Где-то за пределами нашей солнечной системы, где она намного ниже нуля, в кромешной тьме, а ближайшая к нам звезда находится на расстоянии 400 веков, электрический заряд вызывает радиосигнал. Вспышка слабая, около 22 Вт, не более мощности, чем требуется обычной лампе холодильника. Источник - Voyager I. Его 12-футовая антенна зовет домой из темноты.
Спустя двадцать несколько часов, после эпического межзвездного путешествия, эта волнистая волна достигнет Земли. К тому времени, когда пинг доберется до него, его мощность значительно уменьшится - примерно до 0,1 миллиарда миллиардов ватт. Прохождение сигнала через нашу солнечную систему закончено, но его путешествие только началось. Задача сейчас больше, чем пересечение нашего угла галактики; это услышать и осмыслить информацию в сообщении, самый отдаленный шепот нашего собственного творения.
Для захвата этого крошечного осколка почти ничего не требуется высококвалифицированных и технических ушей. Несколько из них. Для Вояджеров I и II они имеют форму трех 21-этажных блюд, каждая из которых имеет диаметр 230 футов и высоту почти 3000 тонн, расположенных равномерно по всему земному шару. Созданные специально для прослушивания в дальнем космосе, они поворачиваются к небу, готовые получать ежедневные отчеты о состоянии зондов.
Одно из блюд, получившее название DSS-14, нависает над одиноким участком пустыни Мохаве в Южной Калифорнии, примерно в 60 милях от ближайшего шоссе. Он расположен в небольшой долине между невысокими скалистыми горами - остатками давно умерших вулканов. Чтобы приблизиться к нему, вы проходите через два уровня охранных ворот на военной базе Форт Ирвин. Обширный брифинг знакомит вас с соседями, которые включают неразорвавшиеся боеприпасы, три вида гремучей змеи, верблюжьих пауков, скорпионов и пачки диких ослов, у которых есть иена, чтобы скакать и кусать кусок от ничего не подозревающего посетителя только для ада этого
DSS-14 появляется вокруг поворота дороги, стоя как страж, отбрасывая длинную искривленную тень на яркий пустынный пол. Над головой стервятники едут по ветру. Все тихо, кроме порывов и хруста, хруста, хруста шагов на песке. Но есть и другой звук, далеко за пределами человеческого слуха, смешанный с гулом остальной части вселенной.
Комплекс в Форт-Ирвине, который Лаборатория реактивного движения НАСА назвала Голдстоуном в честь давно заброшенного шахтерского городка, также содержит около дюжины небольших блюд, первая из которых была запущена в эксплуатацию в 1958 году. Аналогичные поля существуют в австралийском кустарнике за пределами Канберры и в Робледо-де-Чавела, недалеко от Мадрида, которые были созданы в 1965 году. DSS-14 и его международные копии появились в 1960-х и 70-х годах. Со времени миссии Меркурия IV в 1964 году эти три массива связывают нас с каждым кораблем, который мы отправили выше низкой околоземной орбиты.
Положение гигантских ушей является ключевым. Три участка расположены по долготе (120 градусов друг от друга для полного охвата 360) и объединены в близость. Близость примерно ни к чему. Изоляция не позволяет мощным космическим сигналам и земным коммуникациям, таким как вибрация от управления воздушным движением, мешать друг другу.
Эти три объекта и их антенны составляют Deep Space Network, программу, расположенную в штаб-квартире JPL около Пасадены, штат Калифорния. Система постоянно прослушивает сигналы и посылает команды примерно 40 зондам, космическим кораблям, спутникам и роверам. Некоторые из них так же близки, как луна. Другие далеко ушли, как Юнона, просвистывающая Юпитер, и «Новые горизонты», которые в середине 2015 года гудели от Плутона. И, конечно же, Вояджеры I и II, которые в 1977 году начали изучать Юпитер и Сатурн. Это самые старые и дальние миссии НАСА, JPL или кого-либо еще.
Загрузки с двух Вояджеров дают представление о разреженном мире межзвездного пространства: наблюдения за низкоэнергетическими заряженными частицами, магнитными полями и плазмой, составляющей большую часть нашей вселенной. Данные передаются по форме сигнала в виде строк из нулей и единиц со скоростью 160 бит в секунду (это одна пятнадцатая информация о самом медленном соединении факсимильного аппарата). Изучение его помогло физикам сделать такие вещи, как наметить контуры гелиосферы - магнитного пузыря, который окружает нашу солнечную систему, - и определить скорость солнечного ветра.
В то время, когда НАСА экспериментирует с более быстрыми, более плотными системами связи на основе света, легко предположить, что радио исчезнет. И все же одно никогда не затмит другого. По мере того, как зонды Voyager выдвигают технологию к ее внешним границам, они дают напоминание обо всех уникальных способностях, которые радиоволны собирают на своем пути полета. Шум, который воспринимают сигналы, когда они пульсируют мимо планет, лун и астероидов, обеспечивает окно в наше космическое соседство. В некоторых случаях статика так же ценна, как и само сообщение.
На полу комнаты в лаборатории Лаборатории реактивного движения находится табличка с надписью «Центр Вселенной». Каждый сигнал от каждого объекта, который мы посылаем в солнечную систему, попадает в этот объект и выходит из него. Так называемая Темная Комната, чья тусклость сияет в свете десятков мониторов, укомплектована круглосуточно, с самых первых дней существования сети Deep Space. Не так много может остановить операции здесь. Не дождь, не большинство землетрясений, даже не пожар. Когда несколько лет назад вспыхнуло пламя, инженеры дистанционно обдували терминалы сквозь дым, чтобы не пропустить ни одного звонка из космоса.
В данный момент, обвившись вокруг пары экранов, два бородатых мужчины смотрят на ряд чисел и цветных линий. Это нисходящий канал, исходящий от зонда Юнона, который вращается вокруг Юпитера с 2016 года. Майк Левеск, который управляет сетевыми операциями и соответствующими мероприятиями Темной комнаты, стоит рядом, наблюдая, объясняя процесс. «Это операторы систем передачи данных», - говорит он, кивая на двух бородатых мужчин. «Их задача - извлекать информацию о космическом корабле» - температуру, топливо, что включено, что выключено - «и отправлять его в службу поддержки полета». На Voyager I, например, из 160 битов, только около 10 имеют отношение на борт корабля.
Остальные пакеты данных отправляются в другие места, в основном ученым, а не инженерам. Первые заботятся о том, что инструменты говорят нам о пространстве вокруг зонда, а не о самом зонде.
Двое мужчин перед экранами запускают программы, которые очищают все единицы и нули. Но иногда они экономят шум, потому что помехи также представляют интерес. Когда сигнал распространяется через любую среду, разбиваясь атмосферой или гравитационным полем, результирующие изменения в волне раскрывают правду о космосе. «Когда судно движется через что-то интересное, данные шума будут тем, что мы хотим», - говорит Левеск. В эти моменты «шум в сигнале оказывается наукой».
Когда это происходит, данные отправляются Камалу Удрири, который возглавляет Группу по изучению планетарной радиолокации и радиологии JPL. Чтобы понять его сферу, объясняет он, это помогает представить школьный автобус, полный детей. Единственная цель водителя - безопасно доставить всех детей. Но что, если вам наплевать на rugrats? Что, если вместо этого вас действительно заинтересовал автобус?
Школьники по аналогии с Аудрири - это данные, переносимые сигналом. Сигнал это автобус. Авиационные инженеры и сотрудники, занимающиеся управлением полетами, заботятся о данных, так же, как почти все заботятся о детях. Но радиологи находят само транспортное средство более интересным, потому что оно наполнено шумом.
Если вы внимательно изучите автобус, вы сможете выяснить, через что он прошел, когда он направился к месту назначения. Знаки, недостатки - уродливые, деформированные кусочки - рассказывают вам о путешествии: не только дорога, но и другие транспортные средства, погода, движение по маршруту. Люди, такие как Oudrhiri, изучают эти многочисленные ошибки в масштабе, о размере вселенной.
Многие из самых ранних радио-научных экспериментов были непреднамеренными. Еще в 1971 году, когда зонд Mariner 9 прошел мимо Марса, его сигнал прошел через атмосферу Красной планеты, которая столкнулась и изменила волну. «Люди в телекоммуникациях видели в этом помехи, но другие видели, что если вы изучите помехи, вы сможете определить плотность, давление и даже температуру атмосферы на Марсе», - продолжает Аудрири. «Это было началом радиологии».
С тех пор тщательный анализ космического шума углубил наше понимание Солнечной системы. Например, помехи в передачах зонда Кассини помогли выявить, что красочные кольца Сатурна сформировались гораздо позже, чем сама планета - 10–100 миллионов лет назад, против 4,5 миллиардов. Лунная миссия НАСА GRAIL в 2012 году включала в себя два корабля, которые пинговали радиоволны взад и вперед, чтобы узнать о внутренней части Луны; проверка того, как гравитационные поля влияют на передачу, позволила доказать, что большая часть коры орбитального аппарата не такая плотная, как мы думали ранее.
Аудрири любит радио-науку за ее простоту. Сигнал - это волна с амплитудой (максимумы и минимумы), фазой (паттерн этих пиков и впадин) и частотой (количество провалов и пиков в данном интервале). Искажения в этих функциях легко заметить. Если вы приблизительно знаете, как должна выглядеть рябь, вы знаете, когда они изменились. Это похоже на сигнал дыма, прежде чем вы сможете разглядеть рисунок, который наводит вас на ветер.
Космический гул зонда Voyager всегда содержит одну важную часть науки о радио. По мере того, как оба корабля продолжают свой полет на 38 000 миль в час дальше в глубокий космос, акустическое явление, известное как эффект Доплера, немного растягивает длину волны его сигнала - так же, как тон в звуке сирены перекликается со скоростью скорой помощи. Изменение сообщает наземной команде, как далеко Voyager пролетел между своей ежедневной регистрацией и 20 часами, которые требуются, чтобы позвонить нам. Это также помогает им продолжать составлять план межзвездного пионера. Если они знают, куда движется вещь, они знают, куда повернуть эти гигантские антенны, чтобы услышать это снова.
Теперь, когда каждый зонд выполнил свою основную задачу, новая цель состоит в том, «как мы можем его растянуть и растянуть - как долго мы сможем его проделать?», - говорит Сюзанна Додд, менеджер проекта Voyager и глава дирекции межпланетных сетей JPL. ,
Передача команд этим исследователям за пределами Солнца - работа по замедлению нашей затухающей возможности для глубокого изучения космоса - главным образом связана с управлением мощностью зондов. На этом этапе все избыточные системы на борту отключены. Это означает, что оба аппарата выделяют очень мало тепла в условиях сильного межзвездного холода, поэтому газообразное топливо гидразина в топливопроводах может замерзнуть. Управление полетами проходит через системы, видя, что стоит сохранить в живых с единственной целью согреть линии. Это патч, на некоторых из самых старых компьютеров, которые все еще работают.
Управление полетами Voyager находится в паре миль от кампуса JPL, в здании из шлакобетонных блоков без вывесок и высоких окон - здание «моргни и скучаешь» за стеной листвы. Там Макдональдс по соседству. Именно здесь команда из 12 человек хранит самые отдаленные объекты, которые люди когда-либо делали, живыми, управляемыми, нянченными и увлеченными в космос.
Там люди хотят слышать сигнал, а не шум. Инженер космических кораблей Фернандо Перальта глубоко обеспокоен сообщениями, которые Вояджеры отправляют домой - о детях в пословичном автобусе Аудрири. Все, что не идеально, любой пух, беспокоит его. «Когда мы получаем сигнал, и я вижу, что он волнист, я думаю, почему он движется вверх и вниз? Это может быть общее состояние здоровья космического корабля или просто тот факт, что у вас пасмурный день или ветреный день. Но для нас слишком много шума - это катастрофа ».
Искаженная рябь также рискует потерять вид на звуковой ландшафт, который могут обеспечить только эти корабли. Voyager I имеет цифровой восьмиканальный трек для регистрации плазменных волн, флуктуирующих ионов и электронов, которые создают своего рода океанический ток за пределами Солнечной системы. Палуба по-прежнему заряжена (частично потому, что выделяет достаточно тепла для размораживания топливных линий) и захватывает 48 секунд окружающих грохотов три раза в неделю. Когда Voyager I сбрасывает данные, все активные антенны в Калифорнии или Испании проводят по крайней мере четыре часа, стягивая волнообразный эфирный грохот разлетающейся статики из глубин космоса.
Перальта идет сквозь кучу кабин. Над ним на потолке висела небольшая табличка с надписью «Управление полетом». Современные компьютеры располагаются рядом со считывателем микрофильмов, где команда обращается к старым чертежам. На данный момент он наблюдает за отключением многих систем на обоих датчиках Voyager. Каждый день, когда он может прийти и узнать, что пара снова позвонила домой, это похоже на дополнительный день. «Это такое особое место в космосе, к которому мы вряд ли вернемся при моей жизни или, вероятно, в любой из наших жизней», - говорит он. «Данные очень, очень ценные. Это дорого для нас. Это держит нас на связи ».
Вскоре - через несколько месяцев, через несколько лет - эта связь прекратится. Тепло на Voyager I или II будет настолько уменьшаться, что топливная магистраль замерзнет, топливо больше не сможет достигать двигателя, и корабль не сможет немного изменить траекторию полета, направив антенну на Земля, и поздоровайся. Его сообщения все еще могут каскадно проходить через пространство, но мы не сможем их перехватить и расшифровать. Менеджер проекта Додд говорит о том, что «вы потеряете сигнал. И это будет так.
Еще до того, как у Voyager II кончится бензин, команда миссии готовится к отключению. Из-за траектории движения корабля от Земли, которая опускается ниже плоскости солнечной системы, ее может услышать только тарелка Down Under. Эта антенна не будет передаваться в течение почти года, поскольку НАСА оснащает ее тестовыми массивами зеркал и оптическими датчиками для предстоящего дополнения радиосвязи светом. Позволяя зонду плавать самостоятельно в течение 10 месяцев, агентство делает стратегическую жертву: прекратите посылать команды на Voyager II и его антенну, предназначенную только для радио, чтобы позволить новому поколению аппаратов звонить домой спустя долгое время после того, как старые зонды уйдут молчит.
В течение десятилетий НАСА экспериментировало с таким расширением своей сети, используя импульсы лазерного света, которые могут экспоненциально передавать больше данных быстрее и в меньшие группы ушей. Есть несколько причин для этого. Во-первых, пространство становится тесным, и все эти сигналы загромождают радиосвязь и делают планирование в сети Deep Space сложной и трудоемкой задачей. Во-вторых, поскольку мы продолжаем искать такие места, как Марс, нам нужно будет записывать гораздо больше видео за гораздо меньшее время. Когда он запустится в 2022 году, зонд «Психея», изучающий астероиды, будет одним из первых, кто получит установку оптической связи.
Свет имеет свои пределы, хотя. Облака, например, могут согнуть и заблокировать его, тогда как радиоволны могут покачиваться в большинстве атмосферных условий. Системы также довольно дешевые, условно говоря. «Вы всегда платите высокую цену за массу в космосе», - говорит ученый-радиолог Аудрири. Технология, в которой он работает, основывается на использовании задней части существующего оборудования, которое существовало со времени наших самых ранних космических исследований, от воздушных шаров "Эхо" до Аполлона и до наших дней.
Связь в дальнем космосе с помощью радиоволн никогда не исчезнет, потому что она прямолинейна и безупречна. «Люди часто думают об очень сложных решениях сложных проблем», - говорит Аудрири. «Но так часто решение может быть найдено в самой простой вещи: просто посмотрите на все, что мы узнали, обращая внимание на то, как меняется сигнал».
Оказывается, довольно много: плотность Луны, возраст колец Сатурна, границы Солнечной системы. Сигнал и его шум помогают нам понять наше место во вселенной - дороги и погоду вокруг одинокой голубой скалы, которая является Землей.