За все годы работы НАСА мы никогда раньше не касались Солнца. Вот почему это так сложно.
В прошлые выходные НАСА успешно запустило солнечный зонд Parker: первый космический корабль, который когда-либо коснется с помощью своих собственных инструментов солнечного материала в непосредственной близости от самого Солнца. Кажется парадоксальным: как так сложно столкнуться с источником 99,8% массы в нашей Солнечной системе? Это сильнейший гравитационный источник на многие световые годы во всех направлениях, и все в Солнечной системе , включая саму планету Земля , вращается вокруг Солнца.
Тем не менее ничто из того, что когда-либо запускалось с Земли естественным или искусственным путем, никогда не вступало в контакт с Солнцем. Parker Solar Probe будет абсолютным первым. Есть простое объяснение, почему этого никогда не случалось раньше и почему потребовалось так много планирования, чтобы это произошло. Причина? Первый закон движения Ньютона.
Первый закон Ньютона, сформулированный еще в середине 17 века, очень прост. Говорится:
- объект в состоянии покоя остается в покое,
- а движущийся объект остается в постоянном движении,
- , если на него не действует внешняя сила.
Мы привыкли к прямолинейным движениям, как хоккейная шайба, скользящая по ледяной поверхности. Но закон Ньютона, как и все законы физики, должен применяться при любых обстоятельствах. Даже в этом случае, если постоянное движение происходит по эллиптической орбите вокруг Солнца.
«Подождите, - слышу я, вы возражаете, - гравитация - это внешняя сила, и поэтому это не совсем постоянное движение!»
И это разумное возражение, если единственный способ, которым вы должны были думать о движении, был в терминах линейных движений. Движение по прямой - простейший вид движения, и именно так мы обычно изучаем законы Ньютона. Толкни или потяни что-нибудь, и оно ускорится; уберите все внешние силы, и он останется в постоянном движении. Но возможен и другой вид движения: угловое (или вращательное) движение. И в конкретном случае чего-либо происходящего на Земле, включая наше движение вокруг Солнца. Хотя солнечный зонд Parker может быть разработан для измерения многих аспектов Солнца, мы должны подойти намного ближе, чем когда-либо прежде, а это означает изменение нашего углового движения.
Когда мы переходим от мышления в виде прямых линий к мышлению в терминах вращений и орбит, мы также должны совершить прыжок от линейного количества движения к угловому моменту. В то время как линейный импульс - это просто масса объекта, умноженная на его скорость, угловой момент - это линейный импульс, умноженный на орбитальное расстояние этого объекта от того, вокруг чего он вращается. Пока направление движения перпендикулярно линии, которую вы проводите от объекта (например, Земли) к объекту, вокруг которого он вращается (например, к Солнцу), это работает просто и идеально.
Первый закон Ньютона для прямолинейных движений говорит нам, что импульс всегда сохраняется, и единственный способ изменить этот импульс - это иметь внешнюю силу. Таким образом, для движений орбитального типа это говорит нам о том, что угловой момент всегда сохраняется, и единственный способ изменить его - это иметь внешний крутящий момент, который является силой, действующей для изменения этого вращательного движения.
Все на Земле мы движемся с типичной скоростью 18,5 миль в секунду (30 км/с) по орбите вокруг Солнца, и мы делаем это на типичном расстоянии 93 миллиона миль (150 миллионов км) от Солнца. Количество углового момента, которое у нас есть, огромно, и нет простого способа избавиться от него.
На самом деле, в пределах Солнечной системы мы знаем только два способа вообще изменить свой угловой момент:
- Принесите немного ракетного топлива и сожгите его, создав собственное ускорение (уравновешенное равным и противоположным ускорением топлива), или
- Используйте гравитационную помощь, чтобы ускорить/замедлить вас относительно Солнца.
The Parker Solar Probe, чтобы работать, должен находиться всего в 6 миллионах километров от Солнца на его минимальном расстоянии, чтобы «коснуться» и измерить солнечную корону: перегретую область плазмы обычно видны только во время полного солнечного затмения.
Это требует большой потери углового момента. Зонд Parker Solar Probe рекламируется как самый быстрый объект, когда-либо запущенный человечеством, и это потому, что так и должно быть. Его стартовой площадкой является планета Земля, которая вращается вокруг Солнца примерно с постоянной скоростью 18,5 миль в секунду (30 км/с), что соответствует примерно 67 000 миль в час (108 000 км/ч). Количество топлива, которое нам пришлось бы потратить, чтобы замедлить эту скорость, чтобы мы могли упасть ближе к Солнцу, на внутреннюю орбиту, непомерно велико и дорого.
Вместо этого нам нужна серия гравитационных ассистентов или гравитационных рогаток, чтобы попытаться изменить нашу орбиту. Только задействуя третий объект - подобный другой планете - мы можем либо приобрести, либо потерять необходимый угловой момент по отношению к системе космический корабль-Солнце.
Мы делали это много раз, когда пытались достичь как внутренней, так и внешней Солнечной системы. Космический корабль «Мессенджер», запущенный в 2004 году, один раз пролетел мимо Земли, затем дал себе толчок с помощью ракеты, чтобы пролететь мимо Венеры, что он сделал дважды, затем снова сгорел, чтобы достичь Меркурия, и после трех полных пролетов Меркурия (каждый с последующим ожогом), он вышел на орбиту вокруг Меркурия в 2011 году.
Солнечный зонд Parker использует аналогичный подход, используя Венеру в качестве основного вспомогательного гравитационного инструмента. Он пролетит мимо самой горячей планеты Солнечной системы рекордные семь раз, чтобы создать эллиптическую орбиту, которая позволит ему приблизиться к 3.8 миллионов миль (6,1 миллиона км) от Солнца.
Для измерения Солнца вблизи требуется не просто набор умных инструментов, хотя у Parker Solar Probe они есть. Недостаточно иметь толстый экран из углеродного композита, чтобы противостоять невероятному излучению и температурам, присутствующим в непосредственной близости от Солнца, хотя у Parker Solar Probe они тоже есть. Также требуется невероятно сложный, запутанный план, чтобы вывести себя на стабильную орбиту, которая способна приблизить вас к Солнцу, чем что-либо еще.
Touching the Sun - замечательное техническое достижение, которое, наконец, осуществится всего через несколько коротких лет. Запуск прошел успешно, и следующие несколько лет помощи гравитации и несколько маневров в дальнем космосе должны приблизить нас к Солнцу, как никогда прежде. После шестидесяти лет теоретизирования он, наконец, готов ответить на множество животрепещущих научных вопросов о ближайшей к нам звезде и звездах в целом. Этот космический корабль может быть обречен в конечном итоге сгореть из-за его повторяющихся близких прохождений через солнечную корону, но он был разработан, чтобы пережить как минимум три успешных «касания» Солнца. Это будет первый раз, когда мы отправим что-то с Земли так близко к Солнцу. И только благодаря замечательному плану полета, в котором мы теряем достаточное количество углового момента, у этой миссии есть шанс на успех.