Космические миссии зачастую уже после своего запуска обретают неожиданные новые задачи. И это легко объяснимо, ведь реализация каждого такого проекта — процесс весьма длительный и дорогостоящий, поэтому все участвующие и даже не участвующие в нем исследователи постоянно ищут новые пути, оправдывающие государственные вложения, ожидания налогоплательщиков, позволяющие максимизировать пользу от каждого запуска.
Теперь выявились новые полезные качества у LISA Pathfinder — космического аппарата, предназначенного для обкатки технологий будущего детектора гравитационных волн. Как выяснилось,
он оказался на удивление удачливым охотником за микрометеоритами.
Сам зонд уже больше года находится в космосе. Он был запущен Европейским космическим агентством (ESA) при участии NASA 3 декабря 2015 года с космодрома Куру во Французской Гвиане. К сожалению, сам LISA Pathfinder не способен регистрировать гравитационные волны, он лишь прокладывает дорогу для запланированной на 2034 год миссии обсерватории eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna), которая сможет регистрировать гравитационные волны методом лазерной интерферометрии в космосе.
Примерный бюджет миссии LISA Pathfinder составляет $630 млн, но это лишь технологическая демонстрация работоспособности самой концепции, призванная показать, что две незакрепленные массы, защищенные оболочкой космического аппарата, могут сохранять свои относительные позиции с той точностью, что необходима для дальнейшей реализации полноценной обсерватории для наблюдений гравитационных волн.
Датчики LISA Pathfinder измеряют относительное движение пробных масс — двухкилограммовых кубиков, изготовленных из золота и платины,
— с беспрецедентной точностью — порядка нескольких пикометров, — а корпус космического аппарата защищает их от внешнего воздействия.
Будущая eLISA обзаведется уже тремя аппаратами, похожими на LISA Pathfinder и расположенными в виде равностороннего треугольника, где каждый аппарат будет удален на 5 млн км от соседей. Вся структура, превосходящая орбиту Луны, выступит в качестве гигантского интерферометра, выявляющего малейшие сдвиги кубиков внутри аппаратов, реагирующих на прохождение гравитационных волн.
Окончательный дизайн, как ожидается, будет выбран летом 2017 года. В зависимости от ситуации с финансированием LISA предстоит еще около трех лет оценки технической готовности, прежде чем можно будет говорить о производстве новых космических аппаратов и их запуске.
В ходе шестимесячного тестирования LISA Pathfinder уже продемонстрировал чувствительность, в пять раз превосходящую ту, что необходима для полномасштабной eLISA. Теперь космическому аппарату, находящемуся еще в хорошем состоянии, исследователи подыскивают новое задание.
Первоначальная цель LISA — поддержание гравитационно-спокойной среды для своих золото-платиновых кубов и контроль этого состояния с помощью специальных акселерометров (это «самое спокойное место в Солнечной системе»).
Таким образом, вся внешняя структура LISA действует как активный микрометеоритный щит: когда что-либо вроде солнечного ветра нарушает спокойствие космического аппарата, его сверхточные ионные микродвигатели мягко компенсируют внешнее воздействие. Это помогает кубикам, плавающим внутри, оставаться в состоянии свободного падения.
И вот исследователи недавно поняли, что срабатывание подруливающих устройств на самом деле позволяет вести летопись состояния окружающей среды с точки зрения наличия в ней космической пыли и мусора.
«Каждый раз, когда микроскопическая пыль поражает LISA Pathfinder, его подруливающие устройства компенсируют тот небольшой импульс, что приобретает космический аппарат, — объясняет Диего Ханчес из Центра космических полетов имени Годдарда (NASA). — Мы можем использовать все это для того, чтобы больше узнать о соударяющихся с корпусом частицах. Помехи с точки зрения одной научной группы становятся полезными данными для другой».
Алгоритм, используемый для расшифровки подруливающих действий микродвигателей и превращающий эти данные в сведения о свойствах пыли, достаточно сложен и восходит к алгоритмам, применяемым для обнаружения гравитационных волн с помощью лазерного интерферометра обсерватории LIGO, позволившей впервые заявить о непосредственной регистрации гравитационных волн в феврале 2016 года.
Только работает он в обратном направлении — имитируются миллионы различных сценариев, описывающих воздействие пыли, для сравнения с тем, что было фактически испытано космическим аппаратом.
Речь идет, конечно, о совсем крошечных частицах (массой, измеряемой микрограммами), однако движущихся с очень высокими скоростями — до 36 тыс. км/ч (это на порядок превосходит скорость пули). У NASA уже была специальная длительная миссия, посвященная изучению последствий микрометеоритных атак, — Long Duration Exposure Facility (LDEF).
Тогда цилиндрический объект величиной со школьный автобус был размещен на низкой околоземной орбите с помощью экипажа космического челнока Challenger в апреле 1984 года и возвращен на Землю шаттлом Columbia в январе 1990 года (так совпало, что именно с этими двумя космическими кораблями связаны величайшие катастрофы в американской аэронавтике — 28 января 1986 года при взлете погиб Challenger, а 1 февраля 2003 года при посадке погибла Columbia).
Изучению также подвергались иллюминаторы возвращенных на Землю космических аппаратов и солнечные батареи Международной космической станции, испытавшие на себе «пескоструйный эффект» от микрометеоритов.
Однако микрометеоритное облако вблизи Земли имеет, по всей видимости, повышенную плотность благодаря гравитационному влиянию самой планеты, а LISA Pathfinder располагается в 1,5 млн км от Земли, в точке Лагранжа L1 между Землей и Солнцем (точке стабильности), где гораздо спокойнее (в этой же «точке» находятся сейчас и другие космические аппараты, однако на приличном расстоянии друг от друга, нерабочие же аппараты стараются увести на «кладбище» — то есть на другие, не столь ценные гелиоцентрические орбиты).
Исследователи надеются, что LISA Pathfinder соберет более репрезентативные данные об околосолнечной среде, которые окажутся крайне важными для будущих миссий, особенно для пилотируемой миссии на Марс. Ученые ожидают также, что общий поток микрометеоритов в L1 окажется существенно ниже, чем на низкой околоземной орбите, а отношение более быстрых частиц к медленным, наоборот, увеличится.
Есть также надежда на то, что данные, поставляемые LISA Pathfinder, позволяют идентифицировать отдельные микрометеоритные потоки, которые укажут на своих прародителей — конкретные астероиды и кометы.
«Мы показали, что новая технология вполне работоспособна, — уверяет Джеймс Ира Торп из того же Центра космических полетов имени Годдарда (NASA). — Следующий шаг — применение этой технологии ко всему набору данных и интерпретация полученных результатов. Мы надеемся повторить эти эксперименты также и с полноценной гравитационно-волновой обсерваторией ESA и NASA, запуск которой ожидается в 2030-х годах. Ведь с несколькими космическими аппаратами на разных орбитах, находящихся там более длительное время, качество данных должно заметно возрасти».