Сонячний парус запропонували використовувати для зближення з міжзоряними об'єктами

Американські фізики описали концепт космічної місії, яка дозволить апарату на сонячному вітрилі швидко реагувати на виявлення міжзоряних об'єктів, що перетинають нашу систему в радіусі 10 астрономічних одиниць від Сонця, і летіти до них зі швидкістю понад 6 астрономічних одиниць на рік. Як повідомляють автори в препринті на arXiv.org, це потенційно дозволить зближуватися з такими тілами і отримувати інформацію про розміри, склад і походження об'єктів при сумарній тривалості місії менше п'яти років.

Восени 2017 року астрономи виявили перший в історії спостережень макроскопічний міжзоряний об'єкт, який відвідав Сонячну систему - астероїд Оумуамуа. Два роки потому список таких тіл поповнився кометою Борисова. Вивчення міжзоряних об'єктів - зокрема, їх складу (в порівнянні зі складом тіл Сонячної системи) і механізмів, які повідомляють їм прискорення, - дозволить краще розібратися в пристрої і формуванні нашої зоряної системи та її околиць. Хоча на сьогоднішній день надійно відомо лише про два міжзоряних тіла, які відвідали околиці Сонця, деякі моделі пророкують, що поблизу світила (на відстанях порядку астрономічних одиниць) в середньому має пролітати кілька подібних об'єктів щороку.

Тим не менш, вивчати їх з близької відстані в рамках космічної місії важко - відкриття міжзоряного тіла і момент його максимального зближення з Сонцем поділяють, як правило, всього кілька місяців. З урахуванням додаткового часу, який піде на визначення траєкторії тіла і підготовку запуску, практично неможливо встигнути зблизитися з ним за допомогою звичайного космічного апарату. Наздогнати ж міжзоряний об'єкт на вихідній траєкторії також досить складно - швидкості Оумуамуа і комети Борисова склали п'ять і шість з половиною астрономічних одиниць на рік відповідно (тоді як найбільш швидкий міжзоряний апарат - «Вояджер-1» - має сьогодні швидкість близько трьох астрономічних одиниць на рік).

Фізики під керівництвом В'ячеслава Туришева (Slava Turyshev) з Лабораторії реактивного руху NASA описали концепт космічної місії, яка дозволить зближуватися з міжзоряними об'єктами з використанням сонячного вітрила - пристрою, який дозволяє переміщатися і маневрувати за рахунок тиску електромагнітного випромінювання. Раніше подібну ідею вже висував інженер з MIT в рамках конкурсу Просунутих інноваційних концептів від NASA, проте тоді він не представив докладні розрахунки і кількісні оцінки можливостей місії.

На першому етапі місії (завчасно до виявлення міжзоряного об'єкта) космічний апарат виводиться із зони переважаючого тяжіння Землі і виходить на орбіту Сонця. Потім, маневруючи за допомогою сонячного вітрила, корабель виходить на спіральну або кругову траєкторію поблизу світила і знаходиться там в очікуванні відкриття міжзоряного тіла - апарату не буде потрібно паливо, і тому навіть довге очікування не буде дуже витратним.

За рахунок близького до Сонця розташування (а значить високого тиску світла) при виявленні міжзоряного об'єкта апарат буде здатний за короткий час (близько декількох тижнів) зійти з орбіти очікування і перейти до другого етапу місії - попрямувати назустріч небесному тілу.

Розглядаючи різні відносини площі сонячного вітрила до маси апарату (цей параметр характеризує прискорення від тиску випромінювання, яке росте прямо пропорційно площі і назад пропорційно масі) і радіуси кругових орбіт очікування, автори обчислювали швидкість апарату, з якої останній покинув би Сонячну систему, якби після маневру рухався тільки під дією випромінювання і тяжіння з боку Сонця. Як нижню межу для цієї величини дослідники встановили п'ять астрономічних одиниць на рік - тобто, судячи з двох наявних спостережень, типову для міжзоряних об'єктів швидкість.

За результатами розрахунків, для реалізації необхідних швидкостей буде достатньо розмістити апарат із ставленням площі вітрила до маси близько 60 квадратних метрів на кілограм на орбіті радіусом близько 0,2 астрономічної одиниці. При цьому повну тривалість місії фізики оцінюють не більш ніж у п'ять років, а максимальну дистанцію перехоплення міжзоряного тіла - приблизно в 10 астрономічних одиниць. За словами вчених, вже з урахуванням нинішніх технологій це дозволяє при необхідності оснащувати апарат десятками кілограмів корисного навантаження - наприклад, збираючи парус потрібної площі (тисячі квадратних метрів) з декількох фрагментів. Довгострокове перебування на невеликій відстані від Сонця також принципово здійсненне - так, вітрила з каптона не будуть плавитися на відстанях аж до 0,15 астрономічних одиниць.

Автори зазначають, що деталі космічної місії допускають безліч варіацій: так, з метою економії легкі апарати можна спочатку запускати разом з іншою міжпланетною (або місячною) місією, а в ході очікування міжзоряного об'єкта - відстежувати з їх допомогою космічну погоду або проводити інші геліофізичні вимірювання.

Крім того, можна одночасно використовувати кілька апаратів - так можна за один запуск забезпечити спостереження відразу за кількома міжзоряними тілами в майбутньому, або навіть використовувати кораблі парами - в одному з можливих сценаріїв перший апарат використовується, щоб зіткнутися з небесним тілом і сформувати хмару з уламків, а другий - щоб перетнути цю хмару, зібрати матеріал і за допомогою подальших маневрів доставити його на Землю.

Раніше ми розповідали про те, як аерографітовий сонячний парус визнали придатним для міжзоряних польотів і про те, як таке пристосування з графена злетіло за допомогою лазера.