Не девятая планета / Offсянка

⇡#На кончике пера

Гипотеза о существовании «Планеты X» в отдаленных уголках Солнечной системы неоднократно обсуждалась в прошлом. Часто это было связано с попытками объяснить аномалии в орбитах известных планет. Индийский астроном Венкатеш П. Кетакар в 1911 году выдвинул предположение о двух транснептуновых планетах, названных Брахма и Вишну, основываясь на повторном анализе закономерностей, которые Пьер-Симон Лаплас обнаружил в движении спутников Юпитера. В 1916 году американский астроном Персиваль Лоуэлл начал целенаправленные поиски «Планеты X» и, в конечном итоге открыл Плутон. Но так и не узнал об этом: планета, зафиксированная на снимках его обсерватории, не была в то время идентифицирована.

Персиваль Лоуэлл, Клайд Томбо и Венеция Берни

Официально Плутон был открыт в феврале 1930 года благодаря усилиям американского астронома Клайда Томбо. Он обнаружил движущийся объект на фотопластинках, сделанных в обсерватории Лоуэлла. Одиннадцатилетняя школьница из Оксфорда, Венеция Берни, предложила назвать новую планету Плутоном в честь римского бога подземного мира. В 1978 году учёные нашли спутник Плутона, который получил название Харон. Это открытие окончательно подтвердило существование девятой планеты.

Внешний вид Плутона долгое время оставался загадкой. Это неудивительно, если учесть, какими инструментами его изучали. Сначала его считали газовым гигантом, похожим на Нептун. Но ближе к концу XX века учёные всё больше склонялись к мысли, что это каменный шар, похожий на Луну. А затем выяснилось, что он покрыт льдом. Более точные вычисления, основанные на длительных наблюдениях, показали, что Плутон примерно в шесть раз легче Луны и в три раза меньше её по размеру.

Выяснилось, что орбита Плутона, отличающаяся сильной вытянутостью, подвержена значительным возмущениям, включая влияние гравитации Нептуна, и является хаотической, не подчиняющейся классическим законам Кеплера. Кроме того, Плутон и его спутник Харон образуют двойную планету, поскольку оба обращаются вокруг общего центра масс, расположенного за пределами их поверхностей. Помимо Харона, у Плутона обнаружены ещё четыре спутника: Никта, Гидра, Кербер и Стикс, открытые с использованием космического телескопа «Хаббл».

Но вскоре Плутон утратил статус девятой планеты Солнечной системы. Это решение было принято на 26-й Ассамблее Международного астрономического союза (МАС) 24 августа 2006 года. Плутон не соответствовал критериям, определяющим планету, поскольку не «очистил» свою орбиту от других объектов. Он был классифицирован как карликовая планета, подобно крупным телам в поясе астероидов и поясе Койпера. Примечательно, что среди этих объектов есть те, которые по размеру сопоставимы с Плутоном. Например, Эрида, которая одно время считалась крупнее Плутона, оказалась лишь немного меньше его — разница составляет около пятидесяти километров.

⇡#Проблемы энергетики при изучении глыбы изо льда и камня

Несмотря на то, что Плутон изучен гораздо лучше других объектов пояса Койпера, по сравнению с данными о «внутренних» планетах Солнечной системы знания эти до обидного малы. Почему его вообще стоит изучать? С научной точки зрения, объекты пояса Койпера представляют огромный интерес для понимания происхождения и эволюции нашей планетарной системы. Плутон, ближайший к нам из занептуновых карликовых планет, позволяет лучше понять, как формируются и развиваются объекты в дальних уголках Солнечной системы. Его изучение помогает раскрыть динамику небесных тел и природу пояса Койпера. Пока неизвестно, возникли ли эти тела внутри системы или были притянуты Солнцем.

Исследовать Плутон и другие далекие объекты — задача важная, но сложная. Современные телескопы, даже космические, не позволяют разглядеть детали поверхности небесного тела из-за огромных расстояний. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, поэтому увидеть что-либо конкретное невозможно. А ведь именно в деталях могут скрываться ответы на многие вопросы.

Фото NASA

Один из способов изучения — отправка к нему космических зондов. Такую возможность подтверждает успех американских аппаратов Pioneer и Voyager, которые недавно покинули Солнечную систему. Однако перелёт к Плутону займёт много времени. Если лететь по экономичной «гомановской» эллиптической траектории, то путь займёт около 45 лет. Более быстрые траектории, такие как гиперболические или параболические, сократят время полёта до 15-16 лет.

Также можно использовать гравитационные маневры возле крупных планет, таких как Юпитер или Сатурн, или же у Земли и Венеры. Это позволит либо сэкономить топливо, либо сократить срок экспедиции. В итоге время перелёта может составить около десяти лет, что значительно лучше.

Перелёт на огромные расстояния предъявляет высокие требования к системам космических аппаратов. Известно, что на орбите Марса солнечные панели работают в 2,5 раза менее эффективно, чем у Земли. С удалением от Солнца их эффективность стремительно снижается из-за уменьшения освещённости. В связи с этим для миссий к дальним рубежам нашей звёздной системы применяются альтернативные источники энергии, такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Эти устройства, разработанные в 1960-х годах, остаются незаменимыми для длительных экспедиций: они не только обеспечивают электроэнергией, но и служат источником тепла для поддержания температурного режима аппарата. Их надёжность обусловлена отсутствием движущихся частей.

Размер солнечных батарей для питания аппарата, удаляющегося от Солнца. Графика NASA

Традиционно в качестве источника тепла в таких генераторах применяли изотопы стронций-90 и плутоний-238. Последний используется чаще всего – период его полураспада составляет 87 лет, что обеспечивает стабильное выделение тепла, которое можно преобразовать в электричество. Этот изотоп отличается высокой тепловой мощностью на единицу массы — примерно 567 Вт/кг — и низкой скоростью эмиссии. В то же время у плутония-238 есть и недостатки, связанные с его радиоактивностью, трудностями в производстве, необходимостью серьезных мер безопасности и дефицитом в некоторых странах.

Дефицит плутония-238 в Америке возник из-за нескольких факторов, ключевым из которых стало прекращение его производства в 1988 году. Тогда Министерство энергетики приняло решение остановить реактор в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Считалось, что имеющихся запасов плутония-238 достаточно, а дальнейшее производство этого изотопа может привести к серьёзным экологическим проблемам.

Однако оказалось, что запасы плутония-238 были не такими большими, как предполагалось. В 1992 году США начали импортировать плутоний-238 из-за рубежа, в основном из России. Но в 2008 году эти поставки прекратились. Попытки США восстановить собственное производство изотопа неоднократно предпринимались, но каждый раз оказывались безуспешными из-за высокой сложности и дороговизны технологического процесса.

Сегодня дефицит плутония-238 угрожает американским дальним космическим миссиям и заставляет искать ему замену. Один из перспективных вариантов — америций-241. Он проще и дешевле в производстве, чем плутоний-238. Период его полураспада — 432 года. Поэтому америций-241 считается более привлекательной альтернативой. Этот изотоп уже производят в Европе и испытывают в США.

Специалисты JPL проверяют многоцелевой РИТЭГ перед установкой на марсоход Curiosity. Фото NASA

РИТЭГи имеют свои преимущества, однако их мощность ограничена несколькими сотнями ватт. Это связано с массой источника тепла и относительно низким КПД безмашинных преобразователей. В то же время ядерные реакторы с турбомашинными преобразователями способны давать гораздо больше электроэнергии на единицу «ядерного топлива» — уровень их выходной мощности достигает мегаваттов. Однако их широкое применение пока не реализовано.

Существуют и другие варианты. Специалисты Исследовательского центра имени Гленна NASA и Университета Лестера работают над машинными установками, основанными на двигателе Стирлинга, который использует в качестве источника тепловой энергии америций-241. В двигателе Стирлинга работают подвижные поршни, но он не имеет клапанов, распредвалов, стартёра и системы зажигания. Предполагается, что такой машинный преобразователь способен функционировать десятилетиями практически без износа.

Система электропитания — ключевой элемент, но не единственный. Требования к ресурсу и энергетической поддержке бортовых систем в США были заложены около 60 лет назад. Тогда же стало ясно, что служебные системы, обеспечивающие поддержание теплового баланса космического аппарата, его навигацию, стабилизацию и ориентацию, связь, передачу научной и телеметрической информации, должны обладать значительным ресурсом, измеряемым десятилетиями. Для нормальной работы автоматического космического аппарата необходима надежная радиационно стойкая электроника и электромеханические приводы, обеспечивающие функционирование двигательной установки, остронаправленных антенн и других компонентов бортовых систем и научных приборов.

Кроме термоэлектрических генераторов для питания космических зондов планируется использовать изотопные установка в сочетании с двигателем Стирлинга. Фото NASA

⇡#Выбор способа достижения цели

В 1964 году студент-практикант (в будущем – инженер-двигателист) из Лаборатории реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) Гэри Фландро выдвинул идею большого космического путешествия — облёта почти всех внешних планет нашей системы, который бы воспользовался благоприятным расположением планет для выполнения серии гравитационных манёвров. Проект «Большой тур» (Grand Tour) предусматривал отправку двух космических аппаратов TOPS (Thermoelectric Outer Planets Spacecraft).

Зонды TOPS были оснащены несколькими РИТЭГами и складной остронаправленной антенной, раскрывающейся до 4,3 м в поперечнике. Первый зонд должен был исследовать Юпитер, Сатурн и Плутон, а второй — Юпитер, Уран и Нептун. Первый запуск планировался на 1977 год, второй — на 1979 год. Эта схема, в отличие от единственного запуска ко всем планетам, позволила бы сократить общее время миссии почти вдвое: с 13 до 7,5 лет. Согласно плану, первый зонд должен был достичь окрестностей Плутона в середине 1980-х.

Однако NASA выбрало другой путь и предпочло проект Voyager, который был значительно дешевле и проще. Он также предусматривал запуск двух зондов (первый улетел 5 сентября, второй – 20 августа 1977 года), причем первый из них после пролёта Сатурна должен был отправиться к Плутону, но затем планы изменились, и зонд направили к Титану, спутнику Сатурна. Плутон остался недосягаем...

Схема космического аппарата TOPS. Графика NASA

В период с 1970 по 1980 годы NASA не планировало специальных миссий к дальним планетам, за исключением возможных попутных пролётов. Одним из рассматриваемых проектов была межзвёздная миссия TAU (Thousand Astronomical Units), которая предполагала отправку автоматического зонда на расстояние в тысячу астрономических единиц от Солнца. Основная цель проекта заключалась в измерении расстояний до других звёзд методом звёздного параллакса. Благодаря большому расстоянию от Земли, точность измерений значительно повышалась, что позволяло увеличить радиус измерения расстояний до 250 000 световых лет. В рамках миссии также планировалось исследовать Плутон на пролёте. Однако сложность и высокая стоимость проекта привели к его отмене.

В 1989 году Voyager-2 достиг Нептуна, подтвердив возможность миссии к Плутону, что возродило интерес к исследованиям тогда еще девятой планеты.

Первым появился проект Pluto 350, начатый почти сразу после того, как «Вояджер-2» встретился с Нептуном. Число «350» взяли не с потолка — это была минимальная масса в килограммах зонда, намеренно максимально упрощенного. Его предполагалось оснастить камерой, ультрафиолетовым спектрометром для исследования атмосферы, научной радиоаппаратурой и устройством для изучения плазмы.

Помимо технических ограничений, связанных с запуском, существовали и научные причины: к 1987 году Плутон начал удаляться от точки перигелия, и его атмосфера могла замёрзнуть, превратившись в иней на поверхности, что делало бы её изучение невозможным.

Устройство зонда, который проектировался в рамках проекта Pluto 350. Графика NASA

Устройство зонда, который разрабатывался в рамках проекта Pluto 350. Графика NASA

Проект Pluto 350 предполагал запуск зонда на мощном и дорогостоящем американском космическом носителе Titan IV с выполнением одного гравитационного манёвра. Более экономичный вариант с использованием ракеты Delta II был возможен при манёврах у Земли и Венеры, но это существенно увеличивало продолжительность миссии. Несмотря на то, что проект казался перспективным, NASA сочло его недостаточно амбициозным и не одобрило.

В 1990 году началась работа над более сложными проектами с использованием унифицированных зондов серии Mariner Mark II, включая миссии к Плутону. Один из аппаратов, Intrepid, весил чуть менее полутора тонн. Планировалось, что он достигнет Плутона за 13–15 лет в зависимости от носителя и траектории полёта. Второй аппарат имел аналогичную платформу, но с элементами от зонда Galileo. Его особенностью была большая остронаправленная антенна диаметром 4,5 м для высокоскоростной передачи данных.

Запуск с помощью химических двигателей накладывал ограничения на сроки перелета и массу аппарата. Поэтому параллельно изучались зонды с ядерными двигателями и энергодвигательными установками. Один из таких проектов — Phoenix, рассматривался в 1991 году. При начальной массе 21 т (можно вывести на низкую околоземную орбиту с помощью шаттла) он мог нести научную аппаратуру массой 150 кг. Его энергетическим сердцем был ядерный реактор SP-100 тепловой мощностью 1,4 МВт и электрической мощностью 100 кВт, питающий бортовые системы и несколько ионных двигателей. Значительную массу — около 12 т – составляло их рабочее тело, ксенон.

Схема платформы Mariner Mark II для дальних планетных зондов. Графика NASA

Проект, который на этот раз не был простым, не прошёл из-за своей высокой стоимости. Начались поиски оптимального решения. В 1992 году JPL предложила миссию по облёту Плутона. Роберт Сталь, автор идеи, обещал завершить полёт за восемь лет, используя ракету-носитель Titan IV и гравитационный манёвр у Юпитера. Благодаря этой скорости проект получил название «Быстрый облёт Плутона» PFF (Pluto Fast Flyby).

В рамках миссии планировалось запустить два аппарата с интервалом чуть более трёх дней. Их основная задача заключалась в картографировании Плутона и Харона в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, а также с помощью радара и оптической камеры, которая имела разрешение от 10 до 50 км. Вес «плутониевого» зонда составлял всего полтора центнера, но благодаря микроминиатюризации инженеры смогли упаковать всю научную аппаратуру в 7 кг. Электропитание аппарата осуществлялось с помощью РИТЭГов.

Проект казался перспективным, но NASA вновь отказало в его реализации, посчитав его слишком дорогим. Основной причиной высокой стоимости был носитель: в те годы пуск ракеты Titan IV обходился в астрономическую сумму от 400 до 800 млн долл.!

Проект PFF хотели урезать, сократив число зондов до одного или пересадив их на менее дорогую ракету. Однако из-за снижения мощности носителя потребовалось добавить два дополнительных гравитационных манёвра — у Земли и у Венеры. В итоге срок перелёта сильно увеличился, что признали неприемлемым.

Зонд PFF, вариант 1992 года. Графика NASA/Michael Carroll/The Planetary Report

Поиски оптимального решения продолжились, и в 1994 году к проекту привлекли Россию, которая предложила использовать более дешёвую ракету-носитель «Протон», что могло сократить расходы примерно на 400 миллионов долларов. Совместные обсуждения с Институтом космических исследований (ИКИ) привели к проекту «Огонь и лёд» (Fire and Ice). Америка отвечала за «лёд» — исследование Плутона, а Россия — за «огонь» — изучение Солнца.

Для «ледяной» части миссии Россия предложила запустить маленькие зонды массой по шесть килограммов, которые должны были отделиться от перелётного аппарата на расстоянии около 34 млн км от Плутона. Они должны были исследовать Плутон и Харон с помощью миниатюрных масс-спектрометров и камер.

К сожалению, сотрудничество двух стран по этому увлекательному проекту не состоялось. В 1995 году JPL предложила собственную миссию, Pluto Express. Её целью было исследование Плутона и Харона. Вскоре миссию переименовали в PKE (Pluto Kuiper Express) и она стала включать изучение не только Плутона и Харона, но и Пояса Койпера. Аппарат весом 175 кг мог нести около 9 кг научной аппаратуры. По сравнению с проектом PFF, бюджет удалось сократить на 700 млн долл. Запуск миссии планировали на период с 2001 по 2006 год, когда гравитационные манёвры у Юпитера были наиболее благоприятными.

Выделить необходимую сумму не удалось, и в 1996 году финансирование PKE значительно урезали. Чтобы спасти проект, вновь обратились к запуску на ракете Delta II. Этого оказалось недостаточно, и двумя годами позже NASA призвало учёных удешевить научный инструментарий. Однако спасти проект не удалось. В 2000 году его бюджет превысил 1 млрд $, и миссию PKE отменили.

Схема одного из вариантов аппарата PFF с малым российским сбрасываемым зондом. Графика NASA

Проекты по исследованию Плутона с помощью зондов один за другим закрывались, однако интерес учёных к этому далёкому миру не ослабевал. В конце 2000 года NASA объявило конкурс на разработку новых миссий. Основные требования включали бюджет не более $500 млн, использование одной из новых ракет-носителей Atlas V или Delta IV, а также достижение Плутона к 2020 году. Чтобы снизить затраты, предлагалось использовать РИТЭГи, оставшиеся от предыдущих миссий.

На конкурс подали заявки Лаборатория реактивного движения JPL и Лаборатория прикладной физики APL, представив пять вариантов миссий. Проект APL оказался более экономичным. Однако в следующем году администрация президента Джорджа Буша-младшего приняла решение закрыть этот проект, заменив его более амбициозной программой Prometheus с семейством зондов, оснащённых ядерными энергодвигательными установками. Первый полёт к Плутону в рамках этой программы был запланирован на 2020 год.

Нельзя не заметить, что проекты миссий к Плутону раскачивались, словно качели: то слишком простые, то чрезмерно сложные и дорогостоящие. Казалось, что «поезд к Плутону» никогда не отправится. Однако американская научная общественность проявила инициативу, и это заслуживает огромной благодарности. В июле 2002 года учёные подготовили обзор научных целей на ближайшее десятилетие, в котором Плутон занял первое место. При этом стоимость миссии была оценена как «средняя». Это позволило убедить администрацию, и проект вновь получил поддержку.

Окончательный проект атомного зонда семейства Prometheus перед отменой в 2005 году. Графика NASA

В конкурсе NASA победу одержали Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL) и Юго-Западный исследовательский институт (SwRI). Группа под руководством Алана Стерна предложила экономичный зонд для проведения облета системы Плутона в 2015 году (основная цель) и пролета и изучения одного или нескольких других объектов пояса Койпера (дополнительная цель).

Конструкция зонда массой всего 400 кг, несущего 30 кг научной аппаратуры, строилась на платформе в форме треугольной призмы. «Выход» от аппарата предполагался значительно больше, чем от предыдущих «простых» проектов. Зонд оснастили остронаправленной антенной диаметром более 2 метров, двумя бортовыми компьютерами с 64 Гбит памяти и РИТЭГом, который ранее использовался в проекте Cassini. 5 февраля 2001 года зонд получил имя New Horizons («Новые Горизонты»).

⇡#Первая миссия к Плутону

Финансирование проекта New Horizons началось в 2002 году. Масса зонда увеличилась до 478 кг, а его стоимость возросла до $700 млн, однако он всё ещё соответствовал установленным ограничениям по массе и габаритам, а также бюджетным рамкам. На борту аппарата разместили семь научных инструментов. Ультрафиолетовый спектрометр Alice использовался для изучения поверхности планеты, камера-спектрометр видимого и инфракрасного диапазона Ralph – для исследования атмосферы. Камера высокого разрешения LORRI должна была получать детализированные изображения, а анализатор солнечного ветра SWAP служил для изучения взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром. Спектрометр энергичных частиц PEPSSI анализировал заряженные частицы. Детектор пыли VBSDC отслеживал пылевые частицы, а радиоэксперимент REX проводился для исследования радиоволн.

Схема зонда New Horizons. Графика NASA/JPL

19 января 2006 года с мыса Канаверал стартовала ракета-носитель Atlas V, которая сообщила зонду New Horizons ошеломляющую скорость 16,28 км/сек (около 58 500 км/час). Аппарат стал самым быстрым рукотворным объектом, покинувшим Землю. Хотя New Horizons не достиг рекорда по максимальной скорости, который на 2023 год принадлежит солнечному зонду Паркера, его скорость относительно Земли была впечатляющей.

После встречи с астероидом 132524 APL, New Horizons направился к Юпитеру. 28 февраля 2007 года аппарат пролетел мимо газового гиганта на расстоянии 2,3 млн км. Этот пролёт не только ускорил New Horizons благодаря гравитации Юпитера, но и позволил провести испытания научных инструментов, собрав данные об атмосфере планеты, её спутниках и магнитосфере.

После этого New Horizons большую часть времени находился в режиме гибернации, просыпаясь только для ежегодных проверок. 6 декабря 2014 года аппарат снова активировали для сближения с Плутоном. 15 января 2015 года зонд приблизился к карликовой планете на минимальное расстояние в 12 500 км. За десять дней до этого команда миссии столкнулась с непростой ситуацией: с зондом была потеряна связь. Это было крайне опасно, ведь аппарат двигался к своей цели с головокружительной скоростью. Если бы связь не восстановили в течение этих десяти дней, миссия могла бы провалиться. К счастью, связь удалось наладить, и миссия завершилась успехом.

Впервые в истории астрономии New Horizonsсделал детальные снимки спутников Плутона и его поверхности. «Новые горизонты» обнаружили азотный ледник длиной в 1000 км, который за характерную форму назвали «западным сердцем Плутона». Также была замечена слоистая атмосфера, простирающаяся на высоту до 480 км. На поверхности планетоида были найдены следы геологической активности.

Плутон и Харон — двойная система карликовых планет. Коллаж изображений, полученных зондом New Horizons. Фото NASA

Анализ снимков позволил учёным сделать вывод, что когда-то на Плутоне существовал океан. Возможно, вода до сих пор сохранилась под толщей льда на глубине около 300 км.

Объём данных, собранных во время миссии, поражает воображение. Их продолжают изучать даже спустя десятилетие после пролёта зонда мимо Плутона. New Horizons промчался мимо карликовой планеты с огромной скоростью — 14 км/сек, что по астрономическим меркам почти мгновенно. На таком расстоянии и с такой скоростью лучшая камера зонда могла наблюдать объект размером с футбольное поле, и то лишь на короткое время — около часа. За этот промежуток зонд успел запечатлеть лишь половину планеты с приличным разрешением.

Сколько же информации можно было бы получить, если бы у нас был орбитальный или посадочный аппарат! Ведь после первого контакта с Плутоном вопросов стало ещё больше. Например, как такой динамичный мир может существовать так далеко от Солнца? Что скрывается на обратной, не отснятой камерами стороне? Какой толщины ледяной покров и какая атмосфера на Плутоне? Есть ли там океан и если да, то какой он? Загадка на загадке.

⇡#Будут ли новые миссии?

Изучение возможности запуска автоматических зондов к Плутону продолжается. В частности, APL разрабатывает проект Persephone (в честь жены Плутона из древнегреческой мифологии). Его цель — детальное изучение системы Плутона, поиск глубинного океана и анализ взаимодействия атмосферы планетоида с солнечным ветром для реконструкции его эволюции. Новый зонд значительно крупнее, чем New Horizons, его масса составит более 2600 кг.

Долгая дорога к Плутону: сравнение проектов зондов с точки зрения массы и стоимости. Графика NASA

Первоначальный проект, представленный в 2020 году, предусматривает миссию продолжительностью более 27 лет с запуском на сверхтяжёлой ракете SLS Block 2 с разгонным блоком Centaur в 2031 год. Однако существует проблема: этот носитель только разрабатывается и из-за критики проекта может и не появиться. Но даже при наличии средства выведения «Персефона» достигла бы Плутона только в 2058 году.

Проект предусматривает использование пяти РИТЭГов общей мощностью 1950 Вт для питания электроракетных двигателей XR-5 с эффектом Холла, использующих ксенон. Эти технологии уже хорошо освоены, что делает проект реализуемым с применением существующих решений. Альтернативный вариант, включающий термоэмиссионный ядерный реактор мощностью 10 кВт, требует больше времени на разработку, но позволяет сократить продолжительность миссии почти на треть. Кроме того, он обеспечивает достаточное количество электроэнергии для работы радиопередатчика, который сможет передавать научные данные на Землю в четыре раза быстрее по сравнению с системой, использующей РИТЭГ. Независимо от выбранного подхода, энергии будет достаточно для выхода на орбиту Плутона.

Космический аппарат будет работать на орбите спутника Плутона более трёх лет, исследуя планетоид с помощью одиннадцати научных приборов. Для наблюдения за зимней зоной Плутона и Харона зонд оснащён камерой, аналогичной камере проекта Europa Clipper. Эта камера способна работать при очень слабом освещении и позволяет получать изображения с разрешением от 40 до 60 м на пиксель, а в некоторых областях — с ещё более высоким разрешением. Для сравнения: камера аппарата «Новые горизонты» обеспечивала наилучшее разрешение в диапазоне от 80 до 100 м.

Сравнение размеров зондов Persephone и New Horisons. Графика NASA

Орбитальный тур состоит из традиционных переходных орбит и низкоэнергетических траекторий, которые используют точки Лагранжа системы Плутон — Харон. После завершения миссии у Плутона в 2061 году зонд отправится к другим объектам пояса Койпера. Выбор цели зависит от количества оставшегося ксенона. В проекте планируется использовать 250 кг этого рабочего тела, что позволит посетить объект 2013 JR65 размером 125 км в 2074 или 2078 году либо объект 2007 JH43 диаметром 600 км в 2081 году.

Стоимость миссии оценивается в $4 млрд, включая затраты на запуск.

Алан Стерн, научный руководитель проекта New Horizons, также разработал концептуальное исследование возможной миссии к Плутону. Это предложение, известное как Gold Standard («Золотой стандарт»), предполагает, что аппарат будет иметь достаточно топлива для того, чтобы покинуть систему Плутона и пролететь мимо другого, более удалённого объекта. Если запуск состоится в 2030 году, аппарат сможет достичь своей цели к концу 2050-х годов.

Оба проекта включают выполнение гравитационного манёвра у Юпитера во время миссии к Плутону. Однако с 2032 по начало 2040-х годов Юпитер будет находиться в невыгодном положении для таких манёвров, что увеличит продолжительность полёта к Плутону или в пояс Койпера на десятилетие или даже больше.

Пока что это лишь предложения научного сообщества. Конкретных миссий к Плутону и в пояс Койпера не планируется и не финансируется. Полёты к окраинам Солнечной системы сложны и длительны, что превращает их в «миссии поколений». Начинают проект одни учёные, а продолжают их потомки. Такие миссии очень дороги. Это касается не только разработки и запуска, хотя и эти расходы могут быть миллиардными. Велики затраты на управление миссией, которая длится десятилетиями. Успех проекта зависит от стабильного финансирования на всём его протяжении.

Орбитальный аппарат для исследования Плутона и Харона. Графика Рона Миллера, Astronomy

В США пока нет стабильности в финансировании науки. Бюджет NASA на 2026 год, предложенный администрацией Дональда Трампа, предусматривал значительное сокращение федеральных расходов на научную космонавтику. Предлагалось сократить не только перспективные проекты, но и текущие миссии, включая New Horizons, который сейчас движется через неизведанный участок пояса Койпера к межзвездному пространству. Более того, под угрозой оказались обработка и систематизация данных, полученных в ходе межпланетных миссий.

Белый дом, однако, продолжает финансировать новые проекты, такие как Europa Clipper и миссия Dragonfly, которая предполагает отправку винтокрылого аппарата для исследования спутника Сатурна — Титана. Тем не менее бюджет Трампа демонстрирует нежелание поддерживать новые миссии, направленные на изучение объектов за пределами Луны и Марса. Фактически NASA предлагается сосредоточиться на пилотируемом освоении этих тел и на различных коммерческих проектах.

Несмотря на то, что предложения Дональда Трампа не нашли поддержки среди конгрессменов, запустить проект, рассчитанный на десятилетия, в текущих условиях крайне сложно. Поэтому вряд ли стоит ожидать новой миссии к Плутону в ближайшие два десятилетия. Даже если Конгресс или администрация президента восстановят бюджет NASA для планетарной науки, Плутон вряд ли станет одним из главных приоритетов. Научное сообщество США ставит на первое место совсем другие миссии. Например, в последнем десятилетнем обзоре Национальных академий на период до 2032 года приоритетными были названы миссия по возвращению образцов грунта с Марса (MSR), запуск орбитального аппарата к Урану и миссия Orbilander к спутнику Сатурна Энцеладу. Но даже эти проекты не планируются к реализации раньше 2023 года. Полёт к Плутону не попал в шорт-листы важных межпланетных миссий.

Гипотетическое изображение зонда для исследования дальних планет

Будущее новых миссий к Плутону пока остаётся неясным, но исследования тайн этой далёкой карликовой планеты продолжаются. 16 апреля 2024 года группа учёных из Бернского университета и Национального центра исследовательской компетенции NCCR PlanetS раскрыла происхождение огромной сердцевидной области на Плутоне, известной как «Область Томбо». Они провели моделирование, которое показало, что эта структура могла образоваться в результате столкновения Плутона с крупным небесным телом. Удар произошёл на небольшой скорости и почти по касательной к поверхности планеты.

Доктор Гарри Баллантайн из Бернского университета объяснил, что столкновение с объектом диаметром около 700 км привело к значительным изменениям на поверхности и внутри Плутона. Руководитель исследования, доктор Мартин Юци, отметил: «Наше моделирование показало, что небольшой угол удара и относительно низкая скорость не позволили ядру внешнего тела соединиться с ядром Плутона. Вместо этого образовался отдельный слой вещества над ним».

Был ли Харон этим объектом? Точного ответа нет, но учёные предполагают, что когда-то Плутон и Харон пережили «мягкое» столкновение. Их каменно-ледяная структура позволила им не деформироваться и не растягиваться под влиянием удара. Вместо этого они на короткое время слились, а после разделения стали двойной системой, вращающейся вокруг общего центра масс. Благодаря этому столкновению мог образоваться внутренний океан Плутона. Энергия удара могла расплавить часть подповерхностного льда.

Однако, несмотря на интерес к Плутону, учёные продолжают поиски девятой планеты. Её пока не обнаружили, но её существование объясняет поведение орбит некоторых транснептуновых объектов. Предполагается, что это мини-Нептун, зародыш газового гиганта, масса которого в несколько раз превышает массу Земли.

Как найти объект, который, возможно, больше Плутона, но тусклее и находится гораздо дальше? Учёные из китайского Университета Цинхуа предложили искать его в инфракрасном диапазоне. Им повезло: они нашли два объекта, яркость которых соответствует прогнозам астрономов для девятой планеты…