Глаза, уши и даже орган обоняния для того, чтобы изучать Плутон.

Как научный руководитель Алан отвечал за весь проект «Новые горизонты». Все команды ученых и инженеров, а также другие сотрудники из отдела по связям с общественностью и менеджеры проекта отчитывались перед ним.

Ключевой пост второго плана занимал научный сотрудник программы, должность которого предполагала сочетание экспертной квалификации и способности к дипломатии. Такая позиция существовала в каждой научной экспедиции NASA, а в более крупных проектах, таких как «Новые горизонты», были и заместители научного сотрудника. Эти ученые несли ответственность перед научным руководителем за переговоры, а также должны были представлять интересы научного руководителя и научной команды в казавшемся бесконечным потоке каждодневных встреч, которые были необходимы для организации сложного космического полета.

Должность научного сотрудника в проекте «Новые горизонты» занимал чрезвычайно талантливый, вежливый и дипломатичный ученый-планетолог Хол Уивер. Его выбрали, потому что он был очень известен в научных кругах и хорошо разбирался в профессиональной терминологии всех узких специалистов, которые занимались наукой «Новых горизонтов»: от геологии до химии поверхностных явлений, от науки об атмосфере до физики плазмы. Также отчасти выбор пал на Хола и потому, что он был опытным экспериментатором, разбирающимся в конструкции и эксплуатации многих научных приборов на «Новых горизонтах».

Изначально Хол не принадлежал к «Плутоновому андеграунду» — он занимался в основном изучением комет. Но его давно приводил в восторг пояс Койпера как район Солнечной системы, из которого ведут свое происхождение некоторые кометы. Уивер знал Стерна еще с 1980-х гг., и у них уже был опыт совместных исследований. Хол так описывал свою работу как научного сотрудника программы:

Моя роль состояла в том, чтобы быть правой рукой научного руководителя проекта, держать его в курсе по поводу того, что происходит «на земле», того, как идут разработки, проверки или другие дела, быть голосом науки, чтобы помочь инженерам понять, что от них требуется. Также я выступал в роли ученого, который понимает особенности инженерно-технических работ, чтобы, когда инженеры говорят мне: «Это очень трудно» или «Будет очень дорого, если попытаться это осуществить», я мог помочь им найти такой вариант конструкции, которая не только отвечала бы научным целям, но и соответствовала массе аппарата, его мощности, стоимости, а также требованиям расписания.

Когда люди посылают зонды с датчиками к далеким мирам, можно сказать, что мы запускаем в космос замену нашим глазам и другим органам чувств. Это сравнение особенно применимо к камерам, которые позволяют «увидеть» пейзажи планет, куда не ступала нога человека. Но это также верно и по отношению к приборам, которые позволяют «услышать» колебания далеких магнитных полей и «понюхать» газы инопланетной атмосферы, выяснить, из чего состоят эти ландшафты, что лежит под их поверхностью и какие скрытые силы, потоки и поля могут рассказать нам об истории и основных свойствах других миров.

Главным конструкторским решением, которое было принято, когда проект «Новые горизонты» только начинался, было решение о том, что в космическом аппарате не будет «гиростабилизированной платформы», то есть подвижного, вращающегося стенда, который нацеливает камеры и другие приборы в разных направлениях, не приводя в движение весь космический аппарат. Хотя такая платформа и увеличивает свободу действий при наблюдениях, которые могут быть сделаны во время пролета (иными словами, камеры могут быть нацелены на планету в то время, как антенна смотрит в другом направлении, на Землю), она добавляет аппарату вес, стоимость и усложняет его. «Вояджер» и другие межпланетные экспедиции с большим бюджетом использовали исследовательские платформы, но при том, что «Новые горизонты» были вынуждены уложиться в одну пятую стоимости «Вояджера», они просто не могли позволить себе такой роскоши. То, что такой платформы не будет, в свою очередь, означало, что все приборы на борту «Новых горизонтов» будут устанавливаться на корпус космического аппарата, поэтому придется поворачивать целиком весь зонд, чтобы направить приборы на их цель во время каждого наблюдения.

Все, кто занимался проектированием «Новых горизонтов», знали, что, в отличие от первых пролетов Венеры, Марса и Юпитера, не существует планов продолжить исследование Плутона с помощью орбитальных искусственных спутников или спускаемых аппаратов. Данных, которые они соберут, должно хватить на обозримое будущее, поскольку это будут все знания о Плутоне и его спутниках, которыми будет располагать человечество.

Но к моменту постройки «Новых горизонтов» в 2000-х техника сделала большой шаг вперед, и появилась возможность поместить на аппарат более продвинутые приборы, которые были просто недоступны командам «Маринера» и «Вояджера», работавшим в ХХ в.: в распоряжении «Новых горизонтов» имелись новые сенсоры, возможность быстрее собирать данные, кроме того, чувствительность научного инструментария была гораздо выше. Все семь приборов «Новых горизонтов» были значительно более совершенными по сравнению с теми, которые использовались в предыдущих первых пролетах мимо планет. Далее мы подробно опишем, какие приборы для исследования Плутона нес космический аппарат.

Начнем с ультрафиолетового спектрометра Alice. Представим себе ту часть спектра излучения, которую может видеть человеческий глаз, то есть свет, имеющий длину волны от красного до фиолетового. А что же находится за фиолетовым? Ультрафиолетовое излучение. Волны света этой длины, которые человек видеть не может, могут дать нам сведения о составе атмосферных газов. Некоторые особенности ультрафиолетового спектрометра Alice позволяют нам ощутить, насколько технология изготовления измерительных приборов продвинулась со времен «Вояджеров». На них тоже были ультрафиолетовые спектрометры, которые имели два пикселя — элемента изображения — и, таким образом, могли наблюдать две отдельные ультрафиолетовые волны одновременно. Это означало, что создание полноценной спектральной карты было медленным, требующим больших затрат времени процессом перемещения этих двух пикселей по необходимым длинам волн для построения спектра. Затем следовало тщательное нацеливание оси направленной антенны прибора на следующий объект, и этот процесс повторялся раз за разом, чтобы получить спектральные карты поперек диска каждого объекта, мимо которого пролетал аппарат. В отличие от устаревших спектрометров «Вояджеров», у Alice имеется 32 000 пикселей, таким образом, она может воспринимать 1024 спектра волн в каждом из 32 прилегающих друг к другу участков одновременно, что значительно ускоряет процесс сбора данных в ультрафиолетовых лучах.

Близким родственником Alice был Ralph. Его название произошло от глупой шутки, относящейся к героям старого телевизионного сериала «Новобрачные» Элис и Ральфу Крэмден. Если целью Alice было прежде всего исследование атмосферы Плутона, то Ralph предстояло картографировать его поверхность, а также определить ее состав. Размером со шляпную коробку, Ralph включает в себя две черно-белые камеры, четыре камеры с цветными фильтрами и «инфракрасный картирующий спектрометр», чтобы нанести на карту состав поверхности. Ralph может «видеть» более красные цвета, чем те, которые отличает человеческий глаз, с длиной волны, которую мы называем «инфракрасной». При этом минералы и лед имеют характерные спектральные отличительные черты, которые позволяют выяснить, из какого материала состоит поверхность в любом месте в поле зрения Ralph. Его спектрометр разделяет инфракрасное излучение на 512 спектральных каналов шириной от 1,25 до 2,5 микрона. И вновь очень показательным будет сравнение с историческим стандартом для исследований во время пролета мимо планеты — «Вояджерами». Подобный инструмент на них назывался IRIS и по размеру соответствовал Ralph, но из-за того, что был спроектирован и построен с помощью технических достижений 1970-х гг., содержал только один инфракрасный пиксель. У картирующего же спектрометра Ralph было 64 000 пикселей. Таким образом, на «Вояджерах» телескоп IRIS должен был быть нацелен на каждый участок объекта, чтобы получить спектр этого конкретного места, а затем его предстояло перенацелить на следующий объект, медленно создавая спектральную карту. Но Ralph может получить спектр каждой из 64 000 локаций одновременно и мгновенно заполнить карту всех этих участков. Это на много «световых лет» опережает то, что мог делать «Вояджер».

Определение температуры атмосферы Плутона и его атмосферного давления было еще одной задачей «Новых горизонтов». Чтобы сделать эти измерения, на борту аппарата находился радиоспектрометр REX (сокращение от англ. Radio Experiment). Он был сконструирован для того, чтобы работать совершенно иначе по сравнению со своими более примитивными предшественниками на «Вояджерах». Те радиоспектрометры работали, посылая радиоволны Х-диапазона (волны длиной 4 см) через атмосферу планет, мимо которых пролетали АМС, по направлению от космического аппарата к Земле. Эти волны ловили расположенные на поверхности Земли антенны комплекса Сети дальней космической связи NASA. Измеряя то, как радиосигнал изменяется, проходя через атмосферу различных планет и их спутников на маршруте «Вояджеров», ученые могли определить температуру и давление их атмосфер. Поскольку атмосферное давление на Плутоне значительно ниже, такой метод не мог работать, поэтому REX решал эту проблему, проводя эксперимент наоборот: Сеть дальней космической связи должна была послать гораздо более мощный сигнал, чем это могла бы сделать какая-либо аппаратура на борту АМС. Его мощность радиоизлучения должна была составлять десятки киловатт. REX предстояло принять и записать сигналы с Земли, проходящие через атмосферу Плутона.

Чтобы измерить температуру и давление атмосферы планеты, REX сравнивает частоту радиоволн, проходящих через атмосферу, с эталонным стандартом. Отклонения, которые он измеряет, пропорциональны искривлению путей распространения этих радиоволн, которое вызвано прохождением через атмосферу, изучаемую прибором. В свою очередь, такие данные можно использовать, чтобы вычислить атмосферное давление и температуру. В дополнение к этому REX способен измерить температуру поверхности в поле своего зрения.

Последним из приборов «дистанционного зондирования» на «Новых горизонтах» — приборов, которые наблюдают Плутон и его спутники через оптические и радиотелескопы, — была камера дальней разведки LORRI (сокращение от англ. LOng Range Reconnaissance Imager). В сущности, она представляет собой телескоп с сильным увеличением, снабженный мегапиксельной камерой. В отличие от цветных и спектроскопических функциональных возможностей Ralph, камера LORRI делает только черно-белые фотографии. Но поскольку ее телескоп имеет гораздо большее увеличение, чем у Ralph, изображения, полученные LORRI, имеют значительно более высокое разрешение и демонстрируют намного больше подробностей. Высокое разрешение камеры LORRI также позволяет «Новым горизонтам» увидеть особенности Плутона и его спутников с гораздо большего расстояния, чем это делает Ralph. В результате, начав работу за десять недель до пролета, LORRI смогла увидеть гораздо больше деталей на поверхности Плутона, чем космический телескоп «Хаббл». Обладая такими возможностями, камера также позволила «Новым горизонтам» получить карту всей планеты — даже тех ее частей, которые не были видны непосредственно в день пролета. Не забывайте, что Плутон вращается медленно: на один оборот вокруг своей оси ему требуется 6,4 земных суток. Это означает, что по мере приближения «Новых горизонтов» к Плутону последний раз, когда АМС может видеть «дальнюю сторону» — ту, которая не будет повернута к аппарату при максимальном сближении, — это за 3,2 суток до пролета. «Новые горизонты» будут в миллионах километров от планеты, когда смогут бросить последний взгляд на ее другое полушарие, но с телескопом LORRI аппарат сможет сделать снимки этих территорий в высоком разрешении.

Следующие два прибора на борту «Новых горизонтов» — это так называемые детекторы плазмы. Термином «плазма» планетологи пользуются, когда говорят об электрически заряженных частицах. Это часть планетологии, которой занимаются такие исследователи, как Фрэн Бэгеналь и Ральф МакНатт. О ней очень трудно рассказать неспециалистам, поскольку эта область знаний затрагивает вещи, с которыми люди обычно не сталкиваются в повседневной жизни. На Плутоне заряженные частицы возникают, когда солнечный свет ионизирует газы в атмосфере планеты. В результате с помощью изучения этих частиц можно определить скорость, с которой атмосфера улетучивается, а также состав выделяющихся газов.

Как мы уже упоминали, на «Новых горизонтах» было два прибора для изучения заряженных частиц: измеритель параметров частиц солнечного ветра (Solar Wind Around Pluto, SWAP) и спектрометр энергетических частиц (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation, PEPSSI). PEPSSI измеряет высокоэнергетические (мегаэлектронвольтные) заряженные частицы. Спектрометр может установить состав вещества, вылетающего из атмосферы Плутона, и делает это очень интересным способом. По мере того как эта атмосфера улетучивается в космос, спереди от планеты есть место, где улетучивающийся газ достигает равновесного давления с исходящим от Солнца солнечным ветром. Возникает нечто вроде ничейной территории, где два потока уравновешивают друг друга. Чем быстрее улетучивается атмосфера, тем дальше в космосе лежит точка равновесного давления с исходящим потоком солнечного ветра. Таким образом, если найти, на каком расстоянии от Плутона происходит такое явление, это позволит определить скорость, с которой газ улетучивается из атмосферы планеты. Это уже работа для SWAP.

И последний инструмент на «Новых горизонтах» — это детектор пыли (Student Dust Counter, SDC), который измеряет воздействие межпланетных пылевых частиц (крошечных метеороидов) на поверхность детекторов. Каждый раз, когда возникает воздействие на счетчик пыли, SDC создает небольшой скачок напряжения в приборе, что позволяет выяснить, насколько массивной была ударившая частица. Задача детектора — измерить концентрацию межпланетной пыли на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем ранее это делал какой-либо другой детектор, отправленный в космос. До «Новых горизонтов» самый дальний детектор пыли работал на расстоянии, чуть меньшем орбиты Урана, то есть на полпути к Плутону. SDC проследит непрерывный след концентрации космической пыли по всей Солнечной системе, начиная от Земли и заканчивая пространством за Плутоном.

Также детектор пыли является первым в истории прибором, построенным студентами и взятым в межпланетную экспедицию. Получить на него одобрение было непросто, но Алан с самого начала работы имел непоколебимые убеждения относительно того, что студенты должны иметь возможности принять участие в проекте, поэтому он использовал идею об образовательной программе, чтобы убедить NASA добавить SDC к научному инструментарию «Новых горизонтов». Сегодня благодаря новаторской роли «Новых горизонтов» в работе с изготовленным студентами датчиком такие приборы участвуют в большинстве межпланетных экспедиций NASA. Теперь они считаются ценными инструментами для подготовки нового поколения межпланетных исследователей.