Начальная школа

Русский язык

Литература

История России

Всемирная история

Биология

География

Математика

Сказка о небесных механиках, заставивших планеты играть в футбол

 

112– Среди тысяч светил на нашем небе есть семь особенно интересных – это планеты. Звёзды – безжизненные раскалённые сгустки плазмы, зато вокруг них часто вращаются гораздо более комфортабельные шарики, на которых жизнь возможна. Планеты Солнечной системы наиболее привлекательны для изучения – ведь, по крайней мере, на одной из них жизнь существует!

– Подтверждаю этот факт! – важно заявила Галатея.

– Как только астрономы доказали, что семь маленьких дисков, движущихся по небу, являются настоящими планетами – как и наша Земля, – то сразу возникли жгуче-интересные вопросы: «Есть ли жизнь на Марсе? Растут ли джунгли на Венере? Похожи ли многочисленные спутники Юпитера и Сатурна на нашу сухую и безжизненную Луну или там кто-нибудь живёт?»

– Да-да, мама! – воскликнула Галатея. – Эти вопросы интересны не только астрономам, но и тем людям, кто ещё не успел стать астрономом!

– Земные телескопы мало помогали в изучении планет: даже на Марсе, который лучше всего виден с Земли, в телескоп различались лишь полярные шапки, а насчет остальных деталей – существования марсианских каналов или сезонных изменений цвета марсианской растительности – велись ожесточённые споры.

Дзинтара покачала головой:

– Мы, биологи, привыкли изучать живых существ, размещая их в поле зрения своих микроскопов. В этом смысле космобиологам не позавидуешь – они долгое время пытались изучать свои объекты издали, с помощью телескопов. Запуски космических аппаратов открыли возможность для прямого исследования поверхности планет-соседей, о чём астрономы мечтали уже давно. Какая планета интереснее всего для исследований? Солнечная система содержит четвёрку внутренних небольших и твёрдых планет: Меркурий, Венера, Земля и Марс , и четвёрку внешних газовых планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун .

– В нашей системе есть ещё астероиды и кометы! – педантично уточнил Андрей.

Дзинтара кивнула.

– А что такое газовые планеты? – спросила Галатея, хитро прищурившись. – Они надуты газом, как воздушные шары?

– Нет, но эти планеты почти полностью состоят из водорода. Когда-то его собралось так много, что он поймал себя в ловушку собственной гравитации и не смог улететь в космос из-за своего поля тяжести. Так и образовались планеты, которые представляют собой вращающиеся шары из газа. Камни, падающие на такие планеты, проваливаются сквозь их мощную водородную атмосферу, потом попадают в океан из жидкого водорода и тонут в нём – и в конце концов собираются в небольшое каменное ядро, которое есть в центре каждой газовой планеты.

– Ага, значит, там всё-таки есть твёрдая поверхность! – воскликнула Галатея.

– В центре этих газовых планет так жарко, что всё твёрдое, что туда попадает, быстро плавится. Но мы пока мало знаем о строении этих планет. В двадцатом веке русские и американцы запустили полсотни межпланетных научных аппаратов, и почти все они нацеливались на ближайшие к Земле планеты – на Венеру и Марс, потому что внешние планеты-гиганты были слишком труднодоступны.

Земля сидит в середине гравитационной ямы , из которой так трудно выбираются спутники и космонавты. Солнце тоже окружено гравитационной ямой, ещё более глубокой и обширной. Чем дальше от Земли располагается внешняя планета, тем выше по склону гравитационной солнечной ямы приходится забираться аппарату-исследователю.

Поэтому даже Юпитер, который в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, труднодостижим, что уж тут говорить о Нептуне, летающем на орбите в тридцать раз больше земной!

Но исследование внешних планет сулило самые невероятные открытия: ведь каждая из планет-гигантов обладала целой системой спутников, а широкие и плоские кольца Сатурна сотни лет интриговали астрономов, являясь одним из самых загадочных объектов нашей планетной системы.

Отправка робота-исследователя на самые окраины Солнечной системы требовала мощной ракеты-носителя. Такие ракеты уже существовали, но любопытным планетологам они были не по карману.

Общество берёт у науки полными горстями, а отдает скупой щепотью.

Понимая, что много денег им не дадут, астрономы пошли на хитрость. Они решили, что договориться с древними богами легче, чем с современными бюрократами.

Учёные решили заставить могущественных античных богов, небесных гигантов – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – сыграть с ними в футбол. В качестве «мяча» должен был выступить космический аппарат весом в восемьсот килограммов. Вбросить «мяч» на космическое футбольное поле учёные предполагали с помощью недорогой ракеты среднего класса.

В 1977 году планеты располагались очень благоприятно – не с точки зрения мутной астрологии, а с точки зрения точной астродинамики. Поэтому учёные смогли рассчитать такую траекторию полета «мяча», чтобы Юпитер-громовержец послушно пнул подлетающий к нему космический аппарат весом почти в тонну и направил его к Сатурну, покровителю земледелия. Сатурн должен был отфутболить «мяч» к Урану, властителю неба, а тот – отпасовать его к Нептуну, богу моря.

– А зачем? – полюбопытствовала Галатея.

– Каждая встреча аппарата-«мяча» с очередной планетой-гигантом не только добавляла скорости космическому роботу, но и изменяла направление его полёта в нужную сторону. Практически не затрачивая горючего, робот мог посетить четыре планеты подряд. Футбольная игра космических гигантов должна была сократить время полёта аппарата до Нептуна с тридцати лет до двенадцати!

Конечно, точно рассчитать такую сложную траекторию аппарата с помощью небесно-механических уравнений Ньютона было исключительно трудно.

 56.jpg

– Сам Ньютон не справился бы с этой задачей! – воскликнул Андрей.

Дзинтара утвердительно наклонила голову:

– Решить её можно было только с помощью современных компьютеров. Любая ошибка могла привести к тому, что аппарат отклонился бы от оптимального маршрута, и запасов топлива у его маневровых двигателей было бы недостаточно для исправления траектории.

На основе идеи «космического футбола» небесные механики разработали проект посылки двух одинаковых космических роботов. Один из них должен был исследовать Юпитер, Сатурн и Плутон, другой – сразу четыре планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Проект оценивался в семьсот пятьдесят миллионов долларов. Учёные очень надеялись, что на такой сравнительно недорогой космический проект им дадут денег.

Денег учёным, действительно, дали, но… в три раза меньше, чем они просили!

– Здравствуйте, приехали! – удивилась Галатея. – Это что, денег дали только на полдороги?

Дзинтара невозмутимо согласилась:

– Верно, урезанный проект ограничивался лишь двумя самыми близкими планетами-гигантами: каждый из аппаратов должен был исследовать только Юпитер и Сатурн.

Учёные очень расстроились: ведь у Юпитера и Сатурна уже побывали межпланетные аппараты «Пионер». Они были лёгкими, и у них было мало научного оборудования, но учёные уже получили несколько хороших снимков этих планет. А вот мимо Урана и Нептуна ещё ни один робот не пролетал, поэтому исключение этих планет из проекта очень опечалило астрономов.

И тогда учёные пошли на очередную хитрость – фактически устроили межпланетный заговор!

– Какие они находчивые! – обрадовалась Галатея. – Сразу видно – учёные!

– Учёные и инженеры стали готовить аппараты, которые назвали «Вояджер» (что значит «Путешественник»), к разрешенному полёту до Юпитера и Сатурна. Это означало, что аппараты должны гарантированно работать в течение четырёх лет с момента старта. Хитрость заключалась в том, что аппараты готовились из таких деталей и устройств, которые могли прослужить дольше, чем четыре года, хотя и без гарантии. И запуск роботов был запланирован на время, которое было оптимальным для полёта ко всем четырём планетам.

« Вояджер-2 » был запущен 20 августа 1977 года, « Вояджер-1 » – 5 сентября того же года. Аппарат, стартовавший позже, получил первый номер, потому что он раньше брата-близнеца добрался до Юпитера – 5 марта 1979 года.

«Вояджер-2» долетел до самой массивной планеты Солнечной системы только 9 июля. «Вояджер-1» первым побывал и у Сатурна – 12 ноября 1980 года, после чего сильно отклонился от эклиптики (плоскости, где вращаются планеты) и устремился в межзвёздное пространство. Второй аппарат долетел до окольцованной планеты лишь в августе 1981 года.Возле Юпитера и Сатурна планетологов ожидали бесчисленные сюрпризы. Они увидели поразительные по красоте и разнообразию картины, которые разрешили множество старых загадок, но задали ещё больше новых проблем, над которыми стали ломать голову сотни учёных.

* * *

Самая крупная планета Солнечной системы – оранжевый Юпитер обладает буйной атмосферой, в которой бушуют могучие ураганы. Пятна самых крупных и долгоживущих юпитерианских ураганов можно рассмотреть даже с Земли. Под толстой водородно-аммиачно-метановой атмосферой Юпитера кипит океан из жидкого водорода. Вокруг планеты-гиганта кружится прозрачное кольцо из каменной пыли и вращаются десятки крупных и мелких спутников, включая четыре огромных спутника, открытых ещё Галилеем. Они называются Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, и их можно увидеть даже в самый маленький телескоп. Ио оказалась богата мощными серными вулканами и украшена чёрными озёрами расплавленной серы. А Европа покрыта потрескавшимся льдом, под которым спит океан обычной воды. Учёных очень волнует вопрос – есть ли там подводная жизнь?

Широкие кольца желтоватого Сатурна оказались расслоенными на тысячи более узких колечек. Некоторые из узких колечек имеют форму круга, другие – эллипса, а края третьих похожи на зазубренную пилу. У его спутника Энцелада ледяная кора на поверхности водяного океана так тонка, что из-под неё бьют фонтаны воды и пара. Титан, самый крупный спутник Сатурна, оказался вообще уникальным: с более плотной, чем у Земли, оранжеватой атмосферой, в которой плавают метановые облака. Часть поверхности Титана покрыта холодным морем из углеводородов.

– Я видел фотографию песчаных дюн на Титане – значит, там дует сильный ветер! – сказал Андрей.

Дзинтара пояснила:

– Да, только дюны там не из кремниевого песка, как на Земле, а из мириадов крошечных льдинок. Интересно, что Титан – это единственное, кроме Земли, тело в Солнечной системе, где человек может находиться без скафандра !

– Но там же очень холодно и нечем дышать! – удивился Андрей.

– Конечно, на Титане теплый комбинезон с электроподогревом совершенно необходим, как и кислородная маска. Но герметичный скафандр не нужен – давление в две атмосферы человек переносит легко.

* * *

Итак, летом 1981 года космические аппараты-близнецы выполнили поставленную перед ними задачу. И тут хитрые учёные обратились в правительство с идеей: «Вояджер-2» находится в хорошем техническом состоянии и способен продолжать полёт дальше. Он как раз движется в нужном направлении…

– Ха-ха-ха! – рассмеялась Галатея. – Мы-то знаем – почему!

– …и небольшой корректировки достаточно, чтобы он продолжил лететь к Урану – и далее к Нептуну. Конечно, риск отказа каких-либо систем «Вояджера» заметно больше, чем обычно, но для продолжения полёта необходимо не так уж много средств, и такой риск оправдан…

Хитрость удалась: учёные получили деньги на расширение проекта и продолжили работу с «Вояджером-2», который устремился к Урану. Встреча с ещё ни разу не исследованной вблизи планетой, открытой музыкантом Гершелем, была запланирована в начале 1986 года.

– А зачем учёным понадобились деньги, если аппарат уже был запущен? – поинтересовалась Галатея.

– С летящим аппаратом нужно всё время связываться с помощью крупных радиопередатчиков; надо получать и сохранять на компьютерах космическую информацию, обрабатывать её, а также усовершенствовать программы, которые работают в электронном мозгу межпланетной станции. Над этими задачами работает большая группа учёных, и вы сейчас узнаете, сколько хлопот доставляет уже запущенный аппарат.

На долю «Вояджера-2» и его земной команды выпало немало испытаний.

Космический робот – это не просто летающий автоматический фотоаппарат, у него есть своеобразный интеллект и разные соображения на многие случаи жизни. Из-за самостоятельности космического робота и его реакции на человеческую забывчивость произошла первая неприятность с «Вояджером-2».

Она случилась, когда аппарат находился ещё в поясе астероидов. Оператор, отвечающий за радиоконтакт с аппаратом, как-то не вышел на связь с «Вояджером-2»…

– Он заснул, что ли, этот оператор?! – возмутился Андрей.

– …совершив серьёзную ошибку: бортовой компьютер аппарата, не получив сигналов с Земли, решил, что основной приёмник сломался, и переключился на запасной. Попытки заставить робота снова пользоваться главным приёмником не увенчались успехом.

Беда была в том, что запасной приёмник оказался не вполне исправен: в нём сгорел один из конденсаторов, из-за чего диапазон радиоволн, в которых была возможна связь с аппаратом, сузился в тысячу раз и стал «плавать» – меняться, – например, от температуры и скорости межпланетной станции. Для устойчивой связи пришлось точнейшим образом рассчитывать все факторы, смещающие частоту связи.

Потом на «Вояджере-2» заклинило силовой привод, поворачивающий платформу с приборами. Учёным пришлось разрабатывать методы наблюдения с помощью разворота всего аппарата.

Вследствие долгого полёта мощность бортовой ядерной электростанции «Вояджера-2», работающей на оксиде плутония, упала – и количество одновременно включенных научных приборов пришлось строго дозировать.

– Ух, как, наверное, спорили учёные – чьи приборы надо выключать из-за недостатка энергии! – отметил Андрей.

– Чем ближе подлетал «Вояджер-2» к Урану, тем напряжённее становилась атмосфера в центре управления полетом и среди учёных, обрабатывающих данные межпланетной станции. И тут случилось непредвиденное. За шесть дней до долгожданного пролёта возле Урана изображения, получаемые с борта «Вояджера», исказились сильными помехами! Учёные схватились за голову: что могло случиться в самый неподходящий момент?!

Тесты, проведённые на компьютере «Вояджера», летящего на таком гигантском расстоянии, что радиоволна от аппарата до Земли идёт почти два с половиной часа, показали: в памяти компьютера «Вояджера» из-за удара космической частицы появился неправильно работающий участок. Весь проект оказался под угрозой, и учёные стали думать – как можно его спасти.

– Что же можно предпринять, если компьютер испортился? Ведь его невозможно починить на расстоянии! – расстроилась Галатея.

– Учёные и инженеры трудились днём и ночью и всего за двое суток сумели починить компьютер «Вояджера», не прикасаясь к нему: они нашли ошибочный элемент памяти и написали программу, обходящую его.

– Вот молодцы! – воскликнула девочка.

– Учёные не только справились с неполадками робота, но и оптимизировали его компьютерные и исследовательские программы. Работоспособность аппарата, летящего за многие сотни миллионов километров от Земли, фактически улучшилась за время полёта.

Когда «Вояджер-2» вплотную приблизился к Урану, никем ещё вблизи не исследованному, то волнение учёных достигло предела.

Голубой Уран давно был загадкой для астрономов. Во-первых, в отличие от других планет, Уран лежит на боку, и кольца со спутниками вращаются вокруг него, как колесо обозрения. Во-вторых, за несколько лет до визита «Вояджера-2» Уран вызвал настоящий переполох среди научного мира.

10 марта 1977 года Уран, медленно ползущий по небу, должен был загородить собой маленькую звездочку в созвездии Весов. Астрономы решили это событие наблюдать не с Земли и не из космоса.

– А откуда же ещё можно наблюдать? – удивился Андрей.

– Из атмосферы. У американских астрономов была летающая обсерватория: огромный самолёт, оборудованный телескопом с почти метровым зеркалом. Учёные поднялись на этом самолёте на максимально возможную высоту – где воздуха было уже мало, и он почти не мешал наблюдениям, – и приготовились увидеть затмение звезды Ураном. Они надеялись получить какую-нибудь информацию об атмосфере этой далёкой планеты. Но неожиданно приборы зафиксировали несколько коротких затмений звезды ещё до захода её за планету, а потом такое же количество миганий – после выхода звёздочки из-за Урана.

Удивлённые учёные сделали неизбежный вывод, что Уран окружён девятью кольцами – тонкими, как струны, и очень непохожими на широкие кольца Сатурна. Теоретики стали ломать головы: как возникли такие узенькие колечки и что удерживает их от расплывания?

Одни астрономы придерживались гипотезы «дымного следа»: в кольцах сидят небольшие спутники, которые «дымят» и оставляют за собой узкую полосу.

– Как след в небе после самолёта? – спросил Андрей.

– Примерно так. Согласно этой гипотезе, внутри колец Урана должно было существовать девять (!) неоткрытых спутников.

Два американских теоретика выдвинули гипотезу, по которой каждое узкое кольцо было зажато между парой спутников-«пастухов», которые «пасут» частицы кольца своими гравитационным полями, как кнутами, и не дают им разбредаться. Значит, подсчитали американцы, внутри зоны колец может находится до 18-ти спутников. Эта гипотеза завоевала максимальное количество сторонников, потому что на внешнем краю колец Сатурна «Вояджеры» уже нашли узкое колечко, очень похожее на урановское и окружённое двумя спутниками-«пастухами» – Пандорой и Прометеем.

Ещё одну модель предложили два московских теоретика, предположивших, что невидимые спутники должны располагаться не внутри зоны колец, а снаружи – между кольцами и спутником Мирандой, самым близким из известных тогда пяти спутников Урана. Образование и стабильность колец должно было контролироваться такими спутниками издали, с помощью резонансов.

– Это что ещё за зверьки? – не поняла Галатея.

– Если частицы кольца вращаются вокруг планеты за десять часов, а спутник совершает оборот за двадцать часов, то учёные называют такое соотношение резонансом 1: 2 . Пусть частица, двигаясь по эллиптической траектории вокруг планеты, встречает в верхней точке своей орбиты внешний спутник, который притягивает к себе частицу. Если орбиты частицы и спутника находятся в резонансе 1: 2, то в каждый свой второй пролёт по верхней части орбиты частица встретится со спутником. В результате таких встреч – всегда в одном месте орбиты – влияние резонансного спутника быстро накапливается. Под воздействием резонансного спутника орбита частицы может, например, вытянуться, увеличивая свою эллиптичность.

– Раскачиваясь на качелях, ты используешь для этого резонанс 1: 1, – блеснул эрудицией Андрей. – Это когда период движений твоего тела совпадает с периодом самих качелей.

– Умный, да? – покосилась на него Галатея.

– Московские учёные открыли, что каждая пара колец Урана имеет два резонанса с внешней пустой орбитой между кольцами и Мирандой.

– Это как? – спросила Галатея, наморщив лоб.

– Если период обращения частиц одного кольца 6 часов, а другого – 8 часов, то у этих двух колец есть общая внешняя резонансная орбита с периодом в 12 часов, которая с одним кольцом имеет резонанс 6: 12 = 1: 2, а со вторым 8: 12 = 2: 3.

Советские теоретики в 1985 году опубликовали статью, в которой утверждали, что на этих, ещё пустых, резонансных орбитах «Вояджер-2» и должен найти новые спутники Урана. Всего московские теоретики сумели вычислить радиусы орбит шести таких невидимых спутников.

Когда «Вояджер-2» пролетел возле Урана 24 января 1986 года, то действительно открыл возле планеты десять ранее неизвестных спутников. Только один , самый маленький, спутник забрался внутрь зоны колец, отчего самое внешнее из колец Урана оказалось окруженным спутниками-«пастухами». Остальные девять спутников располагались именно там, где и предполагали московские теоретики, – между Мирандой и кольцами. Например, согласно расчетам, самый дальний из предсказанных спутников должен иметь орбиту в 66 450 км. «Вояджер-2» действительно открыл на орбите в 66 100 км крупный спутник диаметром в 140 километров. Его назвали Порция – в честь умной героини одной из пьес Шекспира.

За предсказание системы новых спутников Урана двое советских учёных получили Государственную премию СССР. Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии, отметил: «Это, по-видимому, второй случай в истории астрономии предсказания орбит новых небесных тел на основании теоретических расчетов (после происшедшего 140 лет назад вычисления Леверье и Адамсом орбиты неизвестной планеты, открытой затем в 1846 году Галле и названной Нептуном)».

Нептун тоже оказался планетой, полной сюрпризов. Вокруг Нептуна «Вояджером-2» были найдены «арки», нанизанные на прозрачное кольцо, как связка сосисок. Управляет расположением и устойчивостью этой связки арок спутник Нептуна – Галатея. Крупнейший спутник Нептуна, Тритон, примечателен тем, что вращается вокруг планеты в обратном направлении. Тритон обладает полярной шапкой из застывшего азота, из которой весной бьют многочисленные гейзеры жидкого азота.

– Словно фонтаны из земли? – спросила Галатея.

– Да, но только очень мощные – ведь высота гейзеров на Тритоне достигает восьми километров!

– Эх, хотел бы я попасть на экскурсию по Тритону!.. – мечтательно сказал Андрей.

– Пролёты «Вояджера-2» возле Урана и Нептуна оказались очень успешными. Количество информации, переданной «Вояджером-2», было фантастическим. Он послал на Землю двадцать тысяч фотографий из системы Юпитера и восемнадцать тысяч видов Сатурна, его колец и спутников. При пролёте Урана было получено шесть тысяч фотографий, из окрестностей Нептуна «Путешественник» переслал девять тысяч изображений.

«Вояджер-2» первым исследовал две самые дальние планеты нашей системы.

– Он стал Колумбом нашей планетной системы! – заявил Андрей.

– Оба «Вояджера» вместе открыли три десятка новых спутников и показали людям удивительные миры, расположенные на окраине Солнечной системы. Эти миры полны космических тайн и неземной красоты. Учёные радовались как дети, изучая результаты путешествия «Вояджера-2»!

Вскоре после «Вояджеров» возле Юпитера и Сатурна появились искусственные спутники – «Галилео» возле Юпитера и «Кассини-Гюйгенс» в системе Сатурна, но легендарный полёт «Путешественника-2» к Урану и Нептуну не был повторен очень долго. После пролёта возле Нептуна «Вояджер-2» долго сохранял свою работоспособность. Через тридцать лет после запуска он отдалился от Солнца настолько, что попал в межзвёздное пространство и ещё долгие годы передавал учёным важные данные из таинственной темноты, отстоящей от Солнца в сто раз дальше, чем Земля!

– А что же дальше? «Вояджеры» открыли все тайны в Солнечной системе, значит, больше нам нечего делать? – спросил Андрей.

– Впереди у человечества, которое сумело выйти в космос, много тайн и множество дел, включая устройство поселений на Луне, Марсе и других планетах и спутниках Солнечной системы, а также изучение планет возле других звёзд и отправка к ним автоматических зондов.

– Автоматических зондов? – недовольно спросила Галатея. – Без людей?

– Роботы-разведчики должны найти самые симпатичные планеты возле других звёзд, а потом туда обязательно отправятся транспорты с людьми-колонистами. Любопытное человечество, вышедшее в космос, никому не остановить. Скучно жить на Земле, не мечтая о звёздах…Примечания для любопытных

Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – известный советский и российский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (2003).

«Галилео» – автоматический аппарат НАСА, созданный для исследования системы Юпитера. Запущен в 1989 году, вышел на орбиту вокруг Юпитера в 1995 году, где и проработал до 2003 года.«Кассини-Гюйгенс» – автоматический аппарат НАСА и Европейского космического агентства, созданный для исследования системы Сатурна. Запущен в 1997 году, вышел на долгоживущую орбиту вокруг Сатурна в 2004 году. Спускаемый зонд «Гюйгенс» приземлился на Титан, спутник Сатурна, в 2005 году, и полтора часа передавал уникальные данные, включая изображения поверхности Титана, в месте посадки усеянной округлыми валунами.

 

Поиск

Информатика

Физика

Химия

Педсовет

Классному руководителю

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru