Коли у 2015 році космічний апарат НАСА «Нові горизонти» промчав повз Плутон, він розкрив неймовірний світ льоду та серпанку, сформований різноманітними геологічними процесами, натякаючи, що океан міг відігравати значну роль в недавній історії цієї карликової планети. Величезна кількість наукових відкриттів залишила дослідникам чимало загадок, які вони намагаються розв’язати навіть через десятиліття після історичного прольоту.
За словами Карлі Гауетт, планетарної вченої з Оксфордського університету та членкині команди «Нові горизонти», яка виступала минулого місяця на конференції «Прогрес у розумінні системи Плутона: 10 років після прольоту» в місті Лорел, штат Меріленд, «залишається ще багато відкритих запитань». Саме тому Гауетт та її колеги розробили концепцію нової місії, сподіваючись нарешті розгадати деякі таємниці Плутона.
Така місія, призначена для дослідження окраїн Сонячної системи, охопить кілька десятиліть. Однак її затвердження ще далеко. «Ця місія могла б працювати понад 50 років, кидаючи виклик інженерії, операціям місії та аналізу даних у спосіб, якого ніколи раніше не було», — написала Гауетт у дослідженні 2021 року, опублікованому в «Планетарному науковому журналі», деталізуючи концепцію місії.
Підповерхневий океан?
Для наступної місії до карликової планети, Гауетт та її колеги обрали назву «Персефона» — на честь дружини Плутона та «королеви підземного світу» у давньогрецькій міфології. Плутон у римській міфології є богом підземного світу та померлих, а його ім’я ідеально пасує цій далекій і таємничій карликовій планеті. Персефона ж у давньогрецькій міфології – донька Деметри і Зевса, яку викрав Аїд (римський Плутон), щоб зробити своєю дружиною і царицею підземного світу.
«З огляду на те, що Плутон названий на честь римського бога підземного світу, і ми хотіли жіноче ім’я, щоб відобразити нашу різноманітну команду з багатьма жінками на керівних посадах, це ім’я здалося доречним», — пояснила Гауетт.
«Персефона» нестиме одинадцять приладів, які є модифікованими версіями інструментів, що вже використовувалися у попередніх місіях. Головне питання, на яке вона прагне відповісти: чи існує підповерхневий океан на Плутоні сьогодні?
Якщо б це питання було поставлено до прольоту «Нових горизонтів», більшість вчених відповіли б, що це малоймовірно. Хоча багато крижаних світів можуть спочатку мати водний шар, з часом він замерзає. Щоб залишатися рідким протягом 4,5 мільярдів років існування Сонячної системи, цей океан повинен зберігати тепло.
Деякі супутники постійно деформуються під впливом гравітаційної взаємодії зі своєю планетою-господарем та сусідніми місяцями, запобігаючи замерзанню їхнього океану. Харон, найбільший супутник Плутона, майже такий же масивний, як і сам Плутон; їх часто називають «подвійною планетою» (хоча жоден з них не відповідає критеріям планети). Вчені вважають, що Харон потенційно міг би підтримувати тепло Плутона, якби океан містив достатньо неводяного компонента, щоб знизити температуру замерзання.
Тільки коли «Нові горизонти» виявили надзвичайно молоду, слабо кратеровану поверхню Плутона, більшість вчених почали розглядати можливість існування океану (хоча деякі допускали це й до прибуття космічного апарата). «Нові горизонти» вивчали Плутон поглиблено лише кілька годин, хоча спостерігали за карликовою планетою місяцями до і після її найближчого наближення.
«Персефона», навпаки, прагнутиме вийти на орбіту навколо крихітного світу на трохи більше ніж три роки, що дозволить набагато довше спостерігати зблизька. «Ніщо не замінить близькість», — сказав головний дослідник «Нових горизонтів» Алан Стерн на тій же конференції.
Що вивчатиме «Персефона»
«Персефона» вивчатиме форму Плутона у пошуках ознак характерного скам’янілого виступу — своєрідного «пивного живота», спричиненого гравітаційним впливом на масу світу. Виступи легше утворюються, коли шари є рідкими, і вони можуть бути зафіксовані на місці. «Нові горизонти» не спостерігали такого нагромадження, але «Персефона» надішле більш чутливий інструмент, який зможе провести детальніше дослідження.
«Ця місія повинна бути здатною зобразити весь Плутон», — зазначила Гауетт на конференції. «Це буде феноменально».
«Персефона» також прагнутиме визначити склад Плутона та Харона, використовуючи вимірювання гравітації та топографії, подібні до тих, що були зроблені для супутника Сатурна Енцелада, та потенційно розрахувати товщину внутрішніх крижаних шарів. Енцелад, місяць Сатурна, відомий своїм підповерхневим океаном та кріовулканізмом, що робить його одним із найперспективніших об’єктів для пошуку позаземного життя.
Плутон потерпає від столітньої зими, і «Персефона» прибуде в розпал цього періоду. Велика частина карликової планети буде огорнута темрявою, тому місія потребуватиме приладів, здатних заглядати крізь цю завісу. Камери створять мапу поверхні всього світу з більшою деталізацією та у різних довжинах хвиль, включаючи половину, яка була закрита, коли «Нові горизонти» пролетіли повз. Вони шукатимуть гарячі точки, ознаки поточної активності та вивержень, що можуть вказувати на теплий внутрішній світ, а також шукатимуть ознаки того, що поверхня змінилася після спостережень 2015 року. Вони також забезпечать детальніший підрахунок кратерів як на Плутоні, так і на Хароні, що допоможе вченим краще зрозуміти, наскільки активним був Пояс Койпера протягом багатьох років. Пояс Койпера — це величезна область Сонячної системи за орбітою Нептуна, населена тисячами крижаних тіл, що є залишками раннього етапу її формування.
Хоча крижані світи рясніють у Сонячній системі, Плутон і Харон мають незвичайні поверхневі особливості. У регіоні Плутона під назвою Тартарська дорса (Tartarus Dorsa) поверхню вкривають крижані леза з метану. Вчені підозрюють, що ці шпилі утворилися внаслідок сублімації, коли метан миттєво переходив із твердого стану в газоподібний, але це ще не остаточно доведено. А Харон має дивну крижану гору, занурену в замерзлий рів — унікальна особливість серед крижаних вершин. Обидві поверхні вкриті екзотичними льодами, і розуміння їхніх властивостей за низьких температур на Плутоні буде важливим складником місії.
У 1988 році астрономи помітили тонку атмосферу навколо Плутона, але її склад залишався загадкою. «Нові горизонти» відповіли на одні питання, водночас викликавши нові. Цікаво, що, схоже, Плутон повільно скидає частину своєї атмосфери на Харон, створюючи характерний червоний полюс, який може з часом змінювати півкулі. Однією з головних цілей «Персефони» буде пряме визначення складу атмосфери за допомогою мас-спектрометрії.
«Персефона» також вивчатиме простір навколо крихітного світу. Плутон знаходиться так далеко, що світлу від Сонця потрібно трохи більше 5,5 годин, щоб досягти його. З Плутона Сонце виглядає як точкова пляма на небі.
Харон буде не єдиним супутником, на який націлиться місія. Час запуску «Персефони» визначить, скільки з менших супутників вона зможе спостерігати, але, ймовірно, вона добре роздивиться й чотири інші сателіти.
«Нові горизонти» виявили смуги водяного льоду на Нікс, Гідрі та Кербері, а також натяки на аміак на Нікс та Гідрі. «Персефона» проведе детальніший спектральний аналіз цих трьох, а також Стікс, і спробує визначити, скільки їхніх поверхонь, разом із Хароном, засипано уламками від зіткнення, яке, ймовірно, їх утворило. Хоча найкращі спостереження менших супутників, швидше за все, стосуватимуться близькоорбітального місяця Стікс, а найгірші — найвіддаленішого супутника Плутона, Гідри, проліт повз Кербер або Гідру може бути можливим, залежно від того, коли місія буде запущена та прибуде до Плутона.
«Персефона» залишатиметься на Плутоні трохи більше трьох земних років. Протягом цього часу космічний апарат міг би використовувати орбіти навколо подвійної системи, щоб зрештою виштовхнути його з цієї пари. Продовження місії на один рік дозволило б космічному апарату відвідати інший об’єкт Пояса Койпера, подібно до того, як «Нові горизонти» відвідали Аррокот після прольоту Плутона. Аррокот (раніше відомий як Ультіма Туле) — це транснептуновий об’єкт у Поясі Койпера, який є найвіддаленішим об’єктом, відвіданим космічним апаратом. Його незайманий стан дозволяє отримати унікальні відомості про ранню Сонячну систему. Таке продовження залежатиме від часу запуску та прибуття місії, але це могло б забезпечити значні наукові дані про уламки, що залишилися від формування Сонячної системи. Це забезпечило б велику наукову віддачу, оскільки відстань до об’єктів Пояса Койпера ускладнює їх вивчення із Землі.
Плутон: наступне покоління
Повернення до Плутона не буде легкою справою. Хоча «Новим горизонтам» знадобилося менше десяти років, щоб здійснити початкову подорож, зміни у розташуванні планет зроблять політ наступного візиту тривалістю трохи більше 27,5 років і вимагатимуть п’ять радіоізотопних термоелектричних генераторів нового покоління (NGRTG) — ядерних батарей, які використовують розпад радіоактивного матеріалу для живлення космічного апарата. Тривалий термін служби подорожі вимагатиме кількох NGRTG для підтримки тепла в умовах замерзаючих температур космосу. Це є значним запитом у той час, коли плутоній для космічних польотів все ще є дефіцитним ресурсом. Наразі мета НАСА полягає у виробництві 1,5 кілограма плутонію на рік; натомість для сучасних RTG потрібно 4,8 кілограма.
Це потребуватиме значних інвестицій у плутоній для дослідження зовнішніх планет. Також знадобляться фінансові вкладення. Орієнтовна вартість місії «Персефона» становить 3 мільярди доларів, як зазначила Гауетт у своїй презентації.
З потенціалом місії довжиною у півстоліття космічний апарат матиме кілька резервних систем. Але Стерн зазначив, що, хоча часові рамки довгі, це не є чимось нечуваним. Космічний телескоп Хаббл НАСА, який revolutionized астрономію, функціонує вже 35 років, а космічні апарати НАСА «Вояджер-1» і «Вояджер-2», запущені 48 років тому, також продовжують працювати, віддаляючись у міжзоряний простір. Ці місії є яскравим прикладом надзвичайної довговічності космічних апаратів.
Ще одна складність для місії «Персефона» пов’язана з людьми, які над нею працюватимуть. З огляду на потенційну тривалість місії у 50 років, дослідники припускають, що «Персефона» стане місією трьох поколінь, яка змінить три групи вчених протягом їхньої кар’єри. Інформація та навчання повинні будуть передаватися від одного покоління до наступного. Фактично, Стерн сказав, що відкладене залучення було одним з найскладніших аспектів планування місії «Нові горизонти».
«Ми знаємо, як це робити, — сказав Стерн. — Треба бути терплячим і планувати заздалегідь».
Можливості для запуску космічного апарата з’являються щороку з 2029 по 2032 рік. Після цього орбіта Юпітера запобігає подальшим можливостям протягом цілого десятиліття.
«Персефона» була частиною програми НАСА «Дослідження концепції планетарних місій», яка фінансує низку проєктів, щоб дозволити десятирічному дослідженню приймати обґрунтовані рішення щодо потенційних майбутніх місій.
«Хоча я вважаю, що будь-яка місія, що потребує більше одного RTG, наразі матиме труднощі із відбором, я все ж думаю, що процес розробки місії був корисним», — сказала Гауетт. Пропозиція не лише показала, що така місія є обґрунтованою, але й її елементи, такі як орбітальний тур, можуть бути використані в інших місіях. Але не варто очікувати, що «Персефона» полетить у найближчому майбутньому: лише запит на енергію може утримати її від офіційного схвалення. Пропозиція місії Гауетт була однією з кількох, які були запрошені для інформування десятирічного огляду НАСА щодо пріоритетів та життєздатності майбутніх місій. Однак космічне агентство продовжує працювати над покращенням RTG та супутніх технологій. Гауетт сподівається, що поточні технологічні розробки покращать шанси місії. «Одна з речей, яку показала «Персефона», полягала в тому, що повернення до Плутона на орбіту можливе, але це не буде дешево, — сказала вона. — Це мала б бути місія флагманського рівня».
