Блогът на Даниел Марин

Има известен консенсус сред научната общност, че следващата скъпа водеща мисия на НАСА след Europa Clipper трябва да бъде насочена или към Венера, или към Уран и Нептун (Марс има своя независима програма за изследване). Изследването на Венера е възможно с мисии от типа Discovery или New Frontiers, по-прости и по-евтини, но изследването на замръзналите гиганти в дълбочина е практически невъзможно, ако не и със сложна и усъвършенствана сонда. По заповед на Конгреса на САЩ през 2015 г. НАСА започва да проучва възможността за изпращане на мисия до Уран и Нептун, започваща около 2030 г. За съжаление природата се е заговорила да направи тази мисия всичко друго, но не и проста.

планетарните
Нептун или Уран? Уран или Нептун? Или и двете? (POT).

Основният проблем е, че е не само по-скъпо, но и много по-сложно да се посетят двете гигантски планети с една сонда. Уникалното подреждане на планетите от времето на Вояджър е изчезнало и е почти невъзможно да се изпълни мисия на двете планети с един космически кораб. И така или иначе, това, което научната общност изисква, е орбита, тоест сонда, която остава около планетата, за да я проучи в детайли. И, разбира се, две сонди са много по-скъпи от едната. Алтернатива е да изпратим единичен орбитален апарат до един от двата свята, но кой да изберем?

Характеристики на системите Уран (отгоре) и Нептун (НАСА/ЕКА).

След полетите на Вояджър 2 на Уран и Нептун, съответно през 1986 и 1989 г., се смяташе, че Уран е много „по-скучен“ от Нептун, поради което почти всички предложения за мисии до преди няколко години са планирали да изследват планетата, най-отдалечената от Слънчевата система . Но наблюденията от наземни телескопи и космическия телескоп Хъбъл показват, че Уран има много активна атмосфера. Освен това спътниците на Уран представляват най-лошата позната лунна система в цялата Слънчева система. Като допълнителна топка Уран е много по-близо от Нептун, така че времето за полет на мисия до тази планета обикновено е по-малко от времето, необходимо за достигане на Нептун, значително предимство при планирането на мисия от този вид.

Характеристики на Уран (вляво) и Нептун (НАСА).

Поради тази причина повечето мисии преди няколко години посочиха важността на изучаването и на двата ледени гиганта. Прелитането на Плутон през 2015 г. от сондата „Нови хоризонти“ обаче разкри огромната сложност на тази планета джудже и предизвика интерес към изучаването на други тела от пояса на Кайпер. И точно най-голямата луна на Нептун е Тритон, заловено тяло от пояса на Кайпер. Според теоретичните модели Плутон и Тритон биха могли да имат подземен океан от вода (или по-скоро водно одеяло). Това доведе до това, че Тритон беше смятан за кандидат за „океанския свят“ съгласно насоките на НАСА и, в допълнение, изследването на Нептун стана приоритет пред това на Уран. От друга страна, оптималният стартов прозорец за Уран ще се затвори през 2029 г., докато този на Нептун ще се осъществи през 2031 и 2032 г. Ако тези стартови прозорци не се използват, ще е необходимо да се изчака до средата на 40-те години.

Възможни модели на интериора на Уран и Нептун (NASA/ESA). Възможен състав на леден гигант (НАСА).

А каква е текущата панорама? Тези дни конгресът Icy Giants Systems 2020 се провежда в Лондон и точно един от въпросите, които бяха разгледани, е коя система трябва да получи приоритет. За целта е от решаващо значение да се вземе предвид екзопланетарната перспектива. Ледените гиганти са, наред със свръхземните, най-разпространеният тип екстрасоларни планети, поради което интересът към тяхното изследване не се ограничава до по-добро познаване на Слънчевата система, но те са ключови елементи за разбиране на по-голямата част от планетарните системи около други звезди. В този смисъл най-разумното нещо, което трябва да се направи, би било да се проучи „стандартния“ леден гигант. Но кое е едно от двете? Отговорът е: не знаем. Въпреки привидното си сходство, двата свята са много различни, дори без да вземат предвид своите луни. Уран е гигантската планета с вътрешността, която генерира по-малко топлина, докато Нептун е, че има най-големия вътрешен източник на топлина, дихотомия, която се проявява в атмосферната активност.

Четирите основни варианта за изследване на Уран и Нептун, предложени от НАСА в предварителното му проучване от 2016 г. Отляво. Вдясно: орбита на Нептун с атмосферна сонда и етап SEP, полет на Уран с атмосферна сонда, орбита на Уран с атмосферна сонда и орбита на Уран без атмосферна сонда (НАСА).

Възможно е тази особеност на Уран да се дължи на жесток сблъсък с протопланета по време на формирането на Слънчевата система, сблъсък, който също би послужил за обяснение на наклона на 98 ° на оста на въртене на планетата и равнината на спътниците. Ако случаят е такъв, Нептун би бил референтният леден гигант, а Уран „рядкост“. Не сме сигурни обаче, че този сценарий е верен. За да бъда честен, ние почти нищо не знаем за тези планети. Например дори не сме сигурни, че те наистина са „ледени гиганти“. Някои модели предполагат, че делът на леда би бил много нисък, почти както при Плутон, и че следователно те биха били по-скоро като "скални гиганти".

Уран (отгоре) и Нептун (отдолу) (NASA/ESA/STScI/ESO).

Конклукция? Трябва да проучите двете планети, за да разберете. И не ги изучавайте накратко, но трябва да изпратим орбитатори и в двата свята. Всеки космически кораб би трябвало да бъде оборудван с атмосферна сонда, тъй като научната общност счита за приоритет възможността да се измери делът на изотопите на някои елементи - особено благородните газове -, за да се възстанови историята на тези планети. Тези сонди също биха създали вертикален профил на налягане и температура на атмосферата до налягане от 5 до 10 бара, което би ни дало възможност да правим разлика между различни модели на планетарно формиране.

Уран, както се вижда от телескопа Кек през 2004 г. (Обсерватория Кек).

Последните предложения за сонди за Уран и Нептун правят концепцията за аерозахващане отново модерна, идея, която би спестила огромно количество гориво. Тази икономия може да се използва за увеличаване на масата на научните инструменти, като атмосферна сонда. В зависимост от масата на сондата и използваната пускова установка, времето за полет до Уран в стартовите прозорци, започващо през 2024 г., е от 6 до 12 години, докато за Нептун те са от 8 до 13 години. Тези времена могат да бъдат постигнати благодарение на използването на маневри за подпомагане на гравитацията. Например, някои траектории включват полети на Венера, Земя, Марс и Юпитер. В допълнение, времената могат да бъдат допълнително намалени с използването на електрически стъпала (SEP) с йонни или плазмени двигатели.

Пример за траектория на въздушно улавяне на Нептун (НАСА). Концепция за атмосферна сонда за изследване на Уран и Нептун (НАСА).

Предложението, лансирано от Джон Елиът (JPL) на конгреса на Icy Giants System, се състои от две сонди, които ще излетят през февруари 2031 г. на борда на една ракета NASA SLS. Двете сонди ще летят над Юпитер през 2032 г. и ще се разделят. Сондата Нептун ще пристигне през септември 2044 г., докато сондата Уран ще използва етап SEP до 6 астрономически единици, за да ускори пътуването си и да достигне Уран през април 2042 г. Европейската космическа агенция (ESA) е проявила интерес да участва в мисия до Уран и Нептун. ЕКА може да отговаря за научни инструменти или атмосферни сонди, въпреки че не се предвижда възможността за изграждане на един от двата космически кораба поотделно, поне преди 2040 г.

Предложение за мисия на JPL с две сонди, изстреляни от една ракета SLS (https://twitter.com/hbhammel).

НАСА все още не е взела решение относно водеща мисия до Уран и Нептун. Броят на очарователните цели в Слънчевата система, които изискват внимание, продължава да расте: Венера, Енцелад, Титан и др. Но за нас е невъзможно да имаме общ преглед на Слънчевата система, без да знаем почти нищо за половината от гигантските планети, които се въртят около Слънцето, планети, които също са представители на невероятно често срещан тип свят в Галактиката.

Уран, както е видян от Voyager 2 на 25 януари 1986 г. след срещата. Невъзможна перспектива за получаване от Земята (NASA/JPL).