не верит, что это возможно, или кто считает, что ионосфера Тритона затмит любой сигнал из океана. Мы провели обширное моделирование, чтобы показать, что мы можем обнаружить любой подповерхностный океан минимальной глубины и солёности, но иногда теории нужна пара лет для того, чтобы она могла быть опубликована и чтобы люди смогли провести своё собственное соответствующее моделирование, дабы убедиться, что что-то можно сделать», — пояснила она.
Исследование внешних планет с ограниченным бюджетом
В феврале 2019 года NASA выбрала Trident вместе с тремя другими миссиями в рамках программы Discovery для дальнейшего изучения с планом запустить две из них в работу в начале 2021 года. Миссии в рамках этой программы имеют ограничение стоимости в 500 миллионов долларов, без учёта затрат на запуск, операционные расходы и анализ научных данных. Если бы Trident была выбрана, команде было бы предоставлено четыре года на постройку и запуск космического аппарата, чтобы соответствовать окну запуска в 2025 году, хотя они могли бы запустить его и в 2026, если это было бы необходимо. Это был относительно амбициозный график, и недавние проблемы, с которыми столкнулись в Лаборатории реактивного движения, подвергли сомнению возможность его выполнения без значительных усилий.
Планирование миссии к внешним планетам за менее чем 500 миллионов долларов является невероятно амбициозной целью, потому что обычно отправка туда космического аппарата стоит намного больше. Митчелл согласился, что главной проблемой при выборе проекта является убедить людей, что они могут выполнить все задачи в рамках бюджета, особенно учитывая, что Trident отправится дальше, чем любая миссия схожей стоимости. Он также добавил, что космический аппарат New Horizons тоже удалился от Земли на расстояние в 30 астрономических единиц, но при этом выделенная на проект сумма была примерно в два раза больше.
Команда Trident следовала осторожной философии инженерного проектирования и получила некоторые преимущества, ранее недоступные конкурентам. Кроме того, у них было несколько хитростей в запасе. Они выбрали приборы, использовавшиеся ранее, и не имевшие дополнительных функций. Никаких излишеств. Все приборы были закреплены на корпусе космического аппарата, не требовали подвесов или подвижных платформ, которые увеличивают стоимость и риск.
Команда Trident также получила преимущества благодаря изменению правил NASA, которые коснулись и миссий Discovery. Операционные расходы и научные исследования, известные как фаза Е космических миссий, не были включены в лимит стоимости программы Discovery для отбора потенциальных проектов на 2021 год. Это означало, что 12 лет полёта к Тритону не учитывались в рамках программы, даже если это и стоило бы дороже, чем более короткая миссия. Дополнительно, в рамках конкурса программы Discovery, NASA предоставляла до двух РИТЭГов, текущая модификация которых известна как MMRTG, всего за 69 миллионов долларов, в то время как предыдущая цена за те же генераторы составляла 103 миллиона долларов. После вычета стоимости РИТЭГов в 69 миллионов из предельной стоимости в 500 миллионов у команды миссии Trident оставался 431 миллион на постройку космического аппарата.
Многие аспекты, позволяющие выполнить миссию, не превысив лимит расходов, связаны между собой дизайнерскими решениями. «Баллистическая траектория» требует небольшой мощности двигателя, поэтому конструкторы выбрали более дешевую и менее производительную двигательную установку с небольшим топливным баком. Она использует гидразин вместо комбинации из нескольких видов топлива. Меньшая масса топливной системы, в свою очередь, снижает массу космического аппарата, что позволяет использовать более маленькие и дешёвые ракеты-носители для его выведения. Всем, кто знаком с этой сферой, известно, что каждый дополнительный килограмм стоит больших денег.
Хотя «баллистическая траектория», вероятно, была самым умным трюком миссии, который повлиял на её стоимость, был ещё один, касающийся того, как Trident управлял расходом своей энергии. Когда New Horizons пролетел мимо Плутона, все приборы космического аппарата работали на очень низкой мощности от одного единственного РИТЭГа. Это потребовало разработки оборудования с низким уровнем энергопотребления, что оказалось весьма дорогостоящим мероприятием. Команда миссии Trident выбрала более простой, прямой подход: они оснастили космический аппарат дешёвыми аккумуляторами, которые медленно заряжались двумя РИТЭГами. Во время пролёта мимо Тритона все приборы работали бы от них, и поскольку не было необходимости специально разрабатывать какое-либо оборудование с очень низкой мощностью, это позволило бы снизить затраты. Эти аккумуляторы были бы тяжёлыми, но столь изобретательная траектория сделала этот аспект менее значимым, чем для других миссий.
Научная кампания при пролёте мимо Тритона длилась бы десять дней и начиналась с включения узкоугольной камеры и инфракрасного спектрометра. Остальные приборы запускались бы непосредственно перед пролётом, а аккумуляторы разряжались бы во время научной кампании, при этом небольшая часть энергии пополнялась бы РИТЭГами.
Расписание
В июне 2021 года NASA выбрала две миссии на Венеру в рамках программы Discovery — VERITAS и DAVINCI+, в то время как Trident и предложенная миссия к спутнику Юпитера Ио остались за бортом. К сожалению, из-за положения Нептуна и его орбиты миссия Trident не может пропустить своё окно запуска в 2025/2026 годах и всё же выполнить поставленные задачи. Если в будущем будет предложена другая миссия к Тритону, то она будет иметь совершенно другой временной интервал и значительно отличающиеся научные цели.
В последние годы программа планетарных исследований NASA столкнулась с серьёзными ограничениями бюджета и расписания. Возможности для будущих конкурсных научных миссий неясны. Весной 2022 года был опубликован десятилетний обзор планетарных исследований, и одним из его главных приоритетов является флагманская миссия к Урану. Уран и Нептун — ледяные гиганты равной научной важности, хотя их спутниковые системы отличаются. Возможно, пройдет ещё много времени, прежде чем NASA отправит роботизированную миссию к Нептуну и его загадочному привлекательному спутнику. Но проект миссии Trident продемонстрировал, что существуют умные люди, ищущие способы, как туда добраться.