Межзвездный зонд — это космический зонд , который покинул — или, как ожидается, покинет — Солнечную систему и войдет в межзвездное пространство , которое обычно определяется как область за гелиопаузой . Это также относится к зондам, способным достигать других звездных систем .
По состоянию на 2024 год существует пять межзвездных зондов, все они запущены американским космическим агентством NASA : Voyager 1 , Voyager 2 , Pioneer 10 , Pioneer 11 и New Horizons . Также по состоянию на 2024 год Voyager 1 и Voyager 2 являются единственными зондами, которые фактически достигли межзвездного пространства. [1] Остальные три находятся на межзвездных траекториях. Контакт с Pioneer 10 и 11 был потерян задолго до того, как они достигли межзвездного пространства.
Терминальная ударная волна — это точка в гелиосфере , где солнечный ветер замедляется до дозвуковой скорости. Несмотря на то, что терминальная ударная волна происходит всего в 80–100 а.е. ( астрономических единицах ), максимальная протяженность области, в которой доминирует гравитационное поле Солнца ( сфера Хилла ), как полагают, составляет около 230 000 астрономических единиц (3,6 световых года). [2] Эта точка близка к ближайшей известной звездной системе, Альфа Центавра , расположенной на расстоянии 4,36 световых лет. Хотя зонды будут находиться под влиянием Солнца в течение длительного времени, их скорости намного превышают скорость выхода Солнца , поэтому они покидают его навсегда.
Межзвездное пространство определяется как пространство за пределами магнитной области, которая простирается примерно на 122 а.е. от Солнца, как обнаружено Voyager 1, и эквивалентной области влияния, окружающей другие звезды. Voyager 1 вошел в межзвездное пространство в 2012 году. [3]
В настоящее время рассматриваются три проекта: Shensuo от CNSA, Interstellar Probe от NASA и StarChip от Breakthrough Initiatives .
Планетолог Г. Лафлин отметил, что при нынешних технологиях зонд, отправленный к Альфе Центавра, прибудет через 40 000 лет, но выразил надежду на разработку новых технологий, которые позволят совершить это путешествие в течение человеческой жизни. [4] В этом масштабе времени звезды движутся заметно. Например, через 40 000 лет Росс 248 будет ближе к Земле, чем Альфа Центавра. [5]
Одной из технологий, предложенных для достижения более высоких скоростей, является E-sail . [6] Используя солнечный ветер, можно достичь скорости в 20-30 а.е. в год даже без использования топлива. [6]
Voyager 1 — космический зонд, запущенный НАСА 5 сентября 1977 года. Находясь на расстоянии около 162,755 а.е. (2,435 × 10 10 км) по состоянию на 17 ноября 2024 года, [7] [8] он является самым дальним от Земли искусственным объектом . [9]
Позднее было подсчитано, что «Вояджер-1» пересек границу ударной волны 16 декабря 2004 года на расстоянии 94 а.е. от Солнца. [10] [11]
В конце 2011 года Voyager 1 вошел и обнаружил область стагнации, где заряженные частицы, текущие от Солнца, замедляются и поворачивают внутрь, а магнитное поле Солнечной системы удваивается по силе, поскольку межзвездное пространство, по-видимому, оказывает давление. Энергичные частицы, возникающие в Солнечной системе, уменьшились почти вдвое, в то время как обнаружение высокоэнергетических электронов извне увеличивается в 100 раз. Внутренний край области стагнации находится примерно в 113 астрономических единицах (а.е.) от Солнца. [12]
В 2013 году считалось, что «Вояджер-1» пересёк гелиопаузу и вошёл в межзвёздное пространство 25 августа 2012 года на расстоянии 121 а.е. от Солнца, что сделало его первым известным созданным человеком объектом, совершившим это. [13] [14]
По состоянию на 2017 год [обновлять]зонд двигался с относительной скоростью к Солнцу около 16,95 км/с (3,58 а.е./год). [15]
Если «Вояджер-1» ни с чем не столкнется, он сможет достичь облака Оорта примерно за 300 лет. [16] [17]
Voyager 2 пересёк гелиопаузу и вошёл в межзвёздное пространство 5 ноября 2018 года. [18] Ранее он прошёл терминальную ударную волну в гелиооболочке 30 августа 2007 года. По состоянию на 17 ноября 2024 года Voyager 2 находится на расстоянии 133,101 а.е. (1,991 × 10 10 км) от Земли. [19] Зонд двигался со скоростью 3,25 а.е./год (15,428 км/с) относительно Солнца на своём пути в межзвёздное пространство в 2013 году. [20]
По состоянию на декабрь 2014 года он движется со скоростью 15,4 км/с (55 000 км/ч) относительно Солнца. [21] Ожидается, что Voyager 2 предоставит первые прямые измерения плотности и температуры межзвездной плазмы. [22]
New Horizons был запущен непосредственно на гиперболическую траекторию побега, получив по пути гравитационную помощь от Юпитера . К 7 марта 2008 года New Horizons находился в 9,37 а.е. от Солнца и двигался наружу со скоростью 3,9 а.е. в год. Однако по мере удаления от Солнца он замедлится до скорости побега всего в 2,5 а.е. в год, поэтому он никогда не догонит ни один из Voyager. По состоянию на начало 2011 года он двигался со скоростью 3,356 а.е./год (15,91 км/с) относительно Солнца. [23] 14 июля 2015 года он завершил пролет мимо Плутона на расстоянии около 33 а.е. от Солнца. [24] [25] В следующий раз New Horizons столкнулся с 486958 Arrokoth 1 января 2019 года, примерно в 43,4 а.е. от Солнца. [26] [27] [28]
По данным миссии IBEX, ударная волна, образовавшаяся в результате столкновения Земли с Гелиосферой, была пересечена Вояджером-1 на расстоянии 94 астрономических единиц (а.е.), а Вояджером-2 — на расстоянии 84 а.е. [29]
Если New Horizons сможет достичь расстояния100 а.е. , он будет двигаться со скоростью около 13 км/с (29 000 миль/ч), что примерно на 4 км/с (8 900 миль/ч) медленнее, чем «Вояджер-1» на этом расстоянии. [30]
Последний успешный прием телеметрии с Pioneer 10 состоялся 27 апреля 2002 года, когда он находился на расстоянии 80,22 а.е., а последний сигнал с космического корабля был получен 23 января 2003 года на расстоянии 82 а.е. от Солнца, со скоростью около 2,54 а.е./год (12 км/с). [23]
Плановые операции миссии «Пионер-11» были остановлены 30 сентября 1995 года, когда он находился на расстоянии 6,5 млрд км (примерно 43,4 а.е.) от Земли, двигаясь со скоростью около 2,4 а.е./год (11,4 км/с). [23]
Третья ступень New Horizons, ускоритель STAR-48 , находится на той же траектории выхода из Солнечной системы, что и New Horizons , но пройдет в миллионах километров от Плутона. [23] Он пересек орбиту Плутона в октябре 2015 года. [23]
Ракетные ускорители третьей ступени космических аппаратов «Пионер-10» , «Вояджер-1» и «Вояджер-2» также находятся на траекториях выхода за пределы Солнечной системы.
В апреле 2016 года Breakthrough Initiatives анонсировала Breakthrough Starshot — программу по разработке экспериментального концепта флота небольших космических аппаратов с легким парусом размером в один сантиметр , названных StarChip [31], способных совершить путешествие к Альфе Центавра , ближайшей звездной системе , со скоростью 20% [32] [33] и 15% [34] от скорости света . Для достижения звездной системы потребуется от 20 до 30 лет соответственно, а для уведомления Земли об успешном прибытии потребуется около 4 лет.
Космическая миссия CNSA, впервые предложенная в 2019 году, будет запущена в 2024 году с целью исследования гелиосферы. Оба зонда будут использовать гравитационные маневры на Юпитере и пролетят мимо объектов пояса Койпера , а второй также планирует пролететь мимо Нептуна и Тритона. Другая цель — достичь 100 а.е. от Солнца к 2049 году, столетию со дня основания Китайской Народной Республики. [35]
Исследование, финансируемое NASA и возглавляемое Лабораторией прикладной физики , по возможным вариантам межзвездного зонда. Номинальная концепция будет запущена на SLS в 2030-х годах. Он выполнит либо быстрый пролет Юпитера, либо пролет Юпитера с двигателем, либо очень близкий перигелий и маневр с двигателем, и достигнет расстояния 1000–2000 а.е. (93–186 миллиардов миль; около 1,5–3% одного светового года) в течение 50 лет. Возможности для планетарной, астрофизической и экзопланетной науки по пути также изучаются. [36]
В технологическом справочном исследовании, опубликованном в 2006 году совместно с ЕКА, предлагался межзвездный зонд, ориентированный на выход из гелиосферы. Целью было бы достижение 200 а.е. за 25 лет с традиционным запуском, но ускорением солнечным парусом . Зонд весом около 200–300 кг должен был нести набор из нескольких инструментов, включая плазменный анализатор, плазменный радиоволновой эксперимент, магнитометр, детектор нейтральных и заряженных атомов, анализатор пыли и УФ-фотометр. Электропитание будет поступать от РИТЭГ . [ 37]
Предложение НАСА отправить 35 кг научной полезной нагрузки на расстояние не менее 200 а.е. Он достигнет максимальной скорости 7,8 а.е. в год, используя комбинацию тяжелой подъемной ракеты, гравитационной помощи Юпитера и ионного двигателя, работающего от стандартных радиоизотопных тепловых генераторов . Зонд предполагал запуск в 2014 году (чтобы воспользоваться гравитационной помощью Юпитера ), чтобы достичь 200 а.е. около 2044 года. [38]
Исследования предлагают различные технологии, включая RTG на основе америция-241 , оптическую связь (в отличие от радио) и маломощную полуавтономную электронику. Траектория использует гравитационный маневр Юпитера и маневр Solar Oberth для достижения 20 а.е./год, позволяя 1000 а.е. в течение 50 лет, и продление миссии до 20 000 а.е. и 1000 лет. Необходимые технологии включали усовершенствованную двигательную установку и солнечный щит для перигелийного сгорания вокруг Солнца. Были рассмотрены солнечные тепловые (STP), ядерные тепловые (NTP) и ядерные импульсные деления, а также различные изотопы RTG. Исследования также включали рекомендации для солнечного зонда (см. также Parker Solar Probe ), ядерные тепловые технологии, зонд солнечного паруса, зонд 20 а.е./год и долгосрочное видение зонда 200 а.е./год к звезде Эпсилон Эридана . [39]
«Следующий шаг» межзвездного зонда в этом исследовании предполагал 5-мегаваттный реактор деления, использующий 16 метрических тонн топлива H 2. [39] Планируемый к запуску в середине 21-го века, он должен был разогнаться до 200 а.е./год на протяжении 4200 а.е. и достичь звезды Эпсилон Эридана после 3400 лет путешествия в 5500 году нашей эры. [39] Однако это было видение второго поколения для зонда, и исследование признало, что даже 20 а.е./год могут быть невозможны с текущей (2002) технологией. [39] Для сравнения, самым быстрым зондом на момент исследования был Voyager 1 со скоростью около 3,6 а.е./год (17 км/с) относительно Солнца. [23]
Interstellar Probe — это предложенный космический аппарат с солнечным парусом , разработанный Лабораторией реактивного движения NASA. Планировалось, что он достигнет 200 а.е. в течение 15 лет со скоростью 14 а.е./год (около 70 км/с и будет функционировать до 400+ а.е.). [40] Критической технологией для миссии является большой солнечный парус плотностью 1 г/м 2 .
Миссия TAU (Thousand Astronomical Units) представляла собой предлагаемый ядерный электрический ракетный корабль, который использовал реактор деления мощностью 1 МВт и ионный двигатель со временем горения около 10 лет для достижения скорости 106 км/с (около 20 а.е./год) и преодоления расстояния в 1000 а.е. за 50 лет. [41] Основной целью миссии было улучшение измерений параллакса расстояний до звезд внутри и за пределами нашей галактики, а вторичными целями были изучение гелиопаузы , измерение условий в межзвездной среде и (посредством связи с Землей) проверка общей теории относительности . [42]
Проект Orion был предложенным ядерным импульсным движителем, который бы использовал атомные или термоядерные бомбы для создания движущей силы. Проект изучался в 1950-х и 1960-х годах в Соединенных Штатах Америки , и один из вариантов корабля был способен совершать межзвездные путешествия .
Межзвездная связь посредством зонда, а не посредством отправки электромагнитного сигнала.
Юджин Сэнгер предложил космический корабль, работающий на антиматерии, в 1950-х годах. [43] Тяга должна была исходить от отраженных гамма-лучей, образующихся при аннигиляции электронов и позитронов . [43]
Предложенный в 1964 году и рассмотренный в выпуске Analog за октябрь 1973 года , звездолет Энцмана предполагал использование 12 000-тонного шара замороженного дейтерия для питания термоядерного импульсного двигателя. [44] Примерно в два раза длиннее Эмпайр-стейт-билдинг и собираемый на орбите, космический корабль был частью более крупного проекта, которому предшествовали большие межзвездные зонды и телескопическое наблюдение за целевыми звездными системами. [44] [45] [46]
Проект «Дедал» был предложенным ядерным импульсным движителем, который использовал инерционный термоядерный синтез небольших гранул внутри сопла магнитного поля для обеспечения движущей силы. Проект изучался в 1970-х годах Британским межпланетным обществом и должен был пролететь мимо звезды Барнарда менее чем через столетие после запуска. Планы включали добычу гелия-3 с Юпитера и предстартовую массу более 50 тысяч метрических тонн с орбиты.
Проект Longshot был предложенным ядерным импульсным движителем, который использовал инерционный термоядерный синтез небольших гранул внутри сопла магнитного поля для обеспечения движущей силы, аналогично проекту Daedalus. Проект изучался в 1990-х годах NASA и Военно-морской академией США . Аппарат был разработан для достижения и изучения Альфа Центавра .
Starwisp — гипотетический проект беспилотного межзвездного зонда, предложенный Робертом Л. Форвардом . [47] [48] Он приводится в движение микроволновым парусом, по концепции похожим на солнечный парус, но питаемым микроволнами от искусственного источника.
Medusa — это новый проект космического корабля, предложенный Джондейлом С. Солемом, использующий большой легкий парус (спинакер), приводимый в движение импульсами давления от серии ядерных взрывов . Проект, опубликованный Британским межпланетным обществом , изучался в 1990-х годах как средство межпланетного путешествия. [49] [50] [51] [52] [53]
Ракета-носитель Starseed была концепцией запуска межзвездных зондов массой до микрограммов со скоростью до 1/3 скорости света. [54]
AIMStar был предложенным ядерным импульсным движителем, катализируемым антиматерией, который будет использовать облака антипротонов для инициирования деления и синтеза внутри топливных гранул. [55] Магнитное сопло получало движущую силу от полученных взрывов. Проект изучался в 1990-х годах в Университете штата Пенсильвания . Аппарат был спроектирован так, чтобы достичь расстояния в 10 000 а.е. от Солнца за 50 лет.
Проект «Икар» — это теоретическое исследование межзвездного зонда, которое проводится под руководством Фонда Тау Ноль (TZF) и Британского межпланетного общества (BIS). Его инициатором стал проект «Дедал» , аналогичное исследование, которое проводилось BIS в 1973—1978 годах. [56] Проект рассчитан на пять лет и начался 30 сентября 2009 года. [57]
Инициатива по межзвездным исследованиям (i4is) в 2014 году инициировала проект по созданию малого межзвездного космического корабля, приводимого в движение лазерным парусом, под названием Project Dragonfly . [58] [59] Четыре студенческие команды работали над концепциями такой миссии в 2014 и 2015 годах в рамках конкурса проектов. [60]
В 2016 году Breakthrough Initiatives объявили о программе по разработке флота легких зондов-парусов для межзвездных путешествий с целью совершить путешествие к Альфе Центавра . Эта исследовательская программа с первоначальным финансированием в размере 100 миллионов долларов США предполагает ускорение зондов до скорости около 15% или 20% от скорости света, что приведет к времени путешествия от 20 до 30 лет.
Джеффри А. Лэндис предложил для межзвездных путешествий перспективный проект технологии межзвездного зонда с подачей энергии от внешнего источника ( лазер базовой станции) и ионного двигателя. [61] [62]
В начале 2000-х годов за Плутоном было обнаружено много новых, относительно крупных планетных тел, с орбитами, простирающимися на сотни а.е. за пределы гелиооболочки (90–1000 а.е.). Зонд NASA New Horizons может исследовать эту область теперь, когда он выполнил свой пролет Плутона в 2015 году (орбита Плутона колеблется в диапазоне примерно 29–49 а.е.). Некоторые из этих крупных объектов за Плутоном включают 136199 Эрида , 136108 Хаумеа , 136472 Макемаке и 90377 Седна . Седна подходит всего на 76 а.е., но удаляется на 961 а.е. в афелии, а малая планета (87269) 2000 OO 67 выходит за пределы 1060 а.е. в афелии. Такие тела влияют на то, как понимается Солнечная система, и пересекают область, ранее находившуюся только в области межзвездных миссий или предшествующих зондов. После открытий эта область также находится в области межпланетных зондов; некоторые из обнаруженных тел могут стать целями для исследовательских миссий, [63] примером которых является предварительная работа над зондом к Хаумеа и ее лунам (на расстоянии 35–51 а.е.). [64] Масса зонда, источник питания и двигательные системы являются ключевыми областями технологий для этого типа миссии. [63] Кроме того, зонд за пределами 550 а.е. мог бы использовать само Солнце в качестве гравитационной линзы для наблюдения за целями за пределами Солнечной системы, такими как планетные системы вокруг других близлежащих звезд, [65] хотя было отмечено много проблем для этой миссии. [66]
Еще в 1964 году Роберт Д. Энцманн из корпорации Raytheon предложил межзвездный ковчег, приводимый в движение восемью ядерными импульсными ракетами. Жилые помещения звездолета, вмещающие 200 человек, но с возможностью расширения, ...