Космические аппараты достигли каждой планеты Солнечной системы. Роверы сейчас ездят по Марсу. Зонд был сброшен сквозь облака Сатурна, а Плутон был сфотографирован с расстояния менее 8 000 миль. Пересечение миллиардов миль пустого пространства начинает казаться почти рутиной. Но есть одно направление, к которому мы едва прикоснулись, одно место, которое должно быть самым лёгким для достижения, но оказывается одним из самых сложных. Прямо вверх, из плоской плоскости, которую делят все планеты, прямо над или под Солнцем — вертикальный выход из нашей Солнечной системы.
Звучит просто. Просто направь ракету вверх и лети. Проблема в том, что физика этого не позволит. Дальше вы узнаете, почему вертикальный выход сложнее, чем полёт к Плутону. Вы увидите, что ждёт там, если космический аппарат когда-нибудь совершит это путешествие, и увидите странный манёвр, который сейчас рассматривают учёные.Манёвр, при котором зонду сначала нужно упасть к Солнцу, прежде чем он сможет уйти от него.
Чтобы понять, почему вертикальный выход сложен, нужно понять, какую скорость вы уже имеете, ничего не делая. Земля сейчас движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду или около 67 000 миль в час. Это не опечатка. Каждую секунду планета, на которой вы стоите, проходит 30 км вбок вокруг Солнца. Каждый зонд, который мы запускаем с Земли, наследует это движение. Когда SpaceX или NASA запускает зонд в космос, он не начинает с покоя. Он уже движется вбок со скоростью 30 км в секунду, как и все мы.
Обычно это подарок. Если мы хотим достичь Марса, существующее боковое движение делает большую часть работы. Нам просто нужно немного скорректировать — добавить несколько километров в секунду дополнительной скорости в нужном направлении, и мы на траектории к другой планете.Но что происходит, когда вы хотите идти не к Марсу, Юпитеру или куда-либо ещё в плоскости, а прямо вверх, перпендикулярно всему остальному? Теперь это боковое движение становится вашим врагом.
Чтобы идти прямо вверх, вам сначала нужно отменить эти 30 километров в секунду, которые у вас уже есть. Затем нужно добавить новую скорость для подъёма. Требуемая общая энергия огромна. Планировщики миссий измеряют это в так называемой дельта-v — изменении скорости, которое космический аппарат должен произвести самостоятельно. Полёт к Марсу с орбиты Земли требует около 4 км в секунду дельта-v. Полёт прямо вверх из плоскости эклиптики требует примерно 30 км в секунду — почти в 10 раз больше.
Это и есть тюрьма. Орбитальное движение Земли даёт нам бесплатную скорость в одном направлении и фактически запирает нас. Мы можем легко двигаться вокруг Солнца, можем легко перепрыгивать к другим планетам в той же плоскости, но как только мы пытаемся покинуть саму плоскость, нам приходится бороться с 4,6 миллиардами лет орбитального импульса сразу.
Это один из самых контринтуитивных фактов в астродинамике. Достижение Плутона на расстоянии 3,5 миллиарда миль требует меньше энергии, чем достижение точки всего в нескольких миллионах миль прямо над северным полюсом Солнца.Поскольку вертикальный выход так дорог, почти ни один космический аппарат никогда не совершал такого путешествия, а значит, почти всё, что происходит прямо над или под Солнцем, до сих пор в 2026 году остаётся неизведанным. У нас есть подробные карты Марса и высококачественные фотографии Плутона. Мы можем показать вам крупные планы комет, астероидов, колец Сатурна и спутников Юпитера. Но полюса нашего собственного Солнца — ближайшей звезды к Земле — едва ли были видны.
Почему полюса Солнца так важны?
Есть причина, почему это важнее, чем кажется. Полярные области Солнца — это место, где происходят самые бурные и важные солнечные явления. Самые быстрые солнечные ветры исходят оттуда. Магнитное поле Солнца меняет себя каждые 11 лет благодаря процессам, которые начинаются на полюсах. Вся космическая погода нашей Солнечной системы формируется тем, что происходит над и под экватором нашей звезды.
И мы наблюдаем это почти исключительно сбоку, как если бы пытались понять погоду всей планеты, стоя только на экваторе.Было только две миссии, которым удалось получить настоящий полярный вид на Солнце. Первая — Ulysses, запущенная в 1990 году в партнёрстве NASA и ESA. Чтобы выйти из плоскости эклиптики, Ulysses пришлось сделать дикий крюк. Космический аппарат сначала отправился к Юпитеру, затем использовал гравитацию газового гиганта как рогатку, чтобы отклонить свою траекторию почти на 80 градусов от планетарной плоскости. Оттуда он снова упал внутрь к Солнцу по наклонной орбите. Миссия удалась.
Ulysses дал нам первые прямые измерения быстрого солнечного ветра из полярных корональных дыр, но аппарат был оснащён приборами 1980-х годов. У него не было камер для съёмки полюсов. Мы узнали о условиях там, но никогда не видели их на самом деле. Вторая миссия происходит прямо сейчас.Solar Orbiter, зонд Европейского космического агентства, запущенный в 2020 году, постепенно наклоняет свою орбиту с помощью гравитационного манёвра у Венеры.
В марте 2025 года Solar Orbiter отправил первые в истории человечества прямые изображения южного полюса Солнца. На снимках виден хаотичный, магнитно запутанный регион, ничего похожего на более гладкую солнечную поверхность, которую мы видим с Земли.Подумайте об этом. До прошлого года ни человек, ни робот никогда не видели, как выглядят верх или низ нашего Солнца. По-настоящему — не сверху. Ближайший и самый яркий объект в нашей локальной вселенной и, возможно, самый важный всё ещё имеет две области, которые мы только начали фотографировать.
Неизведанная форма гелиосферы
Есть вторая причина важности вертикального выхода. Мы на самом деле не знаем, как выглядит наша собственная Солнечная система снаружи. Вокруг Солнца есть огромный пузырь — гелиосфера. Это область пространства, где доминирует солнечный ветер, отталкивая межзвёздную среду за её пределы. Внутри этого пузыря живут планеты, кометы и каждый космический аппарат с человеком, который мы когда-либо запускали.
Снаружи — глубокая галактическая среда, полная космических лучей и межзвёздных частиц, от которых наш пузырь нас защищает.Десятилетиями мы предполагали, что гелиосфера имеет форму кометы — округлый фронт там, где она сталкивается с межзвёздным ветром в направлении нашего галактического движения и длинный хвост позади. Это был стандартный учебник образ. Это была хорошая догадка с учётом имеющихся данных.В 2020 году команда под руководством Мирай Офер из Бостонского университета с помощью новой модели на основе данных NASA пришла к другому выводу.
Гелиосфера, вероятно, совсем не похожа на комету. Новое предсказание ближе к сплюснутому круассану: изогнутая центральная выпуклость с двумя короткими джетами, закручивающимися от неё и без длинного хвоста.Причина нашей неуверенности в том, что мы никогда не видели наш пузырь снаружи и никогда не отправляли зонд достаточно высоко над плоскостью эклиптики для полезных измерений с нужного угла. Вояджеры пересекли гелиопаузу сбоку — почти в плоскости планет. Полезно, но недостаточно.
Чтобы действительно понять форму нашего дома в галактике,нам нужен зонд,путешествующий далеко за пределы эклиптики,смотрящий вниз на структуру сверху.Есть миссия NASA под названием IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), предназначенная для уточнения нашего понимания изнутри.Но для прямого взгляда на истинную форму пузыря единственный способ — это вертикальный выход и взгляд назад на него.Точка обзора,которой ни один космический аппарат ещё не достигал,для структуры,внутри которой мы живём,не зная её реальной формы.
Как совершить вертикальный выход?
Как же решить проблему вертикального выхода? Вы не можете просто построить большую ракету. Энергия, необходимая для отмены орбитального движения Земли слишком велика для любого разумного запаса топлива.Есть контринтуитивное решение,которое обсуждается в кругах проектирования миссий уже много лет,и оно начинает переходить от теории к конкретным предложениям.
Это называется манёвр Солнечного Оберта.Идея работает наоборот по сравнению с тем,как обычно летают ракеты.Вместо того чтобы направлять двигатели вверх и пытаться подняться,вы делаете наоборот.Вы бросаете свой космический аппарат к Солнцу,даёте ему падать внутрь,ускоряясь под действием солнечной гравитации,пока в точке максимального сближения он не движется со скоростью сотен километров в секунду,возможно,более 100 километров в секунду в перигелии.Затем,в этот самый момент,вы запускаете двигатели.Почему?Из-за принципа,который Герман Оберт сформулировал в 1929 году.
Ракетный запуск гораздо эффективнее при высокой скорости в глубоком гравитационном колодце.То же количество топлива даёт гораздо большее увеличение орбитальной энергии в перигелии,чем в пустом пространстве.Запуская двигатели на максимально возможном сближении с Солнцем,вы получаете эффект рогатки без самой рогатки.Топливо,которое вы подняли с Земли,превращается в гораздо большее количество кинетической энергии,чем где-либо ещё.После запуска ваш космический аппарат движется так быстро и в таком полезном направлении,что наконец может подняться из плоскости и направиться прямо вверх к солнечным полюсам или напрямую из Солнечной системы.
Падение становится стартовой площадкой.Солнечные паруса также обсуждаются. Миссии вроде предложенного солнечного полярного Imager и более недавней высоконаклонной солнечной миссии полагаются на огромные отражающие листы которые используют давление солнечного света для медленного наклона орбиты космического аппарата. Без топлива просто фотоны давят на тонкую металлическую плёнку площадью тысячи квадратных метров. Паруса могут годами спирально подниматься на полярную орбиту но им не нужно топливо и чем дольше они толкают тем выше наклонение они могут достичь.
Комбинируя оба способа —космический аппарат,который использует солнечный парус для спирального приближения к Солнцу,затем выполняет манёвр Оберта в перигелии для вертикального направления,а затем продолжает движение на парусе в полярные регионы —такую архитектуру миссии сейчас считают возможной астрофизики.Если нам когда-нибудь удастся это осуществить что именно увидит космический аппарат прямо над Солнцем? Во-первых вид меняется физически.
Плоскость эклиптики грязная Земля как и каждая планета плывёт сквозь тонкую дымку пыли оставшейся от миллиардов лет кометных столкновений и астероидов. Эту пыль можно увидеть своими глазами. В очень тёмную ночь сразу после заката или перед рассветом слабая пирамида света — зодиакальный свет поднимается от горизонта. Это свечение солнечного света отражённого от пыли в нашей локальной плоскости — это внутренность нашей Солнечной системы на просвет.Космический аппарат поднявшийся над эклиптикой выйдет из этой пыли за несколько месяцев. Вид там значительно чище меньше рассеянного света меньше фонового тумана такое место где телескоп мог бы обнаружить слабые сигналы которые внутри диска заглушаются пылью вокруг нас.
Это была бы одна из лучших точек обзора для инструмента ищущего признаки жизни вокруг других звёзд. С той же точки другой прибор мог бы измерить космическое микроволновое фоновое излучение или изучить структуру галактической плоскости снаружи.Во-вторых меняется солнечная среда. Над экватором Солнца медленный солнечный ветер около 400 км/с турбулентной плазмы сменяется чем-то более устойчивым. Над полярными корональными дырами есть поток быстрого солнечного ветра от 700 до 800 километров в секунду частиц текущих наружу более тонким и ровным потоком. Космический аппарат проходящий через этот поток испытал бы принципиально иную радиационную среду с последствиями как для срока службы электроники так и для научных исследований.
И в-третьих общая картина. С точки обзора высоко над эклиптикой сама Солнечная система будет видна как диск которым она и является. Вы увидите планеты в их плоском кольце вокруг Солнца с пылью прижимающейся к плоскости и гелиосферой вокруг всего этого в какой бы реальной форме она ни была. Мы смогли бы посмотреть вниз на наш собственный район впервые так же как смотрим вниз на Землю с орбиты.Мы никогда не видели этого вида ни один человек или робот ещё не отправил такую фотографию из всех изображений космоса которые нам удалось сделать тот вид вниз на нашу собственную Солнечную систему снаружи её плоскости всё ещё отсутствует.И вы если бы вам пришлось разрабатывать первую миссию для подъёма прямо над Солнцем поставили бы на солнечный парус медленный и терпеливый способ или на манёвр Оберта жёсткий и драматичный способ? Расскажите нам в комментариях.