Вы, вероятно, слышали об инициативе Breakthrough Starshot (BTS). BTS стремится отправить крошечный пикокосмический корабль с легким парусом размером в грамм к нашему соседу, Проксиме Центавра B. Согласно схеме BTS, лазеры должны были бы направить целый флот крошечных зондов к потенциально богатой водой экзопланете.
Теперь другой компанией, Space Initiatives Inc., занимается этой идеей. НАСА профинансировало их, чтобы они могли изучить эту идею. Чему мы можем научиться в результате этих усилий?
Проксима b может быть близким соседом в планетарном плане. Но он находится в совершенно другой солнечной системе, примерно в четырех световых годах от нас. Это означает, что любые отправленные туда зонды должны двигаться с релятивистскими скоростями, если мы хотим, чтобы они прибыли в разумные сроки.
Вот почему Space Initiatives Inc. предлагает такой крошечный космический корабль. Благодаря небольшой массе лазеры прямого действия могут доставить их к месту назначения. Это означает, что им придется отправить рой из сотен или даже тысячи зондов, чтобы получить ценные научные результаты.
Это сильно отличается от архитектуры, которой обычно соответствуют миссии. Большинство миссий представляют собой один космический корабль, возможно, с прикрепленным к космическому кораблю Кассини зондом меньшего размера, например зондом «Гюйгенс». Как использование роя меняет миссию? Каких результатов мы можем ожидать?
«Мы ожидаем, что наши инновации окажут глубокое влияние на освоение космоса».
Томас Юбэнкс, Space Initiatives Inc.
Эта идея рассматривалась в новой презентации на 55-й конференции по науке о Луне и планетах (LPSC) в Техасе. Он называется «НАУЧНОЕ ВОЗВРАЩЕНИЕ ИЗ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКЗОПЛАНЕТЫ ПРОКСИМА В». Ведущий автор — Т. Маршалл Юбэнкс из Space Initiatives Inc., стартапа, разрабатывающего 50-граммовые фемтоспутники весом менее 100 граммов (3,5 унции).
Крошечные зонды, подобные этим, могут совершать только пролеты. Они слишком малы и малы для чего-либо еще. При разработке подобной миссии в первую очередь следует учитывать, будут ли зонды действовать как рассредоточенный или сплоченный рой. Рассредоточенным рой зонды последовательно достигают пункта назначения. В сплоченном рой зонды собираются вместе, когда пролетают мимо. Обе архитектуры имеют свои преимущества.
В любом случае эти крошечные зонды с солнечным парусом будут очень тонкими. Но благодаря технологическим достижениям они все еще могут собирать изображения высокого разрешения, работая вместе.
На изображении ниже показаны 247 зондов, образующих массив во время пролета мимо Проксимы b. Вместе они имеют площадь сбора света трехметрового телескопа. Такое расположение должно обеспечить разрешение до доли секунды на оптических длинах волн. Спектроскопия должна быть столь же точной.
«Хотя как эрозия межзвездной среды (ISM), так и размытие изображений ухудшат качество изображений, мы ожидаем, что эти системы позволят получать изображения с разрешением менее дуговой секунды и спектроскопию целевой планеты», — пишут авторы.
Эти крошечные космические корабли могли бы немного скорректировать курс, но не сильно. Поэтому правильная навигация имеет решающее значение. К сожалению, наши данные об орбите Проксимы b не так хорошо изучены, как данные о планетах нашей Солнечной системы. Все сводится к эфемеридам.
Таблицы эфемерид показывают траектории движения планет и других объектов в космосе. Но в случае с Проксимой b ошибка эфемерид потенциально весьма велика.
К этому добавляется расстояние. Если зонды смогут двигаться со скоростью 20% скорости света, то достижение планеты займет более 21 года. Авторы подсчитали, что если им удастся ограничить ошибку эфемерид Проксимы b до 100 000 км и отправить 1000 зондов, по крайней мере один пройдет на расстояние 1000 км от планеты. «Для достижения этой цели по ошибке эфемерид потребуется улучшение астрометрии системы Проксима», — пишут авторы.
Зонды будут проводить научные наблюдения по пути к Проксиме b. Во время путешествия у рой будут десятки или даже сотни возможностей использовать микролинзирование для изучения звездных объектов. Событие микролинзирования звездной массы, требующее одного месяца на Земле, займет всего один час.
«Теперь можно предсказать события линзирования близлежащих звезд; Наблюдения зондом BTS десятков или сотен предсказанных событий микролинзирования близлежащих звезд станут как средством наблюдения за этими системами, так и новыми средствами межзвездной навигации», — объясняют авторы.
Рой станет лишь третьей миссией, покинувшей нашу Солнечную систему. Космический корабль «Вояж» покинул гелиосферу, но лишь случайно. Таким образом, рой мог наблюдать межзвездную среду (ISM) в течение своего более чем 20-летнего путешествия. Один из вопросов, который у нас есть по поводу локального ISM, касается облаков. У нас есть лишь скудные данные о природе этих облаков, и учёные не уверены, находится ли наша Солнечная система в Местном межзвёздном облаке (LIC).
«Наблюдение свойств этих облаков на месте станет основной научной целью миссионерской науки во время долгого межзвездного путешествия», — пишут исследователи.
Оппортунистическая наука во время путешествия — это здорово, но прибытие на Проксиму Б — это суть миссии. За день до прибытия зондов они все еще будут на расстоянии 35 астрономических единиц. В этот момент миссия могла бы начать съемку. Проксима b по-прежнему будет иметь ширину всего несколько пикселей, но этого достаточно, чтобы увидеть видимые спутники.
«На этом этапе было бы целесообразно повернуть некоторые зонды лицом вперед и начать фотографировать систему Проксимы для поиска в системе неоткрытых планет, лун и астероидов, а также начать видео сближения с Проксимой b», — объясняют исследователи.
По прибытии на Проксиму Центавра b телескоп с апертурой один метр, находящийся на расстоянии 6000 км от планеты, мог достичь на поверхности шестиметрового разрешения. Это идеалистическое число, поскольку не всю поверхность планеты можно отобразить с таким разрешением. PCb также приливно привязан к своей звезде, а это означает, что одна сторона находится в темноте. По этой причине миссия должна быть спроектирована так, чтобы собирать изображения ночной стороны при слабом освещении и в инфракрасном диапазоне. «Изображения ночного освещения также могут быть наиболее убедительным техносигнатурой первоначальной миссии Проксимы», — пишут авторы.
Когда зонды проходят через тень Проксимы b, они могут использовать свет звезды для проведения спектроскопии. Зонды, проходящие за Проксимой b, могут использовать земную лазерную систему для спектрометрии, а если зонды образуют сплоченный рой, они могут использовать лазеры пар зондов на обеих сторонах планеты.
«Проксима-спектроскопия, которую для Проксимы b невозможно выполнить с Земли, — объясняют исследователи, — вероятно, предоставит лучший способ определить существование биологического или даже технологического общества на Проксиме b посредством поиска спектральных линий биомаркеров». и техномаркеры».
В ходе первой миссии человечества на Проксиму Центавра b рой столкнется с некоторыми препятствиями и неопределенностью. Но при наличии согласованной роевой архитектуры миссия может оказаться даже слишком успешной. «Миссия BTS, особенно с сплоченным роем, может собрать больше данных, чем можно будет вернуть на Землю», — пишут авторы. Если возвращаемые данные должны выбираться самим рой самостоятельно, это может быть более сложным, чем решение, какие данные собирать в первую очередь.
У ученых есть много вопросов о Проксиме Центавра b. Если рой когда-либо будет запущен, любой объем возвращаемых им данных будет ценным. Даже несмотря на то, что доставка данных обратно на Землю займет более четырех лет.
Ученые не знают, насколько горячая планета. Они не уверены, есть ли там вообще жидкая вода. Похоже, что планета имеет массу чуть больше одной Земли и немного больший радиус. Но эти измерения неточны. Ученые также не уверены в его составе. Звезда, вокруг которой она вращается, является вспыхивающей звездой, а это означает, что планета может подвергнуться чрезвычайно мощным всплескам радиации. Это большая неопределенность.
Но это ближайшая экзопланета, единственная, до которой мы могли бы добраться за реальный промежуток времени. Уже одно это делает его желательной целью.
Для такой миссии нет окончательного плана. Во многом это концептуально. Но технологии, позволяющие это сделать, уже появляются. НАСА профинансировало исследование миссии, так что оно определенно заслуживает внимания.
«К счастью, нам не придется ждать до середины века, чтобы добиться практического прогресса — мы можем исследовать и тестировать методы роения уже сейчас в смоделированной среде, что мы и предлагаем сделать в этой работе», — сказал ведущий автор отчета Томас Юбэнкс. от Space Initiatives Inc. «Мы ожидаем, что наши инновации окажут глубокое влияние на освоение космоса, дополняя существующие методы и позволяя выполнять совершенно новые типы миссий, например, рои пикокосмических кораблей, охватывающие все окололунное пространство или инструментарий для всей планетарной магнитосферы».
Юбэнкс также указывает на то, как рой зондов может исследовать межзвездные объекты, проходящие через внутреннюю часть нашей Солнечной системы, такие как Оумуамуа.
Но основной миссией будет миссия на Проксиму Центавра б. По мнению Юбэнкса, это произойдет где-то в третьей четверти этого столетия.
