Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее - Игорь Лисов

Нептун и его главный спутник Тритон были открыты в 1846 г., через 65 лет после Урана. Судя по записям Галилео Галилея, изобретатель первого телескопа видел Нептун 233 годами раньше, но не опознал в тусклой звездочке восьмую планету. В 1795 г. аналогичное «достижение» записал на свой счет Жозеф Лаланд, а в середине XIX в. история повторилась в еще более драматичной форме.

В 1845–1846 гг. англичанин Джон Коуч Адамс и француз Урбен-Жан-Жозеф Леверрье независимо друг от друга рассчитали орбиту и положение предполагаемой планеты, которая могла бы вносить возмущения в орбитальное движение Урана. Прогноз Адамса был проверен британским же астрономом, директором Кембриджской обсерватории Джеймсом Чаллисом, который в ходе наблюдений 8 и 12 августа 1846 г. видел Нептун, но тоже не смог опознать в нем планету! А в ночь с 23 на 24 сентября в Берлинской обсерватории молодой астроном Йоханн Готтфрид Галле и его помощник Генрих Луи д'Арре нашли Нептун по прогнозу Леверрье в 1° от указанной им точки – им и досталась слава первооткрывателей.

Нептун обращается вокруг Солнца по почти круговой орбите на среднем расстоянии 30,07 а.е. (4497 млн км) с периодом 164,8 года. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты на 29° – вполне приличный угол для большой планеты, не то что феерические 98° у Урана. В 1928 г. в результате наблюдений на Ликской обсерватории Джозеф Мур и Дональд Мензел оценили период вращения планеты в 15,8 часа. В 1980 г. это значение было поставлено под сомнение, но устояло.

Наблюдения Брэдфорда Смита в мае 1983 г. в ближнем ИК-диапазоне на 2,5-метровом телескопе чилийской обсерватории Лас-Кампанас с использованием новейшей техники регистрации на ПЗС-матрицах позволили отследить движение облачных структур в атмосфере Нептуна и дали новое значение: 17 ч 50 мин ± 5 мин, которое и было положено в основу планирования работы «Вояджера». 14 июля 1988 г. планету отсняла группа Хайди Хэммел на гавайском ИК-телескопе IRTF в «метановой» полосе 619 нм и обнаружила, что атмосферная деталь на 38° ю.ш. делает один оборот за 17 часов ровно, в то время как другая деталь на 30° с.ш. – за 17,7 часа.

Надежную оценку радиуса Нептуна дало покрытие им 15 июня 1983 г. звезды Hyd 22 58794, наблюдавшееся на шести крупных телескопах. Экваториальный радиус планеты на уровне давления 10^–6 атм был определен в 25 268 км, что хорошо стыковалось с целой серией предыдущих наблюдений и было подтверждено при еще одном покрытии 20 августа 1985 г. В пересчете на стандартный уровень давления 1 атм это давало примерно 24 760 км. Масса планеты оценивалась в 17,22 земных, что давало среднюю плотность 1,62 г/см³ – существенно больше, чем у Урана.

Как и три его соседа, Нептун представлял собой газовый гигант без твердой поверхности – за границу условно принимался уровень давления 1 атм. Основными компонентами вещества планеты считались водород, гелий и метан, который мог образовать тонкий облачный слой на уровне давления 2 атм при температуре 85 К. Помимо этого, постулировалось наличие облачных слоев из углеводородных «снежинок» и сероводорода. В атмосфере планеты неоднократно наблюдались крупные контрастные пятна, а над краем видимого диска – дымка, существовавшая несколько суток или даже недель.

Из-за удаленности от Солнца Нептун получал в 2,5 раза меньше солнечной энергии, чем Уран, но почти не отличался от последнего по температуре видимой поверхности. Это заставляло предполагать наличие внутреннего источника тепла.

В начале августа 1988 г. группа Имке де Патер из Калифорнийского университета в Беркли отчиталась о результатах радионаблюдений Нептуна на многозеркальном радиотелескопе VLA в 80 км к западу от Сокорро в штате Нью-Мексико. Этот инструмент, принадлежащий Национальной радиоастрономической обсерватории NRAO^[89], имел в своем составе 27 отдельных антенн диаметром по 25 м. Исследователи выделили в «сигнале» Нептуна синхротронное радиоизлучение, свидетельствующее о наличии у планеты радиационных поясов и магнитного поля с индукцией 0,5–1,0 Гс.

Тритон, крупнейший и довольно яркий спутник Нептуна, обнаружил британский астроном Уильям Ласселл 10 октября 1846 г., всего через 17 суток после открытия самой планеты. К изумлению ученых, он имел обратную (ретроградную) орбиту с наклонением около 160° к экватору планеты и обращался вокруг Нептуна на расстоянии 355 000 км с периодом 141 час. Диск спутника в телескопы не различался, поэтому оценки его диаметра очень сильно варьировали – от 2200 до 5000 км в зависимости от выбранного альбедо (коэффициента отражения солнечных лучей). К началу 1989 г. наиболее разумной представлялась величина 4000 км. Таким образом, размером Тритон напоминал нашу Луну. Наблюдения показывали, что у него есть атмосфера, состав и плотность которой оставались предметом дискуссий.

В ходе спектроскопических наблюдений 1980–1981 гг. Дейл Круйкшенк и Джером Эпт – будущий астронавт NASA – нашли на поверхности Тритона твердый метановый лед, причем исследователи заявили, что он не покрывает равномерно поверхность спутника, но залегает отдельными обширными областями континентального размера. Предполагалось также, что на поверхности Тритона могут существовать неглубокие озера из жидкого азота, но лишь до тех пор, пока не была получена оценка ее температуры: 52 К, то есть –221 ℃.

Небольшой второй спутник, Нереиду, открыл в 1949 г. Джерард Койпер. У нее оказалась орбита с прямым наклонением (27,6°), но сильно вытянутая – 1,38 млн км в перицентре и 9,65 млн км в апоцентре – с периодом обращения 360 суток. Блеск Нереиды испытывал странные вариации, заставлявшие предполагать неправильную форму спутника или сильную неравномерность свойств поверхности. Оценки размера варьировали от 290 до 1060 км.

Третий спутник наблюдался лишь однажды группой Гарольда Рейтсемы во время затмения звезды Нептуном 24 мая 1981 г., и его существование до пролета «Вояджера» оставалось неподтвержденным.

После открытия в 1977 г. колец Урана многие астрономы занялись поиском аналогичных структур и в системе Нептуна, используя редкие случаи затмения звезд этой планетой. Результаты были озадачивающими: провалы в блеске звезды, соответствующие ее прохождению за потенциальным кольцом, наблюдались, но далеко не каждый раз, и не было такого случая, чтобы кольцо давало о себе знать по обе стороны от планеты. Положительный результат дали наблюдения в августе 1980 г., но ничего не удалось увидеть в серии из трех затмений в 1981 г. и затем в 1983 г.

Лишь 18 апреля 1984 г. группа Филлипа Николсона надежно зафиксировала прохождение звезды за тремя очень узкими (5–9 км) и близкими кольцами на расстояниях 69 880–70 050 км от центра Нептуна. Удачными оказались также наблюдения групп Андре Брагича и Фейт Вилас на двух обсерваториях Чили 22 июля 1984 г. при затмении звезды SAO 186 001 с регистрацией одного кольца шириной 15 км на расстоянии между 66 000 и 75 000 км от центра Нептуна.

Всего же за время 110 наблюдений покрытий звезд Нептуном, выполненных к 1989 г., кольца были замечены лишь в восьми случаях! Андре Брагич и Уильям Хаббард, координировавшие эти поиски, уже в 1986 г. предложили говорить не о полных кольцах, а о дугах из твердых частиц размером от 1 мкм до 1 см. Неполнота колец неплохо объясняла непредсказуемые результаты наблюдений, но сама по себе требовала осмысления.