Czterdzieści lat minęło - Voyager I i II, najwięksi podróżnicy naszych czasów

Pamiętacie polski serial Czterdziestolatek? Tytułowy czterdziestolatek, inż. Karwowski, zmaga się z kryzysem wieku średniego, choć czterdzieści lat to tak naprawdę dopiero początek prawdziwej przygody dla ciekawego świata człowieka. Właśnie ciekawość była motywem, który przyświecał twórcom sond Pioneer wystrzelonych w Kosmos we wczesnych latach 70. XX wieku, a potem bliźniaczych sond Voyager I i II, które opuściły Ziemię we wrześniu i sierpniu 1977 roku. W tym roku mija 40 lat od początku tej misji.

W filmie s-f, Star Trek: The Motion Picture, kapitan Kirk i załoga Enterprise napotykają niezwykły pojazd, który zdąża ku trzeciej planecie Układu Słonecznego. Początkowo wiedzą tylko, że to V’Ger, ale ostatecznie odkrywają prawdziwe imię - Voyager VI. Tak naprawdę nie udało się wystrzelić Voyagera VI i mało prawdopodobne jest, by Voyager I lub II natrafiły na swojej drodze na fenomen natury, które przeniesie je daleko, daleko od Słońca. Mało też prawdopodobne, by sondy działały dłużej niż przez kolejną dekadę - szacowane zapasy energii wystarczą na pracę sondy i łączność z ziemią do około 2025 roku.

W skali kosmicznej Voyagery nie dotarły bardzo daleko, choć dla człowieka to niewyobrażalne odległości. Numer I, który szybko oddala się od płaszczyzny Układu Słonecznego (płaszczyzny, blisko której znajdują się orbity planet) dotarł do granicy heliopauzy (opuścił najdalsze rubieże Układu Słonecznego). Numer II na swojej trasie napotkał więcej obiektów, nie przekroczył ostatecznie granicy heliopauzy, ale też porusza się znacznie bliżej płaszczyzny Układu Słonecznego.

Voyagera I i Voyagera II można, oprócz sond Pioneer, zaliczyć do największych podróżników XX i XXI wieku. Tak jak w epoce odkryć geograficznych człowiek na statkach przemierzał oceany w poszukiwaniu nowych lądów, tak ludzka myśl w postaci obwodów i konstrukcji Voyagerów odkrywa nieznane.

Celem sond Voyager I i II były badania gazowych olbrzymów. Numer I miał przyjrzeć się Jowiszowi i Saturnowi, w tym jego księżycowi Tytan, a numer II po pomyślnych obserwacjach tych dwóch planet, również Uranowi i Neptunowi. To dzięki tym sondom udało się uzyskać pierwsze prawdziwie wysokiej jakości obrazy tych planet, a w przypadku Urana i Neptuna jedyne wykonane z bliska. W początkach misji Voyager mieliśmy jeszcze jedną pełnoprawną planetę - Plutona. Niestety orbita sond nie pozwalała na odwiedzenie tego ciała niebieskiego. Uczynił to dopiero New Horizons w 2014 roku, który też za dwa lata ma nadzieję spotkać inny odległy obiekt.

Voyager I po odwiedzeniu Saturna wykorzystał jego grawitację, która wyrzuciła go z płaszczyzny Układu Słonecznego. Sygnał radiowy z odległości ponad 20 miliardów kilometrów, w jakiej znajduje się sonda, dociera na Ziemię po ponad 19 godzinach. Voyager II prowadzi obecnie obserwacje zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego (zwanych płaszczem) i znajduje się w odległości około 17 miliardów kilometrów od Słońca - ponad 15 godzin świetlnych.

Dla wyobrażenia sobie jak duża to odległość i jak szybki jest Voyager I porównajmy to z lotem na Księżyc. Voyager przebył drogę porównywalną z około 52000 dystansami Ziemia Księżyc. Gdyby leciał z taką samą prędkością jak pojazdy Apollo, to teoretycznie osiągnąłby swoją pozycję dopiero po ponad 700 latach. W praktyce coś takiego nie mogłoby się wydarzyć, gdyż nie miałby prędkości pozwalającej oderwać się od grawitacji Słońca.

Start Voyagera I (po lewej) i Voyagera II w 1977 roku

Prędkość Voyagera I wynosi około 17 km/s i maleje, ale już znacznie wolniej niż kiedyś - z taką prędkością, odległość Ziemia-Księżyc pokonuje w niespełna 7 godzin. Uzyskał on ją nie tyle dzięki potężnej rakiecie Titan IIIE-Centaur, ale asystom grawitacyjnym Jowisza i Saturna, które pozwoliły mu odzyskać pęd jaki utracił oddalając się od Słońca. Jest najszybszym obecnie pojazdem (maksymalna prędkość jaką osiągnął wynosiła 35 km/s) jaki zbudował człowiek, szybszym też od sondy New Horizons.

Lata 70. to nie tylko wojna w Wietnamie, afera Watergate czy rozwijająca się Solidarność i rządy Edwarda Gierka w Polsce. W skali globalnej te nadzieje najbardziej odzwierciedlał rozwój technologii, w tym komputerowych, naukowcy snuli ambitne plany podboju Księżyca i dalszych planet Układu Słonecznego jeszcze przed końcem XX wieku, a kinematografia była pełna wizjonerskich produkcji pokazujących jak dużo już potrafi świat nauki.

To właśnie w tych czasach powstały sondy Voyager I i II, choć jak na tamtą epokę nie wszystkie ich elementy były najbardziej zaawansowanymi. Sonda była bardzo skomplikowana, ale mimo iż znana była już technologia CCD, zdecydowano się w przypadku obserwacji wizualnych użyć dotychczas stosowanej i jeszcze szeroko rozpowszechnionej w kamerach telewizyjnych technologii widikonowej. Niemniej rozdzielczość sensora Voyagera - 800 x 800 pikseli, wcale nie była taka mała.

Wrażenie robią także warunki w jakich wykonano zdjęcia pierścieni Neptuna i Urana. Można je porównać do bardzo ciemnego pomieszczenia oświetlonego przez dogasającą świeczkę.

W roku 1977 rynek komputerowy dopiero odczuwał delikatny oddech zbliżającej się rewolucji pod nazwą PC, w roku 2017 w naszych kieszeniach nosimy sprzęt, który mógłby aspirować do miana superkomputera w tamtych czasach. Podobnie byłoby w przypadku Voyagera, zbudowany z pomocą dzisiejszej technologii byłby znacznie mniejszym pojazdem.

Mniejszym nie znaczy, że jego misja byłaby równie udana. W przypadku sukcesu dzisiejsza wersja Voyagera zarejestrowałaby dużo dokładniejsze dane. Jednak to, że upłynęło 60 lat od wysłania Sputnika 1 na orbitę Ziemi, nie oznacza, że dziś każda misja ma 100% szanse powodzenia. Wręcz przeciwnie, nadal każdy projekt związany z wysłaniem sondy z dala od Ziemi obarczony jest wielkim ryzykiem. Powodzenie misji może być wynikiem dobrej pracy inżynierów, ale też po części wynikiem zbiegu okoliczności, szczęścia podczas rozwiązywania napotkanych problemów. Przykładem jest misja Galileo, której sukces w obliczu porażki to zasługa postępu w technologiach komunikacyjnych już po wysłaniu sondy w kierunku Jowisza.

Voyager przygotowany do umieszczenia w luku transportowym. Instrumenty na wysięgnikach rozłożyły się dopiero na orbicie.

Bo to komunikacja jest tym co sprawiało/sprawia największy problem - i niejednokrotnie dzięki rozwojowi technologii przesyłania i kompresji danych udawało się odwrócić losy prawie skazanej na porażkę misji. Tak stało się w przypadku sondy Galileo, a wiele lat wcześniej również w przypadku Voyagera II - awaria miała miejsce na szczęście w fazie lotu międzyplanetarnego (niespełna rok po starcie) i był czas na znalezienie rozwiązania, co zajęło i tak kilka miesięcy.

Nie można zapomnieć także szczęśliwego zbiegu okoliczności jaki towarzyszył planowaniu misji. Zapewne wiecie, że na Marsa nie możemy sobie polecieć ot tak w dowolnym momencie i wrócić. Przynajmniej przy rozsądnych nakładach energetycznych. Misje są planowane tak, by wykorzystać specjalne okna, w których położenie planet jest sprzyjające.

Trajektoria lotu Voyagera I i II widziana z góry (orbita Ziemi zaznaczona na niebiesko)

Przyjrzyjmy się trajektoriom Voyagera I i II widzianym z góry. Co zwraca szczególną uwagę to położenie gazowych gigantów. Ich położenie w kolejnych latach idealnie sprzyjało ich wykorzystaniu jako grawitacyjnych proc, ale też umożliwiało w ogóle dotarcie do nich. Gdyby znajdowały się one po przeciwnej stronie swojej orbity, to misja Voyager w takiej postaci w jakiej ją znamy, nie miałaby nigdy miejsca. Albo musiałaby zostać solidnie opóźniona. Nawet o kilkadziesiąt lat - rok na Neptunie trwa 165 ziemskich lat.

Szczęście dopisywało także podczas podejmowania decyzji. Pomysł misji do planet gazowych gigantów rozważany był już od połowy lat 60. XX wieku. Od razu brano pod uwagę redundantność, by zapewnić pomyślne obserwacje w przypadku awarii jednego z pojazdów lub problemów z utrzymaniem trajektorii - tak się zresztą stało, gdy Voyager I nie dał rady zbadać Tytana, na pomoc „pośpieszył” Voyager II.

Tyle mówimy o tych sondach, ale jak się one prezentowały. Obie były identyczne, ważyły 825 kilogramów przed startem, czyli mniej więcej tyle co dawna gwiazda polskich dróg - Fiat 126p i dwójka pasażerów. Zarówno pierwsze Maluchy jak i Voyagera wyprodukowano w latach 70. XX wieku. Podobnie jak Voyagery nadal działają, także i dziś możemy spotkać na drogach sprawne fiaciki. Ale na tym kończą się podobieństwa.

Voyager I i II wyposażono w 10 instrumentów, w tym dwie kamery jako element eksperymentu obserwacji wizualnych. Dla wielu podzespołów zapewniono nadmiarowość, która czasem ratowała projekt, a czasem okazywało się, że Prawo Murphy’ego działa także w Kosmosie.

Voyagery mają bardzo niewielką pojemność pamięci roboczej, niespełna 70 kB, czyli podobnie jak pamięć niektórych 8-bitowych komputerów. To chyba najlepiej przetestowana w historii pamięć operacyjna - 40 lat chyba wystarczy, by przyznać jej gwarancję dożywotnią. Oczywiście zmieszczenie w tak niewielkiej pamięci zdjęć i danych przed ich przesłaniem byłoby niemożliwe, dlatego na pokładzie znalazły się także pamięci taśmowe.

Zastanawiacie się w jakim języku napisano oprogramowanie dla Voyagerów? To Fortran 77 (początkowo Fortran 5) i częściowo C.

Największym elementem sond, poza 13-metrowym wysięgnikiem, na którym umieszczono magnetometr (który nadal działa), jest 3,7 metrowej średnicy antena wysokiego uzysku. Służy ona do wysyłania danych. Wytyczne odbierane są przez sondy w pasmie S z „niesamowitą prędkością” 16-bitów/s, a wysyłane na Ziemię z prędkością 160 bitów/s (telemetria) oraz 1,4 kb/s dla danych naukowych.

Tak świeci jeden z Voyagerów w falach radiowych - obrazek nie rzuca na kolana, ale ta plamka to jeden z największych sukcesów astronomii (fot: NRAO/AUI/NSF)

Moc nadawcza Voyagerów to około 22W, czyli podobnie jak silnego radia CB. Tyle, że w tym drugim przypadku rozmówca jest miliony razy bliżej. By odebrać sygnał z Voyagera, na Ziemi stosowane są anteny o średnicy kilkudziesięciu metrów. Czy w danej chwili słuchamy Voyagera możecie sprawdzić na stronie sieci Deep Space Network.

Wieczorem, 2 marca 2017, Voyager II był nasłuchiwany przez radioteleskopy w Australii, numer I przez amerykańskie Goldstone  

Sondy działające w pobliżu Słońca radzą sobie dzięki panelom słonecznym, jednak już poza orbitą Jowisza moc promieniowania słonecznego jest zbyt mała. Dlatego Voyager I i II wyposażono wyłącznie w radioizotopowe generatory termoelektryczne, które powoli tracą moc. Obecnie w tempie kilku W rocznie. Kontrola misji z czasem wyłącza poszczególne eksperymenty i podzespoły, by zmniejszyć potrzeby energetyczne sondy. Mówiąc inaczej, choć niektóre instrumenty faktycznie uległy awarii, to spora ich część przestała działać z bardziej prozaicznego powodu.

Ed Stone, naukowiec misji Voyager i model sondy - po lewej widać generator energii

Planetarne wizyty sond to:

• start z Ziemi, 20.08.1977 (Voyager I) i 5.09.1977 (Voyager II)
• Jowisz, 5.03.1979 (Voyager I) i 9.07.1979 (Voyager II)
• Saturn, 12.11.1980 (Voyager I) I 25.08.1981 (Voyager II)
• Uran, 24.01.1986 (Voyager II)
• Neptun, 25.08.1989 (Voyager II)

Poniżej mozaika zdjęć Jowisza i jego księżyców oraz podobna dla Saturna (Tytan w prawym górnym rogu zdjęcia). Te zdjęcia (choć zmanipulowane przez połączenie wielu obrazów) zapisały się w historii astronomii i były często przedrukowywane w podręcznikach i literaturze popularnonaukowej. Gdyby Voyagery mogły pozostać na orbitach planet, które mijały, wiele związanych z nimi odkryć mogłoby przyjść dużo wcześniej. Kilkanaście lat później Jowisza odwiedziła sonda Galileo, która została zbudowana z części pozostałych po budowie Voyagerów.

W trakcie swoich badań planet Układu Słonecznego Voyagery odkryły:

• 22 nowe księżyce: 3 Jowisza, 3 Saturna, 10 Urana i 6 Neptuna
• obserwacje zórz na planetach gigantach
• zaobserwowano aktywność wulkaniczną na Io, księżycu Jowisza, lodowe gejzery na Trytonie, księżycu Neptuna, potwierdzono istnienie gęstej atmosfery na Tytanie, księżycu Saturna
• odkryto pierścienie Jowisza, potwierdzono ich istnienie wokół Urana i Neptuna
• zaobserwowano aktywność atmosferyczną na Neptunie
• potwierdzono istnienie globalnego pola magnetycznego poza Układem Słonecznym, które może mieć wpływ na przyszłość naszej planety

Tryton, niezwykły księżyc naszego najodleglejszego gazowego giganta (mozaika zdjęć o podkręconych kolorach)... 

...i Neptun z jego plamą w całej okazałości. Nowych zdjęć wykonanych z tak bliska jeszcze długo nie zobaczymy.

Dziś prawie każda sonda międzyplanetarna ma na pokładzie nośnik danych z zapisanymi informacjami, w tym podpisami ludzi wspierających, choćby myślą, dany projekt. Jednak tak zwana Złota Płyta (ang. Golden Record) to chyba najsłynniejsze nagranie jakie opuściło Ziemię. Wykonano ją z miedzianego 30-centymetrowego dysku pokrytego warstwą złota. To wymiar, który bardzo dobrze kojarzy się całej branży elektronicznej.

W ciągu 40 lat nasz świat zmienił się podobnie jak i kultura, ale nie przesłanie jakie zapisano na Złotej Płycie. Znajdują się na niej obrazy z Ziemi, pozdrowienia w większości języków, przykłady utworów muzycznych i dźwięków charakterystycznych dla naszej planety. Nad ich wyborem czuwał Carl Sagan.

Czy ktoś będzie w stanie zrozumieć i odczytać zapisane na płycie dane? Na płycie umieszczono instrukcję jak zbudować odtwarzacz, a także informacje o położeniu Ziemi względem pobliskich pulsarów i rysunek atomu wodoru, ale najpierw sonda musiałaby zostać przechwycona.

Możemy sobie wyobrazić, że zrobi to międzyplanetarny pojazd lub sonda dotrze w okolice pobliskich nam gwiazd i szczęśliwym zbiegiem okoliczności zostanie zauważona. Odszyfrowanie informacji nie powinno stanowić już problemu. Tylko czy wtedy ktokolwiek będzie jeszcze o nas pamiętał?

Voyager I znajduje się na trasie ku gwieździe Gliese 445 w gwiazdozbiorze Żyrafy. Za 40 tysięcy lat - mniej więcej tyle samo zajęło nam wyewoluowanie od człowieka pierwotnego - osiągnie najmniejszą odległość. Nie będzie to bliskie spotkanie - aż 1,7 roku świetlnego, kierunek jest jedynie orientacyjny. O Voyagerze II mówi się, że kieruje się w stronę Syriusza, ale to jeszcze większe przybliżenie. Ta sonda za około 44 tysiące lat również zbliży się do Gliese 445. Kilka tysięcy lat wczesniej minie bliższą gwiazdę Ross 248.

Odległości międzygwiezdne w stosunku do prędkości Voyagera, jakkolwiek największej w obecnej historii ludzkości, są niebotyczne. Trzeba też pamiętać, że Galaktyka, a zarazem sąsiedztwo Słońca to układ dynamiczny i nie tylko Voyagery lecą na spotkanie gwiazd, ale również one mogą się do nich zbliżać, podobnie jak zbliżą się kiedyś do Słońca. 

Zakładając, że mimo sceptycyzmu niektórych naukowców i wbrew naszej niezwykłej chęci do samounicestwienia, uda się nam rozwinąć technologię lotów międzygwiezdnych, to być może okaże się, że wysłaliśmy wiadomość w przyszłość swoim potomkom.

Po roku 1989 obie sondy zaczęły badać zewnętrzne obszary najbliższej nam części Układu Słonecznego. Choć jeszcze nie opuściły jego obszaru, z początkiem 1990 roku zdecydowano się przemianować nazwę misji na Voyager Interstellar Mission.

To dumne określenie, wszak do innych gwiazd jest bardzo daleko - szybsza z sond przebędzie 1 rok świetlny w 18000 lat, a to przecież niespełna 1/4 odległości do najbliższej nam gwiazdy. Najbliższe stulecia Voyagery będą zdążały ku obłokowi Oorta, czyli sferze materii, która jest jeszcze związana grawitacyjnie z naszym Słońcem. Wpływają na niego także oddziaływanie innych gwiazd i stąd czasami w naszym sąsiedztwie pojawia się wybita stamtąd długookresowa kometa lub planetoida. Dotarcie do zewnętrznych granic obłoku Oorta zajmie tysiące lat.

Najważniejsze co należy z tego zapamiętać to to, że Voyager I już znalazł się w przestrzeni międzygwiezdnej (nastąpiło to w 2012 lub 2013 roku), a Voyager II niedługo pójdzie w jego ślady.

To nie tekst o smartfonie czy nowej karcie graficznej, ale nie jest źle szukać uzasadnienia ekonomicznego dla takiego przedsięwzięcia.

Cena całej misji Voyager, która jeszcze trwa, mieści się w granicach około miliarda dolarów. Czy to dużo? Zależy do czego się odniesiemy. Wydatki na olimpiady, straty koncernów na chybionych inwestycjach czy koszty startów wahadłowców, nie mówiąc już o załogowych misjach planetarnych, przekraczają znacznie ten miliard. Ale też za miliard można zrobić bardzo wiele dobrego tutaj na Ziemi.

Voyagery nie są jednak tylko drogą zabawką znudzonych naukowców. Ich obserwacje i odkrycia potwierdziły, że nasz obraz Układu Słonecznego jest w dużym stopniu poprawny. Jednak też zmobilizowały nas do stawiania nowych pytań i planowania kolejnych misji.

Dla laika może to wydać się bez większego wpływu, ale po dłuższym zastanowieniu przyzna rację, że dzięki badaniom Voyagerów inaczej myślimy o Kosmosie i w większym stopniu wierzymy w to co mówią (postulują) astronomowie.