Projekt Voyager jest jedną z najsłynniejszych misji w historii badań kosmosu. Odkrycia, których dokonały legendarne sondy, jak żadne inne powiększyły naszą wiedzę na temat Układu Słonecznego. Muszę przyznać, że ich podróż ku odległym planetom, księżycom i dalej w gwiazdy zawsze mnie fascynowała. Zagłębiłem się więc w ten temat i opisałem go tak wnikliwie, jak tylko potrafię. Jeśli i Ciebie interesuje historia wiecznej podróży sond Voyager, zapraszam do lektury.
Czym jest program Voyager?
Badania odległych planet prowadzone są już od XVIII wieku. W 1781 roku uznano odkrycie Urana dokonane przez Williama Herschela. Kilkadziesiąt lat później, w 1846 roku Johann Gottfried Galle stał się odkrywcą Neptuna. W 1930 roku Clyde Tombaugh jako planetę zidentyfikował Plutona. Wszystkie te doniosłe wydarzenia łączy obserwowanie ciał niebieskich z daleka, z powierzchni Ziemi. W drugiej połowie XX wieku powstała technologia umożliwiająca wreszcie podróże w kosmos.
Pomysł zorganizowania misji Voyager powstał w połowie lat 60. W jednej z placówek NASA, Jet Propulsion Laboratory, inżynier Gary Flandro zauważył możliwość odbycia przez sondę szybszego niż normalnie lotu w kosmos. W drugiej połowie lat 70. układ planet, w szczególności Jowisza i Saturna, umożliwiał zastosowanie manewru asysty grawitacyjnej. Polega on na wykorzystaniu pola magnetycznego dużych obiektów do zmiany kierunku lotu i zwiększenia prędkości sondy. Dzięki temu misja NASA mogła trwać o 20 lat krócej.
Nadal bardzo długi, bo kilkunastoletni, czas lotu wykluczał udział ludzi w tym przedsięwzięciu. Zdecydowano się więc na skonstruowanie próbników bezzałogowych. Obie sondy wystrzelono w 1977 roku. Na orbitę okołoziemską wzniosły je rakiety Titan 3E-Centaur. Co ciekawe pierwszy w podróż udał się Voyager 2, który wystartował 20 sierpnia. Rozpoczęcie misji Voyagera 1 nastąpiło 5 września. Wyposażono je w najnowocześniejsze wówczas przyrządy służące do pomiarów i obserwacji.
Voyager 1 i 2 – dane techniczne
Bliźniacze maszyny mają 47 cm wysokości i ważą 825 kg. Ich kadłuby otaczają pierścienie o średnicy 1,78 m. Na pokładzie znajdują się m.in. kamery, anteny komunikacyjne, komputery pokładowe, fotopolarymetr do pomiaru stopnia polaryzacji promieni świetlnych, magnetometr do mierzenia pola magnetycznego i detektory naładowanych cząstek. Zasilanie instrumentom pokładowym zapewniają generatory wypełnione radioaktywnym izotopem – plutonem-238. Ich początkowa moc to 475 W. Po niemal pół wieku są w stanie wyprodukować około 250 W.
Zauważyłeś, że niektóre z tych sprzętów podałem w liczbie mnogiej? Nie zrobiłem tego przypadkiem. Ogromna odległość od Ziemi uniemożliwiała dokonywanie jakichkolwiek napraw. Z tego powodu NASA zdecydowała o powieleniu najważniejszych przyrządów. Dla przykładu komputery pokładowe są dwa, a generatory energii trzy.
Na przykładzie komputerów pokładowych można zobaczyć, jaki postęp technologiczny nastąpił od lat 70. Każdy z nich wyposażony został w pamięć wewnętrzną o pojemności zaledwie 70 kB. Wówczas sondy Voyager były jednak szczytowym osiągnięciem technologii. Dzięki temu mogły ruszyć w tak odległą podróż. Celem obu próbników stały się ciała niebieskie, do których wcześniej nie dotarła żadna ziemska maszyna.
Cel misji sond Voyager
Sondy Voyager miały za zadanie zbadać gazowe olbrzymy Układu Słonecznego. Pierwszym przystankiem w ich gwiezdnej podróży był Jowisz. W dalszej kolejności próbniki udały się w kierunku Saturna, Urana i Neptuna. Przy okazji badania planet NASA zdecydowała się na przeloty przy księżycach każdej z tych planet. Wykorzystanie manewru asysty grawitacyjnej pozwoliło maszynom znaleźć się na orbicie Jowisza już po dwóch latach od startu. W latach 1980 i 1981 Voyagery znalazły się w okolicach Saturna. Następnie, w 1986 roku Voyager 2 dotarł do Urana, a trzy lata później do Neptuna.
Dlaczego do ostatnich planet Układu Słonecznego doleciał tylko jeden z próbników? Cele badań wykonywanych przez obie sondy były, wbrew pozorom, nieco odmienne. Wysyłanie dwóch maszyn zajmujących się tym samym nie miałoby przecież sensu. Każdy z gazowych olbrzymów ma swój własny, mały układ gwiezdny złożony z księżyców. Zbadanie ich wszystkich przez jeden próbnik zabrałoby bardzo dużo czasu. Z tego właśnie powodu NASA zdecydowała się wysłać dwie sondy.
Oprócz obserwacji atmosfery Jowisza Voyager 1 został skierowany do badań księżyców Sinope, Europy, Ganimedesa, Amaltei i Kallisto. Voyager 2 udał się również w stronę Io. Orbitowanie wokół największej planety systemu doprowadziło ponadto do odkrycia księżyca Adrastea. Podobnie NASA postąpiła podczas badań naturalnych satelit Saturna. Voyager 1 przeleciał w okolicach Hyperiona, Mimasa, Enceladusa, Dione, Rei i Tethys. Bliźniacza sonda obserwowała również Japet i Tytana. Dzięki tym wszystkim badaniom dokonano wielu wspaniałych odkryć. Wiele z nich zmieniło oblicze współczesnej astronomii.
Odkrycia programu Voyager
Powiedzieć, że program Voyager był udany, to nic nie powiedzieć. Misja ta przekroczyła wszelkie wyobrażenia jej pomysłodawców. Dzięki wykonanym zdjęciom i pomiarom naukowcy dostali możliwość ujrzenia m.in. gwałtownej atmosfery Jowisza. W ten sposób świat dowiedział się, że potężne burze występują nie tylko na Ziemi. Uczeni po raz pierwszy mogli też przyjrzeć się z bliska pierścieniom Saturna.
Doniosłym odkryciem była też pierwsza poza naszą planetą obserwacja zórz polarnych. Występują one na Uranie i Neptunie. Astronomowie zobaczyli też pierwsze pozaziemskie czynne gejzery, które istnieją na powierzchni Trytona, księżyca Neptuna. Wcześniej nikt nie wiedział też, że planeta ta ma pierścienie.
Obie sondy udały się następnie ku krańcom Układu Słonecznego. Dzięki temu Voyager 1 zrobił zdjęcie wszystkich planet systemu. Ze względu na olbrzymi dystans dzielący Słońce i planety od siebie, była to tak naprawdę seria 60 fotografii połączonych później w jeden obraz. Tak powstało tzw. zdjęcie rodzinne Układu Słonecznego.
Obrazy zarejestrowane przez Voyagera 1 dały ludzkości ponadto coś, co jeszcze co najmniej na dziesięciolecia będzie rekordem. Mam na myśli Pale Blue Dot, czyli Błękitną Kropkę. Tak nazwał Ziemię astronom Carl Sagan, gdy ujrzał zdjęcie naszej planety wykonane z odległości 6,4 mld km. Fotografia pokazuje ją z największego dystansu, jaki wówczas osiągnęła jakakolwiek ludzka maszyna.
Przed próbnikami i naukowcami NASA postawiła kolejny cel. Nikt wcześniej go nie osiągnął. Była nim podróż ku krańcom Układu Słonecznego. Co więcej, jego granicę obie maszyny miały później przekroczyć. W ten sposób podróż ku gazowym olbrzymom zmieniła się w Voyager Interstellar Mission, czyli międzygwiezdną misję sond Voyager.
Voyager Interstellar Mission, czyli podróż ku gwiazdom
Zdjęcie Pale Blue Dot Voyager 1 zrobił 14 lutego 1990 roku. Sonda ta znajdowała się wówczas jeszcze w obrębie Układu Słonecznego. Kierowała się jednak dalej. W 2004 roku przekroczyła heliosferę. Tego samego dokonał trzy lata później Voyager 2. Dotarcie do tej granicy oznaczało powolne pożegnanie z naszym systemem planetarnym. Heliosfera jest bowiem miejscem, w którym ciśnienie wiatru słonecznego (a ściśle mówiąc – plazmy) jest większe niż ciśnienie wiatrów galaktycznych.
Zjawisko to występuje w całym Układzie Słonecznym. Granicą, w której to się zmienia, jest szok końcowy. Plazma słoneczna stopniowo zwalnia tam do prędkości poddźwiękowej. Gdy przeważać zaczyna ciśnienie wiatrów Drogi Mlecznej, zaczyna się obszar zwany heliopauzą. Zaniknięcie wiatru słonecznego oznacza, że dany obiekt opuścił Układ Słoneczny. W 2012 roku w miejscu tym znalazł się Voyager 1, a w 2018 Voyager 2. Dystans czasowy dzielący oba próbniki wynika z celów misji Voyagera 2. Ze względu na badanie Urana i Neptuna oraz jego księżyców do heliosfery i dalej dotarł po prostu później.
Przez kolejne stulecia obie sondy pozostaną jeszcze w oddziaływaniu pola grawitacyjnego Słońca. Gdy przelecą dystans 1,5 roku świetlnego, na zawsze utracą jakikolwiek związek z naszym systemem planetarnym. Podążą w niekończącą się międzygwiezdną podróż ku coraz bardziej odległym gwiazdom i planetom. Na swoim pokładzie niezmiennie nieść będą przesłanie od ludzkiej cywilizacji na złotych płytach zawierających najważniejsze informacje o Ziemi i człowieku.
Voyager Golden Records – najsłynniejsze płyty świata
Misję sond Voyager 1 i 2 NASA postanowiła wykorzystać w maksymalnym stopniu. Nic dziwnego. Cały projekt kosztował około 1 mld dolarów. Do tego działo się to w latach 60. i 70., gdy siła nabywcza pieniądza była znacznie wyższa niż dzisiaj. Świadomość, że sondy za kilkadziesiąt lat opuszczą Układ Słoneczny, skłoniła badaczy do umieszczenia w nich jednakowych płyt pokazujących, kto je wysłał.
Pomysłodawcami umieszczenia złotych płyt byli astronomowie Carl Sagan i Frank Drake. Wraz z innymi badaczami wybrali serię ponad 100 zdjęć przedstawiających krajobrazy i stworzenia żyjące na Ziemi. Oprócz nich dodano fotografie największych zabytków architektury i ludzi różnych kultur. Na płytach umieszczono też nagrania symfonii Bacha, Mozarta, Stawińskiego i Beethovena. Oprócz nich są tam także pozdrowienia w 55 językach współczesnych i wymarłych oraz jednym sztucznym. Jest nim esperanto.
Voyager Golden Records zawiera też informacje na temat położenia Ziemi i pozostałych planet Układu Słonecznego. Ustalono je w stosunku do 14 najbliższych pulsarów, czyli jasno świecących gwiazd neutronowych. Po odtworzeniu płyty można poznać też ludzkie DNA, skład atmosfery Ziemi, szkice atomów pierwiastków oraz podstawowe wielkości fizyczne i dane matematyczne.
Dla Sagana, Drake’a i pozostałych naukowców oczywiste było, że ewentualni znalazcy mogą nie wiedzieć, z czym mają do czynienia. Tym bardziej nie będą w stanie odtworzyć płyt. Dość powiedzieć, że po kilkudziesięciu latach wielu ludzi też już nie umie uruchomić gramofonu. Uczeni musieli więc wymyślić instrukcję obsługi zrozumiałą dla każdej rozwiniętej cywilizacji.
Za jednostkę czasu przyjęto zmianę stanu atomu wodoru. Wynosi ona 0,7 s. Dlaczego akurat astronomowie wybrali ten, a nie inny pierwiastek? Ponieważ jest to najpowszechniejszy pierwiastek występujący w całym Wszechświecie. Umożliwiło to narysowanie podanie właściwej prędkości odtwarzania. Wynosi ona 3,6 sekundy na jeden obrót płyty. Jest na niej też rysunek pokazujący, jak należy nastawić igłę fonografu. Trzeba to robić od zewnętrznej krawędzi do środka. Dane zakodowano w 512 liniach. Jest to sygnał analogowy.
Hipotetyczni odbiorcy raczej szybko nie będą mieli okazji poznać nagrań z Voyagerów. Kolosalne odległości w kosmosie czynią ich podróż zadaniem na wiele tysięcy lat. Obecnie żadna z sond nie znajduje się blisko nawet najbliższej z nich.
Dokąd dolecą sondy Voyager 1 i 2?
W trakcie swojej podróży obie sondy zbliżą się do dziesiątek gwiazd. Najbliższą z nich jest Proxima Centauri. Voyager 1 doleci do niej za 16 700 lat. Druga z maszyn dotrze do tej gwiazdy po 17 400 latach. Po ponad 30 000 lat sondy znajdą się w pobliżu Gliese 445. Co ważne, odległości te nie odnoszą się do przelotu w bezpośredniej bliskości tych ciał niebieskich. Naukowcy szacują swoje wyliczenia, uwzględniając odległość 1 parseka. Wartość ta równa jest 3,27 roku świetlnego.
Niestety ludzkość nie ujrzy już zdjęć tych obiektów. Kamery Voyagerów zostały już wyłączone. Coraz mniej danych otrzymują też naukowcy. Kolejne instrumenty pokładowe wyłączane są od 2007 roku. NASA przewiduje, że próbniki ostatecznie przestaną działać między 2025 a 2030 rokiem. Wtedy właśnie wyczerpie się energia w generatorach zapewniających zasilanie przyrządom pomiarowym.
W dalszą drogę uda się już wyłączona maszyna. Złote dyski z informacjami o Ziemi nieść będzie dalej dzięki wiatrom galaktycznym i przyciąganiu grawitacyjnemu kolejnych gwiazd. Teoretycznie gwiezdna wyprawa może trwać wiecznie. W praktyce podróż bez aktywnego napędu będzie odbywać się w sposób losowy. Niewykluczone, że sondy rozbiją się o powierzchnię jakiejś planety lub asteroidy, albo wpadną w zasięg oddziaływania czarnej dziury. Dotyczy to zresztą nie tylko Voyagerów.
Nie tylko Voyager, czyli historia misji sond Pioneer i New Horizons
Program Voyager nie był ani pierwszym, ani ostatnim, który miał na celu wysłanie sond poza Układ Słoneczny. Przed nim odbyła się misja Pioneer. Z kolei wiele lat po starcie Voyagerów wystrzelono próbnik New Horizons. Wszystkie programy eksploracji najdalszych regionów Układu Słonecznego przygotowała NASA.
Misja Pioneer
Pierwszym takim próbnikiem był Pioneer 10. Wystrzelony został w 1972 roku. Na pokładzie tej maszyny również znalazła się płyta zawierająca informacje o Ziemi i jej mieszkańcach. Dysk ten jest nie mniej słynny od złotych nośników z Voyagerów. To właśnie na płycie umieszczonej w sondzie Pioneer 10 znajduje się słynny wizerunek kobiety i mężczyzny. NASA została za niego skrytykowana. Z tego względu na Voyager Golden Records nie ma już podobizn nagich ludzi.
Pioneer 10 został wysłany w celu zbadania Jowisza. Jego przelot po orbicie planety umożliwił m.in. pomiar jej pola magnetycznego. Oprócz tego sonda ta wykonywała fotografie powierzchni planety i otaczających ją księżyców. Dwa lata po nim wystartował Pioneer 11. Zadaniem tej sondy była obserwacja Saturna. Dzięki niej odkryty został nowy księżyc tej planety – Epimeteusz. Misja tego próbnika dała też odpowiedź na pytanie o temperaturę panującą na powierzchni największego naturalnego satelity Saturna, czyli Tytana.
Misje obu sond skończyły się wiele lat temu. Ostatnie sygnały z Pioneera 10 odebrano w 2003 roku. Druga z maszyn przestała wysyłać dane na Ziemię w 1995 roku. Mimo że oba próbniki wysłano wcześnie od Voyagerów, lecą od nich wolniej. Nie dotarły one jeszcze do heliopauzy.
Misja New Horizons
Minęło niemal 30 lat, nim kolejna sonda została skierowana w stronę granic Układu Słonecznego. New Horizons została wyniesiona na orbitę okołoziemską w 2006 roku. Celem jej misji był Pluton. Próbnik doleciał do niego w 2015 roku. Badania polegały m.in. na wykonaniu map tego obiektu, a także jego największego księżyca – Charona. Oprócz tego sonda zrobiła szereg pomiarów takich jak sprawdzenie temperatury powierzchni i rozmiarów obu ciał niebieskich.
W trakcie misji New Horizons naukowcy dowiedzieli się o istnieniu kolejnych księżyców Plutona. Są nimi Hydra, Kerberos, Nixa i Styxa. Próbnik skierował się następnie w stronę Pasa Kuipera, czyli obszaru pełnego różnej wielkości planetoid. Do badań NASA wybrała (486958) Arrokoth. Z perspektywy zwykłego człowieka nie jest to zbyt interesujący obiekt.
Dla astronomów ma on jednak dużą wartość naukową. Badania takich ciał niebieskich pozwalają im lepiej poznać właściwości skał, z których 4,6 mld lat temu formowały się planety i księżyce Układu Słonecznego. Jedną z milionów pozostałości po tych czasach jest właśnie (486958) Arrokoth, czyli skała, która nie weszła w skład żadnego większego ciała niebieskiego.
W przeciwieństwie do sond Pioneer i Voyager New Horizons nadal działa. Próbnik wysyła dane naukowe z terenu Pasa Kuipera. Ciekawostką jest fakt, że wysłano go do badania planety Pluton. W tej kategorii mieścił się ten obiekt w dniu startu sondy 19 stycznia 2006 roku. Zaledwie pół roku później, 24 sierpnia, Międzynarodowa Unia Astronomiczna, uznała go za planetę karłowatą (plutoidę). Jest to kategoria ciał niebieskich, które są stadium pośrednim między planetami takimi jak Ziemia i planetoidami (asteroidami) w rodzaju (486958) Arrokoth.
Ładunek, który wiezie w gwiazdy sonda New Horizons, nie jest szczególnie imponujący. Umieszczono w niej płytę CD z listą imion i nazwisk 435 tys. chętnych osób, flagę USA, fragment pierwszego prywatnego samolotu kosmicznego SpaseShipOne i prochy Clyde’a Tombaugha. Uhonorowanie w ten sposób tego astronoma jest jak najbardziej na miejscu. Nie sądzę jednak, by ewentualni znalazcy z innej planety mieli większy pożytek z takiego prezentu. Sondy Pioneer i Voyager niosą ze sobą znacznie przydatniejsze informacje o Ziemi i jej mieszkańcach.
Projekt Voyager, jak również misje Pioneer i New Horizons to jedne z najdonioślejszych osiągnięć naukowych w historii ludzkości. Dzięki nim poznaliśmy z bliska odległe planety i księżyce. Dowiedzieliśmy się wiele o obszarach tak odległych, jak Pas Kuipera i heliopauza. Daliśmy też szansę dowiedzieć się czegoś o nas. Sondy zaniosły w przestrzeń kosmiczną przesłanie od ziemskiej cywilizacji. Przesłanie, które być może przetrwa dłużej niż ona sama.