"ВОЯДЖЕР-2" ИССЛЕДУЕТ НЕПТУН

Борислав Славолюбов

Первоначально Нептун не входил в число главных целей "Вояджера-2", запущенного 20 августа 1977 года с космодрома во Флориде. Даже вероятность достижения Урана на момент запуска была для станции небольшой. Автоматическая межпланетная станция (АМС) "Вояджер-2" должна была быть направлена к Урану, только если опережающая ее на траектории АМС "Вояджер-1" выполнит всю программу исследований Сатурна и его спутника Титана. В противном случае второй Вояджер должен был сменить первый в исследовании Титана. Лишь после успешного сближения "Вояджера-1" с Титаном на расстоянии 4 тыс. км, было решено направить "Вояджер-2" к Урану, а затем и к Нептуну, хотя вероятность сохранения работоспособности станции к тому времени (август 1989 год) оценивалась лишь в 40%. Именно планом полета к Нептуну объясняется решение, принятое в 1984 году - о минимальном сближении с Мирандой, самым небольшим из известных в то время спутником Урана.
Первоначально планировалось, что АМС пройдет 24 августа 1989 года в 1280 км от вершин облаков Нептуна с пертурбационным маневром в поле тяготения планеты, обеспечивающим сближение с Тритоном до 800 км. Однако в 1987 году было принято решение об увеличение минимального расстояния пролета у Нептуна до 5 тыс. км. Решение было вызвано опасением негативного воздействия на АМС сил аэродинамического торможения в атмосфере планеты, которые могли привести к нагреву и электродуговым разрядам, а также непредсказуемым изменением траектории. Кроме того, увеличение расстояния пролета помогало зонду избежать области фрагментарных колец (при пересечении плоскости колец Вояджер-2 проходил на расстоянии 45 тыс. км от вершин облаков), где существовала, хотя и очень низкая, вероятность столкновения с частицами. За несколько недель до пролета Нептуна предполагалось провести фотографирование для поиска возможных колец, не обнаруженных при наземных наблюдениях.
В это время еще было возможно изменение траектории, хотя оно и потребовало бы экстренного внесения существенных изменений в программу пролетного сеанса. Выбор новой траектории прохода около Нептуна потребовал проведения коррекции, которая была осуществлена 13 марта 1987 г., когда АМС находилась на расстоянии 3,35 млрд. км от Земли. Установки для коррекции были заложены на борт за несколько недель до этой даты. При этом микродвигатели коррекции проработали 70 мин и увеличили скорость АМС относительно Солнца до 19,384 км/сек. В результате Вояджер-2 сблизился с Нептуном на 12 часов раньше, чем при пролете по разработанной ранее траектории.
В ходе подготовки к пролету была проведена значительная подготовительная работа с зондом. Из-за небольшой освещенности в системе Нептуна (в 900 раз меньше, чем на Земле) была увеличена экспозиция при фотографировании. Для Нептуна она составила 15 секунд, а для темных спутников и колец от 2 до 10 минут. Продолжительная экспозиция требовала стабилизации аппарата на большое время при значительной скорости относительно Нептуна и Тритона - до 20 км/с. Этого удалось добиться, вдвое сократив длительность импульсов включения верньерных двигателей системы ориентации. Было запрещено включение этих двигателей во время фотографирования, а включение и выключение лентопротяжного механизма запоминающего устройства (магнитофона) было совмещено с работой верньерных двигателей. Все это привело к тому, что дрейф положения осей аппарата стал в 10 раз медленнее движения часовой стрелки. В дальнейшем, по мере приближения к Нептуну, этот дрейф удалось уменьшить еще в 2,5 раза (0,2 угловых минут в секунду). Для устранения смазывания изображения камеры медленно поворачивались за объектом съемки так, чтобы компенсировать его относительное движение. Точности приводов платформы для этого было недостаточно, поэтому ее выставляли в нужное положение и фиксировали, а далее за объектом съемки медленно поворачивался весь аппарат.
Составленное из полученных таким образом кадров мозаичное изображение получается искаженным, но подобные искажения легко устранить компьютерной обработкой. Новый алгоритм управления платформой отрабатывался на АМС "Вояджер-1", которая в 1987 г. была близка к выходу из Солнечной системы и для съемки небесных тел уже не использовалась.
Из-за значительного времени прохождения радиосигнала от "Вояджера-2" до Земли (около 4 часов) были проведены мероприятия по объединению комплекса станций слежения в Голдстоуне (США, Калифорния) с комплексом из 27 антенн радиоастрономической обсерватории в штате Нью-Мексико. Также были модифицированы некоторые антенны комплексов станций слежения в Голдстоуне и в Тидбинбилле (Австралия): их диаметр был увеличен с 64 до 70 м. Комплекс в Тидбинбилле был объединен с радиотелескопом в Парксе (Австралия), как это делалось при пролете Урана. В результате при той же надежности радиолинии скорость передачи данных с Нептуна удалось увеличить с 4,6 до 30 кбит/с (для повышения надежности использовалась скорость 21,6 кбит/с). Также были использованы эффективные алгоритмы сжатия данных ("Рида - Соломона") позволяющие уменьшить объем передаваемых данных в несколько раз.
Все эти мероприятия позволили избежать длительных перерывов в передаче научных данных на Землю, как это было при сближении с Ураном. Фотографирование Нептуна было начато 23 января 1989 года, на расстояние 310 млн. км от Нептуна:

На фотографиях полученных 3 апреля 1989 года, стали наблюдаться образования в атмосфере:

Примерно в это же время снимки с АМС стали по разрешению лучше, чем снимки с лучших земных телескопов.
20 апреля 1989 г. было произведено включение двигательной установки станции и осуществлена очередная коррекция траектории. "Вояджер-2" находился в это время на расстоянии 4,3 млрд. км от Земли и примерно 294 млн. км от Нептуна. На снимках от 16 июня 2004 года был обнаружен внутренний спутник Нептуна Протеус. Объект 20 звездной величины по размеру был больше Нереиды, и, по-видимому, не был обнаружен ранее при наблюдениях с Земли из-за близости к планете. В начале июля по снимку Тритона была сделана первая предварительная оценка его размера - 2800-3600 км:

В дальнейшем она постепенно уточнялась до самого пролета. Также в июле было обнаружено еще 3 небольших внутренних спутника:

В начале августа расстояние до Нептуна уменьшилось до 35 млн. км. Проводилась интенсивная съемка планеты с целью изучения облаков. Кроме Большого Темного Пятна, обнаруженного еще в конце весны, было зафиксировано еще несколько десятков образований:

Из-за огромной скорости перемещения облаков и циклонов в атмосфере наблюдение за ними представляло большую сложность.
Однако в сравнение с наземными снимками, сделанными за несколько лет до того, на планете оказалось сравнительно мало деталей - ровный голубой фон с довольно слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков.
Были проведены измерения температуры на диске Нептуна, самыми холодными оказались подсолнечные широты (52К), а самыми теплыми - районы полюсов и экватор (61К). Также были проведены измерения скорости ветра - в некоторых частях они доходили до 700м/c, т.е. практически скорости звука! За две недели до пролета камеры Вояджера начали фиксировать систему колец Нептуна. Сначала были сфотографированы "арки" - незамкнутые образования в несколько градусов. Затем на снимках стало заметно, что "арки" являются яркой частью полных колец. Всего было зарегистрировано 5 колец. Также было проведено детальное фотографирование новых спутников - они оказались неправильной формы (размером 40-400 км) с низким альбедо. Примерно в это же время были получены более детальные снимки Тритона:

Зонд прошел на минимальном расстояние 4900 км от облачного слоя планеты в 3 ч 56 мин 25 августа 1989 года над северным полюсом. В пределах двух часов до этого была проведена съемка Нептуна с высоким разрешением. На полученных снимках видны перистые облака (циррусы), отбрасывающие тень на лежащий ниже слой сплошных голубых облаков (ширина 50-200 км, высота 50 км). Наблюдение лимба Нептуна над краем позволило обнаружить надоблачную дымку.
Во время длившегося 49 минут захода станции за Нептун было проведено радиозондирование подоблачной атмосферы. Для этого ориентация аппарата изменялась так, чтобы радиолуч "Вояджера-2" попал на Землю после преломления в атмосфере Нептуна. Луч неожиданно исчез, когда пересек уровень 3 бар, на 25 км ниже верхней границы облаков. По расчетам, там должен был находиться слой облаков изо льда сероводорода H2S. Однако сероводород не мог вызвать такое поглощение. Были высказаны предположения, что радионепрозрачный слой состоит из небольшой примеси аммиака. Давление на уровне видимого облачного слоя оказалось равным 1,2-1,3 бар.

Задолго до сближения было проведено изучение магнитного поля. Радиовсплески от заряженных частиц принимались еще за месяц до сближения, однако выделить из шумов (как и при исследовании Урана) их смогли лишь за 8 дней. В этот же день, на расстояние 864 тыс. км. от Нептуна "Вояджер-2" достиг ударной волны (границы магнитного поля и области солнечного ветра). Ее прохождение заняло больше часа (у Земли на это ушло бы 2 секунды). Причина этого - наклонный ротатор: в этот момент южный полюс диполя был обращен к Солнцу. Поэтому аппарат двигался практически вдоль силовых линий магнитного поля со стороны южного каспа (воронки у магнитного полюса). Такое везение впервые позволило получить сведения о структуре полярных каспов.
Это внесло некоторые изменения в ход экспериментов, т. к. предполагалось, что станция пролетит над северным географическим полюсом планеты и, соответственно, вблизи магнитного полюса. Было отмечено, что частотно-временные характеристики волновых явлений аналогичны соответствующим явлениям в земной магнитосфере.
"Вояджер-2" провел внутри магнитосферы Нептуна 38 часов. Был измерен угол между осью магнитного диполя и осью вращения Нептуна, составивший 46,8 градусов. Ось диполя сдвинута на 14 тыс. км в сторону от центра планеты, а центр диполя смещен на 6 тыс. км в южное полушарие. Поэтому напряженность магнитного поля у южного магнитного полюса в 10 раз выше, чем у северного, и близка к 10 тыс. нТ (в 3 раза меньше земной). В полете наблюдались полярные сияния, в атмосфере Нептуна они были разбросаны по пространству (а не только в овальных областях вокруг полюсов), они наблюдались также и на Тритоне. По измерениям оказалось, что плотность магнитосферы - всего 1,4 протона или тяжелого иона в 1 куб.см , это в 3 раза меньше чем у Урана и в 3 тыс. раз меньше, чем у Юпитера.
За время пересечения магнитосферы магнитное поле пять раз изменяло свое направление. Из периодичности радиовсплесков удалось, наконец, найти период вращения Нептуна (16 час 3 мин + 4 мин). Радиовсплески принимались еще в течение 22 дней после сближения. Дюжину раз удалось принять какие-то другие сигналы ("спокойного" характера), которые приходили от самой планеты, а не из магнитосферы. Эти сигналы имели направленный характер.
При прохождении плоскости колец регистрировалось около 300 соударений пылевых частиц в секунду, их размеры были оценены в 10-4 см, концентрация в 3ћ10-9 см-3. При скорости движения относительно станции 20 км/с они не нанесли существенных повреждений аппарату.
Через 4 часа (в 9 ч 10 мин того же дня) Вояджер прошел в 39 800 км от Тритона, над его южным полушарием. В ходе сближения были получены снимки поверхности с разрешением до 750 метров на пиксель. Снимки показали очень молодую поверхность со следами бурных геологических изменений в прошлом. Была измерена температура поверхности -236њС, толщина атмосферы - 700-800 км, давление у поверхности - 10-5 атмосфер или около 1 Па, температура на высоте 600 км - около 100 К, состав атмосферы - в основном азот. Также была определенна масса Тритона и его плотность.
В этот день была проведена и съемка Нереиды, внешнего спутника планеты, с разрешением 43 километра на пиксель. Несмотря на расстояние в более чем 4 млн. км, удалось определить, что Нереида - тело неправильной формы размером около 340 км в поперечнике:

Съемка Нептуна, Тритона и колец продолжалась и после пролета окрестностей планеты:

Наблюдения затмений звезд внешним кольцом показали, что оно имеет уплотнение с поперечником 17 км, окруженное пылевыми частицами ("гало" с сечением 50 км). Наблюдение колец с обратной стороны от Солнца показало, что в них преобладает пылевые частицы. Также отсутствие отражений радиоволн указывает на то, что в них нет частиц размером крупнее сантиметра.
В сентябре было открыто еще 2 новых небольших внутренних спутника, доведя число известных спутников у Нептуна до восьми. Всего Вояджер-2 сделал в системе Нептуна около 9 тыс. снимков.

После "Вояджера-2"

После ремонта телескоп Хаббл одной из целей его наблюдений стал Нептун. Используя широкоугольную камеру WFPC 2 с хорошим разрешением (для Нептуна около 1000 км на пиксель) астрономы хотели увидеть изменения, произошедшие в атмосфере со времен пролета Вояджера-2. Проведенные в конце июня 1994 года наблюдения показали отсутствие Большого Темного Пятна:

Последующие наблюдения Хаббла в 1996, 1998 годах:

подтвердили большую изменчивость атмосферы, в частности был обнаружен формирующийся циклон в северном полушарии:

Также Хаббл провел наблюдения Тритона и зарегистрировал повышение температуры. Этот факт, вместе с наблюдавшимся покрытием звезды Тритоном в 1997 году, позволяют утверждать, что атмосфера Тритона стала в 2 раза плотней, чем в 1989 году.

Достижения в адаптивной оптике позволили крупным наземным телескопам получать снимки Нептуна, практически такие же по разрешению, как снимки Хаббла. Наблюдения в 2000 году телескопами Palomar High Angular Resolution Observer и Keck II позволили выявить новые детали в атмосфере. На изображениях, сделанных в инфракрасном диапазоне на длине волны 1,6 мкм, ясно видно большое облако в южной полусфере Нептуна, а также более мелкие облака и облачные полосы в других районах планеты. Облачные слои на изображениях видны в виде ярких полос, по внешнему виду аналогичных изображениям облаков на Юпитере.

Нептун

наверх

к оглавлению