Ученые и инженеры уже давно мечтают отправить человека к ближайшим звездам. При планировании таких миссий возникает вопрос: в какой точке космический аппарат перестанет испытывать значительное притяжение Солнца и станет частью межзвездного пространства? Давайте разберемся, где проходит эта граница, что она значит для скорости и времени полета, и какие примеры успешных миссий и технологии помогают приблизить межзвездные путешествия.
С момента запуска первого спутника человечество мечтает вырваться за пределы своей планетной системы. Но Солнце держит планеты и космические аппараты в мощных гравитационных объятиях. Чтобы эти объятия разорвать, потребуются не только технологии, но и глубокого понимания законов небесной механики. Ключ лежит в концепции космических скоростей и границ влияния небесных тел.
Солнечная система — это совокупность Солнца и всех объектов, которые гравитационно связаны с ним. Гравитация Солнца удерживает планеты, карликовые планеты, астероиды, кометы и миллиарды мелких частиц. Орбиты планет лежат в плоскости эклиптики: начиная от орбиты Меркурия на 0,4 а. е. до Нептуна на 30 а. е. Затем расположен пояс Койпера, в котором находятся многие карликовые планеты и миллионы ледяных объектов. Этот пояс охватывает диапазон от 30 а. е. до примерно 50 а. е.
За поясом Койпера лежит облако Оорта. Его внутренний край начинается на 2000 а. е., а внешний край может достигать 100 000 а. е., что соответствует почти 1,6 светового года или четверти расстояния до Проксимы Центавра, ближайшей звезды к Солнцу. В этом удаленном резервуаре ледяных тел постепенно перестает действовать солнечная гравитация и тела подвергаются воздействию уже других звезд. То есть гравитация Солнца ослабевает настолько, что доминирующее притяжение постепенно переходит к другим звёздам или галактическому полю.
Граница гелиосферы и ее значение
Гелиосфера — пространство, заполненное солнечным ветром, вытекающим из Солнца со скоростью примерно 400 км/с. Эти заряженные частицы создают магнитное поле и формируют «пузырь» вокруг Солнца, который противодействует давлению межзвездной среды.
Граница, где давление солнечного ветра сравнивается с давлением окружающей межзвездной среды, называется гелиопаузой. «Вояджер 1» пересек гелиопаузу в августе 2012 года на расстоянии около 122 а. е. от Солнца.
После пересечения приборы зарегистрировали резкое снижение потока заряженных частиц солнечного ветра и резкий рост уровня галактических космических лучей. Этот рубеж указывает лишь на переход среды, где доминирует солнечный ветер, на среду, где преобладает межзвездная плазма. Однако гелиопауза сама по себе не означает, что гравитационное воздействие Солнца исчезает.
Понимание гравитационной сферы влияния
Гравитационное поле Солнца действует на бесконечном расстоянии, но сила притяжения ослабевает по закону обратных квадратов:
где r — расстояние до центра Солнца. С увеличением r влияние других звезд и галактических приливов становится сравнимым с солнечным притяжением. Сфера Хилла определяет границу, на которой гравитационное притяжение Солнца перестает преобладать над гравитацией соседних звезд и галактическим тяготением. Радиус сферы Хилла Rh рассчитывают по формуле:
где m — масса Солнца, M — масса вещества галактики внутри орбиты Солнечной системы, a — расстояние Солнца до центра галактики. Для Солнца это значение составляет около двух световых лет, что меньше расстояния до ближайших звезд и дает представление о том, насколько далеко может простираться зона, где гравитация Солнца остается доминирующей.
Облако Оорта как переходная зона
Облако Оорта служит естественным буфером между гелиосферой и дальними пределами гравитационного влияния Солнца. Ученые полагают, что облако состоит из миллиардов ледяных тел, образовавшихся в ранние этапы формирования Солнечной системы и затем выброшенных на периферию системы в результате гравитационных возмущений.
Внутренний край облака пролегает на расстоянии примерно 2000 а. е. от Солнца, что в 2000 раз больше расстояния от Земли до Солнца, а внешний край достигает 100 000 а. е., примерно 1,6 светового года. В пределах внутреннего края Солнце удерживает кометы на дальних орбитах, однако при приближении к внешнему краю гравитационные возмущения от проходящих звезд и приливные эффекты галактики могут изменять траектории до тех пор, пока некоторые объекты не будут выброшены в межзвездное пространство.
Проход космического аппарата за пределы облака Оорта означает, что солнечное притяжение станет лишь одним из факторов, способных влиять на его движение.
Скорость и энергия при выходе из гравитационного ведения
Чтобы покинуть Солнечную систему, аппарат должен набрать скорость выше так называемой скорости убегания. На расстоянии орбиты Земли скорость убегания относительно Солнца составляет около 42 км/с. В реальных миссиях инженеры обычно разгоняют аппарат до скорости около 16 км/с сопоставимой с околоземной скоростью, а затем используют гравитационные маневры у Юпитера, Сатурна или других массивных планет для дополнительного ускорения.
«Вояджер 1» после гравитационных маневров стал двигаться со скоростью примерно 17 км/с относительно Солнца по гиперболической траектории. По мере удаления гравитационное замедление со стороны Солнца стремительно уменьшается, и скорость аппарата приближается к постоянному асимптотическому значению. Таким образом, после преодоления гравитационного «ямного» региона Солнца дополнительного ускорения не происходит; скорость остается близкой к значению, полученному при выходе на гиперболу.
Практические примеры
«Вояджер 1» запустили в сентябре 1977 года с помощью ракеты-носителя «Титан» и направили сначала к Юпитеру, затем к Сатурну, используя гравитационные маневры для выхода из плоскости эклиптики и дальнейшего исследования удаленных областей.
Гравитационные маневры на Юпитере и Сатурне разогнали аппарат до скоростей, достаточных для выхода за пределы пояса Койпера и впоследствии за гелиопаузу. В августе 2012 года «Вояджер 1» пересек гелиопаузу на расстоянии около 122 а. е. от Солнца, после чего приборы зарегистрировали сокращение потока солнечных частиц и рост потока галактических космических лучей.
Несмотря на это событие, «Вояджер 1» еще остается глубоко внутри облака Оорта. Оценки показывают, что ему потребуется порядка 30 000 лет, чтобы выйти за пределы облака Оорта и приблизиться к зоне, где влияние Солнца сравняется с гравитацией ближайших звезд.
Будущие гипотетические миссии к Проксиме Центавра потребуют более высоких скоростей, чем у «Вояджера». Рассматривают использование ядерного двигателя, солнечных парусов большого масштаба или ионных двигателей с длительным разгоном. Например, проект Breakthrough Starshot предполагает разгон нанокосмического зонда до 20 % скорости света с помощью мощного лазера. При таких скоростях аппарат пересечет облако Оорта достаточно быстро по космическим меркам и достигнет ближайшей звезды за 20-30 лет; однако технологии пока остаются на стадии экспериментов и расчетов.
Что происходит после выхода за пределы планетной системы?
После того как аппарат пересечет внешний край облака Оорта на расстоянии порядка 100 000 а. е. (около 1,6 светового года), он войдет в регион, где гравитационное влияние Солнца сравняется с гравитацией ближайших звезд и галактических приливов. Межзвездная среда содержит крайне разреженные облака газа и пыли: плотность составляет порядка 1 атом/см³, что почти не оказывает сопротивления движению.
Сопротивление этой среды ничтожно мало, поэтому аппарат практически не теряет скорость за счет трения. Любые изменения скорости будут связаны лишь с неожиданными гравитационными встречами или взаимодействием с плотными облаками, но эти эффекты на порядки слабее гравитационного притяжения звёзд.
Ускорение и экономия времени
Лишившись доминирующего притяжения Солнца, аппарат не получает никакого дополнительного толчка. Скорость при удалении стремится к постоянному значению, определенному энергией, полученной ранее на старте и в ходе гравитационных маневров. Дополнительные ускорения возможны только при сближении с другими массивными объектами — звездами, массивными газовыми облаками или черными дырами — но вероятность таких столкновений чрезвычайно мала.
Даже при прохождении через окрестности другой звезды, ее влияние даст незначительное изменение скорости по сравнению с начальной. Таким образом, ускорение межзвездных аппаратов зависит не от выхода за границы гравитационной сферы Солнца, а от первоначальных методов разгона и возможных последующих маневров.
Post Scriptum
Космический аппарат перестаtт ощущать воздействие солнечного ветра при пересечении гелиопаузы примерно на 122 а. е. от Солнца. Однако гравитация Солнца сохраняет контроль над аппаратом вплоть до удалtнных областей облака Оорта, а полное освобождение от доминирующей гравитации происходит на расстояниях порядка 100 000–130 000 а. е., где влияние соседних звезд сравняется с притяжением Солнца.
Чтобы это произошло, аппарату необходимо предать скоорость примерно 42 км/с относительно Солнца (на расстоянии 1 а.е., то есть орбиты Земли). Именно эту скорость (скорость убегания) должен иметь аппарат, чтобы полностью преодолеть солнечную гравитацию, если стартовать с орбиты Земли без учета дополнительных гравитационных маневров.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.